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Grundsätzlich ist ein Wasserstoff-Motor ähnlich aufgebaut wie ein Otto-Motor, da beide über eine Fremdzündung verfügen. Der entscheidende Funke muss von einer Zündkerze erzeugt werden, weil Wasserstoff über eine relativ hohe Zündtemperatur verfügt (560 °C).

In einem Diesel-Motor wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch soweit verdichtet, bis es aufgrund des Druck-Anstiegs und der Erwärmung zu einer Selbst-Entzündung kommt. Bei Diesel-Öl ist dies Prinzip möglich, weil dieser Kraftstoff über eine relativ niedrige Zündtemperatur verfügt (250 °C).

Seit einiger Zeit hingegen sollen jetzt Diesel-Motoren auch mit Wasserstoff betrieben werden können. Genauere Unterlagen dazu liegen jedoch noch nicht vor.

Bei der Leistungsregelung ist es nicht so wesentlich, ob das Dieselmotor-Prinzip (Qualitätsregelung) oder das Ottomotor-Prinzip (Quantitätsregelung) gewählt wird, beides ist möglich.

Vor- & Nachteile

+ Hohe Umwelt-Verträglichkeit

+ Gute Abmagerungsfähigkeit des Wasserstoff/Luft-Gemisches

+ Hoher Wirkungsgrad

+ geringere Kosten

- Unregelmäßige Verbrennung

- Rückzündung und Glühzündung in der Ansaug-Phase

- klopfende Verbrennung beim Verdichten

- Wasser-Anlagerungen an der Zündkerze beim Kaltstart

- Geringe Leistungsdichte durch Liefergrad-Verluste

- Schlechte Schmier-Eigenschaften

- Hoher technischer Aufwand

Äußere Gemischbildung

Bei der äußeren Gemischbildung wird gasförmiger Wasserstoff (GH2) mit geringem Überdruck in das Ansaugrohr eingeblasen. Dabei handelt es sich immer um GH2, auch wenn im Kraftstoff-Tank flüssiger Wasserstoff (LH2) gespeichert wird. Der tiefkalte Kraftstoff wird in der Regel aus der Gasphase im Tank entnommen. Dieses Gas wird auf dem Weg vom Tank zum Motor in der Leitung oder in Druckreglern entspannt und/oder in Wärmetauschern erwärmt, so dass es im Ansaugtrakt gasförmig eingeblasen werden kann. Noch vor dem Eintritt in den Verbrennungsraum vermischt sich das zugeführte Gas mit der angesaugten Luft. Dieses Gemisch wird, nachdem die Einlass-Ventile geschlossen haben, im Verbrennungsraum durch den Funken einer Zündkerze fremdgezündet.

Durch einen hohen Luft-Überschuss (Magerbetrieb) lässt sich das Risiko der Rückzündung gering halten, wodurch außerdem die Verbrennungstemperatur niedrig gehalten wird. Dies führt darüber hinaus zu weniger Stickoxid-Emissionen und reduziert die Wärmeverluste.

Eine verminderte Verbrennungstemperatur bewirkt jedoch auch eine verminderte Motorleistung. Eine Leistungssteigerung kann wiederum mit einer Aufladung (Druckerhöhung auf der Einlass-Seite) ausgeglichen werden.

Die Vorteile der äußeren Gemischbildung liegen in der Einfachheit des Aufbaus und im geringen, erforderlichen Einblas-Druck. Nachteile sind eine im Vergleich zu Benzin- bzw. Dieselmotor verringerte Leistungsausbeute des Motors sowie ein unregelmäßiger Verbrennungsablauf.

BMW (Bayerischen Motoren Werke) ist der einzige Automobil-Hersteller, der ernsthaft am Wasserstoff-Verbrennungsmotor arbeitet. Die Ford Motor Company forscht zwar ebenfalls auf diesem Gebiet, favorisiert für den Antrieb aber immer noch die Brennstoffzellen-Variante.

Der Motor arbeitet in seinem gesamten Betriebsbereich qualitätsgeregelt (Dieselmotor-Prinzip). Wenn der Fahrer beschleunigen möchte, wird mehr Kraftstoff zugeführt, der bei Bedarf auch direkt aus der Flüssigphase im Tank entnommen werden kann. Die dem Motor zugeführte Luftmenge bleibt immer gleich. Es gibt also keine Drosselverluste wie bei der Quantitätsregelung. Diese magere Gemischbildung hat den Vorteil geringer Stickstoffoxid-Emissionen. Außerdem können aufgrund der geringeren Zündwilligkeit des mageren Gemisches im Vergleich zum stöchiometrischen Gemisch Rück- und Glühzündungen vermieden werden.

Diese Vorteile führen jedoch zu erheblichen Leistungseinbußen gegenüber einem benzinbetriebenen Aggregat, zumal ein Gas-Motor schon bei Betrieb mit stöchiometrischem Gemisch eine geringere spezifische Leistung aufweist. Mit Hilfe eines mechanisch angetriebenen Kreiselladers ist es BMW jedoch gelungen, diesen Nachteil teilweise zu kompensieren, so dass die Motorleistung im Wasserstoff-Betrieb nur noch ca. 20 % unter der des Serienfahrzeugs liegt, womit ausreichende Fahrleistungen möglich sein sollen.

Innere Gemischbildung

Bei diesem Mischungsverfahren wird gasförmiger Wasserstoff unter hohem Druck (80 bis 120 bar) direkt in den Brennraum eingeblasen. Dort wird er mit der dort vorhandenen Luft gemischt und anschließend mit einer Zündkerze entzündet.

Hinsichtlich der Ausbreitung des eingeblasenen Kraftstoffes und des anschließenden Mischungsprozesses sind erhebliche Unterschiede gegenüber der Einspritzung von Diesel-Kraftstoff zu verzeichnen. Dies kommt unter anderem durch den gasförmigen Aggregatzustand des Kraftstoffes, den großen Dichte-Unterschied zwischen Kraftstoff und Luft sowie die erheblich größere Flammen-Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wasserstoff.

Ein hoher Einblas-Druck ist notwendig, um den Kraftstoff in möglichst kurzer Zeit einspritzen zu können. Ansonsten würde es zu Fehlzündungen und zu einer klopfenden Verbrennung kommen. Das Mischungsverhältnis von Wasserstoff zu Luft kann stöchiometrisch (Luftverhältnis l = 1) sein oder darüber liegen. Die volumetrische Leistungsausbeute bei dieser Art der Gemischbildung ist ähnlich hoch wie beim Dieselmotor. Der Nachteil der inneren Gemischbildung ist ein relativ hoher technischer Aufwand.

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