Fahrzeugmotoren auf Wasserstoffbasis sind aufgrund ihrer hohen spezifischen Leistung mit schneller Ansprechbarkeit und gutem Wirkungsgrad eine interessante Option für künftige Kraftfahrzeugantriebe, zumal das Antriebskonzept selbst vergleichbar ist. Die Firma BMW hat einen serienreifen bivalenten 12-Zylinder-Wasserstoffmotor für ihre 7er Reihe entwickelt, dessen Anfänge bereits in den frühen 80er Jahren liegen. Die Stoffeigenschaften des Wasserstoffs stellen neben den genannten Vorteilen auch Herausforderungen dar: weite Zündgrenzen und hohe Flammgeschwindigkeiten erfordern eine sehr präzise Zündungsregelung vor allem im geforderten stöchiometrischen Betrieb. Ein Schwerpunkt des Fahrzeugkonzeptes ist die Integration des Tanks im Fahrzeug, ein weiterer ein sensortechnisch hoch leistungsfähiges Sicherheitskonzept. Der Motor selbst basier auf dem Serien-Zwölfzylinder-Ottomotor des BMW 760i mit 500 Kubikzentimetern Zylindervolumen, variabler Nockenwellensteuerung und vollvariabler Ventilhubverstellung zur Laststeuerung. Im Benzinbetrieb arbeitet er mit Direkteinspritzung, im H2-Modus mit externer Gemischbildung durch Saugrohreinblasung. Die Motorleistung liegt bei 191 kW bei 390 Nm Maximaldrehmoment. Den lokal auftretenden hohen Temperaturen und der Neigung zu Klopfen und Glühzündungen wird mit spezifischen, vor allem konstruktiv-mechanischen Modifikationen begegnet. Stichworte aus diesem Bereich sind Verdichtungsabsenkung, Kühlkanalkolben, Ölkühlung und Ölzusammensetzung, Kurbelgehäuse, Zylinderkopf mit speziellen Ventilsitzen sowie Gasversorgungsanlage. Um bei niedrigsten Emissionen und maximalen Wirkungsgraden ein möglichst hohes Drehmoment- und Leistungsniveau zu erreichen, muss der Motor wie jeder Benzinmotor mit stöchiometrischem Gemisch betrieben werden. Problem dabei ist, dass der eingeblasene Wasserstoff in dieser Betriebsart etwa 30 % der angesaugten Luft verdrängt und keine optimale Füllung des Motors statt findet. Aus diesen Gründen und des notwendigen Kompromisses für die Hybridfähigkeit wurde als Betriebsstrategie festgelegt, den Motor im oberen Lastbereich mit lambda = 0,97 zu betreiben, bei niedrigen Lasten mit lambda > 1,8. Letztere erfordert keine Abgasnachbehandlung, während im oberen Bereich ein 3-Wege-Katalysator arbeitet und die anfallenden Stickoxide mit unverbranntem Wasserstoff im Abgas reduziert werden. Zwischen den beiden Bereichen ist keine wirkungsvolle Abgasnachbehandlung möglich, daher wird dieser Betrieb für den Wasserstoffmotor ausgeschlossen. So werden alle weltweit geltenden Emissionsgrenzwerte deutlich unterschritten.
Der neue 12-Zylinder-Wasserstoffmotor für die 7er-Reihe: Das Wasserstoffzeitalter hat begonnen
2006
20 Seiten, 9 Bilder, 1 Tabelle
Conference paper
German
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