Die Kraftstoffeinspritzung muss der Wasserstoff

Robert Bosch hat neue Injektoren für Wasserstoff-Verbrennungsmotoren vorgestellt und plant gleichzeitig die Unterstützung der gesamten H2-Wirtschaft. (Foto: Bosch)

Während Wasserstoffbrennstoffzellen gereinigten Kraftstoff und Luft, hochtechnologische Filterung und (vorzugsweise) eine Arbeitsumgebung mit geringer Schadstoffbelastung erfordern, sind Wasserstoff-Verbrennungsmotoren (IC) genauso robust wie ihre Diesel- oder Erdgas-Pendants (LNG/CNG).

Durch die Verwendung einer Reihe von Komponenten, die mit einem herkömmlichen Verbrennungsmotor identisch sind, können Modelle mit Wasserstoffkraftstoff vorteilhafte Synergien in Entwicklung und Fertigung erzielen. Beispielsweise kann jede Komponente unterhalb der Ventilkopfdichtung mit geringen oder keinen Modifikationen für den Einsatz mit Wasserstoffkraftstoff umgerüstet werden.

Darüber hinaus können Fahrzeug- und Maschinenflottenbetreiber durch die Nutzung des Kraftstoffs „grüner Wasserstoff“ eine CO2-Neutralität erreichen.

Dr. Tanja Rückert spricht auf der CES 2024. (Foto: Bosch)

Dr. Tanja Rückert, Mitglied der Geschäftsführung von Robert Bosch und verantwortlich für Digital Business und Service, erklärte auf der CES 2024 in Las Vegas: „Um unseren weltweiten Energiebedarf ressourcenschonend zu decken, setzt Bosch auf Digitalisierung, Elektrifizierung und Wasserstoff.“

DI und PFI

Komplikationen bei der Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff hängen hauptsächlich mit der Einspritzung des Gases in die Brennkammer zusammen. Als leichtestes Element im Universum neigt Wasserstoff dazu, sich oben in der Brennkammer zu sammeln. Dadurch ist es schwierig, ein ausgewogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch zu erreichen, was zu ungleichmäßiger Verbrennung, ungleichmäßiger Leistungsabgabe und Kraftstoffverschwendung führen kann.

Um diese Probleme zu vermeiden, haben sich einige OEMs für die indirekte Einspritzung entschieden, bei der H2-Kraftstoff einer Vorbrennkammer zugeführt wird, um eine gründlichere Kraftstoffverbrennung in der Brennkammer zu erreichen.

Doch nun wurde ein neuer H2-Kraftstoffeinspritzer mit Direkteinspritzung (DI) von Robert Bosch eingeführt, der das erforderliche Luft-Kraftstoff-Gemisch ohne die zusätzliche Komplikation einer Vorbrennkammer erzeugen kann.

Wasserstoff-Direkteinspritzer. (Foto: Bosch)

Mit einem statischen Durchfluss von 17 Gramm H2/s bei 40 bar (ca. 580 psi) bietet der neue Injektor eine stabile Kraftstoffzufuhr von Schuss zu Schuss und zuverlässige Steuerzeiten. Das Design des neuen Injektors minimiert zudem den Verschleiß – im Laufe seiner Lebensdauer kann sich die Einheit etwa eine Milliarde Mal öffnen und schließen. Darüber hinaus bietet das Design die gleiche Funktionalität über einen weiten Druckbereich.

Neben den Direkteinspritzdüsen hat Bosch auch Saugrohreinspritzdüsen (PFIs) entwickelt. Während Direkteinspritzdüsen Kraftstoff in die Brennkammer einspeisen, können Saugrohreinspritzdüsen eine präzise Kraftstoffmenge in die einzelnen Zylinder einspeisen.

Diese Einheiten arbeiten mit einem Eingangsdruck von 7 bar (ca. 101 psi) und können eine statische Durchflussrate von bis zu 5 g H2/s liefern.

Die Einheiten werden als „evolutionäre Weiterentwicklung“ der bereits in Erdgasmotoren eingesetzten Technologie beschrieben, wobei Anpassungen an den Kraftstoff und die Anwendung im Nutzfahrzeugmarkt vorgenommen wurden. So soll beispielsweise das proprietäre Design des Injektorsitzes minimale Kraftstofflecks über die gesamte Lebensdauer des Produkts gewährleisten.

Druckregler

Um einen zuverlässigen Kraftstoffdruck zu gewährleisten, hat Bosch neue Druckregler für die Wasserstoffeinspritzung eingeführt. Die für den Einsatz mit DI- und PFI-Systemen vorgesehenen Einheiten verfügen über ein integriertes Proportionalventil, ein Systemabsperrventil und einen Drucksensor.

Diese Funktionen ermöglichen eine schnelle und präzise Reaktion, um einen optimalen Kraftstoffverteilerdruck bereitzustellen, der wiederum einen hocheffizienten Verbrennungsprozess unterstützt.

Mit einem DI-Ausgangsdruck von 40 bar und einem äquivalenten PFI-Druck von 15 bar können die Einheiten bis zu 9,4 g H2/s liefern. Eine Wasserstoff-Einspritzschiene ist ebenfalls erhältlich. Die skalierbare Einheit unterstützt äquivalente Drücke und verfügt über integrierte Druck- und Temperatursensoren. Die Schiene besteht aus H2-kompatiblen Materialien und ist so ausgelegt, dass sie jeglicher Reaktion mit dem Gas widersteht.

Der modulare Aufbau der Einheiten mit Ein- und Zweiventiloptionen ermöglicht je nach Fahrzeug und Anwendung verschiedene Kraftstoffsteuerungsstrategien. Sowohl Einlass als auch Auslass sind mit den entsprechenden Adaptern lieferbar.

Wasserstoffspeicherung

Wasserstoff-Brennstoffzellenmontage bei Bosch. (Foto: Bosch

Neben Einspritzsystemen investiert Bosch in eine Reihe weiterer Bereiche, um die Wasserstoffwirtschaft zu unterstützen. Das Unternehmen hat kürzlich die Serienproduktion seiner H2-Brennstoffzellen am Standort Stuttgart aufgenommen und berichtet, dass es bereits Aufträge verschiedener Lkw-Hersteller erhalten hat.

Das Unternehmen prüft dem Vernehmen nach auch die Beteiligung an mehreren Wasserstoff-Zentren in den USA. Diese sollen die Grundlage für die Entwicklung einer breiteren Wasserstoffwirtschaft bilden.

Mike Mansuetti, Präsident von Bosch Nordamerika, sagte dazu: „Die H2-Hubs sind ein wichtiger Baustein für den Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur. Unser Ziel ist es, die saubere Energiewirtschaft in Nordamerika voranzutreiben. Hier können wir unsere Expertise in der Produktion und Bereitstellung von Wasserstoff einbringen.“

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