21-9-2004
BMW zet 9 records met waterstof-verbrandingsmotor topsnelheid boven
300 km/h.
BMW Group schrijft automobielgeschiedenis en vergroot haar
technologische voorsprong.
Waterstof kan veel meer dan raketten tot eenzame hoogten drijven:
Wat er nu al met een waterstofaangedreven automobiel mogelijk is heeft
BMW bewezen door met haar recordwagen H2R maar liefst negen records
voor waterstofaangedreven automobielen met verbrandingsmotor te
zetten. Negen records als startschot voor het waterstof-tijdperk. De
technologie van BMW beproefd en uitgerijpt, nu is het zaak om samen
met de politiek en de energiebranche eraan te werken onze visie op
duurzame mobiliteit werkelijkheid te laten worden?, licht prof. dr.
Burkart Göschel, lid van de raad van bestuur van BMW Group toe tijdens
de recordritten. Daarmee bewees BMW op het snelle circuit van Miramas
(F) op tot de verbeelding sprekende wijze haar stelling dat waterstof
conventionele brandstoffen kan aflossen zonder dat automobilisten ook
maar iets van de dynamiek van huidige automobielen hoeven in te
leveren.
De technische gegevens van de H2R recordwagen onderstrepen dat: de 6.0
liter twaalfcilinder levert meer dan 285 pk / 210 kW. Daarmee
accelereert het prototype in ca. zes seconden vanuit stilstand naar de
100 km/h op weg naar een topsnelheid van 302,4 km/h. De
waterstof-verbrandingsmotor is gebaseerd op de benzinemotor van de BMW
760i en beschikt daardoor over de modernste technologieën als de
volledig variabele klepbediening VALVETRONIC. De modificaties
betreffen vooral de brandstofinspuiting die door BMW is aangepast aan
de bijzondere eigenschappen van waterstof. Daarbij profiteerde de H2R
natuurlijk van alle know how die BMW opdeed bij de ontwikkeling van de
BMW waterstofmotor voor serieproductie. Nog tijdens de levenscyclus
van de huidige 7 Serie zal BMW in deze serie een bivalent model op de
markt brengen dat zowel op benzine als op waterstof rijdt.
Het prototype H2R vestigde negen records, gerangschikt naar tijd en
snelheid: t in sec. v in km/h 1 kilometer met vliegende start t=11,993
v= 300,190 1 mile met vliegende start t=19,912 v=290,962 1/8 mile met
staande start t=9,921 v=72,997 1/4 mile met staande start t=14,933
v=96,994 1/2 kilometer met staande start t=17,269 v=104,233 1 mile met
staande start t=36,725 v=157,757 10 miles met staande start t=221,05
v= 262,094 1 kilometer met staande start t=26,557 v=135,557 10
kilometer met staande start t=146,406 v=245,892
De H2R recordwagen werd afwisselend gereden door drie BMW
fabrieksrijders, Alfred Hilger, Jörg Weidinger en Günther Weber.
De sportieve jacht op records levert niet alleen het bewijs welk enorm
vermogenspotentieel er schuilt in de waterstofauto. Uit de betrouwbare
techniek blijkt meteen het ontwikkelingsniveau van de
waterstofaangedreven BMW. Daarbij geeft BMW de voorkeur aan de
verbrandingsmotor, omdat dit concept in zijn geheel nog steeds de
meeste voordelen biedt.
H2R ontwikkeld in tien maanden
De BMW recordwagen H2R is bedacht, geconstrueerd en ontwikkeld door
BMWs legendarische dochteronderneming BMW Forschung und Technik GmbH.
De naam H2R staat voor H two Race Car, Hydrogen Race Car, of Hydrogen
Research Car. Voor de ontwikkeling waren slechts tien maanden
beschikbaar, vertelt Jürgen Kübler, projectleider H2R. Korte
planningen behoren echter tot de dagelijkse praktijk van creatieve
ingenieurs, waarbij een drietal omstandigheden het werk aanzienlijk
vergemakkelijkten: allereerst hebben de componenten voor de
toekomstige waterstofaangedreven productie BMW een
betrouwbaarheidsniveau bereikt van waaruit zij probleemloos waren te
adapteren voor de recordwagen. Ten tweede konden de ingenieurs bij de
constructie van het onderstel teruggrijpen op beproefde BMW
onderstelsystemen, die al aan de allerhoogste eisen voldoen. En
bovendien maakte inzet van CAD een doelgerichte, efficiënte en
tijdbesparende ontwikkeling mogelijk.
De motor: voor waterstof aangepaste standaard twaalfcilinder
Het hart van de H2R is gebaseerd op de 6.0 liter twaalfcilinder van
BMW. Het gebruik van waterstof als brandstof is mogelijk door
aanpassingen in het motormanagement en modificaties aan onderdelen van
de mengselvorming. De belangrijkste verschillen zijn de
waterstof-inblaasventielen en de materiaalkeuze voor de
verbrandingsruimten. Anders dan bij de standaard twaalfcilinder,
waarbij de brandstof direct in de verbrandingsruimten wordt gespoten,
zijn de inblaasventielen van de waterstofmotor in de aanzuigbuizen
geplaatst. Voor de recordritten is de waterstof-verbrandingsmotor op
monovalente aandrijving alleen waterstof ingesteld.
