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Wasserstoff und die zukünftigeGeneration der
Verbrennungsmotoren
Fachhochschule Stralsund
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Inhalt:
1. Bedeutung des Wasserstoffs als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren2. Arten der Gemischbildung bei Verbrennungsmotoren3. Äußere Gemischbildung bei Wasserstoffbetrieb4. Energieumsetzung in Gasmotoren mit äußerer Gemischbildung5. Innere Gemischbildung bei Wasserstoffbetrieb6. Zukunftschancen wasserstoffbetriebener Verbrennungsmotoren
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Bedeutung des Wasserstoffs alsKraftstoff für Verbrennungsmotoren
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• Verwendung von Hydrolyse - Wasserstoff - unter Nutzungregenerativer Energien hergestellt
• Ersatz für fossile Energieträger• Vermeidung der Emissionen CO2, CO, HC bis auf minimale
Emissionen durch die Verbrennung von Schmieröl (z.B.„weniger als2% CO2-Emission eines konventionellen Dieselmotors „ Quelle: Rottengruber,
Wiebicke, Woschni, Zeilinger: Wasserstoffdieselmotor mit Direkteinspritzung, hoher Leistungsdichte und geringer Abgasemission; Teil 3;
MTZ 61(2000)2)• Fremd- und Selbstzündung möglich• große laminare Flammenfrontgeschwindigkeiten• großer Mindestluftbedarf (ca. 34 kg Luft / kg H2)• wasserstoffspezifische Gemischbildung und Verbrennung• sicherheitsgerechte Systeme
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Arten der Gemischbildung beiVerbrennungsmotoren
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Innere Gemischbildung
Saugmotor aufgeladener Motor
Abgasturbo mechanische Aufladung
Hochdruckeinspritzung
Common-Rail Pumpe-Düse Einspritzpumpe
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Arten der Gemischbildung beiVerbrennungsmotoren
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Äußere Gemischbildung
zentrale GMB dezentrale GMB
Saugmotor Gemischaufladung Saugmotor Luftaufladung
Gasmischer Saugleitungseinspritzung sequentielle Einspritzung
(GMB...Gemischbildung)
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Äußere Gemischbildung fürwasserstoffbetriebeneVerbrennungsmotoren
• Intensive Entwicklungsarbeit an Gemischbildungseinrichtungen fürwasserstoffbetriebene Ottomotoren begann in Deutschland um 1980
• Wichtigste deutsche Fahrzeughersteller mit eigenen Entwicklungensind :BMW (750hL, 12-Zylinder-Ottomotor, VH=5,4 dm3, P=150 kW)Daimler-Benz 1985-1988 (MB310 Transporter, 4-Zylinder-Ottomotor, VH=2,3 dm3, P=75 kW)MAN (SL202, 6-Zylinder-Ottomotor, VH=12 dm3, P=130 kW)
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Fahrzeuge mit H2-Ottomotor
Bild : 6-Zylinder-Ottomotor für Wasserstoff
auf dem Prüfstand (Quelle : BMW AG)
Bild : MAN-Bus mit Wasserstoff-Ottomotor (Quelle : MAN AG)
Bild : BMW 750 hL (Quelle : BMW AG)
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Eigenschaften des Wasserstoffsals Kraftstoff für Ottomotoren
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38353240 kJ/m3Gemischheizwert (st.)
1,76 29,53 Vol-%StöchiometrischerAnteil in Luft
ca. 40ca. 190 cm/sLaminare Flamm-geschwindigkeit (st.)
1 – 8 4 - 75 Vol-% Zündgrenzen in Luft
0,24 0,02 mJZündenergie in Luft
Benzin Wasserstoff
Quelle : ISBN 3-88585-660-3
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• Rückzündungen in die Ansauganlage während desAnsaugtakts
• Glühzündungen während des Kompressionstakts
• Klopfende, unregelmäßige Verbrennung
• Stickoxidemissionen
Probleme bei der Verwendungvon Wasserstoff als Kraftstoff für
Ottomotoren
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Maßnahmen zur Beseitigung derProbleme
• Kühlung von heißen Punkten im Brennraum durchBallastgas (Magerbetrieb)
• Erhöhung der nötigen Zündenergie durch Magerbetrieb desMotors
• Senkung der Verbrennungstemperaturen durchMagerbetrieb des Motors
• Vermeidung von Wasserstoffansammlungen in derAnsauganlage
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Anforderungen an dieGemischbildungsanlage
• Ermöglichen des Magerbetriebs des Motors mit einemVerbrennungsluftverhältnis von mindestens λ = 1,8
• Sequentielle Wasserstoffeinblasung für jeden Zylinder nurwährend des Ansaugtakts
• Möglichst späte Einblasung des Wasserstoffs zum Endedes Ansaugtakts
• Verhinderung des Einsickerns von Wasserstoff innerhalbvon Stillstandszeiten durch Leckagen der Einblasventile
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Versuchsmotor der FH Stralsund
Projekt : Umrüstung eines Serienmotors aufWasserstoffbetrieb; 1996/1997
Hersteller : FordArbeitsprinzip : 4 Zylinder - 4 Takt - OttomotorHubraum : 1400 cm3
Verdichtung : 9,5 : 1Zündwinkel : 10° vor OT (fest)Lambda : ca. 1,8 - 2,0Leistung : 18 kW (n = 3900 min-1);
vorher 55 kW im Benzinbetrieb
