Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEN
Nr. 2931/Fachgruppe Umwelt/Verkehr
Herausgegeben vorn Minister fUr Wissenschaft und Forschung
Dr. -lng. Manfred Schaffrath
Prof. Dr. techno Franz Pischinger
Lehrstuhl fUr angewandte Thermodynamik
der Rhein. -W estf. Techn. Hochschule Aachen
Untersuchung von Wasserstoff als
Brennstoff fur Ottomotoren
Westdeutscher Verlag 1980
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Schaffrath, Manfred:
Untersuchung von Wasserstoff als Brennstoff
fUr Ottomotoren / Manfred Schaffrath ; Franz
Pischillger. - Opladen : Westdeutscher Verlag,
1980.
(Forschungsberichte des Landes Nordrhein
Westfalen ; Nr. 2931 : Fachgruppe Umwelt,
Verkehr)
ISBN-13: 978-3-531-02931-3 e-ISBN-13: 978-3-322-88485-5
DOl: 10.1007/978-3-322-88485-5
NE: Pischinger, Franz:
© 1980 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
ISBN-13: 978-3-531-02931-3
Inhalt
1. Einleitung
2. Brennstoffeigenschaften 2
3. Prlifstandsbeschreibung 7
4. Leistung und ~Virkungsgrad 10
4.1 Indizierter Mitteldruck 10
4.2 Wirkungsgrad und Glitegrad 12
4.3 EinfluB des Verdichtungsverhaltnisses 15
5. Schadstoffernission 18
5. 1 EinfluB des Zlindzeitpunktes 19
5.2 EinfluB des Verdichtungsverhaltnisses 20
6. Motorkennfelder 23
6.1 Wirkungsgrad 23
6.2 Stickoxidernission 25
7. VerbrennungsprozeB 28
7.1 Druckverlauf irn Brennraurn 28
7.2 Zyklische Schwankungen des Spitzendruckes 29
7.3 Maxirnaler Druckanstieg 32
7.4 Leistungsspektren des Zylinderdruckes 34
8. MaBnahrnen zur Verbesserung des Betriebsverhaltens 38
8.1 EinfluB des Verdichtungsverhaltnisses auf die
Klopfneigung 38
8.2 EinfluB der Brennraurnforrn auf die Klopfneigung 39
8.3 Klopfhernrnende Zusatze 40
8.4 Verringerung des rnaxirnalen Druckanstieges durch
Veranderung der Brennraurnforrn 40
8.5 Wassereinspritzung und Abgasrlickflihrung 41
8.6 Schichtladung 44
9. Zusarnrnenfassung 46
10. Literaturverzeichnis 48
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1. Einleitung
Die zunehmende verknappung flUssiger fossiler Brennstoffe
erfordern die Untersuchung geeigneter alternativer Energie
tr!ger. Eine besondere -Bedeutung kommt in diesem Zusammen
hang dem Wasserstoff zu, der vielfach als ein moglicher
Brennstoff fUr die Zukunft angesehen wird (5). Wasserstoff
kann auch aus nicht fossilen Rohstoffen hergestellt werden
und hat den Vorteil, daB nach der Verbrennung im wesent
lichen wiederum das Ausgangsprodukt der Wasserstoffher
stellung - das Wasser - entsteht.
Vor EinfUhrung einer Wasserstofftechnologie sind jedoch
noch eine Reihe von Problemen zu bewaltigen. Hierzu gehoren
neben anderen die wirtschaftliche Wasserstofferzeugung und die
Speicherung sowie Verteilung des Wasserstoffes. AuBerdem
muB die Moglichkeit der Verwendung des Wasserstoffes als
Brennstoff zur Bereitstellung von Warme und mechanischer
Energie untersucht werden. Als mogliche Warmekraftmaschine
bietet sich hier der Verbrennungsmotor an. Neben dem Ein-
satz auf dem Transportsektor, bei dem die Speicherprobleme
zu losen sind, konnen vor allem auch station!re Anwendungs
f!lle z. B. im Rahmen von Warme-Kraft-Anlagen oder als
W!rmepumpenantrieb als aussichtsreich angesehen werden.
lm Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde deshalb die
Verbrennung von Wasserstoff im Hubkolbenmotor untersucht. Das
Ziel war, einen konventionellen 4-Takt-Ottomotor moglichst
optimal an die Eigenschaften des Brennstoffes anzupassen
und einen zufriedenstellenden Motorbetrieb zu gewahrleisten.
Als Vergleichskriterien dienten die Versuchsergebnisse des
mit Benzin betriebenen Motors.
