Liebherr entwickelt Wasserstoff-Direkteinspritzung für Verbrennungsmotoren

Jul 29, 2023

Liebherr hat ein Wasserstoff-Direkteinspritzsystem (H2-DI) entwickelt, das eine Leistungsdichte ermöglicht, die der eines herkömmlichen Verbrennungsmotors entspricht.

Robustheit gegenüber Staub, Schmutz und Vibrationen sowie anderen rauen Umgebungsbedingungen sind einige der wichtigsten Anforderungen. Allerdings ist es eine der größten Herausforderungen, hinsichtlich Leistung und Fahrbarkeit in allen Anwendungen mit dem Dieselmotor vergleichbar zu sein.

Der systemorientierte Ansatz von Liebherr zur Wasserstoffeinspritzung kombiniert verschiedene Komponenten zur Steuerung von Druck und Durchfluss. Dies ermöglicht die gleichen Fahreigenschaften wie ein Diesel bei gleichzeitig robustem Systemdesign.

Wasserstoffbasierte Antriebsstränge sind ein wichtiger Bestandteil des technologieoffenen Ansatzes von Liebherr für alternative Antriebskonzepte.

Um die Leistung eines H2-DI-Motors an die eines Dieselmotors anzupassen, muss das System in der Lage sein, hohe Durchflussraten sicherzustellen. Da Wasserstoffgas eine geringe Dichte aufweist, erfordert der Injektor eine Konstruktion mit hohem Durchfluss. Um auch kleinste Mengen präzise steuern zu können, muss der Systemdruck punktgenau geregelt werden. Beim H2-Injektionssystem von Liebherr wird dies über ein Gasmengenregelventil erreicht. Darüber hinaus ist darauf zu achten, dass der Injektor leckagefrei und gasdicht ist.

„Um mit einem H2-System die gleiche Fahrbarkeit wie mit einem Diesel zu erreichen, muss das Wasserstoffeinspritzsystem optimal auf das Drehmoment und die Leistung des Motors abgestimmt sein“, sagt Richard Pirkl, Geschäftsführer Technik und Entwicklung der Liebherr-Components Deggendorf GmbH.

„Das bedeutet, dass beim Übergang vom Leerlauf zur Volllast möglichst schnell die nötige Kraftstoffmenge und der entsprechende Systemdruck zur Verfügung stehen müssen.“

Das H2-Einspritzsystem von Liebherr ist für eine äußerst schnelle und genaue Druckregelung ausgelegt, unabhängig von der Position des Kraftstofftanks, der Maschinengröße, der Anordnung oder der Motorinstallation. Die Konstruktion sieht eine zweistufige Druckregelung vor. Während die erste Stufe zunächst den variablen Druck aus dem Kraftstofftank stabilisiert, passt die zweite Stufe den Druck fein an.

Der Einspritzdruck wird durch Ansteuerung des Gasdosierventils über das elektronische Steuergerät (ECU) gesteuert. Die ECU steuert das Gasdosierventil über einen Feed-Forward-Regler mit geschlossenem Regelkreis. Individuell entwickelte wasserstoffspezifische Softwaremodule können in Anwendungssoftware oder Steuergeräte von Drittanbietern integriert werden.

„Das H2-DI-System ist so konzipiert, dass es ohne elektronisches Druckentlastungsventil funktioniert“, sagte Pirkl.

„Die Idee dahinter ist, das System so einfach wie möglich zu halten und gleichzeitig die Freisetzung von Wasserstoffgas in die Atmosphäre während des Betriebs zu vermeiden.“

Der Injektor ist eine Schlüsselkomponente des Systems. Die Gesamtabmessungen des H2-LPDI-Injektors von Liebherr ähneln denen von Diesel-Injektoren für Hochleistungsmotoren. Insbesondere liegt der kritische maximale Außendurchmesser im gleichen Bereich wie bei Diesel-Injektoren.

„Der Injektor ist die anspruchsvollste und zugleich leistungsbestimmende Komponente des Wasserstoff-Kraftstoffsystems“, sagte Pirkl.

