Könnte ein Wasserstoffmotor mit Hochdruck-Direkteinspritzung den Turbodiesel ersetzen?
In Ungnade gefallen, scheint die Zeit des einst legendären Dieseltriebwerks abgelaufen zu sein. Selbst Städte wie Paris, die einst Anreize für die Verwendung von Dieselmotoren schufen, fordern OEMs jetzt auf, die Produktion bis zum Jahr 2025 zu stoppen. Obwohl dies äußerst unwahrscheinlich ist, zeigt es, dass man sich weltweit wegen der globalen Erwärmung und der Luftverschmutzung im allgemeinen Sorgen macht.
Um die immer strenger werdenden Emissionsvorschriften einhalten zu können, untersuchen OEMs neue und oft unerprobte Arten des Antriebs: Die ganze Bandbreite von Vollelektrifizierung bis hin zu Hybriden und sogar Wasserstoff-Brennstoffzellen werden als mögliche Lösungen getestet.
Insbesondere Wasserstoff weckt das Interesse von Forschern auf der ganzen Welt – er wird als ein sauberer Brennstoff gefeiert, der durchaus den Verkehr der Zukunft antreiben könnte.
Der Unterschied zwischen Wasserstoff und konventionellen Kohlenwasserstoffen besteht in seinem großen stöchiometrischen Bereich von 4 bis 75 Volumenprozent Wasserstoff zu Luft, und unter idealen Bedingungen kann die Verbrennungsgeschwindigkeit von Wasserstoff einige Hundert Meter pro Sekunde erreichen. Diese Eigenschaften machen ihn sehr effizient bei der Verbrennung von mageren Gemischen mit niedrigen NOx-Emissionen.
Vierzig Jahre Wasserstoffmotoren
Die Wasserstoffeinspritzung gibt es schon seit den 1970er Jahren; dabei wird Wasserstoff in einen modifizierten Verbrennungsmotor eingespritzt, wodurch es zu einer saubereren Verbrennung, mehr Leistung und geringeren Emissionen kommt.
Frühere Niederdrucksysteme, die noch heute verwendet werden, spritzten den Wasserstoff in die Luft ein, bevor diese in den Brennraum eintrat. Allerdings traten dabei einige Probleme auf, da Wasserstoff zehnmal schneller verbrennt als Diesel und er, sobald er im Brennraum mit dem Diesel vermischt wird, die Abbrandgeschwindigkeit erhöht. Die wichtigsten Probleme sind:
- Der Flammenrückschlag des Gases im Verteiler.
- Frühzündung und/oder Selbstentzündung.
Der beste Weg, um diese Schwierigkeiten zu überwinden, ist der Einbau eines Systems zur Hochdruck-Direkteinspritzung, bei dem die Kraftstoffeinspritzung zu einem späteren Zeitpunkt des Kompressionsvorgangs erfolgt.
Optimierung des Verbrennungsprozesses durch genaue Druckmessung
Hierfür muss die Einspritzung ganz genau auf den Motor abgestimmt werden. Dies kann nur durch die Erhebung von Testdaten bezüglich der Temperatur (Verteiler, Abgas und Kühlmittel), des Drucks (Zylinder/Druckverstärker, Leitung und Einspritzer), der Verwirbelung in Verteiler und Brennkammer sowie der Gaszusammensetzung erreicht werden.
Die Gemischbildungs-, Zündungs- und Verbrennungsprozesse werden häufig mit zwei verschiedenen Arten von Experimenten untersucht. Das erste Experiment soll Informationen über die schnell veränderliche Konzentration und Verteilung von Wasserstoff während des Einspritzvorgangs liefern.
Bei diesem Test dient eine laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) auf Markermolekülen als das primäre Messverfahren zur Untersuchung des Verhaltens von Wasserstoff während der Kompression und bei der Zündung. Unter Verwendung einer Brennkammer mit einem konstanten Volumen und denselben Abmessungen wie der eigentliche Dieselmotor, was bedeutet, dass das Volumen in der Brennkammer dem Volumen im Zylinder am oberen Totpunkt entspricht, wird komprimierter Wasserstoff durch ein hydraulisch gesteuertes Nadelventil in die kalte Druckluft eingespritzt.
Mit qualitativ hochwertigen Drucksensoren kann die Wirkung der verschiedenen Einspritzdrücke auf den Verbrennungsprozess untersucht werden. Durch die Beobachtung des Verhaltens und des Volumens des unverbrannten Gases kann der Zeitaufwand für die Optimierung des Einspritzdrucks für eine bestimmte Anzahl von und Position der Einspritzdüsenöffnung und auch der Einspritzrichtung drastisch reduziert werden.
Durch den Einsatz einer einzigartigen Software kann die Zündverzögerung ermittelt werden, die von der Temperatur und der Konzentration von Wasserstoff in der Luft bei einem gegebenen Druck abhängig ist. Auch hier ist es wichtig, dass die Druckwerte in einem Druckbereich zwischen 10 bis 30 MPa genau aufgezeichnet werden.
Darüber hinaus ermöglicht diese Methode die Bestimmung der Bereiche des Einspritzstrahls, in denen Bedingungen für eine Selbstentzündung herrschen; das ist hilfreich bei der Entwicklung eines optimierten Einspritzsystems für Motoren, die von Dieselkraftstoff auf Wasserstoff umgerüstet werden sollen.
Bei – von einem OEM im Premiumsegment – jüngst durchgeführten Tests zeigte der optimierte Hochdruck-Wasserstoffeinspritzmotor eine vielversprechende spezifische Leistungssteigerung bei gleichzeitig reduziertem Kraftstoffverbrauch und einen Wirkungsgrad von 42 %; Werte, die denen der besten Turbodieselmotoren entsprechen.
Ausgehend von diesen Erkenntnissen scheint es so, als ob durch die stetige Optimierung des Drucks dieser 30 MPa-Systeme tatsächlich eine weitere Quelle für saubere Energie für den Verkehr der Zukunft geschaffen werden kann.
