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FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEN Nr. 2931/Fachgruppe Umwelt/Verkehr Herausgegeben vorn Minister fUr Wissenschaft und Forschung Dr. -lng. Manfred Schaffrath Prof. Dr. techno Franz Pischinger Lehrstuhl fUr angewandte Thermodynamik der Rhein. -W estf. Techn. Hochschule Aachen Untersuchung von Wasserstoff als Brennstoff fur Ottomotoren Westdeutscher Verlag 1980 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Schaffrath, Manfred: Untersuchung von Wasserstoff als Brennstoff fUr Ottomotoren / Manfred Schaffrath ; Franz Pischillger. - Opladen : Westdeutscher Verlag, 1980. (Forschungsberichte des Landes Nordrhein Westfalen ; Nr. 2931 : Fachgruppe Umwelt, Verkehr) ISBN-13: 978-3-531-02931-3 e-ISBN-13: 978-3-322-88485-5 DOl: 10.1007/978-3-322-88485-5 NE: Pischinger, Franz: © 1980 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag ISBN-13: 978-3-531-02931-3 Inhalt 1. Einleitung 2. Brennstoffeigenschaften 2 3. Prlifstandsbeschreibung 7 4. Leistung und ~Virkungsgrad 10 4.1 Indizierter Mitteldruck 10 4.2 Wirkungsgrad und Glitegrad 12 4.3 EinfluB des Verdichtungsverhaltnisses 15 5. Schadstoffernission 18 5. 1 EinfluB des Zlindzeitpunktes 19 5.2 EinfluB des Verdichtungsverhaltnisses 20 6. Motorkennfelder 23 6.1 Wirkungsgrad 23 6.2 Stickoxidernission 25 7. VerbrennungsprozeB 28 7.1 Druckverlauf irn Brennraurn 28 7.2 Zyklische Schwankungen des Spitzendruckes 29 7.3 Maxirnaler Druckanstieg 32 7.4 Leistungsspektren des Zylinderdruckes 34 8. MaBnahrnen zur Verbesserung des Betriebsverhaltens 38 8.1 EinfluB des Verdichtungsverhaltnisses auf die Klopfneigung 38 8.2 EinfluB der Brennraurnforrn auf die Klopfneigung 39 8.3 Klopfhernrnende Zusatze 40 8.4 Verringerung des rnaxirnalen Druckanstieges durch Veranderung der Brennraurnforrn 40 8.5 Wassereinspritzung und Abgasrlickflihrung 41 8.6 Schichtladung 44 9. Zusarnrnenfassung 46 10. Literaturverzeichnis 48 - 1 - 1. Einleitung Die zunehmende verknappung flUssiger fossiler Brennstoffe erfordern die Untersuchung geeigneter alternativer Energie tr!ger. Eine besondere -Bedeutung kommt in diesem Zusammen hang dem Wasserstoff zu, der vielfach als ein moglicher Brennstoff fUr die Zukunft angesehen wird (5). Wasserstoff kann auch aus nicht fossilen Rohstoffen hergestellt werden und hat den Vorteil, daB nach der Verbrennung im wesent lichen wiederum das Ausgangsprodukt der Wasserstoffher stellung - das Wasser - entsteht. Vor EinfUhrung einer Wasserstofftechnologie sind jedoch noch eine Reihe von Problemen zu bewaltigen. Hierzu gehoren neben anderen die wirtschaftliche Wasserstofferzeugung und die Speicherung sowie Verteilung des Wasserstoffes. AuBerdem muB die Moglichkeit der Verwendung des Wasserstoffes als Brennstoff zur Bereitstellung von Warme und mechanischer Energie untersucht werden. Als mogliche Warmekraftmaschine bietet sich hier der Verbrennungsmotor an. Neben dem Ein- satz auf dem Transportsektor, bei dem die Speicherprobleme zu losen sind, konnen vor allem auch station!re Anwendungs f!lle z. B. im Rahmen von Warme-Kraft-Anlagen oder als W!rmepumpenantrieb als aussichtsreich angesehen werden. lm Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde deshalb die Verbrennung von Wasserstoff im Hubkolbenmotor untersucht. Das Ziel war, einen konventionellen 4-Takt-Ottomotor moglichst optimal an die Eigenschaften des Brennstoffes anzupassen und einen zufriedenstellenden Motorbetrieb zu gewahrleisten. Als Vergleichskriterien dienten die Versuchsergebnisse des mit Benzin betriebenen Motors. · - 2 - 