BMW zet 9 records met waterstof-verbrandingsmotor topsnelheid boven 300 km/h.

BMW Group schrijft automobielgeschiedenis en vergroot haar technologische
voorsprong.

München / Miramas. 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.