5 Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 2/ 2025 FacHartikEl Besonderheiten bei der Schmierung von Wasserstoffmotoren Ulrike Schümann 1 ; Matthis Richter 2 ; Bert Buchholz 1 Klimafreundlich hergestellter Wasserstoff ermöglicht es, die CO 2 -Emissionen vor allem in Industrie und Verkehr dort deutlich zu verringern, wo Energieeffizienz und die direkte Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien nicht ausreichend sind. [1] Die motorische Verbrennung von Wasserstoff geht jedoch mit verschiedenen Problemstellungen einher. Wasserstoff unterscheidet sich in seinen Eigenschaften grundlegend von den derzeit in Otto- und Dieselmotoren eingesetzten Kraftstoffen. Der zunächst auffälligste Unterschied ist sein bei Umgebungstemperatur gasförmiger Aggregatzustand. Daraus ergeben sich für das Schmieröl besondere Anforderungen an die Ventil- und gegebenenfalls Injektorschmierung, die Neigung zur Ablagerungsbildung und das Reinhaltevermögen. Als gasförmiger Kraftstoff kann Wasserstoff nicht wie flüssige Kraftstoffe Ablagerungen im Brennraum lösen und wegspülen. Ablagerungen im Brennraum führen zu einem schlechteren Wärmeübergang und können zu abrasivem Bauteilverschleiß führen. Daraus ergibt sich die Anforderung, Aschebildner und Vorläufer organischer Belagsbilder im Öl zu reduzieren. Eine zweite Schlüsseleigenschaft von Wasserstoff ist seine chemische Zusammensetzung, das heißt die komplette Kohlenstoff- und Sauerstofffreiheit. Als Verbrennungsprodukt entsteht deshalb nur Wasser, jedoch in Relation zur freigesetzten Energie in großen Mengen, die weit über das von mit fossilen Kohlenwasserstoffen betriebenen Motoren bekannte Niveau hinausgehen. So wird zum Beispiel gegenüber dem Methanbetrieb pro Kilowattstunde 56 Prozent mehr Wasser gebildet. Das entstehende Wasser führt zu einer starken Beanspruchung des Schmieröls und kann zu erhöhter Bauteilkorrosion und erhöhtem Lagerverschleiß führen. Weiterhin kann das entstehende Wasser zu einer starken Änderung der Ölperformance im Hinblick auf die Tragfähigkeit führen (zum Beispiel durch Emulsionsbildung). Auch Reaktionen der Öladditive mit Wasser sind möglich, wobei deren Wirk- 1 Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock 2 Lehrstuhl für Technische Thermodynamik, Universität Rostock Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 2/ 2025 6 Fachartikel | Besonderheiten bei der Schmierung von Wasserstoffmotoren samkeit und Löslichkeit zum Beispiel durch Auswaschungen oder Ausfällungen negativ beeinflusst werden können. Um diesen Effekten entgegenzuwirken, werden für den Wasserstoffbetrieb der Einsatz von demulgierenden Ölen oder auch von synthetischen Ölen, die Lösungen mit Wasser bilden, getestet. [2] Die Wasserstoffverbrennung führt häufig zu höheren Brennraumtemperaturen im Motor, da Wasserstoff eine höhere Brenngeschwindigkeit/ Flammenausbreitungsgeschwindigkeit hat als herkömmliche fossile Kraftstoffe. [3] Das typische Flammenlöschen an brennraumumgebenden Bauteilen tritt bei der Verbrennung von Wasserstoff nur in verringertem Maß auf. [4] Das Schmieröl wird dadurch stärker thermisch belastet, was zu einer schnelleren Alterung und Zersetzung des Öls führen kann. Höhere Temperaturen können auch die Viskosität des Öls verringern und dessen Schmierfähigkeit beeinträchtigen. Weiterhin kann Wasserstoff in aktivierter Form mit den Schmierstoffmolekülen/ Additiven reagieren, diese hydrieren und so in