Wasserstoff Verbrennungsmotor!?

Diskutiere Wasserstoff Verbrennungsmotor!? im Wasserstoff Forum im Bereich Alternative Kraftstoffe; Servus,Moin und Hallo Hat sich jemand hier im Forum mal intensiv mit der Materie beschäftigt?Wo liegt die Zukunft des Motors an sich?Gehen wir...
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MikeM3

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Servus,Moin und Hallo

Hat sich jemand hier im Forum mal intensiv mit der Materie beschäftigt?Wo liegt die Zukunft des Motors an sich?Gehen wir mal vom Beispiel des einzigen fast serienreifen Wasserstoffmotors aus,dem 6l-V12 von BMW mit 390 NM und 260 PS.

1.Werden höhere Literleistungen möglich sein als jetzt?(BMW 43.333 PS/l)
2.Eigenet sich ein H-Motor für Aufladung via Turbo oder Kompressor?
3.Welches Konzept eignet sich besser für einen H-Motor,ein Hochdrehzahlmotor oder ein Hubraummonster?
4.Wieviel wiegt so ein Wasserstofftank?

Mike
 
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EHRENMOD
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Mazda hat auch einen H Verbrennungsmotor im RX8 ;)


Aber zum Motor mal Allgemein:

Er ist ähnlich aufgebaut wie ein Otto-Motor, da der jeweilige Kraftstoff nur durch Wasserstoff ersetzt wird. Da die Zündtemperatur von Wasserstoff mit 560 °C ungefähr 300 K über der von Dieselkraftstoff liegt, müssen für die Selbstentzündung, die Grundlage des Diesel-Prinzips ist, die Voraussetzungen geschaffen werden. Das bedeutet einerseits eine hohe Verdichtung, weil damit die Temperatur im Brennraum ansteigt, und zusätzlich eine erhöhte Ansauglufttemperatur, damit die Temperatur im Brennraum zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinbringung so hoch ist, dass der Kraftstoff sicher entzündet wird. Dies ist ab 750 °C der Fall. Dies führt aber zu erheblichen technischen Schwierigkeiten. Herkömmliche Techniken der Kraftstoffzufuhr können ebenso vom Otto-, Wankel- oder Dieselmotor übernommen werden. Bei Hubkolbenmotoren muss man besondere Vorkehrungen treffen, damit der Wasserstoff sich nicht frühzeitig selbst entzündet, so müssen die Auslassventile gekühlt werden. Dies entfällt beim Wankelmotor, ein weiterer Vorteil dieser Motorenart ist der räumlich von einander getrennte Verdichtungs- und Verbrennungsraum. Für die Gemischaufbereitung und Zündung gibt es unterschiedliche, folgend beschriebene, Verfahren.

Äußere Gemischbildung (Saugrohr-Einblasung)

Bei der äußeren Gemischbildung mit GH2 (Gasförmiger Wasserstoff) wird Wasserstoff mit geringem Überdruck an das Ansaugrohr eingeblasen. Wenn der Kraftstoff als LH2 (Flüssiger Wasserstoff) im Kraftstofftank gespeichert wird, muss er auf dem Weg vom Tank zum Motor erwärmt werden, so dass er dort gasförmig ankommt. Der Kraftstoff wird noch vor dem Eintritt in den Verbrennungsraum mit der angesaugten Luft vermischt (Merkmal der äußeren Gemischbildung). Dieses Gemisch wird nach dem Schließen der Einlassventile im Verbrennungsraum zum Beispiel durch den Funken einer Zündkerze fremdgezündet. Da Wasserstoff eine sehr geringe Dichte hat, verdrängt er bei der Saugrohr-Einblasung viel Luft. Folglich kommt weniger Luft in den Brennraum, der Liefergrad wird schlechter. Alternativ kann LH2 in das Saugrohr eingespritzt werden. Durch den Kontakt mit der vergleichsweise warmen Ansaugluft erwärmt sich der Wasserstoff. Die Ansaugluft hingegen kühlt sich ab und nimmt dadurch im Volumen ab. Dadurch kann mehr Luft in den Brennraum einströmen. Man spricht von erhöhtem Liefergrad.

