Engineering 04.01.2008, 19:32 Uhr

Wasserstoff marsch!  

VDI nachrichten, Düsseldorf, 4. 1. 08, ciu – Um Wasserstoff als Alternative zu fossilen Brennstoffen in Verbrennungsmotoren einsetzen zu können, gilt es die spezifischen Unterschiede zu beherrschen. In einem von der EU geförderten Projekt, wurden die Prozesse nun unter anderem mittels Simulationstechnik genauer untersucht.

Damit Wasserstoff Kraftfahrzeuge nicht über den Umweg der Brennstoffzelle und Elektromotoren antreibt, sondern Verbrennungsmotoren weiter genutzt werden können, wird die erprobte Technik derzeit zukunftsfähig gemacht. Befürworter wie der Automobilhersteller BMW, sehen darin den Vorteil, auf der über 100 Jahre langen Entwicklung der auf Verbrennungsmotoren basierenden Antriebskonzepte aufbauen zu können. Außerdem ist damit ein fließender Übergang zum neuen Energieträger sicherzustellen.

Die heute in Fahrzeugen eingebauten Wasserstoff-Verbrennungsmotoren sind bivalente Systeme, die wahlweise fossile Brennstoffe oder Wasserstoff verbrennen. Ein solches System kann allerdings die spezifischen Eigenschaften von Wasserstoff nicht voll ausnutzen. Im Rahmen des von der EU geförderten HyICE-Projekt (Hydrogen Internal Combustion Engine), an dem zehn Partner aus Forschung und Industrie beteiligt waren, wurde deshalb erstmals ein reiner Wasserstoffmotor entwickelt, der nicht nur wesentlich sauberer ist, sondern sich mit einer Literleistung von 100 kW auch mit herkömmlichen Motoren messen kann.

Mit der kryogenen Methode – dem Mischen von tiefgekühltem Wasserstoff mit Luft im Ansaugkanal – und der Direkteinspritzung – Einblasen von Wasserstoff direkt in den Zylinder – wurden zwei unterschiedliche Konzepte der Gemischaufbereitung untersucht. Dabei galt es nicht nur den realen Verbrennungsprozess an die geänderten Bedingungen anzupassen, sondern auch bei den Simulationsprogrammen durch Auswahl bzw. Entwicklung geeigneter physikalischer Berechnungsmodelle die realistische Abbildung der ablaufenden Prozesse zu schaffen.

Im Rahmen von HyICE wurde zur Strömungssimulation das Programm Ansys CFX eingesetzt, welches zahlreiche Projektmitglieder in der Motorenentwicklung einsetzen und die für Anpassungen notwendige Systemoffenheit mitbringt. Zirka zwei Mannjahre wurden investiert, um 50 zusätzliche Programmroutinen zu schreiben und noch einmal die gleiche Anzahl zu modifizieren. Die gemachten Modifikationen sind auch für herkömmliche Prozesse verwendbar.

Die Erweiterungen konzentrierten sich im Wesentlichen auf die Verbrennungsmodellierung für die beiden untersuchten Gemischaufbereitungsarten, die Entwicklung eines Zündmodells für den im Vergleich zum Benzin sehr kurzen Zündvorgang und auf die Berücksichtigung der Abgasrezirkulation.

Obwohl das Gemisch bei dem niedrigen Temperaturniveau als temperatur- und druckabhängiges Realgas betrachtet werden müsste, zeigte sich, dass die Fehler durch Annahme eines idealen, also lediglich temperaturabhängigen Gases vernachlässigbar sind. Die unterschiedlichen physikalischen Modellansätze wurden von den Ansys-Experten implementiert, auf ihre numerische Stabilität und Genauigkeit getestet und mit den experimentellen Daten verglichen.

Voraussetzung dafür, mit der CFD-Simulation den Entwicklungsprozess zukünftiger Serienmotoren effizient unterstützen zu können, ist die Übereinstimmung der Ergebnisse mit der Praxis. Der Abgleich mit den Praxisdaten war deshalb aus CFD-Sicht einer der Schwerpunkte des Projekts. Wann die ersten Serien-Wasserstoffmotoren vom Band laufen, ist noch unklar. Projektpartner MAN plant zumindest eine Kleinserie von Stadtbussen mit H2-Direkteinspritzung. U. FELDHAUS

  • U. Feldhaus

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