ihren Eigenschaften verändern. Das gilt zum Beispiel für die Parameter Viskosität, Schmierfähigkeit sowie Schaum- und Kälteverhalten und kann zu einer erheblich veränderten Funktionalität/ Performance des Schmieröls führen. Das erfordert eine hohe thermische und chemische Beständigkeit. Die einzigen bei der Wasserstoffverbrennung gebildeten Abgasschadstoffe sind Stickoxide, neben sehr geringen CH-Emissionen aus der Mitverbrennung des Motorenschmieröls. Diese können über das Blow-by-Gas in das Motorenschmieröl eingetragen werden und dort zur Ölalterung durch Nitration und forcierter Oxidation führen. [5, 6] Somit ist in Abhängigkeit des Brennverfahrens und der hauptsächlich angefahrenen Lastpunkte eine entsprechende Nitrationsstabilität wünschenswert. Wasserstoff hat eine sehr geringe Klopffestigkeit (Methanzahl 0). Die hohe Klopfneigung kann zum Beispiel durch Abgasrückführung und Abmagerung des Gemisches verringert werden. Insbesondere hochverdichtende Motoren mit Direkteinspritzung haben zusätzlich ein erhöhtes Risiko für vorzeitiges Zünden bei niedrigen Drehzahlen (LSPI, Low Speed Pre-Ignition). Das kann zu extremem Motorklopfen und einer übermäßigen Bauteilbeanspruchung führen. Vermutlich liegt die Ursache für LSPI im Motoröl, das in kleinsten Mengen in den Brennraum gelangt und sich dort im Kompressionsvorgang entzündet. [4] Diesem Verhalten kann durch geeignete Additive im Öl entgegengewirkt werden. [6] Hier hätten O 2 -haltige Schmierstoffe wie Polyalkylenglykole gegebenenfalls einen Vorteil. Neben den Schmiereigenschaften und der Stabilität der Grundöle sind daher je nach Verbrennungskonzept auch besondere Anforderungen an die Additivierung der Motoröle zu stellen. Basierend auf herkömmlichen Gasmotorenölen ist die Entwicklung spezieller H 2 -Schmieröle sinnvoll, die die genannten Anforderungen optimal erfüllen. Als Basis für die optimale Schmierölauswahl im Wasserstoff betrieb ist es Ziel des Verbundprojektes 854 „Untersuchung und Test maßgeschneiderter Schmieröle für H 2 -Anwendungen“ der Deutschen Wissenschaftlichen Gesellschaft für nachhaltige Energieträger, Mobilität und Kohlenstoffkreisläufe (DGMK), Schmierölbeanspruchungen im Wasserstoff betrieb möglichst realitätsnah und systematisch im Labor nachzubilden und zu bewerten. Auf der Basis dieser Ergebnisse sollen gemeinsam mit dem Industriearbeitskreis Handlungsempfehlungen für interessierte Unternehmen erarbeitet werden. Literatur [1] https: / / www.bmwi.de/ Redaktion/ DE/ Dossier/ wasserstoff.html, zuletzt abgerufen 22.03.2025 [2] Project Coordinator Motor vehicles and Road transport - hydrogen drive test. Technical report, TÜV Rheinland,1990 [3] M. Klell, H. Eichlseder, A. Trattner: Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik, Erzeugung, Speicherung Anwendung, ATZ/ MTZ Fachbuch, 4., aktualisierte und erweiterte Auflage, Springer Vieweg, 2018 https: / / link.springer.com/ book/ 10.1007 %2F978-3-658- 20447-1 [4] S. Verhelst, S. Verstraeten, R Sierens: A comprehensiv overview of hydrogen engine design features, Porc. IMechE Vol. 221 Part D: J. Automobile Engineering, Special Issue paper 911, 2006 [5] https: / / www.hydrogeit.de/ wasserstoff-motor.htm [6] N. Harris: Nitration, turbocharger deposits and LPSI. How understanding the problems leads to better protection for the engine system, Vortrag UNITI Mineral Oil Technology Congress, Afton Chemical »« Eingangsabbildung: © Ah Pich - stock.adobe.com