Fahrzeug mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor

Musashi 9 LKW mit flüssigem Wasserstoff

EIN Fahrzeug mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor (HICEV) ist eine Art Wasserstofffahrzeug, das einen Verbrennungsmotor verwendet.[1] Fahrzeuge mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor unterscheiden sich von Fahrzeugen mit Wasserstoff-Brennstoffzellen (die die elektrochemische Verwendung von Wasserstoff anstelle der Verbrennung verwenden). Stattdessen ist der Wasserstoff-Verbrennungsmotor einfach eine modifizierte Version des herkömmlichen benzinbetriebenen Verbrennungsmotors.[2][3]

Geschichte[edit]

Francois Isaac de Rivaz entwarf 1806 den De Rivaz-Motor, den ersten Verbrennungsmotor, der mit einem Wasserstoff / Sauerstoff-Gemisch betrieben wurde.[4]Étienne Lenoir stellte das Hippomobil 1863 her. Paul Dieges patentierte 1970 eine Modifikation von Verbrennungsmotoren, die es einem benzinbetriebenen Motor ermöglichte, mit Wasserstoff betrieben zu werden.[5]

Die Tokyo City University entwickelt seit 1970 Wasserstoff-Verbrennungsmotoren.[6] Sie haben kürzlich einen mit Wasserstoff betriebenen Bus entwickelt[7] und LKW.

Mazda hat Wankelmotoren entwickelt, die Wasserstoff verbrennen. Der Vorteil der Verwendung von ICE (Verbrennungsmotor) wie Wankel- und Kolbenmotoren besteht darin, dass die Kosten für das Umrüsten für die Produktion viel geringer sind. ICE mit vorhandener Technologie kann weiterhin verwendet werden, um Probleme zu lösen, bei denen Brennstoffzellen noch keine praktikable Lösung sind, beispielsweise bei Anwendungen bei kaltem Wetter.

Zwischen 2005 und 2007 testete BMW ein Luxusauto namens BMW Hydrogen 7, das von einem Wasserstoff-ICE angetrieben wurde und in Tests 301 km / h erreichte.[citation needed] Mindestens zwei dieser Konzepte wurden hergestellt.[citation needed]

HICE Gabelstapler wurden demonstriert [8] basierend auf umgebauten Diesel-Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung.[9]

Im Jahr 2000 wurde eine Shelby Cobra in einem Projekt unter der Leitung von James W. Heffel (damaliger Hauptingenieur der University of California, Riverside CE-CERT) auf Wasserstoff umgestellt. Die Wasserstoffumwandlung wurde mit dem Ziel durchgeführt, ein Fahrzeug so zu machen, dass es den aktuellen Geschwindigkeitsrekord für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge übertrifft.[10][11][12] Es erreichte respektable 108,16 Meilen pro Stunde und verfehlte den Weltrekord für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge um 0,1 Meilen pro Stunde.[13]

Die Alset GmbH hat ein hybrides Wasserstoffsystem entwickelt, mit dem Fahrzeuge Benzin und Wasserstoff einzeln oder gleichzeitig mit einem Verbrennungsmotor nutzen können. Diese Technologie wurde mit Aston Martin Rapide S während des 24-Stunden-Rennens auf dem Nürburgring eingesetzt. Der Rapide S war das erste Fahrzeug, das das Rennen mit Wasserstofftechnologie beendete.[14]

Die Entwicklung von Wasserstoff-Verbrennungsmotoren hat in letzter Zeit mehr Interesse erhalten, insbesondere für schwere Nutzfahrzeuge. Ein Teil der Motivation dafür ist die Überbrückungstechnologie zur Erreichung künftiger CO2-Emissionsziele und eine Technologie, die besser mit dem vorhandenen Wissen und der Fertigung im Automobilbereich kompatibel ist.

Effizienz[edit]

Da Wasserstoff-Verbrennungsmotoren Wärmekraftmaschinen sind, wird ihr maximaler Wirkungsgrad durch den Carnot-Wirkungsgrad begrenzt. Im Vergleich dazu ist der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle durch die freie Gibbs-Energie begrenzt, die typischerweise höher ist als die von Carnot.

Wasserstoffverbrennungsmotoren sind in Bezug auf den Wirkungsgrad besonders empfindlich gegenüber Lasttransienten und daher besser für den Betrieb mit konstanter Last geeignet.

Schadstoffemissionen[edit]

Bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff entsteht Wasserdampf als einziges Produkt:

2H2 + O.2 → 2H2Ö

In der Luft kann die Wasserstoffverbrennung jedoch Stickoxide erzeugen, die als NO bekannt sindx. Auf diese Weise ähnelt der Verbrennungsprozess anderen Hochtemperatur-Verbrennungsbrennstoffen wie Kerosin, Benzin, Diesel oder Erdgas. Als solche gelten Wasserstoffverbrennungsmotoren nicht als emissionsfrei.

