MAHLE Powertrain und Liebherr entwickeln gemeinsam aktive Vorkammertechnologie für wasserstoffbetriebene Schwerlastmotoren

"Die Verwendung von Wasserstoff als Verbrennungskraftstoff hat das Potenzial, viele Schwerlast- und Off-Road-Sektoren schnell zu dekarbonisieren", sagt Mike Bunce, Forschungsleiter bei MAHLE Powertrain US. "Zahlreiche Forschungsergebnisse der letzten Jahrzehnte haben die Kompatibilität von Wasserstoff mit Verbrennungsmotoren bestätigt. Die Herausforderung bestand darin, eine stabile Verbrennung zu erreichen, ohne das Verdichtungsverhältnis zu verringern, um Klopfen sowie Vorzündungen zu vermeiden. Unsere gemeinsame Arbeit mit Liebherr deutet darauf hin, dass wir eine Antwort gefunden haben."

Wasserstoff ist ein kohlenstoffneutraler Kraftstoff. Aufgrund seiner zunehmenden Verfügbarkeit und der Tatsache, dass er aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt werden kann, gewinnt er wieder an Aufmerksamkeit. Als Kraftstoff für bewährte und bestehende Verbrennungsmotorentechnologie in aggressiven Umgebungen ist Wasserstoff ideal geeignet für die hohen Lastzyklen mit plötzlichen Lastsprüngen und den Einsatz bei Hitze, Staub und Vibrationen im Schwerlast- und Geländeeinsatz. Im Gegensatz zum Verbrennungsmotor ist die notwendige Robustheit bei batterieelektrischen oder Brennstoffzellen-Antriebssträngen aktuell noch ein großer Entwicklungsbereich.

Die Herausforderung besteht darin, dass Wasserstoff als Verbrennungskraftstoff sehr anfällig für eine anormale Verbrennung ist, die zu Motorklopfen und Vorzündungen führt. Dies erfordert in der Regel eine ineffiziente Verringerung des Verdichtungsverhältnisses im Motor. Eine mögliche Alternative besteht darin, die Verbrennungstemperaturen durch höheres Luftverhältnis zu senken. Dies begünstigt einen stabileren Betrieb, erfordert aber eine energiereiche Zündquelle. Die ursprünglich für Benzinanwendungen entwickelte Vorkammerzündungstechnologie von MAHLE ermöglicht die Verwendung eines zündfähigen Gemisches und ist damit ideal für den Einsatz in wasserstoffbetriebenen Motoren. Dazu wurde die MJI angepasst, indem vor allem die Vorkammer im Zylinderkopf modifiziert wurde: Sie enthält eine Zündkerze, die das zündfähige Gemisch zündet. Das entstehende Gasplasma wird durch kleine Öffnungen in die Hauptbrennkammer gepresst, um das Verbrennungsgemisch schnell und gleichmäßig zu zünden.

Die Anpassung der aktiven Vorkammer an die Liebherr-Motoren H966 und H964 hat in einer Voruntersuchung gezeigt, dass diese Technologie die stabile Verbrennung bei deutlich höherem Luftverhältnis des Motors weit über die Möglichkeiten herkömmlicher Zündsysteme hinaus erweitert. Somit macht sie eine wesentlich schnellere und vollständigere Verbrennung möglich.

„Gemeinsam mit Liebherr Machines Bulle SA konnten wir die aktive Vorkammertechnologie auf die Liebherr Off-Highway-Motoren zuschneiden, was zu einer Verbesserung der Verbrennungsgeschwindigkeit, Leistung und Emissionen führt. Darüber hinaus wird die Technologie die Hardware-Architektur der Motoren vereinfachen“, erklärt Mike Bunce. „Das mit Wasserstoff verbundene Risiko der Herabstufung des Verdichtungsverhältnisses konnten wir dadurch mindern und den Kraftstoffverbrauch senken. Das Fachwissen der Liebherr-Ingenieurteams in den Bereichen Off-Highway-Motorenverbrennung und -Forschung zu alternativen Kraftstoffen war bei dieser Entwicklung von wesentlicher Bedeutung“, fügt Bouzid Seba, Leiter der Vorentwicklung bei Liebherr Machines Bulle, hinzu. Er unterstreicht den technologieoffenen Ansatz, in dessen Rahmen sich Liebherr mit unterschiedlichen Techniken der Energieumwandlung sowie den hierfür geeigneten Kraftstoffen befasst.

Einige der bisherigen Ergebnisse der Zusammenarbeit wurden gemeinsam auf dem 8. Internationalen Motorenkongress im Februar 2021 vorgestellt. Die beiden Unternehmen setzen ihre Zusammenarbeit fort, um die Entwicklung emissionsfreier Fahrzeuge voranzutreiben, die den hohen Anforderungen des Schwerlast- und Geländesektors gerecht werden.