Systemdesign Niederdruck-Direkteinblasung (LPDI)
Das H2-Einblassystem von Liebherr ist so konzipiert, dass eine extrem schnelle und genaue Druckregelung, unabhängig von der Position des Kraftstofftanks, der Maschinengröße und -anordnung sowie der Motorinstallation, gewährleistet ist. Diese Auslegung sieht eine zweistufige Druckregelung vor. Während in Stufe Eins zunächst der variable Druck aus dem Kraftstofftank stabilisiert wird, erfolgt in der zweiten Stufe die Feineinstellung des Drucks. Der Einblasdruck wird durch die Ansteuerung des Gasdosierventils über die elektronische Steuereinheit (ECU) geregelt. Die ECU steuert das Gasdosierventil mit Hilfe eines Vorwärtsreglers im geschlossenen Regelkreis. Eigens entwickelte wasserstoffspezifische Software-Module lassen sich in die Anwendungssoftware von Drittanbietern und/ oder in Steuergeräte integrieren.
„Das H2-DI-System ist für den Betrieb ohne elektronisches Druckablassventil konzipiert. Die dahinterliegende Idee soll das System so einfach wie möglich halten und dabei während des Betriebs kein Wasserstoffgas in die Atmosphäre freisetzen“, fasst Richard Pirkl zusammen.
Schlüsselkomponente Injektor
„Der Injektor ist das anspruchsvollste und gleichzeitig leistungsbestimmende Bauteil des Wasserstoff-Kraftstoffsystems“, erläutert Pirkl. Die Außenabmessungen des H2-LPDI-Injektors von Liebherr sind denen von Dieselinjektoren für schwere Nutzfahrzeugmotoren sehr ähnlich. Insbesondere der kritische maximale Außendurchmesser liegt im gleichen Bereich wie bei Dieselinjektoren.
In der aktuellen Musterphase kann der Injektor mittels eines Einschraubeinsatzes mit verschiedene Wasserstoffanschlüssen ausgerüstet werden. Zwei Grundvarianten des Injektor-Kopfes (radialer und axialer H2-Einlass) ermöglichen unterschiedliche Einbausituationen. Zur Gewährleistung des richtigen Sprühbilds und der Strahlrichtung ist die Injektor-Düse mit einer Diffusor-Kappe ausgestattet. „Sie ist in der Musterphase austauschbar und erlaubt die kostengünstige Erprobung verschiedener Varianten, um die beste Konfiguration zu definieren. Mittels einer Schraublösung lässt sich die Diffusor-Kappe leicht austauschen“, berichtet Richard Pirkl.
Das Öffnen und Schließen des Injektors erfolgt über eine Nadel, die direkt durch den Magneten betätigt wird. Um die Zielvorgabe für die Gehäuseabmessungen zu erfüllen, wurde der Magnet gründlich dimensioniert. Die Herausforderungen lagen darin, genügend Magnetkraft für die direkte Betätigung zu erreichen und gleichzeitig die kritischen Außenabmessungen im Magnetbereich den Anforderungen der Motorenhersteller anzupassen. Simulationen verschiedener Magnetkonzepte, -materialien und Einbausituationen begleiteten den Prozess. Die Magnetkraft ist nun so abgestimmt, dass einerseits eine ordnungsgemäße Öffnung des Injektors möglich ist und, andererseits, die Schließverzögerung auf ein Minimum reduziert wird.
„Ein zusätzliches wichtiges Entwicklungsziel war es, den Wasserstoffinjektor mit den bestehenden Steuergeräten von Dieselmotoren und dadurch mit den bereits aus diesen Anwendungen bekannten Standard-Stromprofilen anzusteuern“, fasst Pirkl zusammen.