Bosch verwandelt einen Benzin-V6 in einen mit Wasserstoff angetriebenen Motor mit mehr als 650 PS, der nur Wasser über den Auspuff abgibt.
Die Elektrifizierung prägt die Entwicklung des Automobils, doch Wasserstoff eröffnet auch für Verbrennungsmotoren neue Möglichkeiten. Bosch hat dies gerade mit einem der bislang ehrgeizigsten Projekte unter Beweis gestellt: den Umbau eines V6-Biturbo-Benzinmotors in einen mit Wasserstoff angetriebenen Motor, der 653 PS (480 kW) entwickeln kann, ohne von einem völlig neuen Design auszugehen.
Das Ergebnis zeigt sich im Ligier JS2 RH2, einem Rennprototypen, der gemeinsam von Bosch Engineering, Ligier Automotive und Maserati entwickelt wurde, um das Potenzial von Wasserstoff als Kraftstoff in Hochleistungsanwendungen zu überprüfen.
Ein in Wasserstoff umgewandelter Maserati-Motor
Das Herzstück des Projekts ist der bekannte Maserati Nettuno – ein 3,0-Liter-V6-Biturbomotor, der in Modellen der italienischen Marke verbaut wird. Anstatt einen neuen Motor von Grund auf zu entwickeln, nutzten die Ingenieure diese Antriebstechnik als Basis, um zu zeigen, dass sich aktuelle Motoren an alternative Kraftstoffe anpassen lassen, wobei ein Großteil ihrer Architektur beibehalten werden kann.
Nach der Umwandlung entwickelt der Motor 480 kW (653 PS) sowie ein maximales Drehmoment von 880 Nm – Werte, die typisch für einen modernen Supersportwagen sind. Zudem hat das Prototyp bereits mehr als 8.000 Kilometer auf der Rennstrecke zurückgelegt, was zu den anspruchsvollsten Umgebungen gehört, um jede Art von Antriebstechnologie zu prüfen.
Wasserstoff-Brennkraftmaschinen (nicht zu Brennstoffzellen verwechseln, die nur Wasser abgeben) verbrennen H2 in Kombination mit Luft in einem herkömmlichen Wärmemotor, und über den Auspuff werden hauptsächlich Wasserdampf (H2O) sowie Stickoxidverbindungen (NOx) ausgestoßen. Letztere sind der wichtigste Schadstoff dieser Art von Motor und erfordern tatsächlich NOx-Reduktionsysteme, die denen von Dieselmotoren ähneln (oder einen schwachen Kraftstoffgemisch/EGR zur Kontrolle).
In sehr geringen Mengen können Spuren von CO2, CO und Kohlenwasserstoffen (HC) vorhanden sein, die aus dem teilweise verbrannten Schmieröl im Zylinder stammen. Im Vergleich zu Benzin- oder Dieselmotoren handelt es sich dabei um marginale Mengen. Aus demselben Grund können auch Reste von Partikeln gefunden werden.
Ein großer Teil des ursprünglichen Motors bleibt unverändert
Einer der auffälligsten Aspekte des Projekts ist, dass zahlreiche Komponenten des ursprünglichen Motors unverändert beibehalten werden.
Der Zylinderblock, die allgemeine Architektur des Motors sowie die Turbolader stammen weiterhin vom Maserati Nettuno. Diese Entscheidung zeigt, dass der Übergang zu Wasserstoffantriebsmotoren einen erheblichen Teil des vorhandenen industriellen Wissens und der Technologie nutzen kann.
Trotzdem erforderte die Anpassung bedeutende Änderungen in den direkt mit der Verbrennung verbundenen Systemen.
Bosch Engineering hat die Kolben neu entworfen, ein neues Zündsystem, eine spezielle elektronische Steuerung sowie ein völlig anderes Kraftstoffversorgungssystem entwickelt, um den Eigenschaften von Wasserstoff gerecht zu werden.
Direkte Wasserstoffeinprägung zur Optimierung der Leistung
Der größte Unterschied zum Benzinmotor liegt im Kraftstoffversorgungssystem.