Wasserstoff hat im Vergleich zu anderen Kraftstoffen einen weiten Entflammbarkeitsbereich. Infolgedessen kann es in einem Verbrennungsmotor über einen weiten Bereich von Kraftstoff-Luft-Gemischen verbrannt werden. Ein Vorteil hierbei ist, dass es sich somit um ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch handeln kann. Ein solches Gemisch ist eines, bei dem die Kraftstoffmenge geringer ist als die theoretische, stöchiometrische oder chemisch ideale Menge, die für die Verbrennung mit einer bestimmten Luftmenge benötigt wird. Der Kraftstoffverbrauch ist dann größer und die Verbrennungsreaktion ist vollständiger. Außerdem ist die Verbrennungstemperatur normalerweise niedriger, wodurch die Menge der Schadstoffe (Stickoxide, …), die durch das Abgas emittiert werden, verringert wird.[15]

Die europäischen Emissionsnormen messen die Emissionen von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen, Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffen, Stickoxiden (NOx), atmosphärischen Partikeln und Partikelzahlen.

Laut einem Artikel von LM Das erzeugt die Wasserstoff-Verbrennung keine CO-, CO2-, SO2-, HC- oder PM-Emissionen.[16][17] Er beschreibt es als “nahezu null Emissionen”.

Die Abstimmung eines Wasserstoffmotors im Jahr 1976 auf die größtmögliche Emissionsmenge führte zu Emissionen, die mit verbraucherbetriebenen Benzinmotoren aus dem Jahr 1976 vergleichbar waren.[citation needed][18] Moderne Motoren sind jedoch häufig mit einer Abgasrückführung ausgestattet. Gleichung beim Ignorieren der AGR:

H.2 + O.2 + N.2 → H.2O + NOx[19]

Diese Technologie kommt auch Wasserstoff in Bezug auf die NOx-Emissionen zugute.[20]

Da die Wasserstoffverbrennung nicht emissionsfrei ist und keine CO2-Emissionen aufweist, ist es attraktiv, Wasserstoff-Verbrennungsmotoren als Teil eines Hybridantriebsstrangs zu betrachten. In dieser Konfiguration kann das Fahrzeug kurzfristige emissionsfreie Funktionen anbieten, z. B. den Betrieb in emissionsfreien Stadtzonen.

Anpassung bestehender Motoren[edit]

Die Unterschiede zwischen einem Wasserstoff-ICE und einem herkömmlichen Benzinmotor umfassen gehärtete Ventile und Ventilsitze, stärkere Pleuelstangen, Zündkerzen ohne Platinspitze, eine Zündspule mit höherer Spannung, Einspritzdüsen für ein Gas anstelle eines flüssigen, größeren Kurbelwellendämpfers, Stärkeres Kopfdichtungsmaterial, modifizierter (für Lader) Ansaugkrümmer, Überdrucklader und ein Hochtemperatur-Motoröl. Alle Änderungen würden ungefähr das Fünffache (1,5) der aktuellen Kosten eines Benzinmotors betragen.[21] Diese Wasserstoffmotoren verbrennen Kraftstoff auf die gleiche Weise wie Benzinmotoren.

Die theoretische maximale Leistung eines Wasserstoffmotors hängt vom Luft / Kraftstoff-Verhältnis und der verwendeten Kraftstoffeinspritzmethode ab. Das stöchiometrische Luft / Kraftstoff-Verhältnis für Wasserstoff beträgt 34: 1. Bei diesem Luft / Kraftstoff-Verhältnis verdrängt Wasserstoff 29% der Brennkammer und lässt nur 71% für die Luft übrig. Infolgedessen ist der Energiegehalt dieses Gemisches geringer als wenn der Kraftstoff Benzin wäre. Da sowohl die Vergaser- als auch die Anschlusseinspritzmethode den Kraftstoff und die Luft mischen, bevor sie in die Brennkammer gelangen, begrenzen diese Systeme die maximal erreichbare theoretische Leistung auf ungefähr 85% der von Benzinmotoren. Bei Direkteinspritzsystemen, die den Kraftstoff nach dem Schließen des Einlassventils mit der Luft mischen (und somit der Brennraum 100% Luft enthält), kann die maximale Motorleistung etwa 15% höher sein als bei Benzinmotoren.

