Hoffnungsträger Wasserstoff-Verbrennungsmotor

Erneuerbare Kraftstoffe, insbesondere Wasserstoff, stellen neue Anforderungen an das Zündsystem, das die Funken steuern und deren Eigenschaften an die vom Kraftstoff und dem Design des Motors vorgegebenen Bedingungen anpassen muss. SEM hat mit FlexiSpark ein Zündsteuermodul entwickelt, das das Risiko von Geisterfunken beseitigt und eine Steuerung erlaubt, die im Vergleich zu einem induktiven Zündsystem eine robuste Zündung mit weitaus weniger Energie ermöglicht. Dies erhöht die Lebensdauer der Zündkerze und reduziert die Gesamtbetriebskosten.

Hydrogen-powered internal combustion engines (HICE) offer a longterm solution to ensure a more sustainable mobility service. NOx-free combustion is not feasible since high combustion temperatures and lean operation result in nitrogen oxides formation, which can be reduced to a minimum by an intelligent controlled combustion process in lean operation and with exhaust gas recirculation. However, to comply with the Euro VII climate targets, the implementation of an aftertreatment system is required. The lean NOx trap (LNT) is a well-known solution that provides an alternative for NOx conversion in internal combustion engines other than the selective catalyst reduction (SCR) system. This solution can offer robustness and low operation complexity, optimizing the already low exhaust gas NOx emissions.

Beim Wasserstoffverbrennungsmotor ist das Verhindern von abnormaler beziehungsweise unkontrollierter Verbrennung momentan die zentrale Entwicklungsaufgabe - speziell im Hinblick auf das Erreichen hoher spezifischer Leistungsdichten. In diesem Zusammenhang setzt FEV insbesondere auf die Homogenität des Luft-Kraftstoff-Gemischs, die Vermeidung heißer Zonen im Brennraum, die geeignete Auslegung der Zündanlage sowie eine angepasste Schmieröl-Additivierung und ein ausgeklügeltes Kühlkonzept.

Grüner Wasserstoff kann als Kraftstoff für den Verbrennungsmotor verwendet werden. Neben dem Motor selbst muss dafür auch die Entwicklungsumgebung Motorenprüfstand angepasst werden. Ein wichtiger Aspekt dabei ist die Betriebssicherheit des gesamten Prüfstands. AVL beschreibt einen ersten Ansatz für Sicherheitskonzepte und Anforderungen an die Messtechnik.

Mobile Baumaschinen und schwere Lkw werden heute fast ausschließlich von Verbrennungsmotoren angetrieben. Der Wasserstoffverbrennungsmotor ermöglicht eine CO2-freie Antriebslösung ohne Anpassung der Fahrzeugkonzepte. Insbesondere für mobile Baumaschinen bedeutet das einen schnell umsetzbaren und gleichzeitig wirtschaftlichen Weg, um CO2-frei den bestehenden Anforderungen an Dynamik und Robustheit gerecht zu werden. Liebherr entwickelt hierfür H2-Einblassysteme für Heavy-Duty-Motoren.

Die Direkteinblasung von Wasserstoff in den Brennraum von Verbrennungsmotoren erfordert aufgrund der stofflichen Eigenschaften des Gases speziell ausgelegte Injektoren und Konzepte. ITAZ veranschaulicht das Potenzial eines auf Wasserstoff zugeschnittenen Injektors in Kombination mit einer Mitteldruckauslegung mit bis zu 50 bar.

Im laufenden Wettstreit um CO2-freie oder CO2-neutrale Antriebslösungen stößt der H2-Verbrennungsmotor vor allem für kommerzielle Anwendungen zunehmend auf Interesse. Ein wichtiges Element des Technologiepakets für H2-Motoren, das sowohl transiente Leistung, hohe Effizienz als auch niedrige Abgasemissionen sicherstellt, ist die Optimierung von Motorsteuerungsfunktionen. In diesem Beitrag stellt FEV seine modulare H2-Motorsteuerungssoftware vor.

Bosch und die TU Graz bewerten die Gemischbildung, Verbrennung und Abgasemissionen eines Wasserstoffkonzeptmotors. Für die Untersuchungen haben sie einen Ottomotor mit Abgasturboaufladung und Benzindirekteinspritzung für den Wasserstoffbetrieb adaptiert. Wie sich zeigt, lassen sich bereits mit moderatem Entwicklungsaufwand signifikante funktionale Potenziale erreichen.

Wasserstoff wird als künftigem Energieträger hohe Aufmerksamkeit zuteil. Dabei stellen Komplexität und Anforderungen von Wasserstoffmotoren sowie darauf basierende Antriebe besondere Herausforderungen für alle beteiligten Entwicklungspartner dar.

Bei der Wasserstoffverbrennung fallen ausschließlich Stickoxide als emissionsrelevante Abgaskomponenten an. Diese sind durch ein intelligent ausgelegtes Brennverfahren im Magerbetrieb und mit Abgasrückführung auf ein Minimum zu reduzieren. Jedoch kann eine NOx-freie Verbrennung nicht in allen Betriebspunkten des Motors sichergestellt werden. Aus diesem Grund entwickelt Keyou gemeinsam mit der TU Freiberg einen Katalysator, an dem die Stickoxide durch Wasserstoff effizient aus dem Abgas entfernt werden. Dieser H2-DeNOx-Katalysator soll insbesondere auf die Abgaszusammensetzung des H2-Verbrennungsmotors und geringe NOx-Gehalte von ≤ 50 vppm optimiert werden. In diesem Beitrag werden erste Forschungsergebnisse vorgestellt.

Die Konkurrenzfähigkeit von Wasserstoffverbrennungsmotoren ist mit der darstellbaren Leistung verbunden. Um extreme Leistungsdichten zu erreichen, müssen Verbrennungsanomalien unterbunden werden. An der Technischen Universität München wurde hierzu ein Wasserstoffforschungsmotor abgestimmt und systematisch auf sein Grenzpotenzial untersucht. Neben einem erreichbaren indizierten Mitteldruck von mehr als 40 bar konnten Randbedingungen für periphere Systeme und Bauteilfestigkeiten künftiger Motorengenerationen abgeleitet werden.

Mit diskontinuierlich anfallendem Strom aus erneuerbaren Energiequellen lässt sich Wasserstoff produzieren, der einfach und dauerhaft zu speichern ist. Um CO2-neutrale Antriebskonzepte zu realisieren, bietet sich daher der Wasserstoffverbrennungsmotor an. Wasserstoff ermöglicht darüber hinaus den Vorteil von kurzen Tankzeiten für den Fahrzeugbetreiber. Die Technische Universität Graz und AVL entwickeln derzeit einen serientauglichen Wasserstoffverbrennungsmotor für Nutzfahrzeuge, der eine genügend hohe Leistungsdichte bietet, um in einem Teil der in Europa eingesetzten Lkw verwendet zu werden.