2. Brennstoffeigenschaften Die fur die motorische Verbrennung bedeutungsvollen Brenn stoffkennwerte sind fur Wasserstoff und Benzin vergleichend in den Bildern 1 und 2 dargestellt. / 8~in (~. lsooktan 14,5 ;~ IaJ2l 'A=I --:: K mls kg Luft Ikg 8,..""slo" Si«Im~'ur marimal. ZiindgrenzM sliichiom.,riscMr S;'dH>.reit:h larrtintn }-. ",..., -'A mor Luftbedarf P = Ibar 8~sdrwintig/Iei1 Bild 1: Brennstoffkennwerte I Im Gegensatz zum flussigen Kraftstoff Benzin befindet sich Wasserstoff bei Umgebungszustand in der Gasphase. Dadurch ergeben sich hinsichtlich der ottomotorischen Gemisch bildung weniger Probleme als bei flussigen Brennstofien, zu deren "Vergasung" zunl:ichst ein aufwendiges Gemischbil dungssystem notwendig ist. Beim Wasserstoff erzielt man sehr schnell ein homogenes Gemisch auch ohne aufwendigen Gemischbildner. Bei Wasserstoffbetrieb kann,es auch nicht zur Anlagerung von Brennstoff an die Saugrohrwl:inde kommen, s? daB im Gegensatz zum Befizinbetrieb auf eine Brennstoff anreicherung sowohl beim Kaltstart als auch beim Beschleu nigungsvorgang verzichtet werden kann. Der Wasserstoffmotor ist ohne Zusatzeinrichtungen auch bei tie fen Temperaturen einfach zu starten und reagiert schnell auf eine verl:inderte Brennstoffzufuhr. Infolge der guten Homogenitl:it des Gemisches - 3 - ist bei Mehrzylindermotoren eine gleichmiiBige Verteilung des Brennstoffes auf die einzelnen Zylinder gegeben. Die maximale laminare Brenngeschwindigkeit, die niiherungs weise als Indikator fUr die Durchbrennzeit des Zylinder inhalts angesehen werden kann, liegt fUr Wasserstoff sehr viel hoher als zum Beispiel fUr Isooktan. Ire Wasserstoff moter findet deshalb eine wesentlich schnellere Energie umsetzung statt. Diese schnelle Energieumsetzung hat den Vorteil, daB die reale Zustandsiinderung im Motor sich besser der thermodynamischen Idealvorstellung einer iso choren Verbrennung anniihert, wodurch ein guter thermischer Wirkungsgrad erreicht werden kann. Aufgrund der thermody namisch gtinstigen schnellen Energieumsetzung konnen sich aber infolge des dadurch bedingten steilen Druckanstieges im Brennraum gewisse Probleme hinsichtlich der mechanischen und thermischen Beanspruchung ergeben. Ein steiler Druck anstieg im Zylinder von Verbrennungsmotoren verursacht auBerdem einen rauhen und lauten Lauf der Maschine. Der Vergleich der Ztindgrenzen von Wasserstoff-Luft- und Isooktan-Luft-Gemischen zeigt, daB ftir Wasserstoff-Luft gemische die obere Ztindgrenze bei einer Luftverhiiltniszahl von 0, 14 und die untere Ztindgrenze bei 10 lieg·t. Dlese Luftverhiiltniszahlen entsprechen einem volumetrischen Wasserstoffanteil von 4 bis 75 %. Diese Werte zeigen, daB Wasserstoff im Vergleich zu Benzin sehr weite Ztindgrenzen besitzt. Diese gestatten einen ottomotorischen Betrieb mit homogenerMischung sowohl mit sehr fetten aber auch mit sehr mageren Gemischen ohne Fehlztindungen. Es ist deshalb moglich, innerhalb des gesamten Betriebsbereiches eine Qualitatsregelung, d .• h. eine Leistungsregelung allein tiber die Masse des zugefUhrten Wasserstoffes ohne Drosselung der angesaugten Gemischmenge vorzunehmen. Der Fortfall der Drosselung und die Vermeidung der dadurch bedingten Verluste sorgt fUr eine deutliche Verbesserung des Wirkungs grades im Teillastbereich. Die hohe Reaktionsfreudigkeit - 4 - von Wasserstoff-Luft-Gemischen bringt fur die ottomotorische Verbrennung allerdings auch Nachteile mit sich. So kann es wahrend des Ansaugvorganges zu Ruckzundungen ins An saugsystem kommen. Nach AbschluB des Ladungswechsels konnen Gluh- und Fruhzundungen einen hohen Verbrennungsdruck