Forschung

Untersuchungen zum Einfluss von Wasserstoff auf die Ottomotorische Verbrennung im bivalenten Betrieb

Für die individuelle Mobilität wird eine große Menge Energie benötigt, bei derer Wandlungskette Emissionen entstehen. Da sich dies nicht vermeiden lässt, werden viele Möglichkeiten diskutiert, wie man die benötigte Energie am schonendsten für Umwelt und Mensch unter Berücksichtigung der Bereitstellungskosten zur Verfügung stellen kann. Wasserstoff als sehr einfach herzustellendes Energiespeichermedium steht immer wieder in der Diskussion. Der reine Wasserstoffantrieb mittels Brennstoffzellen ist gegenwärtig aufgrund der hohen Produktionskosten sowie der noch offenen technischen Herausforderungen der Brennstoffzellen und der Masse, die ein Wasserstofftank im Fahrzeug mit sich bringt, noch nicht wettbewerbsfähig. Aber Wasserstoff, auch als Beimengung im bivalenten Motorbetrieb, bietet auch große Potentiale durch eine schadstoffarme Verbrennung in einem Verbrennungsmotor. In eigenen Forschungsarbeiten hat MOT Untersuchungen durchgeführt, wie man kurzfristig mittels Wasserstoff die Verbrennung im Ottomotor emissionsärmer und effizienter gestalten könnte.

Ein wichtiger Faktor bei der Entstehung von Emissionen eines Verbrennungsmotors stellt der verwendete Kraftstoff dar. Nicht allein die physikalischen Eigenschaften des Kraftstoffes, welche den Verbrennungsvorgang maßgeblich beeinflussen, sondern auch die chemische Zusammensetzung entscheiden über das Emissionspotential. Eine Verbrennung von reinem Wasserstoff beispielsweise produziert kein Treibhausgas CO₂. Aber auch die Beimengung von Wasserstoff zu konventionellem Otto-Kraftstoff wirkt sich positiv auf die Verbrennung aus.

Untersuchungen zu Wasserstoff am Prüfstand

Die Untersuchungen wurden an einem Einzylinder-Ottomotor mit einem Hubraum von 449 ccm, unter Beibehaltung einer serienmäßigen Konfiguration der Saug- und Abgasseite sowie des Brennraums und der Zündanlage durchgeführt. Es wurde bis zu 10 Vol.-% Wasserstoff, bezogen auf das angesaugte Luftvolumen, im Ansaugtrakt eingebracht. Der Kraftstofffluss, Ottokraftstoff nach EN228, wurde entsprechend eines Ziellambdawertes geregelt. Die Zündung wurde nach konstanter Schwerpunktlage der Verbrennung geregelt.

Da aufgrund der Beimengung von Wasserstoff bei gleicher Motorleistung weniger Kraftstoff verbrannt werden muss und somit der Anteil des Kohlenstoffs an der Verbrennung sinkt, fallen die CO₂-Emissionen mit zunehmendem Wasserstoffanteil stark ab. Im untersuchten Bereich war es somit möglich fast ein Viertel dieser Treibhausgasemissionen zu vermeiden, Abbildung 1. Deutlich zu erkennen ist auch ein positiver Einfluss des Wasserstoffs auf den Wirkungsgrad der Verbrennung, Abbildung 2. Eine Steigerung des Wirkungsgrades um annähernd 4%-Punkte wurde durch eine Beimengung von drei Volumenprozent Wasserstoff erreicht.