Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

1 Einleitung: Rettet Wasserstoff das Klima?
Wsserstoffgewinnung 1

Teil 11.3 | Herausforderungen bei H2-Motoren

Ein Problem bei H2-Motoren ist die mögliche Rückzündung. Ursache ist die niedrige Mindestzündenergie von Wasserstoff (10 Prozent von herkömmlichen Kohlenwasserstoffkraftstoffen). Wenn sich die Kolben während der Ansaugphase nach unten bewegen, strömt frisches Kraftstoffgemisch bei geöffneten Einlassventilen in die Brennkammer, die zum Teil noch heißes Restgas enthält oder selbst noch heiß ist. So kann sich das in den Brennraum geströmte Frischgas frühzeitig bei noch geöffneten Einlassventilen entzünden. Die Flamme kann dann bis in den Einlasskanal zurückschlagen, da dort ebenfalls ein brennbares Gemisch vorhanden ist. Die Gefahr einer Rückzündung wird dadurch begünstigt, dass der Zündbereich 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 Entzündung 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 Frühzündungen auftreten. Sie werden als Klopfen bezeichnet, weil sie sich akustisch durch auffällige Klopfgeräusche bemerkbar machen. Als weitere Ursache für 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 Verdichtungsverhältnis verringert werden, so dass der Druck in der Brennkammer verringert und die Klopfgrenze angehoben wird. Die Zurücknahme der Verdichtung schlägt sich jedoch auch in einer verminderten Motorleistung nieder (etwa 25 Prozent gegenüber 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 Glühzündungen darstellen. Dies sind Entzündungen des Gasgemisches an heißen Stellen im Brennraum. Solche „Hot Spots“ müssen beim Wasserstoffmotor besonders sorgfältig durch eine geeignete Konstruktion des Brennraums vermieden werden, wie zum Beispiel eine gute Wärmeableitung 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 Abgasrückführung können unter anderem dazu beitragen, weil ein niedrigerer Kraftstoffanteil pro Volumeneinheit die Verbrennungstemperatur reduziert. Eine andere praktikable Variante ist die Kühlung der angesaugten Luft beziehungsweise des angesaugten Gemisches durch Einspritzen von Wasser aus einem separaten Wasserbehälter. Die Wassereinspritzung kann zugleich das Rückzündungsrisiko verringern und die Stickoxidbildung reduzieren sowie eine klopfende Verbrennung vermeiden. Im unteren Teillastbereich kann die Einspritzung entfallen, da dieses Problem hauptsächlich bei höheren Umdrehungen und höherer Leistungsabforderung auftritt.

Beim Kaltstart kann es zu Zündproblemen kommen, wenn zuvor Wasserdampf an den Elektroden kondensiert ist und beim Kaltstart erst verdampft werden muss. Die Zündanlage muss dementsprechend dimensioniert werden, so dass ausreichend Energie für die ersten Zündfunken zur Verfügung steht. Mit einem vollelektronischen Hochspannungskondensator-Zündsystem, abgeschirmten Zündkabeln und speziellen Zündkerzen kann dies sichergestellt werden.

Da Wasserstoff keinen Kohlenstoff enthält, 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 Ventilschäfte usw.

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