Deze keuze maakte het de ingenieurs mogelijk de motor exclusief op
waterstof af te stemmen. Zo zijn bijvoorbeeld de klepzittingen van een
speciaal gehard materiaal omdat waterstof niet de smerende werking van
het benzine/luchtmengsel heeft. Dat effect van afnemende smering trad
ook op bij de invoering van loodvrije benzine. En sindsdien zijn de
klepzittingen in productiemotoren al van een harder materiaal.
Meer rendement uit waterstof
De verbrandingseigenschappen van waterstof verschillen sterk van die
van benzine of diesel. Waterstof verbrandt bij normale luchtdruk
weliswaar sneller, maar met een iets lagere temperatuur dan benzine.
In de motor zorgt de hogere verbrandingssnelheid van het
waterstof/luchtmengsel voor hogere temperaturen dan in een
benzinemotor ontstaan. Daarom is het motormanagement van de BMW
recordwagen zo aangepast dat het waterstof/luchtmengsel pas wordt
ontstoken als de zuiger in zijn bovenste dode punt staat, om het
maximale vermogen te kunnen bereiken. Benzine/lucht mengsels
verbranden relatief langzaam, reden waarom zij met het stijgen van het
toerental steeds vroeger moeten worden ontstoken, zodat aan het begin
van de neerwaartse slag van de zuiger de maximale verbrandingsdruk
voorhanden is. De hogere verbrandingsdruk van het waterstofmengsel
heeft onmiskenbare voordelen: meer kracht uit dezelfde hoeveelheid
toegevoerde energie betekent een hoger rendement.
En hoe gunstig de bijzondere brandbaarheid van waterstof binnen de
motor ook is, zoveel zorg vergt deze eigenschap buiten de
verbrandingskamers. Om terugslag (backfiring) te vermijden
ontwikkelden de ingenieurs een speciale gaswisselings- en
inspuitstrategie.
De traploze nokkenasverstelling VANOS regelt het restgasaandeel in de
cilinders heel nauwkeurig. Voordat het waterstofmengsel binnenstroomt,
worden de verbrandingskamers met lucht gekoeld. Daarmee is gewaarborgd
dat het mengsel zich niet ongecontroleerd kan ontsteken.
VALVETRONIC ideaal voor waterstofaandrijving
Met VALVETRONIC, het unieke klepbedieningssysteem van BMW dat al
standaard op de twaalfcilinder voorhanden is, staat de ingenieurs het
beste instrumentarium te beschikking om de complexe gaswisseling aan
te sturen. VALVETRONIC beïnvloedt zowel de openingsduur als ook de
lichthoogte van de klep. En dat werkt als volgt: tussen nokkenas en
elk paar inlaatkleppen is een hefboomstelsel geplaatst. De positie van
de tussenhefbomen ten opzichte van de nokkenas is door een elektrisch
bediende extra as met excentrieken traploos verstelbaar. Al naar
gelang deze verstelling wordt via een hefboom de nokhoogte omgezet van
een kleine tot de maximale lichthoogte van een klep. VALVETRONIC werkt
nauw samen met de traploze nokkenasverstelling VANOS van BMW. Met
VANOS is het mogelijk via een hydraulisch gestuurd verstelmechanisme
de kleptiming te beïnvloeden. Volledig variabele klepbediening is een
belangrijke voorwaarde om de gaswisseling van de twaalfcilinder
optimaal op waterstof af te stemmen.
Speciale inblaasventielen voor waterstof
Het zo laat mogelijk inblazen van waterstof in de aanzuigbuizen stelt
zeer hoge eisen aan de inblaasventielen. Het vergde een totaal nieuwe
ontwikkeling. Omdat gasvormige waterstof meer volume per eenheid
energie heeft dan vloeibare benzine, zijn de inblaasventielen groter
dan conventionele inspuitventielen. Daar komt nog bij dat zij breder
inzetbaar dienen te zijn: waterstof-inblaasventielen moeten met
verschillende systeemdrukken gelijktijdig met zowel extreem korte als
ook langere inblaastijden kunnen werken. Hoofddoel van de ontwikkeling
was om in de extreem korte inblaastijd bij de hoogste toerentallen en
onder volle belasting toch de benodigde hoeveelheid waterstof in de
aanzuigbuis te kunnen blazen.
