Wie ein wasserstoffverstärkter Benzinmotor funktioniert

Das jüngste Konzeptauto von BMW, das wasserstoffbetriebener 7er ist noch weit weg von der Ankunft bei den Händlern.

Angesichts der ständig steigenden Benzinkosten arbeiten Autohersteller weltweit an Überstunden, um den Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen kostengünstig zu verbessern und gleichzeitig die strengen Emissionsanforderungen von heute zu erfüllen. Ein vielversprechender Weg, um den Kraftstoffverbrauch zu steigern, besteht darin, dem Kraftstoff / Luft-Gemisch in einem herkömmlichen Benzinmotor Wasserstoff zuzusetzen. Es wird ein wasserstoffverstärkter Gasmotor genannt. Da Wasserstoff an Ihrer örtlichen Tankstelle nicht verfügbar ist, stand der Verkauf eines wasserstoffverstärkten Gasmotors nicht auf der Shortlist der Autohersteller. Bis jetzt ist das so.

In diesem Artikel erklären wir eine neue Technologie, die einen schnell reagierenden Bordreformer verwendet, um eine kleine Menge Wasserstoff aus Benzin zu erzeugen. Dieser Wasserstoff wird dem normalen Luft / Kraftstoff-Gemisch des Motors zugesetzt. Motoren, die für eine Mischung aus Wasserstoff und Benzin ausgelegt sind, können einen Kraftstoffverbrauchsgewinn von 20 bis 30 Prozent erzielen, ohne dass schädliche NOx-Emissionen und Stickoxide kontrolliert werden müssen. Auf den nächsten beiden Seiten erfahren Sie, wie dieser neue Kraftstoff sparende Motor funktioniert und warum er möglicherweise das Potenzial hat, eine tragfähige, kraftstoffsparende Technologie zu werden. Wir werden die folgenden Probleme in Bezug auf diese neue Technologie ansprechen:

• Was ist ein wasserstoffverstärkter Benzinmotor? Eine kleine Menge Wasserstoff, die der Reformer an Bord erzeugt, wird dem normalen Ansaugluft- und Benzingemisch im Fahrzeugmotor zugesetzt. Dies verbessert die Gesamtverbrennungsqualität erheblich, indem für eine bestimmte in den Brennraum eingebrachte Kraftstoffmenge fast doppelt so viel Luft zugelassen wird. Dies ist energieeffizienter, da Energie gespart wird, indem weniger Motor gepumpt wird. Erfahren Sie, was die Experten über diese neue Technologie sagen.

• Die Zukunft wasserstoffverstärkter GasmotorenDas Rennen um die Führungsposition im Bereich Kraftstoffeinsparung ist eröffnet. Wo passt der wasserstoffverstärkte Gasmotor zu anderen kraftstoffsparenden Technologien wie Hybridautos, E85-Fahrzeugen mit Ethanolantrieb und neuen sauberen Dieselfahrzeugen? Wie viel Benzin spart es im Vergleich zu anderen Fahrzeugen mit alternativem Kraftstoff? Werden die Verbraucher diesen Motortyp in naher Zukunft in Autos sehen? Finden Sie es in diesem Abschnitt heraus.

ArvinMeritor Dieser Prototyp-Reformer wurde in der Nähe des Motors zum Testen in einem montiert V6 SUV, ist 18 cm lang und 4 cm im Durchmesser.

Die wasserstoffverstärkte Benzinmotortechnologie ist neu und taucht gerade erst aus dem Labor auf. Es bietet die Aussicht auf eine wirtschaftliche Möglichkeit, eine kleine Menge Wasserstoff aus Benzin mit einem dafür vorgesehenen Bordsystem herzustellen. Dieses System wurde von Wissenschaftlern am Massachusetts Institute of Technology erfunden und vom Autoindustrie-Zulieferer ArvinMeritor in Zusammenarbeit mit dem deutschen Automobilhersteller IAV perfektioniert. Es bietet möglicherweise eine kostengünstige Alternative zur Brennstoffzellentechnologie und zur herkömmlichen Benzin- und Dieselverbrennung Motoren. Es ist möglich, dass wasserstoffverstärkte Motoren die Lücke zwischen den heutigen benzinbetriebenen Fahrzeugen und den Brennstoffzellenfahrzeugen der Zukunft schließen.

