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Nov 09, 2023

Liebherr stellt auf der CONEXPO 2023 Wasserstoff-Direkteinspritzmotoren vor

Auf der CONEXPO 2023 stellt Liebherr eine Wasserstoff-Direkteinspritzlösung für schwere Verbrennungsmotoren vor. Ziel ist es, mit dieser Technologie eine maximale Leistungsdichte zu erreichen, die der von a entspricht

Auf der CONEXPO 2023 stellt Liebherr eine Wasserstoff-Direkteinspritzlösung für schwere Verbrennungsmotoren vor. Mit dieser Technologie soll eine maximale Leistungsdichte erreicht werden, die der eines herkömmlichen Verbrennungsmotors entspricht. Wasserstoffbasierte Antriebsstränge sind ein wichtiger Bestandteil des technologieoffenen Ansatzes von Liebherr für alternative Antriebskonzepte.

Um die Leistung eines H2-DI-Motors an die eines Dieselmotors anzupassen, muss das System in der Lage sein, hohe Durchflussraten sicherzustellen. Aufgrund der geringen Dichte von Wasserstoffgas muss der Injektor für einen hohen Durchfluss ausgelegt sein. Um auch kleinste Mengen präzise steuern zu können, muss der Systemdruck punktgenau geregelt werden. Beim H2-Injektionssystem von Liebherr wird dies über ein Gasmengenregelventil erreicht. Darüber hinaus ist darauf zu achten, dass der Injektor leckagefrei und gasdicht ist.

„Um mit einem H2-System die gleiche Fahrbarkeit wie mit einem Diesel zu erreichen, muss das Wasserstoffeinspritzsystem optimal auf das Drehmoment und die Leistung des Motors abgestimmt sein“, erklärt Richard Pirkl, Geschäftsführer Technik und Entwicklung der Liebherr-Components Deggendorf GmbH. „Das bedeutet, dass beim Übergang vom Leerlauf zur Volllast möglichst schnell die nötige Kraftstoffmenge und der entsprechende Systemdruck zur Verfügung stehen müssen.“

Das H2-Einspritzsystem von Liebherr ist für eine äußerst schnelle und genaue Druckregelung ausgelegt, unabhängig von der Position des Kraftstofftanks, der Maschinengröße, der Anordnung oder der Motorinstallation. Diese Konstruktion ermöglicht eine zweistufige Druckregelung. Während die erste Stufe zunächst den variablen Druck aus dem Kraftstofftank stabilisiert, passt die zweite Stufe diesen Druck fein an. Der Einspritzdruck wird durch Ansteuerung des Gasdosierventils über das elektronische Steuergerät (ECU) gesteuert. Die ECU steuert das Gasdosierventil über einen Feed-Forward-Regler mit geschlossenem Regelkreis. Individuell entwickelte wasserstoffspezifische Softwaremodule können in Anwendungssoftware und/oder Steuergeräte von Drittanbietern integriert werden.

„Das H2-DI-System ist für den Betrieb ohne elektronisches Druckentlastungsventil ausgelegt. Die Idee dahinter ist, das System so einfach wie möglich zu halten und gleichzeitig die Freisetzung von Wasserstoffgas in die Atmosphäre während des Betriebs zu vermeiden“, fasst Pirkl zusammen.

„Der Injektor ist die anspruchsvollste und zugleich leistungsbestimmende Komponente des Wasserstoff-Kraftstoffsystems“, erklärt Pirkl. Die Gesamtabmessungen des H2-LPDI-Injektors von Liebherr ähneln denen von Diesel-Injektoren für schwere Nutzfahrzeugmotoren. Insbesondere liegt der kritische maximale Außendurchmesser im gleichen Bereich wie bei Diesel-Injektoren.

Die Wasserstoff-Direkteinspritzung eignet sich besonders gut für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Dynamik und Leistungsdichte bei begrenztem Bauraum und sei ein realisierbares Konzept, das Liebherr in Deggendorf weiterentwickelt. „Die Produktvalidierung wird in Zukunft eine der wichtigsten Aufgaben bei der Entwicklung von Wasserstoff-Kraftstoffsystemen sein“, sagt Pirkl. „Die nächsten Schritte bestehen darin, das Niederdruck-DI-System hinsichtlich Einspritzstabilität und Dynamik zu optimieren. Basierend auf dem Niederdruck-DI-System für Hochleistungsmotoren entwickeln und testen wir auch ein System mit höheren Durchflussraten für größere Motoren“, so Pirkl abschließend.

Parallel dazu arbeitet Liebherr an H2-PFI-Injektoren. Die Systemansätze für Kanaleinspritzung und Direkteinspritzung basieren auf einer gemeinsamen, skalierbaren Injektorplattform. Mit diesem umfangreichen Produktportfolio deckt Liebherr ein breites Spektrum an Motorenanforderungen ab und ermöglicht ein breites Einsatzspektrum für mittelschwere und schwere Motoren sowie Großmotoren.

Darüber hinaus stellt Liebherr diese Woche auf der Conexpo einen Prototyp seines Wasserstoffmotors für die Baustelle der Zukunft vor. Für den Antrieb des Motors kommt die beschriebene Technologie der direkten Wasserstoffeinspritzung zum Einsatz. Prototypenmotoren werden seit 2020 getestet. Mittlerweile haben die Prototypen sowohl auf Prüfständen als auch im Feld ermutigende Ergebnisse in Bezug auf Leistung und Emissionen gezeigt. Dabei wurden auch die Saugrohreinspritzung (PFI) und die Direkteinspritzung (DI) bewertet. Seit 2021 sind die ersten Prototypen-Baumaschinen mit diesen Motoren im Einsatz.

Erste Bemühungen zur Entwicklung eines Wasserstoffmotors betrachteten PFI als die erste geeignete Technologie. Die erste Maschine, die mit einem zu 100 % wasserstoffbetriebenen Liebherr-Verbrennungsmotor läuft, ist der Raupenbagger Liebherr R 9XX H2, der im Oktober 2022 mit einem Bauma-Innovationspreis ausgezeichnet wurde.

Ermutigt durch die mit der PFI-Technologie erzielten Ergebnisse setzt Liebherr seine Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Bereich DI fort. Der auf der Conexpo 2023 ausgestellte 4-Zylinder-Motorprototyp H964 ist mit dieser Technologie ausgestattet. Dabei wird der Wasserstoff direkt in den Brennraum eingespritzt, während er bei der PFI-Lösung in den Lufteinlasskanal geblasen wird. Der DI bietet ein erhöhtes Potenzial hinsichtlich Verbrennungseffizienz und Leistungsdichte und macht Wasserstoffmotoren bei anspruchsvolleren Anwendungen zu einer attraktiven Alternative zu Dieselmotoren.

Der Komponentenbereich geht davon aus, dass die Serienproduktion von Wasserstoffmotoren bis zum Jahr 2025 anlaufen wird. In der Zwischenzeit setzt das Unternehmen seine Forschungsaktivitäten im Bereich der Kraftstoffeinspritzung fort, um die Verbrennung weiter zu optimieren und eine maximale Leistungsdichte sicherzustellen.

Neben 100 % wasserstoffbetriebenen Motoren laufen derzeit mehrere Forschungsanstrengungen im Bereich alternativer Kraftstoffe. Ein Beispiel ist ein Dual-Fuel-Motor, der mit durch HVO-Einspritzung gezündetem Wasserstoff oder vollständig mit HVO betrieben werden kann. Diese Technologie ermöglicht mehr Flexibilität beim Fahrzeugbetrieb mit unterschiedlichen Konfigurationen.