8.VKM (Wasserstoff, H2) Flashcards
Vergleich verschiedener Kraftstoffe
Wasserstoff hat andere Eigenschaften als Benzin, Diesel oder Methan.
Bei der Verbrennung in einem Verbrennungsmotoren sind u.a. die Zündgrenzen (lambda-Bereich), der stöchiometrische Luftbedarf und der Heizwert wichtige Größen.
—> siehe Tabelle Folie 3!!
!
Energiedichte von Wasserstoff
Im Diagramm auf Folie 4 ist für Wasserstoff und Methan die Energiedichte in Abhängigkeit des Druckes dargestellt.
Deutlich ist der Vorteil der jeweiligen ?(1)? Phase gegenüber der ?(2)? Phase für ?(3)? Druckniveaus zu erkennen.
Bei der jeweils ?(4)? Phase sei auf die Abweichung zwischen ?(5)? und ?(6)? Gas hingewiesen.
Diese Abweichung ist auch der Grund dafür, dass sich eine weitere Erhöhung des ?(7)? im Tanksystem nur bedingt lohnt.
(1) flüssigen
(2) gasförmigen
(3) geringe
(4) gasförmigen
(5) realem
(6) idealem
(7) Wasserstoffdruckes
Für einen Wasserstoffmotor müssen einzelne Komponenten gegenüber Diesel- und Ottomotoren angepasst, aber nicht grundlegend neu entwickelt werden.
Wahr/Falsch?
Wahr
H2-Verbrennungsmotor:
Betriebsstrategien und Entwicklungsschwerpunkte
Nenne 2 mögliche H2-ICE-Betriebsstrategien: ??
- reiner Magerbetrieb
- stöchiometrischer und Magerbetrieb
H2-Verbrennungsmotor:
Betriebsstrategien und Entwicklungsschwerpunkte
Nenne Entwicklungsschwerpunkte: ?? (3)
Einblasesystem
—> Neuentwicklung für DI
—> Neuentwicklung für PFI (geringere Performance)
Zündsystem
—> Anpassung erforderlich („kalte“ Zündkerze)
Aufladesystem
—> Anpassung erforderlich (ggf. Übernahme bzw. Ableitung auf Basis von Dieselkonzentration möglich, ggf. zweistufiges System erforderlich)
H2-Verbrennungsmotor:
Betriebsstrategien und Entwicklungsschwerpunkte
Weitere Modifikationen am Grundmotor (Ableitung aus vorhanden Lösungen): ?? (4)
Ventile, Ventilsitzringe
—> ggf. Übernahme von Erdgaslösungen
Kolben, Kolbenringpaket
—> ggf. Anpassung erforderlich
Kurbelgehäuseentlüftung
—> ggf. Anpassung erforderlich
Motoröl
—> ggf. Modifikation erforderlich
Aufbau eines H2-Verbrennungsmotors am Beispiel Bosch
—> siehe Folie 6
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Bewertung verschiedener Brennverfahren für Wasserstoffverbrennungsmotoren.
Nenne 4 Verfahren: ??
- PFI-SI
- Low Pressure DI-SI
- High Pressure DI-SI
- High Pressure DI-Diffusive
PFI: Port Fuel Injektion
DI: Direkt Injektion
SI: Spark Ignited
Bewertung verschiedener Brennverfahren für Wasserstoffverbrennungsmotoren.
—> siehe Tabelle Folie 7!
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Wasserstoffverbrennungsmotor am Bsp. BMW
—> 12-Zylinder-Verbrennungsmotor (2006)
—> siehe Folie 8
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Betriebsstrategie des 7er BMW
Eine Besonderheit des 7er BMW war, dass der Motor mit 2 Betriebsarten betrieben wurde.
Im unteren Kennfeldbereich wurde ein ?(1)? (lambda ?(2)? 1) umgesetzt und im oberen Kennfeldbereich wird der Motor hingegen mit lambda leicht ?(3)? 1 betrieben.
(1) Magerbetrieb
(2)»_space;
(3) unter
Betriebsstrategie des 7er BMW
Der Wasserstoffmotor bietet durch die besonderen Eigenschaften des H2-Luft-Gemisches noch große Potenziale zur Verbrauchsreduzierung.
Im stöchiometrischen Betrieb lassen sich durch die extrem schnelle ?(1)? hohe ?(2)? Wirkungsgrade erzielen.
Die Laststeuerung erfolgt hier aber noch ?(3)? durch eine ?(4)?.
Hier verspricht künftig der verstärkte Einsatz der BMW-Valvetronic weitere Verbesserungen.
Im ?(5)? (λ > 1,8) läuft der Motor ?(6)?, die Laststeuerung erfolgt durch ?(7)?.
Allerdings gehen die ?(8)? und damit der thermodynamische Wirkungsgrad mit magerer werdendem Gemisch stark zurück.
Ab λ ∼ 4 reicht ein ?(9)? nicht mehr aus, um die Verbrennung vollständig zu beenden.