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2. Brennstoffeigenschaften
Die fur die motorische Verbrennung bedeutungsvollen Brenn
stoffkennwerte sind fur Wasserstoff und Benzin vergleichend
in den Bildern 1 und 2 dargestellt.
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lsooktan 14,5
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Bild 1: Brennstoffkennwerte I
Im Gegensatz zum flussigen Kraftstoff Benzin befindet sich
Wasserstoff bei Umgebungszustand in der Gasphase. Dadurch
ergeben sich hinsichtlich der ottomotorischen Gemisch
bildung weniger Probleme als bei flussigen Brennstofien,
zu deren "Vergasung" zunl:ichst ein aufwendiges Gemischbil
dungssystem notwendig ist. Beim Wasserstoff erzielt man
sehr schnell ein homogenes Gemisch auch ohne aufwendigen
Gemischbildner. Bei Wasserstoffbetrieb kann,es auch nicht
zur Anlagerung von Brennstoff an die Saugrohrwl:inde kommen,
s? daB im Gegensatz zum Befizinbetrieb auf eine Brennstoff
anreicherung sowohl beim Kaltstart als auch beim Beschleu
nigungsvorgang verzichtet werden kann. Der Wasserstoffmotor
ist ohne Zusatzeinrichtungen auch bei tie fen Temperaturen
einfach zu starten und reagiert schnell auf eine verl:inderte
Brennstoffzufuhr. Infolge der guten Homogenitl:it des Gemisches
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ist bei Mehrzylindermotoren eine gleichmiiBige Verteilung
des Brennstoffes auf die einzelnen Zylinder gegeben.
Die maximale laminare Brenngeschwindigkeit, die niiherungs
weise als Indikator fUr die Durchbrennzeit des Zylinder
inhalts angesehen werden kann, liegt fUr Wasserstoff sehr
viel hoher als zum Beispiel fUr Isooktan. Ire Wasserstoff
moter findet deshalb eine wesentlich schnellere Energie
umsetzung statt. Diese schnelle Energieumsetzung hat den
Vorteil, daB die reale Zustandsiinderung im Motor sich
besser der thermodynamischen Idealvorstellung einer iso
choren Verbrennung anniihert, wodurch ein guter thermischer
Wirkungsgrad erreicht werden kann. Aufgrund der thermody
namisch gtinstigen schnellen Energieumsetzung konnen sich
aber infolge des dadurch bedingten steilen Druckanstieges
im Brennraum gewisse Probleme hinsichtlich der mechanischen
und thermischen Beanspruchung ergeben. Ein steiler Druck
anstieg im Zylinder von Verbrennungsmotoren verursacht
auBerdem einen rauhen und lauten Lauf der Maschine.
Der Vergleich der Ztindgrenzen von Wasserstoff-Luft- und
Isooktan-Luft-Gemischen zeigt, daB ftir Wasserstoff-Luft
gemische die obere Ztindgrenze bei einer Luftverhiiltniszahl
von 0, 14 und die untere Ztindgrenze bei 10 lieg·t. Dlese
Luftverhiiltniszahlen entsprechen einem volumetrischen
Wasserstoffanteil von 4 bis 75 %. Diese Werte zeigen, daB
Wasserstoff im Vergleich zu Benzin sehr weite Ztindgrenzen
besitzt. Diese gestatten einen ottomotorischen Betrieb
mit homogenerMischung sowohl mit sehr fetten aber auch
mit sehr mageren Gemischen ohne Fehlztindungen. Es ist
deshalb moglich, innerhalb des gesamten Betriebsbereiches
eine Qualitatsregelung, d .• h. eine Leistungsregelung allein
tiber die Masse des zugefUhrten Wasserstoffes ohne Drosselung
der angesaugten Gemischmenge vorzunehmen. Der Fortfall
der Drosselung und die Vermeidung der dadurch bedingten
Verluste sorgt fUr eine deutliche Verbesserung des Wirkungs
grades im Teillastbereich. Die hohe Reaktionsfreudigkeit
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von Wasserstoff-Luft-Gemischen bringt fur die ottomotorische
Verbrennung allerdings auch Nachteile mit sich. So kann
es wahrend des Ansaugvorganges zu Ruckzundungen ins An
saugsystem kommen. Nach AbschluB des Ladungswechsels konnen
Gluh- und Fruhzundungen einen hohen Verbrennungsdruck bereits
wahrend des Verdichtungstaktes erzeugen. Durch die unkon
trollierten Verbrennungen werden Wirkungsgrad und Leistung
des Motors gemindert. Unter Umstanden mach en sie einen Motor
betrieb vollig unmoglich, so daB durch entsprechende MaB
nahmen diese Erscheinungen sicher verhindert werden mussen.
