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Alt 14.11.2004, 11:55     #7
Albert   Albert ist offline
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6. Antrieb: So fahren Autos mit Wasserstoff.

Als erster Automobilhersteller der Welt hat die BMW Group mit der Serienentwicklung eines Wasserstoff-Fahrzeuges begonnen. Professor Göschel, Vorstand für Entwicklung und Einkauf der BMW AG: „Noch im Produktionszyklus unseres aktuellen BMW 7er werden wir Wasserstoff-Fahrzeuge in Kundenhand geben.“

Bereits seit 1978 erforscht BMW Motoren und Fahrzeuge für den Betrieb mit verflüssigtem Wasserstoff. Als weltweit erster Automobilhersteller hat BMW am 11. Mai 2000 mit dem BMW 750hL eine Demonstratorflotte von 15 Limousinen mit Wasserstoffantrieb vorgestellt. „Wir setzen auf den Verbrennungsmotor, weil wir davon überzeugt sind, dass unsere Kunden auch in Zukunft Wert auf Dynamik, Komfort und Reichweite legen“, so Professor Göschel. Die Fahrzeuge haben sich im Alltagsbetrieb bewährt und insgesamt mehr als 170 000 Kilometer zurückgelegt. 2001 und 2002 begleitete ein Teil dieser Flotte die CleanEnergy WorldTour der BMW Group. Ihr Ziel war es, die Wasserstoff-Technologie, ihre Vorteile und die noch offenen Aufgaben ins internationale Bewusstsein zu rücken. In fünf Welt-Metropolen lud die BMW Group zu entsprechenden Events für Politik, Wissenschaft und Medien ein. Eine breite Resonanz in der internationalen Öffentlichkeit machte die CleanEnergy WorldTour zu einem großen Erfolg.

Bivalenter Antrieb sorgt für praktischen Kundennutzen.

Nur der Verbrennungsmotor bietet nach heutiger Technologie den Vorteil, bivalent – sowohl mit Benzin als auch mit Wasserstoff – fahren zu können. Damit können Versorgungslücken, die sich beim Aufbau eines Wasserstoff-Tankstellennetzes anfangs ergeben werden, überbrückt werden. Autofahrer, die sich für den CleanEnergy-Antrieb entscheiden, sind damit in ihrer Bewegungsfreiheit nicht eingeschränkt.

Bei BMW läuft Serienentwicklung für Wasserstoff-Auto.

Als erster Automobilhersteller der Welt hat BMW mit der Serienentwicklung eines Fahrzeuges begonnen, das von einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor angetrieben wird. Die zukunftsweisende Limousine wird auf dem aktuellen BMW 7er basieren. Dieses Fahrzeug wird eine Spitzengeschwindigkeit von über 215 Stundenkilometer erreichen, mit einer Reichweite von mehr als 200 Kilometern im Wasserstoff- und 500 Kilometern im Benzin-Betrieb.

Auf der Internationalen Automobilausstellung IAA 2003 in Frankfurt präsentierte BMW einen richtungweisenden Wasserstoff-Konzeptmotor. Dieser 12-Zylinder-V-Motor schöpft aus 6,0 Litern Hubraum eine Leistung von mehr als 170 Kilowatt bei 5 500 min–1. Sein maximales Drehmoment von 337 Nm erreicht er bereits bei 2 000 min–1.

Ein großer Erfolg hierbei: Der neue Wasserstoff-Konzeptmotor kann mit stöchiometrischem Wasserstoff-Luft-Gemisch (Lambda = 1) betrieben werden. Eines der größten Hindernisse auf dem Weg dorthin war die Vermeidung von Verbrennungsanomalien, die durch den vollvariablen Ventiltrieb Doppel-Vanos mit VALVETRONIC überwunden werden konnten.

Intelligente Verbrennung vermeidet Stickoxidbildung.

Mit ausgefeilter Motorentechnologie können unerwünschte Nebenprodukte bei der Verbrennung vermieden werden. Oberhalb von 1700 Grad Celsius können im Verbrennungsraum Stickstoffoxide (NOx) entstehen, ohne dass Wasserstoff daran beteiligt ist.

Zur drastischen Reduzierung der NOx Emissionen nutzen die BMW Ingenieure eine besondere Betriebsstrategie:

Wird der Motor in Teillast betrieben, erfolgt die Laststeuerung ähnlich wie bei einem Dieselmotor über eine so genannte Qualitätsregelung. D. h. der Motor wird im Magerbetrieb mit Luftüberschuss (Lambda > 1,7) betrieben, wodurch NOx-Emissionen nur in sehr geringen Mengen auftreten. Das Resultat: Eine Abgasnachbehandlung ist nicht erforderlich.

