29. April 2021

Emissionsarm und effizient: FEV erfolgreich bei der Entwicklung von Wasserstoff-Verbrennungsmotoren

Aufbauend auf ihrer 40-jährigen Erfahrung auf diesem Gebiet treibt FEV die Entwicklung von Wasserstoff-Verbrennungsmotoren voran. Sie sind eine robuste, kosteneffiziente Option für CO2-neutralen Transport und können vergleichsweise einfach in die aktuelle Produktionsinfrastruktur implementiert werden. Quelle: FEV Group

Aachen, April 2021 – Seit die EU im Juli 2020 die „European Clean Hydrogen Alliance“ initiiert hat, steht der Wasserstoff-Verbrennungsmotor zunehmend im Fokus der Diskussion um emissionsfreie Antriebslösungen im Transportsektor. Laufende Diskussionen über eine Senkung der CO2-Abgaswerte um über 30 % bei Lkw und 50 % bei Pkw bis 2030 gegenüber dem Ausgangspunkt 2019 zeigen die Notwendigkeit der Entwicklung emissionsfreier Technologien zusätzlich auf. Aufbauend auf ihrer 40-jährigen Erfahrung auf diesem Gebiet treibt FEV – ein weltweit führender Engineering-Anbieter – die Entwicklung von Wasserstoff-Verbrennungsmotoren voran.

„Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor ist eine robuste, kosteneffiziente Option für CO2-neutralen Transport. Er kann relativ einfach in die aktuelle Produktionsinfrastruktur implementiert werden und bietet Potenzial für bestehende Fahrzeuge“, sagt Professor Stefan Pischinger, Vorsitzender der Geschäftsführung, FEV Group. „Dennoch stellt Wasserstoff aufgrund seiner spezifischen chemischen Eigenschaften wie der weiten Entflammbarkeitsgrenzen, der kurzen Zündverzugszeit und der geringen minimalen Zündenergie einige Herausforderungen für die Entwicklung von Verbrennungsmotoren dar. FEV löst diese jedoch bereits heute erfolgreich.“

Neues Design der Kraftstoffversorgung mit Wasserstoff
Um bestehende Sicherheitsanforderungen zu erfüllen und aufgrund der Notwendigkeit eines sicheren, konstanten Drucks vor dem Injektor stellt Wasserstoff besondere Anforderungen an das Design der Kraftstoff-Rails. 

„An unserem Forschungsmotor haben wir ein fast druckschwingungsfreies Kraftstoff-Rail entwickelt“, so Pischinger. „Dieses Wissen wurde bereits erfolgreich auf laufende Kundenprojekte übertragen, unabhängig vom Einspritzsystem – Saugrohr- oder Wasserstoff-Direkteinblasung.“

Gemischaufbereitung für Direkteinspritzsysteme
Neben der Kraftstoffzufuhr des Wasserstoffs über die Rails erfordert auch die Einbringung in den Brennraum durch die Injektoren und der damit einhergehende Mischprozess mit der Ansaugluft ein tiefes Verständnis der Strömungsdynamik und Wechselwirkungen. 

„Es gilt, eine optimale Gemischhomogenität sicherzustellen, die letztlich zu niedrigen NOx-Emissionen in Kombination mit höchster Motoreffizienz führt“, so Pischinger. „Bei FEV nutzen wir unseren bewährten 3D-CMD-Prozess (Charge Motion Design) zur Auslegung der Ladungsbewegung. Um das besondere Verhalten von Wasserstoff während des Einspritz- und Mischprozesses zu berücksichtigen, wurden in Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen umfangreiche optische Untersuchungen in druckbeaufschlagten Einspritzkammern durchgeführt. So konnten wir ein detailiertes Verständnis des Einblas- und Mischprozesses von Wasserstoff mit anderen Gasen gewinnen.“

Dank der experimentellen Ergebnisse und FEVs langjähriger Erfahrung im Bereich Ladungswechsel konnte das Zusammenspiel von Kraftstoffeinblasung sowie Ladungsbewegung optimiert und dadurch die bestmögliche Gemischhomogenität sichergestellt werden.

