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Alt 28.02.2007, 19:45     #13
Hermann   Hermann ist offline
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Bivalenter Antrieb als praxisgerechte und zukunftsorientierte Innovation: Der Zwölfzylinder-Motor mit Benzin-Direkteinspritzung und Wasserstoff-Saugrohreinblasung.

Mit dem BMW Hydrogen 7, der weltweit ersten mit Wasserstoff betriebenen Luxuslimousine für die Nutzung im Alltagsverkehr, macht die Automobilentwicklung auf dem Weg zu einer drastischen Reduzierung der CO2-Emissionen einen bedeutenden Schritt nach vorn. Der bivalente Zwölfzylinder-Motor des BMW Hydrogen 7 kann praktisch emissionsfrei Wasserstoff sowie auf herkömmliche Weise Benzin verbrennen. Mit dieser revolutionären Motoreninnovation macht der BMW Hydrogen 7 die Bahn frei für den praxisorientierten Umstieg auf eine umweltfreundlichere automobile Fortbewegung. Versorgungslücken in der bislang für die Wasserstoff- Nutzung nur bedingt vorhandenen Infrastruktur werden mit dem bivalenten Zwölfzylinder-Motor im BMW Hydrogen 7 auf eine praxisgerechte Weise überwunden. Diese Technik-Innovation demonstriert das hohe Verantwortungsbewusstsein der BMW Group als Technologieführer auf dem Antriebssektor.

Nach dem heutigen Stand der Technik bietet nur der Verbrennungsmotor den Vorteil, bivalent arbeiten zu können. Autofahrer, die sich für die saubere Energie als Antriebsform entschieden haben, werden aufgrund der Bivalenz des Motors in ihrer individuellen Mobilität nicht eingeschränkt. Die Reichweite des BMW Hydrogen 7 wurde mit rund 700 Kilometern gegenüber herkömmlichen Benzinmotor-Fahrzeugen sogar erweitert. Im Vergleich zur Brennstoffzellentechnologie weist der Verbrennungsmotor einen erheblich höheren Reifegrad auf, der auf über Jahrzehnte hinweg gesammelten Erfahrungen beruht. Neben der daraus resultierenden Zuverlässigkeit dieses Motorenkonzepts sind auch die exzellenten fahrdynamischen Eigenschaften des Verbrennungsmotors ein wichtiges Argument für den Einsatz im Alltagsbetrieb.

Serien-Zwölfzylinder mit Anpassung an Wasserstoff.

Der Zwölfzylinder-Motor der weltweit ersten in Serie gefertigten Wasserstoff-Luxuslimousine für den Alltagsbetrieb ist vom Benzin-Triebwerk des BMW 760i abgeleitet und verfügt über modernste technische Details wie die vollvariable Ventilsteuerung VALVETRONIC und die variable Nockenwellenverstellung für die Einlass- und Auslassseite, Doppel-VANOS. Der bivalente Verbrennungsmotor ist so ausgelegt, dass in den Zylindern wahlweise Wasserstoff oder Benzin verbrannt werden kann. Die Besonderheit: Die Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs ist in beiden Betriebsarten identisch, der Motor kann verzögerungsfrei und im Fahrverhalten nicht wahrnehmbar zwischen dem Wasserstoff- und dem herkömmlichen Benzin-Betrieb umschalten.

Aus einem Hubraum von 6,0 Litern erzeugt das Triebwerk eine Leistung von 191 kW/260 PS, damit kommt der BMW Hydrogen 7 auf eine elektronisch abgeregelte Höchstgeschwindigkeit von 230 km/h. Das maximale Drehmoment beträgt 390 Newtonmeter und wird bei einer Motordrehzahl von 4 300 min–1 erreicht. Die Wasserstoff-Limousine beschleunigt in 9,5 Sekunden von null auf 100 km/h. Im Wasserstoff-Betrieb steht dem BMW Hydrogen 7 eine Reichweite von mehr als 200 Kilometern zur Verfügung, weitere 500 Kilometer legt er im Benzin-Betrieb zurück. Mit diesen Qualitäten bietet der bivalente V12-Motor des ersten Wasserstoff-Premiumfahrzeugs für den Alltagsbetrieb unabhängig von der jeweiligen Betriebsart Dynamik, Komfort und Zuverlässigkeit in der für BMW Modelle typischen Weise. Aus diesem Grund eignet sich die bivalente Antriebsform in besonderem Maße dafür, die Akzeptanz für die neue Antriebsenergie zu erhöhen.