Wird hingegen vom Motor eine hohe Leistung gefordert, erfolgt die Steuerung der Motorlast ähnlich wie beim Benzinmotor über eine Quantitätsregelung. Der Motor wird dann mit stöchiometrischem Gemisch (Lambda = 1) betrieben. In diesem Modus fallen zwar NOx-Emissionen an, die aber durch eine Abgasnachbehandlung den SULEV-Grenzwert (Super Ultra Low Emission Vehicle) deutlich unterschreiten.

Zwischen diesen beiden Betriebsmodi kann aufgrund einer schnellen Motorelektronik und der Flexibilität der Ventilsteuerung verzögerungsfrei gewechselt werden.

BMW Forschungsmotor: 50 Prozent Wirkungsgrad erreichbar.

Mit dem neuen Wasserstoff-Konzeptmotor ist aber das Entwicklungspotenzial der Wasserstoff-Verbrennungsmotoren bei BMW noch nicht ausgeschöpft. Bei äußerer Gemischbildung kann die Leistung des Motors durch Aufladung gesteigert werden. Als Maßnahme zur weiteren Wirkungsgradsteigerung bei gleichzeitiger Leistungssteigerung im Vergleich zum Wasserstoff-Konzeptmotor bietet sich die Kombination von Wasserstoff-Direkteinblasung und Aufladung an, die die spezifische Leistung solcher Wasserstoff-Motoren über das Niveau von Benzinmotoren hebt.

In der Forschungsabteilung der BMW Group wird an einem Wasserstoff-Motor gearbeitet mit dem langfristigen Ziel, einen effektiven Wirkungsgrad von 50 Prozent im Bestpunkt zu erreichen. Dieses anspruchsvolle Ziel soll durch Optimierung des Brennverfahrens unter Ausnutzung der hervorragenden Brenneigenschaften von Wasserstoff (niedrige Aktivierungsenergie, hohe Flammgeschwindigkeiten) und weiterer Maßnahmen wie der Reduzierung der Reibleistung des Motors, der Optimierung der Nebenaggregate und des Gesamtenergiemanagements erreicht werden.

Crashtests mit Wasserstoffautos.

Nicht nur die Tanks, auch komplette Fahrzeuge müssen ihre Sicherheit unter Beweis stellen. So werden BMW Wasserstoff-Fahrzeuge heute üblichen Crashtests unterzogen, beispielsweise dem Front-Offset-Crash gemäß Euro NCAP mit 64 km/h Aufprallgeschwindigkeit, dem Heck-Crash mit 100 und 40 Prozent Überdeckung sowie dem Seiten-Crash im verwundbarsten Bereich, am Einfüllstutzen zum Wasserstofftank. Alle Anforderungen werden dabei einwandfrei erfüllt. Laut TÜV Süddeutschland sind „Wasserstoff-Fahrzeuge mindestens so sicher wie konventionelle Benzinfahrzeuge“.

Brennstoffzellen-APU speist Bordnetz mit Strom.

Das Wasserstoff-Konzept der BMW Group sieht auch den Einsatz einer Brennstoffzelle vor: als sogenannte APU (Auxiliary Power Unit). Dabei liefert eine Membran-Brennstoffzelle (PEM, Polymer-Elektrolyt-Membran) Strom für das Bordnetz. Während konventionelle Batterien mit einem Generator aufgeladen werden müssen, arbeitet dieses System motorunabhängig und wird vom Wasserstofftank gespeist. Auch wenn der Motor nicht läuft, lässt sich so zum Beispiel die Klimaanlage oder Heizung betreiben. Die Brennstoffzelle liefert nicht nur dreimal mehr Leistung als eine Lichtmaschine, sie erzeugt auch nur dann Strom, wenn er von den eingeschalteten Verbrauchern angefordert wird, während der Motor die Lichtmaschine permanent antreibt. Insgesamt ergibt sich so, umgerechnet auf Benzin, eine Treibstoffeinsparung von einem Liter pro 100 Kilometern im Stadtverkehr. Wenn auch Wasserpumpe, Ölpumpen, Bremskraftverstärker und By-Wire-Anwendungen elektrisch versorgt werden, kann eine entsprechend eingesetzte Brennstoffzelle den Verbrauch weiter reduzieren. Außerdem wird der Motor um mehr als zehn Kilowatt entlastet, die dann zusätzlich als Antriebsleistung zur Verfügung stehen.

Formtank statt Wasserstoff-Zylinder.

Bisher werden für die Speicherung von flüssigem Wasserstoff nur zylindrische Tanks eingesetzt, weil derzeit nur sie die hohen Anforderungen an Isolation und Sicherheit in optimaler Weise erfüllen können. Doch auch in der Tanktechnologie sehen die Entwickler optimistisch in die Zukunft: Wasserstoff-Formtanks, die den gegebenen Bauraum in der Karosserie perfekt ausnutzen, stehen bei den Ingenieuren ganz oben als Entwicklungsvorgabe. Ziel ist es, den Wasserstofftank optimal in das Fahrzeug zu integrieren und dem Kunden das gewohnte Raumangebot zur Verfügung zu stellen.
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