Um auch im Magerbetrieb optimale Verbrauchswerte zu erzielen, ist ab einem gewissen ?(10)? eine Kombination aus ?(11)?- und ?(12)? notwendig
(1) Verbrennung
(2) thermodynamische
(3) verlustbehaftet
(4) Quantitätsreglung
(5) Magerbetrieb
(6) drosselfrei
(7) Qualitätsregelung
(8) Brenngeschwindigkeit
(9) Arbeitsspiel
(10) Luftüberschuss
(11) Qualitäts-
(12) Quantitätsregelung
Wasserstoffverbrennungsmotor im Prüfstand am Beispiel BMW
Gegenüber Motoren mit Diesel und Benzin müssen zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen für Wasserstoff eingehalten werden.
Wahr/Falsch?
Wahr
Speicherung von Wasserstoff: gasförmig
Aufbau eines Speichers für Wasserstoff in gasförmiger Form. (Druckgasspeicherung)
—> siehe Folie 12
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Speicherung von Wasserstoff: Gasförmig
Als Wasserstoffspeicher in Fahrzeugen hat sich was durchgesetzt?
Druckgasspeicher
Speicherung von Wasserstoff: Gasförmig
Um die erforderliche Fahrzeugreichweite darzustellen, haben sich in PKW Druckspeicher Flüssiggasspeicher für ?? bar etabliert.
700
Speicherung von Wasserstoff: Gasförmig
1) Typischerweise kommen pro Fahrzeug wie viele Druckzylinder zum Einsatz?
2) Wo sind diese meistens angeordnet?
3) Wie viel Wasserstoff (in kg) kann in einem Zylinder gespeichert werden?
1) 2-3
2) meistens im Heck des Fahrzeuges
3) 2-3 kg
Speicherung von Wasserstoff: Flüssig
—> Aufbau auf Folie 13!
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Speicherung von Wasserstoff: Flüssig
—> Flüssiggasspeicherung
Dazu wird Wasserstoff bei einer Temperatur von ?(1)? in flüssiger Form gespeichert.
Die ?(2)? können dadurch signifikant erhöht werden.
(1) -252°C
(2) Speicherdichten
Speicherung von Wasserstoff: Flüssig
—> Flüssiggasspeicherung
Was ist problematisch an diesem Konzept?
- der Energiebedarf zur Kühlung (bei -252°C in flüssiger Form gespeichert)
- die thermische Isolation der Behälter im Fahrzeug
Speicherung von Wasserstoff: Flüssig
—> Flüssiggasspeicherung
Die thermische Isolation der Behälter im Fahrzeug stellt ein Problem dar.
Da sich der Wasserstoff zwangsläufig durch Wärmeeintrag erhöht, erhöht sich der ?(1)? im Behälter.
Da diese Behälter nur für einen begrenzten ?(2)? ausgelegt sind, muss ab einem bestimmten ?(3)? Wasserstoff ?(4)? werden.
Dieser Vorgang wird ?(5)? genannt.
(1) Druck
(2) Druck
(3) Druckverhältnis
(4) abgelassen
(5) „boil off“
Tanksystem für flüssigen Wasserstoff am Beispiel Linde
Teil 1:
[…] Als Kryospeicher für flüssigen Wasserstoff werden Systeme eingesetzt, die aus einem ?(1)? und einem ?(2)? bestehen, zwischen denen zur Isolation ein ?(3)? liegt, […]. Das ?(4)? verhindert den Wärmetransport durch ?(5)?.
Der für die Tanks meist verwendete ?(6)? behält auch bei sehr niedrigen Temperaturen sein gutes ?(7)? und neigt nicht zur ?(8)?.
Der evakuierte Raum zwischen den beiden ineinander gefügten Behältern enthält in der Regel eine vielschichtige Isolation (MLI – Multi Layer Insulation) mit mehreren Lagen ?(9)? im Wechsel mit ?(10)?, die den Wärmetransport durch ?(11)? minimieren sollen.
Wärmetransport durch ?(12)? tritt an den ?(13)? zwischen den beiden Behältern auf sowie bei allen ?(14)? wie an den Leitungen zur Befüllung und Entnahme.
(1) Innentank
(2) Außenbehälter
(3) Vakuumraum
(4) Vakuum
(5) Konvektion
(6) austenitische Edelstahl
(7) Verformungsvermögen
(8) Versprödung
(9) Aluminiumfolie
(10) Glasfiber-Matten
(11) Strahlung
(12) Leitung
(13) Distanzhaltern
(14) Durchführungen
Tanksystem für flüssigen Wasserstoff am Beispiel Linde
Teil 2:
Durch den unvermeidbaren Wärmeeintrag kommt es zum ?(1)? des siedenden Wasserstoffs im Behälter und damit zu einer Zunahme von ?(2)? und ?(3)?.
Behälter für flüssigen Wasserstoff sind daher stets mit einem geeigneten ?(4)? und einem ?(5)? auszustatten.
Die Flüssigspeicherung erfolgt also in einem ?(6)? System, bei dem nach einer Druckaufbauphase ab Erreichen des so genannten ?(7)? Wasserstoff ?(8)? werden muss.