VALVETRONIC schafft optimale Bedingungen für den Wasserstoff-Betrieb.

Grundsätzlich hat Wasserstoff deutlich andere Verbrennungseigenschaften als Benzin oder Dieselkraftstoff. Wasserstoff verbrennt schneller als Benzin. Für die Verbrennungseigenschaften des Wasserstoff-Luft-Gemischs ergeben sich durch die höhere Verbrennungsgeschwindigkeit handfeste Vorteile: Mit dem gleichen Energieeinsatz lässt sich ein höherer Wirkungsgrad erzielen als mit Benzin. Die unterschiedlichen Verbrennungseigenschaften der beiden Kraftstoffe werden durch spezielle Funktionen der Motorsteuerung des bivalenten Verbrennungsmotors ausgeglichen.

Für die flexible Motorsteuerung des bivalenten V12-Motors standen den Motorenkonstrukteuren mit der von BMW entwickelten drosselfreien Laststeuerung VALVETRONIC und der variablen Nockenwellenverstellung Doppel-VANOS ideale Werkzeuge zur Verfügung. Denn damit können der anspruchsvolle Gaswechsel und Einblaserhythmus gezielt auf die Eigenschaften des Wasserstoff-Luft-Gemischs abgestimmt werden. Die VALVETRONIC beeinflusst Dauer und Hub der Ventilbewegung. Eine elektromotorisch betätigte Exzenterwelle überträgt mit Hilfe eines Hebels zwischen der Nockenwelle und den Einlassventilen der Zylinder die Erhebung der Nocken in größere oder kleinere Ventilbewegungen. Mit Hilfe von VANOS können über eine hydraulisch gesteuerte Verstelleinheit Anfang und Ende der Ventilöffnungszeiten beeinflusst werden.

Einblaseventile als Schlüsseltechnologie.

Die Gemischbildung erfolgt im bivalenten V12-Motor für Benzin- und Wasserstoffeinlass mit unterschiedlichen Verfahren. Im Benzin-Betrieb arbeitet der Motor als Direkteinspritzer, die Wasserstoff-Gemischbildung erfolgt in den Ansaugkanälen. Die Wasserstoff-Verteiler wurden in die Sauganlage integriert. Als wegweisende Innovation belegen die speziell entwickelten Wasserstoff-Einblaseventile die große Ingenieurskunst der Motorentwickler. Die Gasventile sind naturgemäß größer als konventionelle Einspritzventile und decken eine deutlich größere Spreizung im Volumenstrom ab: Sie müssen mit Wasserstoff in unterschiedlichen Systemdrücken und außerdem mit sowohl sehr kurzen als auch mit längeren Einblasezeiten arbeiten können. In Hundertstelsekunden bringen sie stets exakt die jeweils benötigte Menge an Wasserstoffgas in die Ansaugluft ein.

Saubere Gemischbildung minimiert auch Stickoxide.

Die Tatsache, dass fossile Brennstoffe Kohlenstoff (C) enthalten, führt bei herkömmlichen Antriebskonzepten zu Emissionen, deren Reduzierung erheblichen Aufwand erfordert. Diese Problematik spielt beim Einsatz von Wasserstoff keine Rolle, bei seiner Verbrennung entstehen weder Kohlendioxid (CO2), noch Kohlenwasserstoffe (HC) oder Kohlenmonoxid (CO). Bei der Verbrennung von Schmieröl und der Spülung des Aktivkohlefilters des Benzintanks entstehen dennoch sehr geringe CO2-, HC- und CO-Emissionen, weshalb die Motoraktivität des BMW Hydrogen 7 im Wasserstoff-Betrieb als „praktisch emissionsfrei“ bezeichnet wird. CO2 entsteht durch die Verbrennung der Benzindämpfe und durch die Kat-Umwandlung der HC- und CO-Emissionen. Aktivkohlefilter kommen konzeptbedingt in Benzinfahrzeugen zum Einsatz, um die natürliche Verdunstung von Benzin, etwa bei praller Sonneneinstrahlung, aufzufangen. Die im Wasserstoff- Betrieb entstehenden Emissionen beschränken sich folglich auf wenige Prozent der EU4-Grenzwerte.