Während Brennstoffzellenfahrzeuge langfristig vielversprechend sein können, ist die Realität, dass sie Jahre von der Massenproduktion entfernt sind. Kritiker nennen die hohen Kosten für Brennstoffzellenstapel, Probleme bei der Massenproduktion von Wasserstoffbrennstoffen und allgemeine Probleme mit der Kraftstoffversorgung als wichtige Stolpersteine. Einige glauben, dass es Jahrzehnte dauern kann, bis Brennstoffzellenfahrzeuge allgemein verfügbar werden. Europäische Autohersteller haben sich bereits teureren Dieselmotoren zugewandt, aber ihre Kosten und die damit verbundene Komplexität steigen mit strengen neuen Emissionsanforderungen für die Kontrolle von Feinstaub- und NOx-Emissionen.

US-Autohersteller, die mit der gleichen Besorgnis über Diesel konfrontiert sind, zögern, sich auf die enormen Kosten einzulassen, die durch die Umstellung von Benzin auf teureren Diesel entstehen. Beispielsweise müssen Verbraucher derzeit für einen dieselbetriebenen Light Truck im Vergleich zu einem herkömmlichen benzinbetriebenen Fahrzeug eine Prämie von etwa 3000 USD zahlen. Dies wird in Zukunft zunehmen, um die steigenden Kosten zu kompensieren, die mit der Einhaltung der bevorstehenden Emissionsvorschriften für Dieselfahrzeuge verbunden sind. Die EPA hat Dieselfahrzeugen kürzlich eine Pause gewährt, indem sie die kurzfristigen NOx-Anforderungen gelockert hat, jedoch nur bis 2009, und die Emissionsanforderungen für hohe Laufleistungen wurden als Kompromiss verschärft.

Was die Experten sagen

Laut Experten von ArvinMeritor und den leitenden Ingenieuren Rudy Smaling und Jens Beister von IAV sind die Fakten über einen wasserstoffverstärkten Benzinmotor und seine Vorteile klar.

Eine kleine Menge Wasserstoff, die vom Reformer an Bord hergestellt wird, wird dem normalen Gemisch aus Ansaugluft und Benzin zugesetzt. Dies verbessert die Gesamtverbrennungsqualität erheblich, indem für eine bestimmte in den Brennraum eingebrachte Kraftstoffmenge fast doppelt so viel Luft zugelassen wird. Dies ist energieeffizienter, da Energie gespart wird, indem weniger Motor gepumpt wird.

Die Kraftstoffeffizienz wird auch durch die Verwendung höherer Motorkompressionsverhältnisse erreicht, die durch die wasserstoffreichen Ladungseigenschaften ermöglicht werden. Ein wasserstoffverstärktes Kraftstoffsystem spart auch Energie aufgrund der bemerkenswert geringen Menge an elektrischer Energie, die zur Stromversorgung des Reformers benötigt wird. Laut den Entwicklern benötigt es weniger als 75 Watt, was weniger ist als der elektrische Bedarf eines Standardscheinwerfers.

Eine branchenweit akzeptierte Analyse virtueller Fahrzeuge auf der Grundlage von Motortestdaten ergab das Potenzial für eine 20 bis 30-prozentige Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs einer turbogeladenen verkleinerten Version des wasserstoffverstärkten Motors im Vergleich zu herkömmlichen Benzinmotoren.

Als nächstes erklären wir, was für diese Technologie auf Lager ist und wo die Verbraucher sie sehen werden. 

Stellen Sie sich einen SUV in voller Größe wie den vor Toyota Sequoia [Unterseite] das wird der Kraftstoffverbrauch eines großen Limousine wie der Ford Five Hundred [oben]. Der Wasserstoffreformer könnte das Wirklichkeit werden lassen.

Mit Wasserstoff betriebene Benzinmotoren können den Kraftstoffverbrauch erheblich verbessern. Ein wesentlicher Kosten- und Umweltvorteil des wasserstoffverstärkten Lean-System-Motors sind geringe Mengen an NOx-Emissionsgasen, wodurch die Notwendigkeit einer externen NOx-Emissionskontrolle vollständig entfällt. Derzeit ist die NOx-Emissionskontrolle ein großes Kostenproblem für Dieselmotoren, die teure Fallen verwenden, um die Emissionsstandards zu erfüllen. Dieselpartikelemissionen müssen auch von einem Filter erfasst werden, der regelmäßig regeneriert werden muss.