Der stochiometrische Luftbedarf ist bei Wasserstoff wesentlich
hoher als bei Benzin, so daB bei gleicher Brennstoffmenge und
stochiometrischer Verbrennung der Wasserstoffmotor mehr Luft
benotigt. Eine stochiometrische Mischung aus Brennstoff und
Luft enthalt bei Wasserstoff als Brennstoff volumenbezogen
etwa 30 %, bei Benzin etwa 2 % Brennstoff.
..H,.,2.. , BmMzin
Be..n.z.-in H2O
-
H~ ~1,! 13,6 CO2
H2
~ ~
N2 ~! 74,2 N2
kJlkg kJ/m3
maximale A,beil maxima/e Gemischorbeil AbgoszusornrrlMstlzung
(25"C,'KiO Tor,,>"= I) ( Vo/umengeha/I)
slOc:hi:Jm. vol/st. VerbrMrking
Bild 2: Brennstoffkennwerte II
Die maximale Arbeit (reversible Reaktionsarbeitl ist ein MaB fur
das Maximum an technischer Arbeit, welche bei idealer ProzeB
fuhrung aus 1 kg Brennstoff gewonnen werden kann. Diese auf
die Brennstoffmasse bezogene GroBe ist fur Wasserstoff groBer
als fur jeden anderen technisch einsetzbaren Brennstoff.
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Fur die Leistung eines Verbrennungsmotors ist der Energie
inhalt der pro Arbeitsspiel in den Brennraum gelangenden
Ladung entscheidend. Als MaB fur die in der Volumeneinheit
vorhandenen chemischen Energie wird die maximale Gemisch
arbeit verwendet. Die maximale Gemischarbeit einer stochiome
trischen Brennstoff-Luft-Mischung ist bei Benzin urn etwa
28 % groBer als bei Wasserstoff. Hieraus ist zu folgern,
daB bei gleichem Hubvolumen, gleichem Luftaufwand und
gleichem Wirkungsgrad der Wasserstoffmotor eine urn den
gleichen Anteil verminderte Leistung als der Benzinmotor
liefern wird, wenn beide Motoren mit stochiometrischem
Brennstoff-Luft-Gemisch betrieben werden. Soll ein mit Wasser
stoff betriebener Motor unter den oben angefuhrten Randbe
dingungen die gleichen Leistungswerte erreichen wie ein
Benzinmotor, so muB entweder der Hubraum des Wasserstoff
motors vergroBert oder der Wasserstoff mit Hilfe einer
Direkteinblasung nach AbschluB des Ladungswechsels bei
hoherem Druck eingeblasen werden.
Die Abgaszusammensetzung bei vollstandiger stochiometrischer
Verbrennung zeigt, daB das Abgas wasserstoffbetriebener
Motoren nur Wasser und Stickstoff enthalt, wahrend bei
Motoren, die mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen betrieben
werden, zusatzlich Kohlendioxid entsteht. Der Wasserge-
halt im Abgas von Wasserstoffmotoren ist deutlich hoher
als im Abgas benzinbetriebener Motoren. Dies kann - besonders
bei kaltem Motor und niedrigen AuBentemperaturen - dazu
fuhren, daB hinter dem Auspuff des Fahrzeuges eine Wasser
dampffahne entsteht.
Kohlenstoffhaltige Produkte einer unvollstandigen Ver
brennung wie Kohlenmonoxid und unverbrannte oder anoxidierte
Kohlenwaserstoffe treten im Abgas des Wasserstoffmotors im
Gegensatz zum Benzinmotor nicht auf. Als unverbrannter Kraft
stoffrest ist lediglich Wasserstoff zu verzeichnen. Wasser
stoff selbst ist aber - im Gegensatz zum Kraftstoff auf
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Kohlenwasserstoff-Basis - als ungiftig zu betrachten. Das
Abgas des mit Wasserstoff betriebenen Motors enthalt auBer
dem weder RuB noch Blei- oder Schwefelverbindungen. Infolge
der Asche- und Bleifreiheit werden auBerdem fast keine Fest
teilchen (Aerosole) emittiert.
Als einzige nennenswerte Schadstoffkomponente werden,
wie bei allen Verbrennungsvorgangen, die bei hoher Temperatur
und Anwesenheit von Luft ablaufen, Stickoxide gebildet.