Das Prototypmodell nutzt die Technologie der direkten Wasserstoffeinprägung mit den neuen Bosch HIDI LCV-Injektoren, die speziell für diese Anwendungen entwickelt wurden.
Durch die präzise Einbringung von Wasserstoff direkt in die Brennkammer verbessert das System die Prozessstabilität, steigert die Motorleistung und trägt dazu bei, die Emissionen – insbesondere von Stickoxiden – zu verringern, da die Verbrennung viel genauer kontrolliert werden kann.
Eine technische Herausforderung bei über 7.000 Umdrehungen
Die Anpassung eines Rennmotors an Wasserstoff erfordert die Lösung völlig anderer Probleme als bei einem herkömmlichen Antrieb.
Eines der wichtigsten Probleme bestand darin, eine stabile Verbrennung zu gewährleisten, wenn der Motor die 7.000 Umdrehungen pro Minute überschreitet, wobei Phänomene wie das Vorentzünden vermieden werden mussten, da diese sowohl die Leistung als auch die Zuverlässigkeit beeinträchtigen können.
Dafür optimierte Bosch die Einspritzstrategie, das Mischungsmanagement sowie die elektronische Motorsteuerung, sodass der Motor auch unter den hohen Belastungen eines Rennfahrzeugs zuverlässig funktioniert.
Die Umwandlung beschränkt sich nicht auf den Motor
Der Ligier JS2 RH2 verfügt über ein spezielles Speichersystem, das aus drei Kohlenstofffasstanks besteht, die in der Lage sind, Wasserstoff bei einem Druck von 700 Bar zu speichern.
Einer der Tanks befindet sich hinter dem Fahrerabteil, während die anderen beiden in den Seiten des Fahrzeugs integriert sind, um die Gewichtsverteilung zu optimieren und den verfügbaren Raum besser zu nutzen.
Das gesamte System wird von der Hydrogen Storage Control Unit (HSCU) überwacht – einer von Bosch entwickelten elektronischen Einheit, die kontinuierlich Parameter wie Druck, Temperatur und den Zustand des Systems überwacht.
Falls eine Störung festgestellt wird, kann das Steuerungszentrum verschiedene Schutzstufen aktivieren – von einfachen Warnungen an den Fahrer über die Isolierung bestimmter Schaltkreise bis hin zum vollständigen Trennen des Systems. Zudem verfügt das Fahrzeug über spezielle Sensoren zur Erkennung möglicher Lecks, Lüftungskanäle sowie mehrere Sicherheitsmaßnahmen, die dazu dienen, eine Ansammlung von Wasserstoff zu verhindern.
Der Wettbewerb als Labor für die Straße
Auch wenn der Ligier JS2 RH2 als Rennfahrzeug konzipiert wurde, ist Bosch der Ansicht, dass die im Rahmen dieses Projekts entwickelten Technologien später auch auf Serienfahrzeuge angewandt werden können.
Belastungstests stellen eine der anspruchsvollsten Prüfmethoden dar, um Lösungen im Bereich der Einspritzung, der elektronischen Steuerung, des Wasserstofflagers und der Sicherheitssysteme zu validieren.
Diese Entwicklung fügt sich außerdem in Boschs Multitechnologiestrategie ein, die darauf abzielt, verschiedene Lösungen zur Dekarbonisierung des Verkehrs zu kombinieren. Neben mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotoren arbeitet das Unternehmen auch an Brennstoffzellsystemen für Schwerfahrzeuge, Elektrolysetechnologien sowie Lösungen für die gesamte Wasserstoff-Wertschöpfungskette.
Durch dieses Prototyp zeigt Bosch, dass Verbrennungsmotoren noch Entwicklungsspielraum haben. Die Anpassung bestehender Mechaniken für den Betrieb mit Wasserstoff ermöglicht es, jahrzehntelange industrielle Entwicklungen zu nutzen und eine leistungsstarke Alternative mit großem Potenzial zur Emissionsreduzierung anzubieten, ohne auf die Eigenschaften herkömmlicher Verbrennungsmotoren zu verzichten.