Je nachdem, wie der Kraftstoff dosiert wird, kann die maximale Leistung eines Wasserstoffmotors daher entweder 15% höher oder 15% niedriger sein als die von Benzin, wenn ein stöchiometrisches Luft / Kraftstoff-Verhältnis verwendet wird. Bei einem stöchiometrischen Luft / Kraftstoff-Verhältnis ist die Verbrennungstemperatur jedoch sehr hoch und es entsteht eine große Menge an Stickoxiden (NOx), die ein Schadstoffkriterium sind. Da einer der Gründe für die Verwendung von Wasserstoff die geringen Abgasemissionen sind, sind Wasserstoffmotoren normalerweise nicht für den Betrieb mit einem stöchiometrischen Luft / Kraftstoff-Verhältnis ausgelegt.

Typischerweise sind Wasserstoffmotoren so ausgelegt, dass sie etwa doppelt so viel Luft verbrauchen, wie theoretisch für eine vollständige Verbrennung erforderlich ist. Bei diesem Luft / Kraftstoff-Verhältnis wird die Bildung von NOx auf nahe Null reduziert. Leider reduziert dies auch die Leistung auf etwa die Hälfte der eines ähnlich großen Benzinmotors. Um den Leistungsverlust auszugleichen, sind Wasserstoffmotoren normalerweise größer als Benzinmotoren und / oder mit Turboladern oder Ladern ausgestattet. [22]

In den Niederlanden hat die Forschungsorganisation TNO mit Industriepartnern an der Entwicklung von Wasserstoff-Verbrennungsmotoren gearbeitet [23]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ “Fahrzeuge mit INL-Wasserstoff-Verbrennungsmotor”. Archiviert von das Original am 15.10.2004. Abgerufen 2008-12-17.
  2. ^ “Wasserstoffverbrauch in Verbrennungsmotoren” (PDF). US-Energieministerium. Dezember 2001. Abgerufen 25. Juli 2017.Dieser Artikel enthält Text aus dieser Quelle, der gemeinfrei ist.
  3. ^ Wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotoren; siehe Abschnitt 5
  4. ^ Eckermann, Erik (2001). Weltgeschichte des Automobils. Warrendale, PA: Gesellschaft der Automobilingenieure. ISBN 0-7680-0800-X.
  5. ^ US 3844262
  6. ^ Furuhama, Shouichi (1978). International Journal of Hydrogen Energy, Band 3, Ausgabe 1, 1978, Seiten 61–81.
  7. ^ Von der TCU entwickelter Wasserstoff-Kraftstoff-ICE-Bus
  8. ^ “Linde X39”. Archiviert von das Original am 06.10.2008. Abgerufen 2008-12-17.
  9. ^ HyICE[permanent dead link]
  10. ^ [https://doi.org/10.4271/2001-01-2530 Heffel, J., Johnson, D., and Shelby, C., “Hydrogen Powered Shelby Cobra: Vehicle Conversion,” SAE Technical Paper 2001-01-2530, 2001
  11. ^ The Design and Testing of Hydrogen Fueled Internal Combustion Engine
  12. ^ Hydrogen Powered Shelby Cobra: Vehicle Conversion
  13. ^ UCR Runs Hydrogen Powered Shelby Cobra in Speed Trial
  14. ^ de Paula, Matthew. “Aston Martin Favors Hydrogen Over Hybrids, At Least For Now”. Forbes. Forbes Publishing.
  15. ^ Hydrogen use in internal combustion engines
  16. ^ Hydrogen vehicles and refueling infrastructure in India
  17. ^ L. M. DAS, EXHAUST EMISSION CHARACTERIZATION OF HYDROGEN OPERATED ENGINE SYSTEM: NATURE OF POLLUTANTS AND THEIR CONTROL TECHNIQUES Int. J. Hydrogen Energy Vol. 16, No. 11, pp. 765-775, 1991
  18. ^ P.C.T. De Boera, W.J. McLeana and H.S. Homana (1976). “Performance and emissions of hydrogen fueled internal combustion engines”. International Journal of Hydrogen Energy. 1 (2): 153–172. doi:10.1016/0360-3199(76)90068-9.
  19. ^ Hydrogen use in internal combustion engines Archived 2011-09-05 at the Wayback Machine
  20. ^ NOx emission and performance data for a hydrogen fueled internal combustion engine at 1500rpm using exhaust gas recirculation
  21. ^ Converting of gasoline ICE to hydrogen ICE
  22. ^ Hydrogen use in internal combustion engines Archived 2011-09-05 at the Wayback Machine
  23. ^ Archived at tno.nl
  24. ^ http://www.autointell.com/News-2001/October-2001/October-2001-1/October-03-01-p9.htm

External links[edit]