Besondere Anforderungen ans Zündsystem
Die weiten Entflammbarkeitsgrenzen und die geringe benötigte Zündenergie stellen hohe Anforderungen an das Zündsystem, wobei der Unterdrückung jeglicher Art von unbeabsichtigter Entladung eine entscheidende Rolle zukommt. Zusätzlich führen hohe Flammtemperaturen zu einem erhöhten Elektrodenverschleiß. Dem kann durch die Regelbarkeit der Zündenergie entgegengewirkt werden. 

„Deshalb haben wir uns frühzeitig für eine enge Zusammenarbeit mit führenden Zündanlagenlieferanten und Zündkerzenherstellern entschieden“, so Pischinger. „Wir treiben die Optimierung dieser Schlüsselkomponenten speziell für Wasserstoff-Verbrennungsmotoren durch umfangreiche Motorversuche und Dauerläufe voran.“

Verbesserte Kurbelgehäuseentlüftung gegen H2-Akkumulation
Die geringe Dichte von Wasserstoff kann zu einer Konzentration von Wasserstoff im Kurbelgehäuse des Motors führen, wodurch die untere Explosionsgrenze überschritten würde. In Kombination mit der oben erwähnten geringen erforderlichen Zündenergie kann dieser Effekt zu schweren Motorschäden führen. 

„Dank unserer umfangreichen Forschungs- und Testmöglichkeiten ist es uns gelungen, Lösungen anzubieten, die dieses Risiko ausschließen – das gilt für alle Motoren, die wir bisher an Kunden geliefert haben“, so Pischinger.

Optimierte transiente Performance und niedrige NOx-Werte
Mager betriebene Wasserstoff-Verbrennungsmotoren können zum Verbessern des Ansprechverhaltens kurzzeitig mit einem fetteren Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben werden. Dies würde ohne Korrektur des Zündzeitpunktes zu erhöhten NOx-Rohemissionen führen. Um dies zu vermeiden, nutzt FEV ihren Rapid-Control-Prototypenaufbau, um Software für Wasserstoff-Motoren zu entwickeln. Dieses System erlaubt bei Bedarf den autarken Betrieb jedes Motors, kann aber auch als Bypasslösung für bestimmte Funktionalitäten genutzt werden. 

Verhindern von  Vorzündungen
Die Glüh- oder Vorzündung ist eine der größten Herausforderungen, die Wasserstoff-Verbrennungsmotoren beim Erreichen hoher, dieselähnlich effektiver Mitteldrücke einschränkt. Vorzündung kann unter anderem durch heiße Oberflächen oder unkontrollierten Schmieröleintrag in den Brennraum verursacht werden. 

„Beim Optimieren unseres Forschungsmotors haben uns unser fundiertes Wissen über hochaufgeladene Ottomotoren einerseits und unsere Erfahrung mit Nutzfahrzeug-Erdgasmotoren andererseits geholfen. Damit  konnten wir durch Auswahl der optimalen Kolbengeometrie und Ring-Liner-Paarung Vor- und Glühzündung effektiv vermeiden“, so Pischinger. „Zusammen mit der richtigen Schmierölzusammensetzung erhält man einen zuverlässigen, emissionsarmen und hocheffizienten Motor“, so Pischinger.

Mit sieben Prüfständen für Wasserstoff-Verbrennungsmotoren ist die FEV in der Lage, jeden Motor im 24/7-3-Schichtsystem zu betreiben.

https://h2.fev.com/

About FEV
FEV is a leading independent international service provider of vehicle and powertrain development for hardware and software. The range of competencies includes the development and testing of innovative solutions up to series production and all related consulting services.The range of services for vehicle development includes the design of body and chassis, including the fine tuning of overall vehicle attributes such as driving behaviour and NVH. FEV also develops innovative lighting systems and solutions for autonomous driving and connectivity. The electrification activities of powertrains cover powerful battery systems, e-machines and inverters. Additionally FEV develops highly efficient gasoline and diesel engines, transmissions, EDUs as well as fuel cell systems and facilitates their integration into vehicles suitable for homologation. Alternative fuels are a further area of development.

The service portfolio is completed by tailor-made test benches and measurement technology, as well as software solutions that allow efficient transfer of the essential development steps of the above-mentioned developments, from the road to the test bench or simulation.

The FEV Group currently employs 6300 highly qualified specialists in customer-oriented development centers at more than 40 locations on five continents.

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