Relevant in der Betrachtung der Emissionen des bivalenten Zwölfzylinder-Motors sind daher nur die Stickoxid-Emissionen (NOX). Bei hohen Verbrennungstemperaturen von mehr als 1000 Grad Celsius entstehen – unabhängig von der Kraftstoffart – im Verbrennungsraum NOX-Emissionen durch die Verbindung von Luftstickstoff und -sauerstoff. Die flexible Motorsteuerung des BMW Hydrogen 7 macht eine Betriebsstrategie möglich, mit der Stickoxid-Emissionen weitestgehend verhindert werden können. Danach arbeitet der bivalente Zwölfzylinder-Motor unter Volllast quantitätsgeregelt im so genannten stöchiometrischen Betrieb. Dies bedeutet, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausgeglichen ist (Lambda = 1). In diesem Betriebsbereich wird die Maximalleistung des Motors erzielt. Dabei kann der NOX-Ausstoß mit einem herkömmlichen Drei-Wege-Katalysator auf ein Minimum reduziert werden.

Im Teillastbereich erfolgt die Laststeuerung ähnlich wie bei einem Dieselmotor über eine Qualitätsregelung. In diesem Fall arbeitet der Motor mit einem hohen Luftüberschuss (Lambda  2), das Gemisch ist dann mager. In diesem mageren Gemisch findet die Verbrennung mit erheblich niedrigeren Temperaturen statt. Da diese unterhalb der thermischen NOX-Bildungsgrenze liegen, entstehen nur sehr geringe NOX-Emissionen. Aufgrund der weiten Zündgrenzen von Wasserstoff kann der Motor im H2-Modus sehr mager, das heißt mit besonders geringen Kraftstoffanteilen, betrieben werden, was zusätzlich die Effizienz erhöht.

Im Bereich zwischen Volllast (Lambda = 1) und Teillast (Lambda > 2) steigen die NOX-Rohemissionen dagegen stark an. Dies hat zur Folge, dass die Abgasemissionen in diesem Bereich signifikant erhöht sind. Die Motorsteuerung des BMW Hydrogen 7 ist in der Lage, diesen Bereich auszublenden und direkt zwischen der mageren Verbrennung bei Teillast und der stöchiometrischen Verbrennung bei Volllast umzuschalten. Der für das Abgasverhalten ungünstige Gemischbereich zwischen Lambda = 1 und Lambda = 2 wird daher von der Motorsteuerung lückenlos im Drehmoment übersprungen.

Die intelligente Betriebsstrategie des bivalenten V12-Motors ermöglicht es, unabhängig vom gewählten Kraftstoff hohe Leistungen zu erzielen und zugleich die Emissionen im gesamten Kennfeldbereich auf ein Minimum zu reduzieren. Dabei werden die besonderen Eigenschaften von Wasserstoff im Verbrennungsprozess gezielt genutzt, um Leistung, Effizienz und Emissionsverhalten der Antriebseinheit zu optimieren. So entfaltet die Antriebseinheit des BMW Hydrogen 7 auch im Wasserstoff-Betrieb eine adäquate Dynamik, emittiert dabei jedoch praktisch nur Wasserdampf.

Mit der richtungweisenden Konzeption des bivalenten Zwölfzylinder-Motors belegt die BMW Group einmal mehr ihre Kernkompetenz auf dem Antriebssektor und baut ihre Vorrangstellung als innovativer Automobilhersteller weiter aus.
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Viele Grüße Hermann

"Nur wer für den Augenblick lebt, lebt für die Zukunft"Heinrich von Kleist
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