Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen Teil 11.3

Teil 11.3 | Herausforderungen bei H2-Motoren

Ein Problem bei H2-Motoren ist die mögliche RĂŒckzĂŒndung. Ursache ist die niedrige MindestzĂŒndenergie von Wasserstoff (10 Prozent von herkömmlichen Kohlenwasserstoffkraftstoffen). Wenn sich die Kolben wĂ€hrend der Ansaugphase nach unten bewegen, strömt frisches Kraftstoffgemisch bei geöffneten Einlassventilen in die Brennkammer, die zum Teil noch heißes Restgas enthĂ€lt oder selbst noch heiß ist. So kann sich das in den Brennraum geströmte Frischgas frĂŒhzeitig bei noch geöffneten Einlassventilen entzĂŒnden. Die Flamme kann dann bis in den Einlasskanal zurĂŒckschlagen, da dort ebenfalls ein brennbares Gemisch vorhanden ist. Die Gefahr einer RĂŒckzĂŒndung wird dadurch begĂŒnstigt, dass der ZĂŒndbereich von Wasserstoff sehr weit (4 bis 79 Vol.-%) und die Flammenfrontgeschwindigkeit von Wasserstoff im Vergleich zu anderen Verbrennungsgasen sehr hoch ist, die Flammen sich nach der EntzĂŒndung also sehr schnell ausbreiten.

Durch die Kombination des Temperatur- und Druckanstiegs bei der Verdichtung und durch heißes Restgas oder heiße Stellen können auch im Verdichtungstakt ungewollte FrĂŒhzĂŒndungen auftreten. Sie werden als Klopfen bezeichnet, weil sie sich akustisch durch auffĂ€llige KlopfgerĂ€usche bemerkbar machen. Als weitere Ursache fĂŒr das Klopfen gelten freie Wasserstoffatome (H-Radikale). Diese reagieren sehr schnell von sich aus mit dem Sauerstoff der Luft, sobald Temperatur und Druck hoch genug sind. Um dies zu verhindern, kann beispielsweise das VerdichtungsverhĂ€ltnis verringert werden, so dass der Druck in der Brennkammer verringert und die Klopfgrenze angehoben wird. Die ZurĂŒcknahme der Verdichtung schlĂ€gt sich jedoch auch in einer verminderten Motorleistung nieder (etwa 25 Prozent gegenĂŒber einem hubraumgleichen Benzinmotor). Es ist aber möglich, die Temperatur des angesaugten Gemisches durch die Einspritzung von Wasser zu verringern, um so die Klopfgrenze anzuheben.

Ein weiteres Problem können GlĂŒhzĂŒndungen darstellen. Dies sind EntzĂŒndungen des Gasgemisches an heißen Stellen im Brennraum. Solche „Hot Spots“ mĂŒssen beim Wasserstoffmotor besonders sorgfĂ€ltig durch eine geeignete Konstruktion des Brennraums vermieden werden, wie zum Beispiel eine gute WĂ€rmeableitung und die Vermeidung von in die Brennkammer ragenden Kanten.

Ein weiteres Ziel muss sein, die Temperatur des im Zylinder verbleibenden Abgases und damit die Kompressionsendtemperatur zu verringern. Der bereits angesprochene Magerbetrieb, aber auch eine AbgasrĂŒckfĂŒhrung können unter anderem dazu beitragen, weil ein niedrigerer Kraftstoffanteil pro Volumeneinheit die Verbrennungstemperatur reduziert. Eine andere praktikable Variante ist die KĂŒhlung der angesaugten Luft beziehungsweise des angesaugten Gemisches durch Einspritzen von Wasser aus einem separaten WasserbehĂ€lter. Die Wassereinspritzung kann zugleich das RĂŒckzĂŒndungsrisiko verringern und die Stickoxidbildung reduzieren sowie eine klopfende Verbrennung vermeiden. Im unteren Teillastbereich kann die Einspritzung entfallen, da dieses Problem hauptsĂ€chlich bei höheren Umdrehungen und höherer Leistungsabforderung auftritt.

Beim Kaltstart kann es zu ZĂŒndproblemen kommen, wenn zuvor Wasserdampf an den Elektroden kondensiert ist und beim Kaltstart erst verdampft werden muss. Die ZĂŒndanlage muss dementsprechend dimensioniert werden, so dass ausreichend Energie fĂŒr die ersten ZĂŒndfunken zur VerfĂŒgung steht. Mit einem vollelektronischen Hochspannungskondensator-ZĂŒndsystem, abgeschirmten ZĂŒndkabeln und speziellen ZĂŒndkerzen kann dies sichergestellt werden.

Da Wasserstoff keinen Kohlenstoff enthĂ€lt, entfallen auch dessen gute Schmiereigenschaften. Das Motoröl muss demnach allein den Ölfilm aufbauen und allein zur Verschleißminimierung beitragen. Deswegen sind an den Kolben konstruktive und werkstoffseitige Maßnahmen erforderlich, wie zum Beispiel verschleißfeste Kolbenringe, Graphitierung der VentilschĂ€fte usw.

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

Die Technik von gestern, heute und morgen

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen. Bewusst leicht verstÀndlich gehalten und beschrieben. Es soll technikinteressierten als ein umfangreiches Literaturverzeichnis dienen.

Die grundlegend ĂŒberarbeitete Neuauflage unseres Buches zu diesem Thema ist hier erhĂ€ltlich. Aktuelle Entwicklungen wurden ergĂ€nzt, Überholtes entfernt. Neben den jĂŒngsten Trends vermittelt dieses Buch – wie schon seine VorgĂ€nger – die grundlegenden physikalischen ZusammenhĂ€nge, denn diese gelten ja bei allem Wandel nach wie vor.

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