(1) Verdampfen
(2) Druck
(3) Temperatur
(4) Druckentlastungssystem
(5) Sicherheitsventil
(6) offenen
(7) Boil-Off-Drucks
(8) abgeblasen
Der austretende Wasserstoff wird katalytisch ?(1)? oder ins ?(2)? abgelassen.
Die Abdampfverluste liegen bei heutigen Tankanlagen in der Größenordnung von etwa ?(3)?% pro Tag, wobei ?(4)? Tankanlagen wegen der geringeren Oberfläche im Verhältnis zum Volumen im Vorteil sind.
Die ?(5)? hat von allen geometrischen Formen das kleinste Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Dies bedeutet, dass der mögliche ?(6)? von außen am geringsten ist und außerdem bei Belastung die ?(7)? […]
(1) verbrannt
(2) Freie
(3) 0,3 bis 3 %
(4) größere
(5) Kugel
(6) Wärmeeintrag
(7) Spannungen
Tanksystem für flüssigen Wasserstoff am Beispiel BMW
—> Bilder im Fahrzeug Folie 15
—> das Fahrzeug wurde ursprünglich für den Benzin- bzw. Dieselbetrieb konstruiert und bot somit keinen optimalen Bauraum für das Tanksystem.
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Tanken mit flüssigen Wasserstoff am Beispiel BMW
Erfolgt prinzipiell wie bei Benzin- oder Diesel.
Auffällig bei flüssigem Wasserstoff ist der vergleichsweise große ?(1)? des ?(2)?.
Der Tankstutzen ist ?(3)? und wird erst durch die Betankungskupplung ?(4)?.
(Abbildungen siehe Folie 16)
(1) Durchmesser
(2) Tankschlauchs
(3) verschlossen
(4) geöffnet
Aufbau eines PKW mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor am Beispiel BMW
—> siehe Folie 17!
—> ACHTUNG: das ursprüngliche Fahrzeug war nicht für den Betrieb mit Wasserstoff ausgelegt!
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PKW-Wasserstoffmotor von Toyota
Pressemitteilung von Toyota 22.04.2021:
Toyota erprobt Wasserstoffmotor im Motorsport (Einsatz beim diesjährigen 24-Stunden-Rennen in Japan)
- wasserstoffbetriebene Alternative zum Brennstoffzellenantrieb
- effizientere Verbrennung und weniger Geräusche als bei Benzinern
- weiterer Schritt zur nachhaltigen, emissionsfreien Mobilität
[…] Die Toyota Motor Corporation entwickelt einen Wasserstoffmotor und erprobt diesen im Motorsport. Das Triebwerk verwendet Wasserstoff statt Benzin und stößt dadurch keine CO2- Emissionen aus. […] Bei dem Dreizylinder-Erprobungstriebwerk vom Typ GE16-GTS wird der Wasserstoff über ein modifiziertes Kraftstoffversorgungs- und Einspritzsystem in die Brennräume des Hubkolbenmotors gebracht. Die Verbrennung erfolgt schneller als bei vergleichbaren Benzinern, was zu einem besseren Ansprechverhalten des Motors führt. Darüber hinaus verringern sich die Vibrationen, so dass Fahrgefühl und Fahrzeugrückmeldung steigen. Auch der markante Klang des Verbrennungsmotor bleibt erhalten. Größter Vorteil der umweltfreundlichen Fahrzeugperformance: Wasserstoffmotoren stoßen keine CO2-Emissionen aus. […]Motorsport ist für Toyota ein wichtiges Element, um Technologien wie den Wasserstoffmotor zu erproben sowie Fahrzeuge zu entwickeln und zu verbessern. […] Die Markteinführung des für den Motorsporteinsatz vorbereiteten Corolla ist derzeit nicht vorgesehen. Vielmehr dient das Rennfahrzeug der Erprobung des Wasserstoffmotors.
(Nur lesen)
…
Aktuell wird kaum im PKW-Bereich, sondern eher im schweren Nutzfahrzeugbereich an Wasserstoff-Verbrennungsmotoren gearbeitet.
—> beispielsweise bei MAN Truck&Bus
—> siehe Text Folie 19!
…
H2-Verbrennungsmotoren am Beispiel MAN
—> Folie 20
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Wasserstoffverbrennungsmotor
Einen Verbrennungsmotor komplett neu zu entwickeln kostet viel Zeit und Geld.
Daher bietet sich was an?
Ableiten des Wasserstoffverbrennungsmotors von einem bestehenden Verbrennungsmotor
—> also nur die notwendigen Bauteile anpassen
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—> Auf Folie 21 ist ein MAN-Motor dargestellt und die adoptierten bzw. neuen Bauteile in blau eingefärbt.
Neben der Entwicklung neuer Wasserstoffverbrennungsmotoren wird auch an was gearbeitet?
der Umrüstung gebrauchter Verbrennungsmotoren auf den Wasserstoffbetrieb.
Ein Beispiel dafür ist die Firma KEYOU.
—> siehe Folie 22
