Mazda RX-8 Hydrogen (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 war es, Verbrennungsmotoren zu entwickeln, die Umwelt und Natur so gering wie möglich belasten. Weil Wasserstoff als Treibstoff der Zukunft die größten Chancen eingeräumt wurden, ging der 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 demonstrierte die Flexibilität des Wankels – es vereinte Fahrspaß mit dem extrem sauberen Emissionsverhalten des Wasserstoffantriebs.

Der Motor konnte sowohl mit Wasserstoff als auch mit herkömmlichem Benzin betrieben werden. Für den dualen Betrieb erforderte der Rotationskolbenmotor nur geringe Modifikationen. Er hätte relativ kostengünstig und mit nur geringen Umstellungen in der Produktion gefertigt werden können. Mazda sah 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 umweltfreundliche Variante des Renesis-Motors war mit einem elektronisch kontrollierten Wasserstoff-Einspritzsystem ausgerüstet. Die Anlage spritzte 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 – war der Rotationskolbenmotor besonders geeignet für die Verbrennung von Wasserstoff. Der in traditionellen Hubkolbenmotoren gefürchtete Rückschlageffekt trat nicht auf. Durch den getrennten Einlassbereich lagen die Temperaturen außerdem deutlich niedriger als in der Brennkammer. Die Gummidichtungen der Wasserstoff-Injektoren wurden 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 führte dies zu Platzproblemen im Zylinderkopf – speziell bei Vierventilmotoren – und zu strukturellen Problemen. In der Einlasskammer des Rotationskolbenmotors traten diese Schwierigkeiten nicht auf, aufgrund der zur Verfügung stehenden Flächen war 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.

Die Wasserstoff-Variante des Renesis-Motors wurde seinerzeit in einem speziell präparierten Mazda RX-8 getestet. Der Prototyp war ausgestattet mit einem doppelten Kraftstoffsystem: zum einen ein Drucktank mit flüssigem Wasserstoff, zum anderen ein konventioneller Benzintank. Zusätzlich verfügte der duale Mazda RX-8 über eine verbesserte Aerodynamik und Reifen mit niedrigem Rollwiderstand, war gewichtsoptimiert sowie in einem besonders umweltschonenden Produktionsverfahren gefertigt.

So war er mit drei Schichten einer wasser-basierten Farbe lackiert, die die Emission von organischen Lösungsmitteln und Kohlendioxid drastisch reduzierte und außerdem den energieaufwendigen Trocknungsprozess abkürzte. Die Innenausstattung des Experimentalfahrzeuges war zum großen Teil aus Pflanzenfasern, etwa aus Zellulose, hergestellt. Spezielle Komponenten der Bremsanlage verbessertenn außerdem das Ansprechverhalten und reduzierten den zum Bremsen nötigen Kraftaufwand.

Mazda sah seinerzeit ein großes Potential im Wasserstoff-verbrennenden Rotationskolbenmotor und investierte in die Forschung und Weiterentwicklung dieser Antriebsform. Ein Beispiel dafür war ein elektrisch angetriebener Turbolader, der den Wirkungsgrad deutlich verbesserte. Bei niedrigen Drehzahlen – etwa 1000/min. – trieb ein Elektromotor den Turbolader an und sorgte schon in diesem Bereich für hohen Ladedruck. Bei höheren Drehzahlen wurde der Turbolader konventionell von den Abgasen in Schwung gehalten. Die Ziele für die Zukunft des Rotationskolbenmotors waren, eine Leistungscharakteristik zu entwickeln, die der eines Benzinmotors gleichwertig sein sollte sowie eine exzellente Energieeffizienz. Mit der Kombination unterschiedlicher Technologien wollte Mazda ein fortschrittliches, umweltschonendes Fahrzeug entwickeln, das den Fahrspaß vermittelt, den man von benzingetriebenen Fahrzeugen her kennt.

Fotos: Mazda/Text: Rainer Roßbach