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Aufbau der Gemischbildungsanlage amVersuchsmotor der FH Stralsund
Bild : Wasserstoffversorgung schematisch
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Aufbau der Gemischbildungsanlageam Versuchsmotor der FH Stralsund
Bild : Ansauganlage Ford-Versuchsmotor Bild : H2-Einblas-Einheit im Saugrohr
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Aufbau der Gemischbildungsanlageam Versuchsmotor der FH Stralsund
Bild : H2-Einblas-Einheit Bild : H2-Steuerventil
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Aufbau der Gemischbildungsanlageam Versuchsmotor der FH Stralsund
Bild : H2-Versuchsmotor Bild : Unterdrucksensor
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Versuchsfahrzeug Ford Escort
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Tankeinheit des Testfahrzeugs
Bild : Tankeinheit für Wasserstoff
Volumen : 2 x 60 dm3
Speicherdruck : 200 bar
Kapazität : 24 m3
Material : Stahl mit Aramidfasern ummantelt
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Projektschwerpunkte – Innere GemischbildungBrennverfahren für wasserstoff-
betriebene Verbrennungsmotoren
Entwicklung eines Gaseinblassystemsfür Wasserstoff
Versuchsanlagen für das Einblassystem
Gleichraumbrennkammer 1-Zylindermotor• Realisierung einer Gasein-• blasung mit hohen Gas-• drücken und sehr kurzen• Einblaszeiten
• das Einblasventil muß ein• real einsetzbares Bauteil sein
- Auslegung und Konstruktion- des Gasinjektors
- Auslegung der hydraulischen- Steuerung des Systems
• Erprobung und Abstim-• mung des Einblassystems• (Arbeitsweise, Dynamik)
• Optimierung der Hydrau-• liksteuerung
• Grundlagenversuche zur• H2-Verbrennung mit dem• Einblassystem
- Entwurf und Aufbau eines- Versuchsstandes mit einer- dem Brennraum des- 1-Zylindermotors entspr.- Brennkammer
• Erprobung des Einblas-• systems und des damit• realisierten Brennverfah-• rens am Motor• (Nutzleistung, Ver-• brauch, Emissionen)
• Ermittlung der Möglich-• keiten und Grenzen der• H2-Verbrennung
• Grundlagenversuche zur• H2-Verbrennung mit dem Einblassystem
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Schema des BrennkammerversuchsstandesA – Meßwerterfassungssystem MUSYCS
B – Servoverstärker
C – Abgasführung mit Probenentnahme
D – Nadelhubmessung
E – Servoventil
F – Hydraulikaggregat
G – Einblasventil
H – Brennkammer
J – Brenngasversorgung
K – Verbrennungsluft- und Spülstickstoffversorgung
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Brennkammerversuchsstand
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Schema der Gleichraumbrennkammer
huH2,ρH2(L),pH2(L),TH2(L)
pu,Tu
SN
V = konst. Zustand 1pLuft(Bk)
TLuft(Bk)
ρLuft(Bk)mLuft(Bk)
Zustand 2p(Bk)=f(t)T(Bk)=f(t)m(Bk)=f(t)mAbgas(Bk)
Indizes :
(u) – Umgebungsbedingungen
(L) - Zustand in der Gasdruckleitung
(Bk) - Zustand in der Brennkammer
Zustand 1 = Ladeluftbedingungen
Zustand 2 = Prozeßbedingungen
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Ansteuerung des Gaseinblasventils
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Verbrennungsprozeß in derGleichraumbrennkammer
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Einfluß des Verbrennungsluftverhältnisses aufden Verbrennungsdruckverlauf
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Einfluß des Zündzeitpunktes auf denVerbrennungsdruckverlauf
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0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1 2 3 4 5 6 7
Zündzeitpunkt [ms vor EE]
Zün
dver
zug
[ms]
Lambda=2
Lambda=2,5
Lambda=3
Lambda=3,5
Einfluß des Zündzeitpunktes und desVerbrennungsluftverhältnisses auf den Zündverzug
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Einfluß des Zündzeitpunktes und desVerbrennungsluftverhältnisses auf den
maximalen Verbrennungsdruck
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
1 2 3 4 5 6 7
Zündzeitpunkt [ms vor EE]
max
. Ver
bren
nung
sdru
ck [
bar]
Lambda=2
Lambda=2,5
Lambda=3
Lambda=3,5
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Zukunftschancen wasserstoffbetriebenerVerbrennungsmotoren
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• Nutzwirkungsgrad (effektiver Wirkungsgrad) muß dem deskonventionellen Dieselmotors entsprechen
• Verbesserung des Teillastverhaltens im Vergleich zu Brennstoffzellen• Systemwirkungsgrad, Kosten und Schadstoffemissionen müssen mit
denen von Brennstoffzellen verglichen werden• leistungsbezogene Motormasse und leistungsbezogenes Motor-
volumen müssen im Bereich der konventionellen Motoren liegen(unter Berücksichtigung der Hilfsaggregate)
• massebezogene und volumetrische Speicher-Energiedichte mußerhöht werden
• Wasserstoff muß unter Berücksichtigung der Gesamt-Schadstoff-Emission mit regenerativen Energien hergestellt werden
• Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur