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Alt 23.12.2004, 08:25     #5
Albert   Albert ist offline
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4. Wasserstoff-Verbrennungsmotor auf der Überholspur.
BMW schreibt Automobilgeschichte – neun Rekordfahrten mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor.


Auf der NAIAS 2005 stellt BMW erstmals in den USA das Wasserstoffrekordfahrzeug H2R vor. Dass Wasserstoff kann nicht nur Weltraumraketen zu Höchstleistungen antreiben kann, hat BMW im September 2004 auf dem Hochgeschwindigkeitskurs in Miramas (Frankreich) unter Beweis gestellt: Neun Rekorde für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor belegen eindrucksvoll, was wirklich im Wasserstoffauto steckt.

„Neun Rekorde als Startschuss für das Wasserstoff-Zeitalter. Die BMW Technologie ist weit fortgeschritten, jetzt müssen wir gemeinsam mit der Politik und der Energiewirtschaft darangehen, unsere Vision einer nachhaltigen Mobilität Wirklichkeit werden zu lassen“, betonte Prof. Göschel, Vorstand der BMW Group während der Rekordfahrten in Miramas. Damit untermauerte die BMW Group auf dem Hochgeschwindigkeitskurs von Miramas (Frankreich) ihre Überzeugung, wonach Wasserstoff konventionelle Kraftstoffe ablösen kann, ohne dass der Autofahrer auf die Dynamik heutiger Fahrzeuge verzichten muss.

Die technischen Daten des H2R Renners belegen dies eindrucksvoll: Der Zwölfzylindermotor mit sechs Litern Hubraum leistet über 210 kW/285 PS. Damit beschleunigt der Prototyp in ca. sechs Sekunden aus dem Stand auf Tempo 100 und erreicht eine Spitzengeschwindigkeit von mehr als 300 km/h. Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor basiert auf dem Benzin-Triebwerk des BMW 760i und verfügt damit über modernste Technologien wie z. B. die vollvariable Ventilsteuerung VALVETRONIC. Die Modifikationen betreffen vor allem die Kraftstoffeinspritzung, die BMW den speziellen Eigenschaften von Wasserstoff angepasst hat. Dabei profitierte der H2R von den Ergebnissen aus der Serienentwicklung des künftigen BMW Wasserstoffmotors für die weltweit erste Premiumlimousine mit bivalentem Antrieb: Noch während der Produktionszeit des aktuellen 7er wird BMW ein Modell dieser Baureihe auf den Markt bringen, das sowohl mit Wasserstoff als auch mit Benzin betrieben werden kann.

Im Einzelnen stellte der H2R Prototyp folgende Bestmarken, geordnet nach Zeit und Geschwindigkeit, auf:
  • 1 Kilometer mit fliegendem Start: 11,993 sec / 300,175 km/h
  • 1 Meile mit fliegendem Start: 19,999 sec / 289,704 km/h
  • 1∕8 Meile mit stehendem Start: 9,937 sec / 72,880 km/h
  • 1∕4 Meile mit stehendem Start: 14,967 sec / 96,770 km/h
  • 1∕2 Kilometer mit stehendem Start: 17,342 sec / 103,794 km/h
  • 1 Meile mit stehendem Start: 36,850 sec / 157,220 km/h
  • 10 Meilen mit stehendem Start: 221,773 sec / 261,242 km/h
  • 1 Kilometer mit stehendem Start: 26,749 sec / 134,584 km/h
  • 10 Kilometer mit stehendem Start: 146,409 sec / 245,887 km/h
Die Homologation dieser Rekorde unterliegt noch der Anerkennung durch die FIA. Diese erfolgt voraussichtlich bis Ende 2004.

Am Steuer des Rekordwagens wechselten sich die drei BMW Werksfahrer Alfred Hilger, Jörg Weidinger und Günther Weber ab.

Die sportliche Rekordjagd liefert nicht nur den Nachweis, welches Leistungspotenzial im Wasserstoffauto steckt. Seine standfeste Technik demonstriert auch die Reife der BMW Motorenentwicklung beim Wasserstoffantrieb. Als Fahrzeugantrieb favorisiert BMW den Verbrennungsmotor, der in der Summe seiner Eigenschaften nach wie vor die meisten Vorteile besitzt.

Der H2R: In nur zehn Monaten entwickelt.

Erdacht, konstruiert und entwickelt wurde das BMW Rekordfahrzeug H2R von der legendären BMW Tochtergesellschaft der BMW Forschung und Technik GmbH. Der Name H2R des Fahrzeugs steht für „H two Race Car“, „Hydrogen Record Car“ oder „Hydrogen Research Car“. „Wir hatten zehn Monate Zeit für die Entwicklung“, erzählt Jürgen Kübler, Projektleiter des H2R. Aber kurze Zeitfenster gehören zum Alltag der kreativen Ingenieure. Wobei drei Umstände ihnen die Arbeit erleichterten: Erstens haben die Komponenten für das künftige Wasserstoff-Serienauto von BMW einen Reifegrad erreicht, der ihre problemlose Adaption an das Rekordfahrzeug erlaubte. Zweitens konnten die Entwickler bei der Auslegung des Chassis auf bewährte BMW Fahrwerksysteme zurückgreifen, die höchste Anforderungen erfüllen. Drittens ermöglichte ein massiver CAD-Einsatz eine zielgerichtete und zeitsparende Entwicklung.

Der Motor: Serien-Zwölfzylinder mit Anpassungen an Wasserstoff.

Das Herzstück des H2R basiert im Wesentlichen auf dem Spitzentriebwerk von BMW, dem Zwölfzylindermotor mit sechs Litern Hubraum. Der Einsatz von Wasserstoff als Kraftstoff wird durch eine Anpassung der Motorsteuerung sowie der Komponenten der Gemischbildung ermöglicht.

Wichtigster baulicher Unterschied sind das Wasserstoff-Einblaseventil und die Materialauswahl im Brennraum. Im Gegensatz zum Serienmotor, bei dem der Kraftstoff direkt in den Brennraum gespritzt wird, sitzen die Einblaseventile des Wasserstoffmotors in den Saugrohren. Für die Rekordfahrten wurde der Wasserstoff-Verbrennungsmotor auf monovalenten Betrieb, also ausschließlich auf Wasserstoff, ausgelegt.

Diese Festlegung erlaubte es den Ingenieuren, das Triebwerk speziell auf den Wasserstoffbetrieb abzustimmen. So wurden beispielsweise Ventilsitzringe aus speziellem Material eingesetzt. Der Grund: Wasserstoff fehlt die schmierende Wirkung des Benzin-Luft-Gemisches. Zur Erinnerung: Dieser Effekt der verminderten Schmierung trat auch bei der Einführung von bleifreiem Benzin auf, seither wird in Serienmotoren ein widerstandfähigerer Werkstoff eingesetzt.

Besserer Wirkungsgrad mit Wasserstoff.

Grundsätzlich hat Wasserstoff deutlich andere Verbrennungseigenschaften als Benzin oder Dieselkraftstoff. Er verbrennt bei normalem Luftdruck zwar schneller, aber mit etwas niedrigerer Temperatur als Benzin.

Im Motor sorgt die hohe Brenngeschwindigkeit des Wasserstoff-Luft-Gemisches dafür, dass eine höhere Temperatur als in einem benzinbetriebenen Motor entsteht. Dementsprechend wurde die Motorsteuerung des BMW Rekordfahrzeugs H2R so angepasst, dass das Gemisch erst im oberen Totpunkt des Kolbens gezündet wird, um die maximale Leistung zu erreichen. Benzin-Luft-Gemische verbrennen vergleichsweise langsam. Deswegen müssen sie mit steigender Drehzahl zunehmend früher gezündet werden, so dass mit Beginn der Abwärtsbewegung des Kolbens der maximale Druck anliegt. Der höhere Verbrennungsdruck des Wasserstoff-Gemischs hat dabei handfeste Vorteile: Mehr Kraft aus gleichem Energieeinsatz ergibt einen besseren Wirkungsgrad.

So sehr die Zündfreudigkeit von Wasserstoff innerhalb des Motors erwünscht ist, so viel Aufmerksamkeit erfordert sie außerhalb des Brennraumes. Um Rückzündungen zu vermeiden, entwickelten die BMW Ingenieure eine spezielle Gaswechsel- und Einspritzstrategie:

Die stufenlose BMW Nockenwellenverstellung VANOS steuert den Restgasanteil gezielt. Bevor das Wasserstoff-Gemisch einströmt, wird der Brennraum mit Luft gekühlt. Damit ist garantiert, dass sich das Gemisch nicht unkontrolliert entzünden kann.

VALVETRONIC schafft optimale Bedingungen für Wasserstoffbetrieb.

Mit der BMW exklusiven VALVETRONIC, die serienmäßig die Ventilsteuerung des Zwölfzylinders übernimmt, steht den Motorentwicklern ein ideales Werkzeug zur Verfügung, um diesen anspruchsvollen Gaswechsel zu steuern. Die VALVETRONIC beeinflusst sowohl Dauer als auch Hub der Ventilbewegung. Das funktioniert so: Zwischen Nockenwelle und Einlassventilpaar jedes Zylinders ist ein Zwischenhebel platziert. Seine Position zur Nockenwelle ist durch eine elektromotorisch betätigte, zusätzliche Exzenterwelle stufenlos veränderbar. Je nach deren Stellung übersetzt der Hebel nun die Erhebung der Nocken in eine größere oder kleinere Ventilbewegung. Die VALVETRONIC baut außerdem konsequent auf der stufenlosen BMW Nockenwellenverstellung auf. Das System, genannt VANOS, ist integraler Bestandteil des VALVETRONIC Konzeptes. Mit VANOS können über eine hydraulisch gesteuerte Verstelleinheit im Nockenwellenantrieb Anfang und Ende der Ventilöffnungszeiten beeinflusst werden. Die vollvariable Ventilsteuerung ermöglicht es, den Gaswechsel des Zwölfzylindermotors optimal auf Wasserstoff-Betrieb abzustimmen.

Spezielle Einblaseventile für den Wasserstoff-Betrieb.

Die – möglichst späte – Einblasung des Wasserstoffs in das Saugrohr stellt gleichzeitig hohe Anforderungen an die Einblaseventile. Sie sind eine wegweisende Neuentwicklung für BMW. Da gasförmiger Wasserstoff mehr Volumen pro Energieeinheit als flüssiges Benzin aufweist, sind die Einblaseventile größer als konventionelle Einspritzventile. Hinzu kommt, dass sie eine deutlich größere Spreizung abdecken: Sie müssen mit unterschiedlichen Systemdrücken und gleichzeitig sowohl mit sehr kurzen als auch mit längeren Einspritzzeiten arbeiten können. Ein Hauptziel ihrer Entwicklung war es, in dem sehr kurzen Einspritzzeitraum bei höchster Drehzahl und Volllast die erforderliche Wasserstoffmenge in das Saugrohr einzublasen.

Saubere Gemischbildung: Weniger Verbrauch bei Teillast, mehr Kraft bei Volllast.

Unter Volllast wird der Zwölfzylindermotor mit einem Gemisch von Lambda = 1 betrieben. Das entspricht dem Mischungsverhältnis, mit dem auch heutige Benzinmotoren arbeiten und das prinzipiell die höchste Leistungsausbeute bei einem Verbrennungsmotor ermöglicht. Im Teillastbereich – auch das ist ein Vorteil von Wasserstoff – läuft das Triebwerk im sparsamen Magerbetrieb mit Luftüberschuss. Bei der Verbrennung von Wasserstoff entstehen in einem ganz bestimmten Gemischbereich Stickoxide. Dieses Gemischfenster liegt etwas oberhalb von Lambda = 1 und geht bis in den Bereich von Lambda > 2. Die Lösung: Dieses Gemischfenster ist für den Motorbetrieb nicht notwendig.

Die schnelle Motorsteuerung des BMW Wasserstoffmotors überspringt es und vermeidet damit die NOx-Emissionen. Das Ergebnis: Der H2R ist so kraftvoll wie ein konventionelles Benzinfahrzeug, emittiert aber praktisch nur Wasserdampf.

Sicherheitstechnik.

Das Kraftstoffsystem des BMW Rekordfahrzeugs H2R basiert auf einem bewährten Konzept aus der Serienentwicklung. Befüllt wird der H2R an einer mobilen Wasserstoff-Tankstelle mittels einer manuellen Tankkupplung. Der vakuumisolierte, doppelwandige Tank fasst mehr als elf Kilo Flüssigwasserstoff und ist neben dem Fahrersitz untergebracht. Gleich drei Ventile sorgen für höchstmögliche Sicherheit: Das Betriebsventil am Tank öffnet bei einem Druck von 4,5 bar. Zwei zusätzliche Sicherheitsventile sorgen dafür, dass auch Leckagen im Kältemantel ohne gefährliche Folgen bleiben: Sie öffnen, wenn im Tankinneren mehr als 5 bar herrschen. Durch dieses doppelt redundante Sicherheitssystem ist ein Bersten des Wasserstofftanks wegen Überdruck ausgeschlossen.

