13. Februar 2023 | Ein an der Hochschule Heilbronn entwickeltes System für gasförmige Treibstoffe macht die Einblasung von Wasserstoff direkt in den Brennraum möglich.
Zero-emission Wasserstoffmotoren benötigen, wie alle Verbrennungsmotoren ein Gemischbildungssystem, d.h. ein System zur Zumessung des Kraftstoffes, in diesem Fall Wasserstoffgas.
Ein vielversprechender Ansatz ist eine sog. Niederdruck-Direkteinblasung (LP DI = low pressure direct injection), also eine Einblasung direkt in den Brennraum. Lässt man die Einblasung erst nach Schließen der Einlassventile beginnen, kann der unerwünschte Luftverdrängungseffekt vermieden werden.
Infolgedessen kann das Drehmoment bei gleichem Ladedruck gegenüber einer einfachen Kanaleinblasung um ca. 20 % gesteigert werden und ein Rückzünden in den Einlasskanal wird sicher ausgeschlossen. Durch die Auslegung des Systems auf niedrige Einblasedrücke von etwa 20 bar kann der Drucktank ohne Leistungseinbußen fast vollständig leer gefahren werden.
Wasserstoff als Kraftstoff birgt Herausforderungen
Die geringe Dichte des Wasserstoffs erfordert dabei allerdings vergleichsweise große Öffnungsquerschnitte, um das Gas im verfügbaren Zeitfenster in den Brennraum zu blasen. Zudem weist das trockene Gas keinerlei Schmiereigenschaften auf. Zurzeit gibt es keine in Serie hergestellten LP-DI-Injektoren, welche die Lastenheftanforderungen auf Dauer erfüllen können.
Die Heilbronner Wissenschaftler um Prof. Dr.-Ing. Karsten Wittek haben ein neuartiges LP-DI-System für gasförmige Treibstoffe entwickelt. Es basiert auf einer nach innen öffnenden Düse mit einer Fachsitzabdichtung. Die Betätigung des Abdichtelementes erfolgt servo-pneumatisch und nutzt die Druckenergie des zuströmenden Brenngases. Die Gestaltung der Sitzgeometrie in Kombination mit hoch verschleißfesten keramischen Werkstoffen garantieren auch die Einhaltung ambitionierter Lebensdaueranforderungen von Industrieanwendungen.
Das System eignet sich vor allem für große Motoren wie beispielsweise solche von schweren Nutzfahrzeugen, Baumaschinen, Lokomotiven und Gen-Sets.
Eigenschaften experimentell bestätigt
Das Konzept wurde als Prototyp realisiert. Es wurden aber bereits umfassende Versuchsreihen auf dem Einspritzdüsenprüfstand und auf dem Motorenprüfstand absolviert. Alle relevanten funktionalen Eigenschaften konnten experimentell bestätigt werden. Eine ausführliche wissenschaftliche Darstellung und Diskussion der Versuchsergebnisse finden Sie hier.
Die Erfindung wurde zum Patent angemeldet (DE 10 2020 127 020 B3 erteilt). Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH unterstützt die Wissenschaftler und die Hochschule Heilbronn bei der Patentierung und Vermarktung der aktuellen Entwicklung. TLB ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Motorenherstellern Möglichkeiten der Lizenzierung.
