8.VKM (Wasserstoff, H2)

Question 1

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!!

Answer 1

!

Question 2

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.

Answer 2

(1) flüssigen
(2) gasförmigen
(3) geringe
(4) gasförmigen
(5) realem
(6) idealem
(7) Wasserstoffdruckes

Question 3

Für einen Wasserstoffmotor müssen einzelne Komponenten gegenüber Diesel- und Ottomotoren angepasst, aber nicht grundlegend neu entwickelt werden.

Wahr/Falsch?

Answer 3

Wahr

Question 4

H2-Verbrennungsmotor:
Betriebsstrategien und Entwicklungsschwerpunkte

Nenne 2 mögliche H2-ICE-Betriebsstrategien: ??

Answer 4

• reiner Magerbetrieb

- stöchiometrischer und Magerbetrieb

Question 5

H2-Verbrennungsmotor:
Betriebsstrategien und Entwicklungsschwerpunkte

Nenne Entwicklungsschwerpunkte: ?? (3)

Answer 5

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)

Question 6

H2-Verbrennungsmotor:
Betriebsstrategien und Entwicklungsschwerpunkte

Weitere Modifikationen am Grundmotor (Ableitung aus vorhanden Lösungen): ?? (4)

Answer 6

Ventile, Ventilsitzringe
—> ggf. Übernahme von Erdgaslösungen

Kolben, Kolbenringpaket
—> ggf. Anpassung erforderlich

Kurbelgehäuseentlüftung
—> ggf. Anpassung erforderlich

Motoröl
—> ggf. Modifikation erforderlich

Question 7

Aufbau eines H2-Verbrennungsmotors am Beispiel Bosch

—> siehe Folie 6

Answer 7

…

Question 8

Bewertung verschiedener Brennverfahren für Wasserstoffverbrennungsmotoren.

Nenne 4 Verfahren: ??

Answer 8

• PFI-SI
• Low Pressure DI-SI
• High Pressure DI-SI
• High Pressure DI-Diffusive

PFI: Port Fuel Injektion
DI: Direkt Injektion
SI: Spark Ignited

Question 9

Bewertung verschiedener Brennverfahren für Wasserstoffverbrennungsmotoren.

—> siehe Tabelle Folie 7!

Answer 9

…

Question 10

Wasserstoffverbrennungsmotor am Bsp. BMW
—> 12-Zylinder-Verbrennungsmotor (2006)

—> siehe Folie 8

Answer 10

…

Question 11

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.

Answer 11

(1) Magerbetrieb
(2)&raquo_space;
(3) unter

Question 12

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

Answer 12

(1) Verbrennung
(2) thermodynamische
(3) verlustbehaftet
(4) Quantitätsreglung
(5) Magerbetrieb
(6) drosselfrei
(7) Qualitätsregelung
(8) Brenngeschwindigkeit
(9) Arbeitsspiel
(10) Luftüberschuss
(11) Qualitäts-
(12) Quantitätsregelung

Question 13

Wasserstoffverbrennungsmotor im Prüfstand am Beispiel BMW

Gegenüber Motoren mit Diesel und Benzin müssen zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen für Wasserstoff eingehalten werden.

Wahr/Falsch?

Answer 13

Wahr

Question 14

Speicherung von Wasserstoff: gasförmig

Aufbau eines Speichers für Wasserstoff in gasförmiger Form. (Druckgasspeicherung)
—> siehe Folie 12

Answer 14

…

Question 15

Speicherung von Wasserstoff: Gasförmig

Als Wasserstoffspeicher in Fahrzeugen hat sich was durchgesetzt?

Answer 15

Druckgasspeicher

Question 16

Speicherung von Wasserstoff: Gasförmig

Um die erforderliche Fahrzeugreichweite darzustellen, haben sich in PKW Druckspeicher Flüssiggasspeicher für ?? bar etabliert.

Answer 16

700

Question 17

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?

Answer 17

1) 2-3
2) meistens im Heck des Fahrzeuges
3) 2-3 kg

Question 18

Speicherung von Wasserstoff: Flüssig

—> Aufbau auf Folie 13!

Answer 18

…

Question 19

Speicherung von Wasserstoff: Flüssig
—> Flüssiggasspeicherung

Dazu wird Wasserstoff bei einer Temperatur von ?(1)? in flüssiger Form gespeichert.

Die ?(2)? können dadurch signifikant erhöht werden.

Answer 19

(1) -252°C

(2) Speicherdichten

Question 20

Speicherung von Wasserstoff: Flüssig
—> Flüssiggasspeicherung

Was ist problematisch an diesem Konzept?

Answer 20

• der Energiebedarf zur Kühlung (bei -252°C in flüssiger Form gespeichert)
• die thermische Isolation der Behälter im Fahrzeug

Question 21

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.

Answer 21

(1) Druck
(2) Druck
(3) Druckverhältnis
(4) abgelassen
(5) „boil off“

Question 22

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.

Answer 22

(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

Question 23

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.

Answer 23

(1) Verdampfen
(2) Druck
(3) Temperatur
(4) Druckentlastungssystem
(5) Sicherheitsventil
(6) offenen
(7) Boil-Off-Drucks
(8) abgeblasen

Question 24

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)? […]

Answer 24

(1) verbrannt
(2) Freie
(3) 0,3 bis 3 %
(4) größere
(5) Kugel
(6) Wärmeeintrag
(7) Spannungen

Question 25

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.

Answer 25

…

Question 26

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)

Answer 26

(1) Durchmesser
(2) Tankschlauchs
(3) verschlossen
(4) geöffnet

Question 27

Aufbau eines PKW mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor am Beispiel BMW
—> siehe Folie 17!
—> ACHTUNG: das ursprüngliche Fahrzeug war nicht für den Betrieb mit Wasserstoff ausgelegt!

Answer 27

…

Question 28

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)

Answer 28

…

Question 29

Aktuell wird kaum im PKW-Bereich, sondern eher im schweren Nutzfahrzeugbereich an Wasserstoff-Verbrennungsmotoren gearbeitet.

—> beispielsweise bei MAN Truck&Bus
—> siehe Text Folie 19!

Answer 29

…

Question 30

H2-Verbrennungsmotoren am Beispiel MAN

—> Folie 20

Answer 30

…

Question 31

Wasserstoffverbrennungsmotor

Einen Verbrennungsmotor komplett neu zu entwickeln kostet viel Zeit und Geld.

Daher bietet sich was an?

Answer 31

Ableiten des Wasserstoffverbrennungsmotors von einem bestehenden Verbrennungsmotor
—> also nur die notwendigen Bauteile anpassen
_____

—> Auf Folie 21 ist ein MAN-Motor dargestellt und die adoptierten bzw. neuen Bauteile in blau eingefärbt.

Question 32

Neben der Entwicklung neuer Wasserstoffverbrennungsmotoren wird auch an was gearbeitet?

Answer 32

der Umrüstung gebrauchter Verbrennungsmotoren auf den Wasserstoffbetrieb.

Ein Beispiel dafür ist die Firma KEYOU.
—> siehe Folie 22