Hoerbiger erreicht Diesel-Leistungsparität mit H2-System

AdaptH2-Hardware (Foto: Hoerbiger)

Im Jahr 2022 berichtete die damalige Diesel Progress International über die laufende Entwicklung von Wasserstoff-Einspritzdüsen bei Hoerbiger . Bernhard Zemann, Leiter der Engine Business Unit des globalen Technologieunternehmens, sagt, dass diese sich noch in der Entwicklung befinden, sich aber auf die Serienproduktion zubewegen.

„Das hängt direkt mit dem Markt zusammen“, erklärt er. „Brennstoffzellen waren von Anfang an als erste auf dem Markt, aber diese Technologie deckt die Nachfrage nach Mobilität nicht. Sie bieten nicht die Robustheit, die manche Branchen benötigen. Deshalb entwickeln wir die Technologie für Wasserstoff-Verbrennungsmotoren weiter. Wenn der Markt dafür bereit ist, werden auch wir bereit sein.“

Während die letzten Arbeiten an der H2-Injektortechnologie bald abgeschlossen sein werden, treiben Hoerbiger und Altronic (ein Mitglied der Hoerbiger-Gruppe) in Zusammenarbeit mit Prometheus Applied Technologies, einem Anbieter von Technologie für Wasserstoffverbrennungssysteme, derzeit die Entwicklung einer Lösung für die Wasserstoffzündung voran.

Bernhard Zemann (Foto: Hoerbiger)

Während die meisten anderen Elemente des Verbrennungsmotors, darunter Zylinder, Motorblock usw., übernommen wurden, sind es die Einspritzdüsen und das Zündsystem, die für die erfolgreiche Ausschöpfung des vollen Potenzials des H2-Verbrennungsprozesses entscheidend sind. Mit der Entwicklung dieser Einheiten nutzt Hoerbiger seine Expertise im Gasantrieb, um sich als Spezialanbieter der Schlüsselkomponenten oberhalb der Ventildeckeldichtung für die H2-Verbrennung zu positionieren.

Zemann sagt, dass die H2-Injektoren und Zündsysteme gleichzeitig marktreif sein werden. „Es gab immer wieder Diskussionen über die Wasserstoffverbrennung und ob sie eine praktikable Lösung darstellt. Aber jetzt ist es soweit. Wir wissen, dass es eine praktikable Lösung ist, die die Leistung und Dekarbonisierung von Schwerlastmotoren liefern kann.“

Überwindung von Leistungsverlust

Schon zu Beginn der Entwicklung war klar, dass die Umrüstung eines Dieselmotors auf Wasserstoff ohne einen speziellen Injektor nicht möglich sein würde. Dasselbe gilt nun auch für die H2-Zündung, die ein speziell entwickeltes System erfordert, um die Verbrennung innerhalb der sehr engen Toleranzen des ultramageren Kraftstoffgemischs einzuleiten und zu steuern.

„Vor zwei Jahren lautete die Frage: ‚Was ist die Mindestanforderung, um einen Dieselmotor auf Wasserstoff umzustellen?‘ Die Antwort war immer der Injektor. Das war die einzige Änderung, alles andere konnte im Prinzip übernommen werden“, sagt Zemann.

Obwohl die dieselspezifischen Komponenten übernommen werden konnten, führte der Einsatz von Wasserstoff in einem solchen System laut Zemann zu einem Verlust von 20 bis 30 % an Leistungsdichte und Effizienz. „Diesen Verlust haben wir einfach in Kauf genommen“, sagt er reumütig. An diesem Punkt begannen die Ingenieure bei Hoerbiger, gezielte Änderungen an der Zündung des Wasserstoffs vorzunehmen, um Leistungs- und Effizienzgleichheit mit Diesel zu erreichen.

„Wir haben festgestellt, dass die Strategie des Verbrennungssystems einen größeren Einfluss auf die Leistungsabgabe hat als die Zufuhr eines vollständig homogenen Luft-Kraftstoff-Gemisches aus dem Injektor“, erklärt Zemann.

Um diese Leistungsparität zwischen Diesel und Wasserstoff zu erreichen, untersuchten die Ingenieure patentierte Gasmotorentechnologie. Das 2022 entwickelte Verfahren nutzt ein kontrolliertes und prädiktives Vorkammerzündungsmodell für den Verbrennungsprozess.

Motoreffizienz durch Prometheus-Verbrennungstechnologie (Foto: Hoerbiger)

Zemann beschreibt diese Verbrennungstechnologie als „nice to have“-Feature bei Erdgasmotoren. Bei Wasserstoff ist sie jedoch nicht nur ein nettes Extra – sie ist entscheidend für die Effizienz von Kraftstoffverbrauch und Leistungsabgabe.

