Wasserstoff nutzen

May 30, 2023

Ein neues Design eines Gasinjektorsystems hat es ermöglicht, Wasserstoff direkt in den Brennraum eines Fahrzeugs einzuspritzen.

Wie alle Verbrennungsmotoren (ICEs) benötigen emissionsfreie Wasserstoffmotoren ein Gemischbildungssystem zur Dosierung des Kraftstoffs, in diesem Fall Wasserstoffgas. Der derzeit vielversprechendste Ansatz ist ein Niederdruck-Direkteinspritzsystem (LP-DI), das den Kraftstoff direkt in den Brennraum des Motors einspritzt. Wenn die Einspritzung erst nach dem Schließen der Einlassventile beginnen darf, kann eine unerwünschte Luftverdrängung vermieden und das Drehmoment bei gleichem Ladedruck einfacher Kanaleinspritzsysteme um etwa 20 % erhöht werden.

Aufgrund der geringen Dichte von Wasserstoff sind jedoch vergleichsweise große Öffnungsquerschnitte erforderlich, um das Gas im zur Verfügung stehenden Zeitfenster in den Brennraum zu blasen, und es gibt derzeit keine serienmäßig hergestellten LP-DI-Injektoren, die die geforderten Spezifikationen dauerhaft erfüllen können .

Unter der Leitung von Professor Karsten Wittek haben Forscher desHochschule HeilbronnDies wollen sie ändern und haben ein neuartiges LP-DI-System für gasförmige Kraftstoffe entwickelt, das die direkte Einspritzung von Wasserstoff in den Brennraum ermöglicht.

„Die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger in einem Fahrzeug hat gegenüber einer Batterie den Vorteil, dass das Fahrzeug viel schneller betankt werden kann, als eine Batterie geladen werden kann“, sagt Wittek. „Der wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotor ist etwas weniger effizient als ein Brennstoffzellensystem, aber ein Verbrennungsmotorfahrzeug ist viel weniger komplex und kostengünstiger als ein Brennstoffzellenfahrzeug und das robustere System.“

Die Konstruktion basiert auf einer nach innen öffnenden Düse mit Sitzdichtung, die servopneumatisch betätigt wird und die Druckenergie des einströmenden Brenngases nutzt. Die Gestaltung der Sitzgeometrie in Kombination mit hochverschleißfesten Keramikwerkstoffen gewährleistet die Einhaltung der anspruchsvollen Lebensdaueranforderungen verschiedener Industrieanwendungen, insbesondere der Großmotoren schwerer Nutzfahrzeuge, Baumaschinen und Lokomotiven.

„Bei Anwendungen, bei denen der durchschnittliche Leistungsbedarf hoch ist, wird die Effizienzlücke zwischen Verbrennungsmotor und Brennstoffzelle sehr gering“, erklärt Wittek. „Schwere Nutzfahrzeuge werden oft mit hoher Leistung betrieben, sodass die Brennstoffzelle im Vergleich zu einem mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotor nicht wesentlich weniger Kraftstoff verbraucht. Ein weiterer Punkt ist, dass ein Wasserstoff-Verbrennungsmotor problemlos die Lebensdauer eines heutigen Diesel-Lkw erreichen kann.“ Motor ohne Einbußen bei Leistung und Effizienz über die gesamte Lebensdauer. Wie weit Brennstoffzellen-Lkw und Batterie-Lkw dies erreichen könnten, muss noch herausgefunden werden.“

Obwohl es sich zunächst um einen Prototyp handelt, wurden umfangreiche Tests auf dem Einspritzdüsenprüfstand und dem Motorprüfstand durchgeführt, um zu bestätigen, dass das System alle relevanten Funktionseigenschaften liefert. Die Erfindung wurde mittlerweile zum Patent angemeldet. Nachdem das Wasserstoffeinspritzsystem seines Teams nun eine erste Prototypenphase durchlaufen hat, besteht laut Wittek der nächste Schritt darin, die Weiterentwicklung in Zusammenarbeit mit einem namentlich nicht genannten Tier-1-Lieferanten durchzuführen.

Zu einer realistischen Umsetzung des Systems in der Zukunft erklärt er: „Vorhandene Dieselmotoren von Straßen- und Geländefahrzeugen könnten mit moderatem Aufwand nachgerüstet werden, insbesondere hinsichtlich Änderungen am Motor. Das Wasserstofftanksystem ist das größte Problem bei der Nachrüstung eines.“ Fahrzeug. Bei einem LKW werden die Wasserstoffspeichertanks hinter der Kabine montiert.