Lager verbruik in deellast, meer power bij volledige belasting
Bij volledige belasting draait de twaalfcilindermotor op een mengsel
van Lambda=1. Dat komt overeen met de mengverhouding waarop ook de
huidige benzinemotoren draaien en waarmee in principe het hoogste
vermogen kan worden bereikt. Onder gedeeltelijke belasting draait de
waterstofmotor uiterst mager en met een overschot aan lucht een ander
voordeel van waterstof. Maar bij de verbranding van waterstof ontstaat
in een klein gebied bij een bepaalde mengverhouding stikstofoxide. Het
mengselkader ligt iets boven Lambda=1 en loopt op tot Lambda >2.
Oplossing: het betreffende mengselkader is voor de motor geen
vereiste, dus springt het snelle motormanagement van de BMW
waterstofmotor er eenvoudigweg overheen en vermijdt daarmee de NOx
emissie. Resultaat: de H2R levert de dezelfde prestaties als een
conventionele automobiel op benzine, maar er komt vrijwel alleen
waterdamp uit de uitlaat.
Veiligheidstechniek
Ook het brandstofsysteem van de BMW recordwagen is gebaseerd op een
beproefd concept uit de ontwikkeling voor serieproductie. De H2R wordt
volgetankt aan een mobiel waterstofstation met handmatige
tankvulkoppeling. De naast de bestuurdersstoel aangebrachte,
vacuumgeïsoleerde en dubbelwandige tank heeft een inhoud van meer dan
elf liter vloeibare waterstof. Drie kleppen waarborgen de
hoogstmogelijke veiligheid: de systeemklep aan de tank opent bij een
druk van 4,5 bar. Twee extra veiligheidskleppen zorgen ervoor dat ook
onverhoopte lekkage in de koelmantel geen gevaar oplevert. De
veiligheidskleppen gaan open als er in de tank een druk van meer dan 5
bar heerst. Door dit dubbelredundante veiligheidssysteem is het
barsten van de tank door overdruk uitgesloten.
Warmtewisselaar in plaats van benzinepomp
De gasdruk in het brandstofsysteem wordt alleen door actief verwarmen
van de diepgekoelde, vloeibare waterstof verkregen en door een
drukregelaar op een systeemdruk van ca. 3 bar gehouden. Vervolgens
wordt de gasvormige waterstof door koelvloeistof van de motor in een
warmtewisselaar op omgevingstemperatuur gebracht.
Kleppentechniek
Andere kleppen controleren de gasdruk in de toevoerleidingen naar de
motor. Koude kleppen in het inwendige van de tank regelen de afgifte
van waterstof. Mocht een leiding gaan lekken waardoor de systeemdruk
onder 0,4 bar daalt dan sluiten de afgiftekleppen waardoor de tank van
de buitenwereld wordt ontkoppeld. De druk kan ook handmatig worden
onderbroken met een kogelkraan. Om de inblaasventielen altijd met de
juiste druk die al naar gelang de rijomstandigheden kan variëren - te
kunnen verzorgen, reduceert het motormanagement via een drukregelaar
de werkdruk in de toevoerleiding naar de inblaasventielen tot ca. 1,2
bar.
Het veelomvattende veiligheidssysteem van de H2R wordt bovendien
telemetrisch als in de Formule 1 permanent gecontroleerd. Vier
waterstofsensoren op kritieke plaatsen zoals de ruimte rond de tank en
de vulopening signaleren en melden de geringste vorm van lekkage
onmiddellijk.
Het onderstel
Voor de draagstructuur en het chassis van BMWs recordwagen H2R grepen
de ingenieurs van BMW Forschung und Technik GmbH terug op
standaardcomponenten van een exclusieve BMW sportwagen: een met
aluminium structuurplaat versterkt lichtmetalen spaceframe en het
gehele onderstel. De voorwielophanging bestaat uit een veerbeen vooras
met dubbele onderste draaipunten en een tandheugelstuurhuis, aluminium
dwarsdraagarmen, trekstangen en een stabilisator. De voorasdrager is
een samengelaste constructie van aluminiumprofielen en plaatdelen die
alle componenten van de vooras opneemt en op zes plaatsten met het
spaceframe is verbonden. De achterwielophanging wordt verzorgd door
een Integral-4 as met stabilisator en het geheel staat op 19 inch
wielen met 245/40R19 VHP banden.
Carbon carrosserie
Ontwerpers van BMW gaven de carrosserie van BMWs recordwagen H2R een
eigen gezicht. De proporties tonen zowel verwantschap met klassieke
racewagens van BMW als met recordwagens. De 5,40 meter lange, 2 meter
brede carrosserie is rondom aërodynamisch geoptimaliseerd met als
resultaat een Cw-waarde van 0,21 bij een frontaal oppervlak van 1,85
m2. Een 20 cm lange diffusor aan de achterzijde gaat remmende
luchtwervelingen achter de auto effectief tegen. Zijdelingse
profilering en voldoende lengte zorgen voor stabiele rijeigenschappen
tot in de hoogste snelheidsregionen. De huid van het spaceframe is
zoals in de Formule 1 van carbon, een koolstofvezelversterkte
kunststof. Daarmee weegt de BMW H2R inclusief rijder en volle tank
1.560 kg.
AutoRai