Im aktuellen Probenstadium kann der Injektor mittels Einschraubeinsatz mit verschiedenen Wasserstoffanschlüssen ausgestattet werden. Zwei Grundvarianten des Injektorkopfes – radialer und axialer H2-Einlass – ermöglichen unterschiedliche Einbausituationen.

Um das richtige Sprühbild und die richtige Strahlrichtung zu gewährleisten, ist die Injektordüse mit einer Diffusorkappe ausgestattet.

„Es ist im Musterstadium austauschbar und ermöglicht das kostengünstige Testen verschiedener Varianten, um die beste Konfiguration zu definieren. Mithilfe einer Schraublösung lässt sich die Diffusorkappe einfach austauschen“, so Pirkl.

Der Injektor wird über eine Nadel geöffnet und geschlossen, die direkt von einer bestromten Spule aktiviert wird. Um die angestrebten Gehäuseabmessungen zu erreichen, wurde die Spule vergrößert.

Die Herausforderung bestand darin, eine ausreichende elektromagnetische Kraft für die direkte Aktivierung zu erreichen und gleichzeitig die kritischen Außenabmessungen im Spulenbereich an die Anforderungen des Motorenherstellers anzupassen. Im Laufe des Prozesses wurden mehrere Simulationen verschiedener Spulenkonzepte, Materialien und Einbausituationen getestet. Die elektromagnetische Kraft wurde fein abgestimmt, um sicherzustellen, dass die Einspritzdüse richtig geöffnet wird und gleichzeitig die Schließverzögerung minimiert wird.

„Ein weiteres wichtiges Entwicklungsziel war die Steuerung des Wasserstoffinjektors mit den vorhandenen Motorsteuergeräten sowie den aus diesen Anwendungen bereits bekannten aktuellen Standardprofilen“, sagte Pirkl.

Die Dichtheit des Injektors gegenüber Wasserstoff ist eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von H2-Komponenten. Tests auf einem Vakuumleckageprüfstand zeigen beeindruckende Ergebnisse für das aktuelle Injektordesign von Liebherr.

„Gemessene Injektionsraten der aktuellen Probe zeigen bereits äußerst stabile Verläufe. Insgesamt zeigt der Injektor ein gutes Öffnungs- und Schließverhalten“, sagte Pirkl. „Auf dem Funktionsprüfstand konnten wir eine gute Kontrolle der Einspritzrate bei unterschiedlichen Druckniveaus zeigen. Die erforderlichen Mindesteinspritzraten von 0,0005 Unzen pro Hub werden bei einem Raildruck von 145 psi erreicht.“

Liebherr hat alle Tests mit einem völlig trocken laufenden Injektor ohne zusätzliches Schmieröl durchgeführt. Da der Injektor ausschließlich für Wasserstoff entwickelt wurde und somit keine Konzepte und Teile einer Erdgas- oder Benzin-Injektorplattform zum Einsatz kamen, lag der Fokus auf der Trockenlauffähigkeit der beweglichen Komponenten.

Jetzt führt das Liebherr-Team in Deggendorf einen Härtetest durch.

Die Wasserstoff-Direkteinspritzung eignet sich gut für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Dynamik und Leistungsdichte auf begrenztem Bauraum und ist ein realisierbares Konzept, das Liebherr in Deggendorf entwickelt.

„Die Produktvalidierung wird in Zukunft eine der wichtigsten Aufgaben bei der Entwicklung von Wasserstoff-Kraftstoffsystemen sein“, sagte Pirkl. „Die nächsten Schritte bestehen darin, das Niederdruck-DI-System hinsichtlich Einspritzstabilität und Dynamik zu optimieren. Basierend auf dem Niederdruck-DI-System für Hochleistungsmotoren entwickeln und testen wir auch ein System mit höheren Durchflussraten für größere Motoren.“

Parallel dazu arbeitet Liebherr an H2-PFI-Injektoren. Die Systemansätze für Kanaleinspritzung und Direkteinspritzung basieren auf einer gemeinsamen, skalierbaren Injektorplattform. Mit diesem umfangreichen Produktportfolio deckt Liebherr ein breites Spektrum an Motorenanforderungen ab und ermöglicht ein breites Anwendungsspektrum für mittlere, große und schwere Motoren