„So gewinnen Sie 20 bis 30 % an Leistungsdichte und Effizienz zurück“, fügt er hinzu. „Und so erreichen Sie mit einem Wasserstoffverbrennungsmotor eine Leistung, die mit der eines Diesels vergleichbar ist.“

Zündung ist der Schlüssel

Die Kontrolle der Variation des Startpunkts des Verbrennungsprozesses über jeden Zyklus hinweg ist der Schlüssel zur Stabilität und damit zum Erreichen des erforderlichen Durchbruchs, um gleichwertige Leistung und Effizienz zu erzielen. Denn die Kraftstoffenergie ist während des gesamten Verbrennungsprozesses nicht konstant – die Leistung wird vielmehr während des Zündvorgangs bestimmt. Die Zündenergie muss angepasst werden, um den gewünschten Zündzeitpunkt zu erreichen.

In Echtzeit bedeutet dies eine Anpassung der Zündfunkenenergie innerhalb von 100 Mikrosekunden – also 100 Millionstel Sekunden. Diese Energieanpassung gleicht den Zündfunkenpunkt an der Elektrode aus, mit dem Ziel, in jedem Zyklus den gleichen Zündzeitpunkt beizubehalten.

„Bei der Messung wird geprüft, ob sich der Funke in Bezug auf die Strömungsrichtung an der Vorder- oder Hinterkante der Elektrode befindet“, erklärt Zemann. „Anschließend ermittelt ein Mikroprozessor die richtige Menge an Funkenenergie, die für den gewünschten Verbrennungsbeginn erforderlich ist. Gleichzeitig werden Hotspots an der Elektrode vermieden, die zu Verbrennungsinstabilitäten und einer kürzeren Lebensdauer der Zündkerze führen können.“

„Das alles macht bei Gasmotoren einen erheblichen Unterschied, aber nicht so sehr wie bei Wasserstoffmotoren. Schon ein Millimeter Unterschied in der Zündkernlaufzeit führt zu einem völlig anderen Verbrennungsszenario.“

Wenn der Funke an der Hinterkante entsteht, ist er näher am offenen Luft-Kraftstoff-Gemisch und benötigt daher nicht so viel Energie. Wenn der Funke hingegen an der Vorderkante entsteht, ist er weiter entfernt und benötigt mehr Energie, um den Verbrennungsbeginn zu erreichen.

Diese Nivellierung der Verbrennungssequenz trägt dazu bei, Fehlzündungen, Klopfen usw. zu vermeiden, verhindert aber auch einen Hitzestau in bestimmten Bereichen der Brennkammer, ein weiteres Problem, da dies zu vorzeitiger Verbrennung, Effizienzverlusten und reduzierter Leistungsabgabe führen kann.

Durch eine optimierte Kombination aus Wasserstoffeinspritzung, adaptiver Zündsteuerung auf Basis fortschrittlicher CFD des Verbrennungsprozesses und Zündkerzendesign können die mit Wasserstoff verbundenen Verbrennungsinstabilitäten eliminiert und höhere Leistungsdichten erreicht werden.

Zemann kommentiert ohne Übertreibung: „Man braucht ein ideales Luft-Kraftstoff-Gemisch aus der Einspritzdüse. Die Kombination mit diesem Verfahren gleicht den 25-prozentigen Leistungsverlust früherer Wasserstoffmotoren durch Fehlzündungen aus und eliminiert gleichzeitig das Motorklopfen. Die Ergebnisse sind überwältigend – eine Revolution!“

Strömungsdynamischer Wirbel

Während die Steuerung der Energie des Zündvorgangs entscheidend ist, um diese dieselähnliche Leistung eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors zu erreichen, spielen auch andere Merkmale eine bedeutende Rolle.

Diagramm der Brennstoffmischung im toroidalen Wirbel (Foto: Hoerbiger)

Eine davon ist die Bildung eines toroidalen Wirbels. Diese Donutform, die der eines Plasmarings im Tokomak eines Fusionsreaktors nicht unähnlich ist, ermöglicht eine schnelle und vollständige Verbrennung des ultramageren Luft-Kraftstoff-Gemisches. Vollständige Verbrennung bedeutet, dass keine Kraftstoffrückstände verbleiben, die das Gemisch bei der nächsten Einspritzung aus dem Gleichgewicht bringen könnten.

„Deshalb haben wir uns für eine Kanaleinspritzung entschieden“, sagt Zemann. „Das Kanalsystem unterstützt den richtigen Diffusionswinkel und damit die optimale Strömungsdynamik. Es geht nicht um mehr Energie, sondern um die Strömungsdynamik.“

Um dies zu erreichen, befindet sich vor den Einlassventilen ein Miniatur-Metalldeflektor, der das Luft-Kraftstoff-Gemisch lenkt und einen stabilen Wirbel erzeugt, der die Schwankungen zwischen den Zyklen reduziert. Bis zur Markteinführung der neuen Zündeinheit wird dieser Deflektor in das Systemgehäuse integriert sein.

Die neue Zündeinheit, die derzeit bei Hoerbiger entwickelt wird, scheint einige wesentliche Probleme bei der Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren gelöst zu haben. Und im Gegensatz zu Brennstoffzellen, die ultrareines H2 benötigen, kann praktisch jedes Wasserstoffgas verwendet werden. Zusammen mit dem zusätzlichen Vorteil der Dekarbonisierung werden diese Technologien Wasserstoff – sobald der Markt bereit ist – zu einem attraktiveren Angebot machen.