Innere Gemischbildung (Direkt-Einblasung)

Bei diesem Mischungsverfahren wird Wasserstoff unter hohem Druck (80 – 120 bar) direkt in den Verbrennungsraum eingeblasen. Dort wird er mit der angesaugten Luft gemischt und mit einer Zündkerze entzündet. Das führt zusätzlich zu einer Aufladung, die effektive Verdichtung wird erhöht und somit auch der thermodynamische Wirkungsgrad. Auch ist die Füllung gegenüber der Saugrohreinblasung erhöht weil nur Luft angesaugt wird und der Wasserstoff ein relativ grosses Volumen im Vergleich zu Benzin einnimmt. Eine Besonderheit bei der Zündung ist das Diesel-Zündstrahl-Verfahren: dabei wird zusätzlich zum Wasserstoff eine geringe Menge Diesel eingespritzt, die sich leichter entzündet als Wasserstoff, weil sich reiner Wasserstoff wenig für das Dieselverfahren eignet. Brennt erst einmal dieser Diesel-Zündstrahl, wird durch diese Pilotzündung der Wasserstoff gezündet. Nachteil dieses Verfahren ist der zusätzliche Bedarfs einens Hilfkraftstoffes. Beim Ottomotor und Wankelmotor kann man den Wasserstoff direkt ohne Hilfkraftstoffe mit einer Zündkerze zünden. Direkt-Einblasung wird zum Beispiel von Mazda in ihren RX-8-H2 eingesetzt.

Optimierte Gemischbildung

Äußere und innere Gemischbildung lassen sich auch kombinieren. Da dann jedoch zwei Einspritzsysteme benötigt werden, ist das Verfahren sehr teuer. Jedoch lassen sich noch andere Gemischbildungsarten kombinieren: Bei Verbrennung mit innerer Gemischbildung kann Wasserstoff früh oder spät eingespritzt werden. Frühe Einspritzung bedeutet dabei kurz nach dem Schließen der Einblasventile, späte Enspritzung bedeutet nahe dem oberen Totpunkt, also unmittelbar vor und/oder während der Verbrennung. Für eine gute Durchmischung von Luft und Wasserstoff ist die frühe Einspritzung gut. Da sich ein homogenes (gut durchmischtes) Wasserstoff-Luft-Gemisch sehr leicht entzündet, kann man das früh eingespritzte Gemisch sehr mager halten (wenig Wasserstoff pro Luft), so dass es nicht so zündwillig ist. Erst nahe dem oberen Totpunkt, wenn die Zylinderladung gezündet werden soll, wird noch einmal eingespritzt und mit einer Zündkerze gezündet. Durch die Wasserstoffeinblasung während der Verbrennung kann die Verbrennung beeinflusst und damit gesteuert werden. An diesem System forscht die Firma BMW, um die Leistung der Motoren zu steigern und die Emissionen von Luftschadstoffen zu senken.

Des Weiteren gibt es angedachte Ideen, völlig auf die Luft zu verzichten und somit auch auf den in der Luft vorhandenen Stickstoff, der bei der Verbrennung Stickoxide bildet. Dann wäre allerdings für die Verbrennung mit reinem Sauerstoff ein zusätzlicher Sauerstofftank nötig, was natürlich erhebliche Kosten verursacht, insbesondere für die erforderlichen Sicherheiteinrichtungen. Deshalb wird man sich in der näheren Zukunft auf die bewährten Konzepte konzentrieren.

Für eine derartige Umsetzung, ist eine Abgasrückführung vorgesehen. Dadurch wird es ermöglicht, die Ansaugluft völlig durch das leichtere Wasserstoffgas zu ersetzen, dessen höhere Fluidität (Diffusionseigenschaft) den Strömungswiderstand minimiert, und den Liefergrad optimiert (kein Stickstoff). Die Leistung wird hierbei über die Menge des eingespritzten Sauerstoffs (höhere Energiedichte) reguliert. Der anschließend mit dem unverbrannten (überschüssigem) Wasserstoff, ausgestoßene Wasserdampf, kann im Abgas-Ansaugsystem kondensieren, wobei der durch Molschrumpfung entstandene Unterdruck mit frischem Wasserstoffgas ausgeglichen wird. Bei derartiger Gemischzusammensetzung (Überfettung) wird der Oxidator (Sauerstoff) voll umgesetzt, wodurch auch eine Verringerung der Verbrennungstemperatur erreicht wird. Eine weitere Eigenart liegt darin, dass es bei der stark verzweigten Kettenreaktion (Knallgasreaktion), zu einer mehrheitlicheren Aufspaltung des Wasserstoffs (geringere Bindungsenergie ) kommt, und dadurch die Molschrumpfung im Brennraum zum teil Kompensiert. Bei Modernen Raketenantrieben nutzt man ebenfalls diesen Effekt, der durch einen Wasserstoffüberschuss entsteht.


Pro

* Als Verbrennungsprodukte entstehen nur Wasserdampf und die Gase Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid, letztere liegen aber etwa um die 50% unter denen eines Ottomotors mit Katalysator. Der Schmierölverbrauch verursacht auch noch Spuren von Kohlendioxid, Kohlenstoffmonooxid und Kohlenwasserstoffen.