Wasserstoff-verstärkte Benzinmotoren erfordern weder NOx- noch Partikelkontrollfilter und benötigen nur einen kostengünstigen Oxidationskatalysator, um kleine Mengen an Abgas (unverbrannten Kohlenwasserstoffen) zu kontrollieren, die hauptsächlich beim Starten des Motors und beim frühen Aufwärmen entstehen. Zusätzliche Einsparungen bei den Anforderungen an die Emissionskontrolle ergeben sich aus der Fähigkeit des Motors, während der Kaltstartphase nur die mit sauberem Wasserstoff angereicherte Ladung zu verwenden, wenn 90% der Emissionen im Emissionstest erzeugt werden.

Das Wasserstoff-Boost-System ist praktisch eine Schraubtechnologie, die dem Motorraum eines vorhandenen Fahrzeugs hinzugefügt werden kann. Laut den Entwicklern betragen die Kosten des Systems weniger als die Hälfte der zusätzlichen Kosten für Diesel. Die Produktionskosten der US-Autoindustrie für Werkzeugdiesel als Ersatz für Benzinmotoren sind enorm und für US-Hersteller, die derzeit mit finanziellen Schwierigkeiten zu kämpfen haben, schwierig.

Ein Prototyp eines wasserstoffverstärkten Motors wird jetzt in einem mit V6 ausgestatteten SUV installiert, der ausreichend freien Platz für den Reformer und das zugehörige System bietet. Der Beginn der langfristigen Straßentests für Informationen zu Leistung, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit ist für Ende dieses Jahres geplant. Das erste Marketing für Produktionsanwendungen wird für 2010 erwartet.

Leistungsdaten, die in der frühen Testphase generiert wurden, werden von praktisch allen, die sich mit Fragen der Automobil- und Energieumwelt befassen, mit Sicherheit intensiv beobachtet, auch weil das System mit dem Schlagwort "Wasserstoff" verbunden ist.

Ganz oben auf der Liste der Interessenten stehen Hersteller der großen SUVs und Transporter, für die die staatlichen Regulierungsbehörden 10 Prozent höhere durchschnittliche Meilen pro Gallone anstreben als 2007 mit 22,2 mpg. Das neue Niveau von 24,1 mpg soll bis 2011 eingehalten werden.

Vierzylinderfahrzeuge werden wahrscheinlich auch Hauptkandidaten für die Technologie sein, da hohe Benzinpreise weiterhin Wettbewerb unter den Modellen mit hohem Kraftstoffverbrauch erzeugen, die eine führende Position bei mpg anstreben. Ein Faktor, der zum Markt für Kleinwagen beiträgt, kann ein Problem mit den Lebensdauerkosten von Hybridfahrzeugen sein, die auf die Komplexität des Systems und den Batteriewechsel zurückzuführen sind und in einigen Fällen bis zu 5000 US-Dollar betragen. Dies spiegelt sich gerade erst in niedrigen Wiederverkaufswerten wider, da frühe Produktionshybride eine hohe Laufleistung erreichen.

Der wasserstoffverstärkte Motor wird jedoch nicht allein im Rennen um die Führungsposition im Bereich Kraftstoffverbrauch sein. Fortschrittliche, verkleinerte, direkt eingespritzte Motoren mit variablem Ventil, Common-Rail-Dieselmotoren, Hybriden und Flex-Fuel-Fahrzeugen mit Turbolader kämpfen um die Aufmerksamkeit des Autoherstellers im Rennen um den Kraftstoffverbrauch.

Keine dieser Technologien kann alle Vorteile des wasserstoffverstärkten Motors bieten, nämlich einen drastisch erhöhten Kraftstoffverbrauch, eine minimale Emissionskontrolle und eine allgemeine Kosteneffizienz. Am Ende wird es eine Kombination vieler Technologien erfordern, um den Durst dieser Nation nach Fahrfreiheit zu stillen, aber es ist wahrscheinlich, dass wir in Zukunft viel mehr über den wasserstoffverstärkten Motor hören werden.