bereits wahrend des Verdichtungstaktes erzeugen. Durch die unkon trollierten Verbrennungen werden Wirkungsgrad und Leistung des Motors gemindert. Unter Umstanden mach en sie einen Motor betrieb vollig unmoglich, so daB durch entsprechende MaB nahmen diese Erscheinungen sicher verhindert werden mussen. Der stochiometrische Luftbedarf ist bei Wasserstoff wesentlich hoher als bei Benzin, so daB bei gleicher Brennstoffmenge und stochiometrischer Verbrennung der Wasserstoffmotor mehr Luft benotigt. Eine stochiometrische Mischung aus Brennstoff und Luft enthalt bei Wasserstoff als Brennstoff volumenbezogen etwa 30 %, bei Benzin etwa 2 % Brennstoff. ..H,.,2.. , BmMzin Be..n.z.-in H2O - H~ ~1,! 13,6 CO2 H2 ~ ~ N2 ~! 74,2 N2 kJlkg kJ/m3 maximale A,beil maxima/e Gemischorbeil AbgoszusornrrlMstlzung (25"C,'KiO Tor,,>"= I) ( Vo/umengeha/I) slOc:hi:Jm. vol/st. VerbrMrking Bild 2: Brennstoffkennwerte II Die maximale Arbeit (reversible Reaktionsarbeitl ist ein MaB fur das Maximum an technischer Arbeit, welche bei idealer ProzeB fuhrung aus 1 kg Brennstoff gewonnen werden kann. Diese auf die Brennstoffmasse bezogene GroBe ist fur Wasserstoff groBer als fur jeden anderen technisch einsetzbaren Brennstoff. - 5 - Fur die Leistung eines Verbrennungsmotors ist der Energie inhalt der pro Arbeitsspiel in den Brennraum gelangenden Ladung entscheidend. Als MaB fur die in der Volumeneinheit vorhandenen chemischen Energie wird die maximale Gemisch arbeit verwendet. Die maximale Gemischarbeit einer stochiome trischen Brennstoff-Luft-Mischung ist bei Benzin urn etwa 28 % groBer als bei Wasserstoff. Hieraus ist zu folgern, daB bei gleichem Hubvolumen, gleichem Luftaufwand und gleichem Wirkungsgrad der Wasserstoffmotor eine urn den gleichen Anteil verminderte Leistung als der Benzinmotor liefern wird, wenn beide Motoren mit stochiometrischem Brennstoff-Luft-Gemisch betrieben werden. Soll ein mit Wasser stoff betriebener Motor unter den oben angefuhrten Randbe dingungen die gleichen Leistungswerte erreichen wie ein Benzinmotor, so muB entweder der Hubraum des Wasserstoff motors vergroBert oder der Wasserstoff mit Hilfe einer Direkteinblasung nach AbschluB des Ladungswechsels bei hoherem Druck eingeblasen werden. Die Abgaszusammensetzung bei vollstandiger stochiometrischer Verbrennung zeigt, daB das Abgas wasserstoffbetriebener Motoren nur Wasser und Stickstoff enthalt, wahrend bei Motoren, die mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen betrieben werden, zusatzlich Kohlendioxid entsteht. Der Wasserge- halt im Abgas von Wasserstoffmotoren ist deutlich hoher als im Abgas benzinbetriebener Motoren. Dies kann - besonders bei kaltem Motor und niedrigen AuBentemperaturen - dazu fuhren, daB hinter dem Auspuff des Fahrzeuges eine Wasser dampffahne entsteht. Kohlenstoffhaltige Produkte einer unvollstandigen Ver brennung wie Kohlenmonoxid und unverbrannte oder anoxidierte Kohlenwaserstoffe treten im Abgas des Wasserstoffmotors im Gegensatz zum Benzinmotor nicht auf. Als unverbrannter Kraft stoffrest ist lediglich Wasserstoff zu verzeichnen. Wasser stoff selbst ist aber - im Gegensatz zum Kraftstoff auf - 6 - Kohlenwasserstoff-Basis - als ungiftig zu betrachten. Das Abgas des mit Wasserstoff betriebenen Motors enthalt auBer dem weder RuB noch Blei- oder Schwefelverbindungen. Infolge der Asche- und Bleifreiheit werden auBerdem fast keine Fest teilchen (Aerosole) emittiert. Als einzige nennenswerte Schadstoffkomponente werden, wie bei allen Verbrennungsvorgangen, die bei hoher Temperatur und Anwesenheit von Luft ablaufen, Stickoxide gebildet.