* Generell kann man sagen, dass der Wirkungsgrad bei Wasserstoffverbrennungsmotoren besser ist als bei Benzinmotoren. Dies kommt dadurch zustande, dass der Verbrennungsprozess im Wasserstoffmotor aufgrund der hohen Brenngeschwindigkeit des Wasserstoff-Luftgemisches dem thermodynamisch günstigen Gleichraumprozess näher kommt als ein Benzinmotor. Die Zünd- und Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserstoffsgemisches sind höher als die des Benzin-Luftgemisches.

* Gegenüber der Brennstoffzelle mit nachgeschaltetem Elektromotor ist der H2-Motor kompakter und kostengünstiger.

* Man muss ihn nicht anwärmen bevor man starten möchte, eine Brennstoffzelle muss erst auf ihre Betriebstemperatur gebracht werden.



Contra

* Die Leistung von H2-Verbrennungsmotoren ist trotz des höheren Wirkungsgrades niedriger als bei Otto-Motoren. Dies ist in dem niedrigeren Energiegehalt des Wasserstoffes pro Kubikmeter Gas und dem großen Volumenanteil des Wasserstoffs am Gas-Luftgemisch begründet. Außerdem fährt man in der Regel ein Gas-Luft-Gemisch mit einen relativ hohen Luftüberschuss (einem mehrfachen des stöchiometrischen Luftbedarfs. Die Leistung des Motors wird dadurch weiter reduziert, weil der Energiegehalt des Gemisches kleiner wird.

* Es kann zu einer Unregelmäßigen Verbrennung kommen, wenn sich im Zylinder noch heißes Restgas befindet, während schon frischer Kraftstoff einströmt. Dieser kann sich entzünden, und es kommt zu einer Rückzündung, noch bevor das Einlassventil geschlossen hat. Entzündet sich das Gemisch während der Verdichtung an noch heißen Stellen im Brennraum (zum Beispiel am Auslassventil) spricht man von einer Frühzündung. Außerdem kann es zum „Klopfen“ kommen, wenn das Luft-Wasserstoff-Gemisch nicht von der Zündkerze in den Brennraum hinein abbrennt, sondern sich aufgrund der Druck- und Temperaturerhöhung bei einsetzender Verbrennung Gemischteile selbst entzünden. Dieses Problem tritt nur beim Hubkolbenmotor auf. Beim Wankelmotor mit seinen räumlich voneinander getrennten Verdichtungs- und Verbrennungsräumen, existieren diese Probleme nicht. Außerdem sind dort auch keinerlei heiße Ventile vorhanden.

* Wasserstoff hat sehr schlechte Schmiereigenschaften, da es keinen Kohlenstoff enthält und gleichzeitig den Schmierfilm angreift. Der Schmierfilm wird durch den Wasserstoff gleich auf zwei Wege angegriffen. Zum einen von der Wasserstoffflamme, die bis an die Wandung heran brennt, und nicht, wie es bei Benzin der Fall ist, sich beim Annähern an die Randzone verlöscht. Zum anderen durch Hydrieren. Der Wasserstoff knackt die langkettigen Kohlenwasserstoffe, wodurch diese noch leichter verbrennen. Ein Ausweg aus diesem Problem bieten Keramikbeschichtung und der Verzicht überhaupt auf Schmierung der Laufflächen, was durch Kombination von Keramik gegen Keramik als Laufpartner ermöglicht wird.

* Mit der Nutzung von flüssigem Wasserstoff ist wegen des niedrigen Siedepunkts (-253 °C) ein erheblicher Aufwand verbunden, sowohl beim Tankvorgang, wie auch am Fahrzeug selbst, wo spezielle Materialien gewählt werden müssen, die solchen Temperaturen gut standhalten.

Abseits der technischen Problemstellung bleibt eine weitere Frage, wo der Wasserstoff für Wasserstoffantriebe herkommt. Wasserstoff ist im Gegensatz zu Öl keine Energiequelle, da man Wasserstoff nicht ungebunden vorfindet. Im Rahmen einer Wasserstoffwirtschaft muss der Wasserstoff folglich immer durch Einsatz von Energie produziert werden. Für die heutige Forschung zu Wasserstoffantrieben wird der Wasserstoff meist aus Erdgas gewonnen - dabei nimmt einerseits der Energiegehalt ab, andererseits ist es keine dauerhafte Lösung. Andere Arten der Wasserstoffherstellung gehen beispielsweise über Elektrolyse, was aktuell erst in Norwegen in größerem Maßstab gemacht wird, weil man dort mit Wasserkraftwerken mehr Strom produziert als man verbraucht.


Nun dürften einige deiner Fragen beantwortet sein;)



mfG


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