AutoRai

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.