Hydrogen 7: BMW bringt Luxuslimousine mit Wasserstoff-Antrieb

Im BMW Werk Dingolfing wird es parallel zu den anderen Fahrzeugen der BMW 7er, BMW 6er und BMW 5er Reihe produziert. Die Antriebseinheit des BMW Hydrogen 7 entsteht wie alle BMW Zwölfzylinder im Münchner Motorenwerk des Unternehmens.

Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor basiert auf dem Benzin-Triebwerk des BMW 760i. Im Benzinbetrieb erfolgt die Kraftstoffversorgung über eine Direkteinspritzung. Zusätzlich wurde in die Sauganlage des Motors eine Wasserstoff-Zuleitung integriert. Schlüsseltechnologie sind die zur Gemischaufbereitung notwendigen Einblaseventile, die in Bruchteilen von Sekunden die benötigte Menge an Wasserstoff-Gas in die Ansaugluft einbringen.

Wasserstoff weist im Vergleich zu herkömmlichen Kraftstoffen eine um bis zu zehnmal höhere Verbrennungsgeschwindigkeit auf. Dadurch werden höhere Wirkungsgrade erreicht. Um dieses Potenzial vollständig zu nutzen, wird für den V12-Motor des Hydrogen 7 eine flexible Motorsteuerung benötigt. Dafür bieten Valvetronic und Doppel-VANOS die idealen Voraussetzungen. Gaswechsel und Einspritzrhythmus können gezielt auf die Eigenschaften des Wasserstoff-Luft-Gemischs abgestimmt werden.

Unter Volllast agiert der Motor im so genannten stöchiometrischen Betrieb. Das Mischungsverhältnis zwischen Sauerstoff und Wasserstoff ist ausgeglichen (Lambda = 1). In diesem Verhältnis wird auch im Wasserstoffbetrieb die höchste Leistungsausbeute bei geringen Emissionen erzielt. Weil Wasserstoff im Gegensatz zu fossilen Energieträgern keinen Kohlenstoff enthält, treten bei seiner Verbrennung prinzipiell weder Kohlenwasserstoffe (HC) noch Kohlenmonoxid (CO) auf. Kleinste Spuren von HC-, CO- und CO2-Emissionen entstehen allenfalls durch Schmierölverbrennung beziehungsweise Aktivkohlefilterspülungen während des Wasserstoffbetriebs.

Relevant wäre daher ausschließlich der Ausstoß von Stickoxiden (NOX). Sie entstehen vor allem bei besonders hohen Verbrennungstemperaturen. Die hohe Flexibilität in der Verbrennungssteuerung erlaubt eine Betriebs¬strategie, mit der die NOX-Bildung im Wesentlichen kontrolliert werden kann. Zu diesem Zweck wird der Motor im Teillastbetrieb mit hohem Sauerstoffanteil (Lambda > 2) betrieben. Dabei läuft die Verbrennung mit vergleichsweise niedrigen Temperaturen ab, bei denen nur äußerst geringe NOX-Emissionen auftreten. Dieser Magerbetrieb ist über einen besonders breiten Kennfeldbereich hinweg möglich.

Weil Wasserstoff besonders weite Zündgrenzen aufweist und mit hoher Geschwindigkeit verbrennt, genügt ein geringer Kraftstoffanteil im Gemisch zur Erzeugung eines hohen Wirkungsgrades. Zur Steigerung der Leistung wird auch im Wasserstoffbetrieb der Kraftstoff¬anteil im Gemisch erhöht. Dabei nimmt bei steigender Last auch die Verbrennungstemperatur zu. Der Gemischbereich, in dem am meisten Stickoxide entstehen, liegt zwischen Lambda = 1 und Lambda = 2. Dieser für das Abgasverhalten ungünstige Betriebsbereich wird von der Motorsteuerung des BMW Hydrogen 7 drehmomentneutral ausgeblendet.

Unter Volllast (Lambda = 1) werden NOX-Emissionen nahezu vollständig vermieden. Für die Umwandlung der minimalen in diesem Betriebsbereich verbliebenen NOX-Mengen genügt ein einfaches 3-Wege-Kat-System. Die spezifische Abgaszusammensetzung eines Wasserstoff-Verbrennungs¬motors im stöchiometrischen Betrieb (Lambda = 1) begünstigt die Umsetzung eventuell im Abgas befindlicher Stickoxide im 3-Wege-Kat.

Gleichwohl wird im Rahmen der Forschung der BMW Group auch daran gearbeitet, die Brennstoffzellentechnik für eine möglichst praxistaugliche Nutzung im Automobil zu erschließen. Das Ziel ist langfristig die Nutzung der Brennstoffzellentechnologie als Auxiliary Power Unit (APU) sowohl in Wasserstoff- als auch in Benzinfahrzeugen. Dabei übernimmt die APU die Aufgabe der Stromversorgung für das Bordnetz sowohl während der Fahrt als auch im Stand.