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Mazda RX-8 Hydrogen: Grüner Dreh
31.05.2004
Wasserstoff-verbrennende Rotationskolbenmotoren haben bei Mazda seit 1991 Tradition. Dem ersten Prototypen, dem Mazda HR-X folgte schnell der HR-X2 und, parallel, auch eine Experimentalversion des Roadsters Mazda MX-5 mit einem Wankelmotor unter der Haube und Wasserstoff im Tank. Ab 1995 testete Mazda dann zwei Transporter mit Wasserstoffantrieb im japanischen Straßenverkehr. Ziel der Anstrengungen ist es, Verbrennungsmotoren zu entwickeln, die Umwelt und Natur so gering wie möglich belasten. Weil Wasserstoff als Treibstoff der Zukunft die größten Chancen eingeräumt werden, geht der aktuelle Mazda RX-8 Hydrogen RE mit einem modifizierten Renesis-Motor, der auf dem Benzin-Triebwerk des Serien-RX-8 aufbaut, in diese Richtung. Die Wasserstoff-Version demonstriert die Flexibilität des Wankels – es vereint Fahrspaß mit dem extrem sauberen Emissionsverhalten des Wasserstoffantriebs. Der Motor kann sowohl mit Wasserstoff als auch mit herkömmlichem Benzin betrieben werden. Für den dualen Betrieb erfordert der Rotationskolbenmotor nur geringe Modifikationen. Er kann relativ kostengünstig und mit nur geringen Umstellungen in der Produktion gefertigt werden. Mazda sieht in diesem Konzept einen Beitrag zur Förderung der Marktchancen des Wasserstoffantriebs, außerdem einen Impuls zum Aufbau der dafür nötigen Infrastruktur (zum Beispiel des Tankstellennetzes).
Die Technik Die umweltfreundliche Variante des Renesis-Motors ist mit einem elektronisch kontrollierten Wasserstoff-Einspritzsystem ausgerüstet. Die Anlage spritzt durch jeweils zwei Injektoren gasförmigen Wasserstoff direkt in den Einlassbereich des Zweikammertriebwerks. Aufgrund seines Bauprinzips – separate Kammerbereiche für Ansaug- und Verdichtungstakt, erzeugt durch den im Motorgehäuse exzentrisch laufenden Rotor – ist der Rotationskolbenmotor besonders geeignet für die Verbrennung von Wasserstoff. Der in traditionellen Hubkolbenmotoren gefürchtete Rückschlageffekt tritt nicht auf. Durch den getrennten Einlassbereich liegen die Temperaturen außerdem deutlich niedriger als in der Brennkammer. Die Gummidichtungen der Wasserstoff-Injektoren werden thermisch deutlich geringer belastet als in einem Motor mit herkömmlichen Zylindern.
Weil Wasserstoff eine extrem niedrige Dichte aufweist, müssen deutlich größere Mengen eingespritzt werden als in einem Benzinmotor. Dies kann nur durch den Einsatz von zwei Injektoren erreicht werden. In einem herkömmlichen Hubkolbenmotor führt dies zu Platzproblemen im Zylinderkopf – speziell bei Vierventilmotoren – und zu strukturellen Problemen. In der Einlasskammer eines Rotationskolbenmotors treten diese Schwierigkeiten nicht auf, aufgrund der zur Verfügung stehenden Flächen ist die Installation von zwei Einspritzdüsen kein Problem. In Hubkolbenmotoren legt die Kurbelwelle während eines Arbeitstaktes 180 Grad zurück. Im Rotationskolbenmotor dreht sich die Exzenterwelle dagegen um 270 Grad. Die Strömungsverhältnisse während des Ansaugtaktes sind dadurch wesentlich günstiger. Ein homogenes Wasserstoff-Luft-Gemisch, Voraussetzung für eine gute Verbrennung im Wasserstoffmotor, lässt sich so einfacher erzeugen. Das Konzeptfahrzeug Die Wasserstoff-Variante des Renesis-Motors wird derzeit in einem speziell präparierten Mazda RX-8 getestet. Der Prototyp ist ausgestattet mit einem doppelten Kraftstoffsystem: zum einen ein Drucktank mit flüssigem Wasserstoff, zum anderen ein konventioneller Benzintank. Zusätzlich verfügt der duale Mazda RX-8 über eine verbesserte Aerodynamik und Reifen mit niedrigem Rollwiderstand, ist gewichtsoptimiert sowie in einem besonders umweltschonenden Produktionsverfahren gefertigt.
So ist er mit drei Schichten einer wasser-basierten Farbe lackiert, die die Emission von organischen Lösungsmitteln und Kohlendioxid drastisch reduziert und außerdem den energieaufwendigen Trocknungsprozess abkürzt. Die Innenausstattung des Experimentalfahrzeuges ist zum großen Teil aus Pflanzenfasern, etwa aus Zellulose, hergestellt. Spezielle Komponenten der Bremsanlage verbessern außerdem das Ansprechverhalten und reduzieren den zum Bremsen nötigen Kraftaufwand. Die Zukunft Mazda sieht für die Zukunft ein großes Potential im Wasserstoff-verbrennenden Rotationskolbenmotor und investiert in die Forschung und Weiterentwicklung dieser Antriebsform. Ein Beispiel dafür ist ein elektrisch angetriebener Turbolader, der den Wirkungsgrad deutlich verbessert. Bei niedrigen Drehzahlen – etwa 1000/min. – treibt ein Elektromotor den Turbolader an und sorgt schon in diesem Bereich für hohen Ladedruck. Bei höheren Drehzahlen wird der Turbolader konventionell von den Abgasen in Schwung gehalten. Die Ziele für die Zukunft des Rotationskolbenmotors sind, eine Leistungscharakteristik zu entwickeln, die der eines Benzinmotors gleichwertig ist sowie eine exzellente Energieeffizienz. Mit der Kombination unterschiedlicher Technologien will Mazda ein fortschrittliches, umweltschonendes Fahrzeug entwickeln, das den Fahrspaß vermittelt, den man von benzingetriebenen Fahrzeugen her kennt.
(Text: Rainer Roßbach )
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