Wärmetauscher statt Benzinpumpe.

Der Gasdruck in der Kraftstoffversorgung wird allein durch aktives Erwärmen des tiefkalten, flüssigen Wasserstoffs im Tank erzeugt und von einem Tankdruckregler auf ca. 3 bar Betriebsdruck gehalten. Danach bringt das Kühlwasser des Zwölfzylinders das Wasserstoffgas in einem Wärmetauscher auf Umgebungstemperatur.

Die Ventiltechnik.

Weitere Ventile kontrollieren den Gasdruck in den Förderleitungen zum Motor: Kaltventile im Inneren des Tanks steuern die Wasserstoff-Entnahme. Wird eine Vorlaufleitung leck und der Versorgungsdruck sinkt unter 0,4 bar, schließen die Entnahmeventile und entkoppeln damit den Tank von der Umwelt. Die Versorgungsleitung kann auch manuell über einen Kugelhahn unterbrochen werden. Um die Einblaseventile mit dem optimalen Druck zu versorgen – der je nach Fahrsituation variieren kann – reduziert die Motorsteuerung über ein Regelventil den Druck in der Versorgungsleitung auf ca. 1,2 bar.

Dieses umfangreiche Sicherheitssystem des H2R wird zusätzlich per Telemetrie, entlehnt aus der Formel 1, permanent überwacht. Vier Wasserstoffsensoren an neuralgischen Stellen – etwa dem Tankraum und dem Bereich um die Tankkupplung – erkennen und melden Leckagen sofort.

Das Fahrwerk.

Bei tragender Struktur und Chassis des BMW Rekordfahrzeugs H2R griffen die Entwickler der BMW Forschung und Technik GmbH auf Serienkomponenten von einem hochklassigen BMW Sportwagen zurück. Sie lieferten den selbsttragenden Aluminium-Rahmen, Spaceframe genannt, und das gesamte Fahrwerk. Hochfeste Strukturbleche aus Aluminium, einem leichten und korrosionsbeständigen Werkstoff, füllen die Räume zwischen den als stabiles „Gerüst“ dienenden, großzügig dimensionierten Strangpressprofilen aus. Das Ergebnis für den Fahrer ist ein hervorragend direktes Fahrgefühl ohne Zitterschwingungen.

Bei der Vorderradaufhängung handelt es sich um eine Doppelgelenk-Federbeinachse mit Zahnstangen-Lenkung, Aluminium-Querlenker, Zugstrebe und Stabilisator. Der Vorderachsträger ist eine Aluminium-Schweißkonstruktion aus Strangpressprofilen und Blechen, die sämtliche Teile der Vorderachse aufnimmt und an sechs Punkten mit der Karosserie verschraubt ist. Der Querlenker, ein Aluminium-Schmiedeteil, besitzt zwei Kugelgelenke, um eine exakte Radführung zu gewährleisten. Hinten übernimmt eine Integral-4-Achse die Radführung, ein von BMW patentiertes Mehrlenker-Prinzip mit Stabilisator.

Für optimalen Fahrbahnkontakt und Sicherheit sorgen Reifen der Dimension 245/40x19.

Die Karosserie: Außenhaut aus Kohlefasern.

Die Designer formten die einmalige Karosserie des BMW Rekordfahrzeugs H2R. Mit ihren Proportionen zitiert sie sowohl klassische BMW Rennwagen als auch Rekordfahrzeuge: 5,40 Meter lang und zwei Meter breit, ist sie durch und durch auf optimale Aerodynamik abgestimmt. Zum Erreichen der Rekord-Höchstgeschwindigkeiten trägt bei, dass bei einer Stirnfläche von 1,85 Quadratmetern ein Cw-Wert von 0,21 erzielt wurde. Ein 20 Zentimeter langer Diffusor am Heck verhindert bremsende Verwirbelungen hinter dem Wagen.

Gleichzeitig sorgen die seitliche Profilierung und die Länge für stabile Fahreigenschaften auch bei höchstem Tempo. Die Außenhaut besteht wie bei einem Formel 1-Rennwagen aus kohlefaserverstärktem Kunststoff und bietet damit die optimale Kombination aus hoher Steifigkeit und niedrigem Gewicht: Insgesamt bringt der H2R vollgetankt und mit Fahrer 1560 Kilogramm auf die Waage.
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