Wasserstoff-Nutzfahrzeugmotor mit 50 % effektivem Wirkungsgrad

Die Ziele der CO₂-Reduzierung für Nutzfahrzeugflotten treiben die Entwicklung von Wasserstoffmotoren voran. Wasserstoffmotoren für schwere Nutzfahrzeug (Nfz) Anwendungen können als fremdgezündete Magermotoren oder als Hochdruck-Direkteinblaskonzepte dargestellt werden. Die späte Hochdruck-Direkteinblasung bietet Vorteile hinsichtlich der Leistungsdichte, Lastannahmeverhalten und Wirkungsgrad. Die Kraftstoffeffizienz trägt wesentlich zur Optimierung der Gesamtbetriebskosten (TCO) von Schwerlastfahrzeugen bei. 

AVL, Tupy und andere Partner haben unter Verwendung des HPDI-Systems (High Pressure Direct Injection) von Westport bei einem schweren Nfz-Wasserstoffmotor einen Wirkungsgrad (BTE) von 50 % nachgewiesen.

Die Europäische Union hat strenge CO₂-Reduktionsziele für schwere Nutzfahrzeuge festgelegt. Die neuen Vorschriften wurden im Februar 2023 eingeführt. In diesen Verordnungen werden strengere Flottenziele ab 2030 vorgeschlagen und das Potenzial von Wasserstoffverbrennungsmotoren als Schlüsselantrieb für Null-CO₂-Emissionsfahrzeuge (Zero-CO₂-Emission Vehicles, ZEV) erneut in Betracht gezogen. Die Rolle synthetischer Kraftstoffe, wie z. B. E-Fuels, wird noch diskutiert, wobei die politische Unterstützung für ihre Einbeziehung in die CO₂-Reduktionsstrategie wächst. 

Die EU verfolgt in erster Linie einen Tank-to-Wheel-Ansatz (TTW), der kohlenstofffreie Kraftstoffe wie Wasserstoff erfordert, auch wenn der Well-to-Wheel-Ansatz (WTW) in bestimmten Märkten ebenfalls an Bedeutung gewinnen könnte. In den USA stimmt die EPA-Aktualisierung vom März 2023 mit diesen Zielen überein und nimmt Fahrzeuge, die Wasserstoff verwenden, von der CO₂-Prüfung aus, während die kalifornische CARB-Verordnung bis 2045 eine emissionsfreie Flotte anstrebt und Wasserstoffmotoren von der ZEV-Kategorie ausschließt.

Zunächst wurden Kraftstoffeigenschaften von Wasserstoff mit denen von Diesel und Methan verglichen und dabei wichtige Aspekte für den Einsatz von Wasserstoff in Motoren hervorgehoben. Die interne Gemischbildung von Wasserstoff bei Direkteinblasung führt zu einem höheren Heizwert des Gemischs, wodurch sich das Luftverhältnis bei gleicher Luftmasse erhöht. Wasserstoff hat eine niedrigere Mindestzündenergie als andere Kraftstoffe, was ihn anfällig für Vorentflammungen macht, aber für die Direkteinblasung im späten Zyklus besonders geeignet macht. Die Selbstentzündungstemperatur von Wasserstoff ist ähnlich hoch wie die von Methan, so dass besondere Maßnahmen erforderlich sind, um eine Selbstentzündung ähnlich wie bei Dieselkraftstoffen zu erreichen. Darüber hinaus weist Wasserstoff eine breite Entflammbarkeitsgrenze auf, die sowohl magere als auch fette Gemische zulässt.

In einem gemeinsamen Projekt von AVL, TUPY, Westport und ITnA (TU-Graz) wurde ein H₂-HPDI-Demonstrator entwickelt, gebaut und getestet. Basismotor war ein 13L HD Vollmotor. Die 265-bar-Zylinderspitzendruckkapazität (zu Demonstrationszwecken) war angemessen für Untersuchungen von Hochdruck-Direkteinblasungen mit dem Schwerpunkt auf maximal erreichbarem Wirkungsgrad (Brake Thermal Efficiency, BTE). Der Motor war mit Hochdruck-AGR (Abgasrückführung und einer VTG (variable Turbinengeometrie) ausgestattet.

Die Konstruktionsänderung wurde von AVL durchgeführt. Die Dual-Fuel-Injektoren und der Gas (H₂)-Druckregulator des HPDI 2.0 Kraftstoffeinspritzsystems von Westport wurden berücksichtigt. Dieselkraftstoff und H₂-Rail, die Kraftstoffleitungen und der Ventildeckel wurden auf die Anforderungen des Basismotors und des Einspritzsystems maßgeschneidert. 

AVL modifizierte sein AVL RPEMS (Rapid Prototype Engine Management Systems) für den Hochdruck-Direkteinspritzbetrieb, was einen transienten Motorbetrieb ermöglicht.

Der Basis-Dieselmotor zeigte den höchsten effektiven Wirkungsgrad von 47,6 %. Nach der Umrüstung mit dem HPDI 2.0-Kraftstoffeinspritzsystem ergaben die Messungen mit Wasserstoff einen effektiven Wirkungsgrad von 49,1 %, was einer Steigerung um +1,5 %-Punkte entspricht. Dazu beigetragen haben die zusätzliche Expansionsarbeit durch die späte Wasserstoff-Direkteinblasung und eine geringere Reibung durch eine stark verringerte Dieselmenge sowie einen niedrigeren Einspritzdruck (zwischen 200 und 350 bar).
Eine zusätzliche Optimierung des Gaswechsels ermöglichte den Nachweis eines effektiven Wirkungsgrads von 50,1 %.
Für eine weitere Steigerung des effektiven Wirkungsgrades wurde eine Abschätzung auf der Grundlage von 1-D-Simulationen und vergleichbaren Motormessungen durchgeführt. Demnach konnte durch eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses auf 23:1 und den Einbau eines hocheffizienten Turboladers mit Twin-Scroll-Turbine mit fixer Turbinengeometrie ein BTE von 51,7 % ermittelt werden.

Der H₂-HPDI-Motor lief unter Volllastbedingungen mit einem Wasserstoff-Energieverhältnis von 97,5 %. Eine Piloteinspritzung hat sich als einzige robuste Maßnahme erwiesen, um stabile und robuste Bedingungen für eine Selbstzündung des Wasserstoffs zu gewährleisten. Die derzeit verwendeten Pilotmengen sind gering genug, um einen CO₂-Grenzwert von 3 g CO₂/t.km für den Schwerlast-Langstreckentransport zu erfüllen.

Im Rahmen eines Gemeinschaftsprojekts von AVL, TUPY, Westport und ITnA (TU-Graz) wurde ein Wasserstoffmotor mit Hochdruck-Direkteinblasung (H₂-HPDI) entwickelt und getestet, der einen effektiven Wirkungsgrad (BTE) von über 50 % erreichte, mit einem Verbesserungspotenzial von bis zu 52 %. Der Demonstrator zeigte eine mit dem Dieselmotore vergleichbare Leistung mit gleicher Volllastkurve und verbessertem transienten Drehmomentaufbau.
Die Kraftstoffeffizienz ist ein wichtiger Beitrag für die Optimierung der Gesamtbetriebskosten von schweren Nutzfahrzeugen. Die Hochdruck-Direkteinblasung hilft, CO₂-Reduktion mit hoher Effizienz und der notwendigen Robustheit für Nutzfahrzeuge zu erreichen, speziell für das schwere Nfz.
Der H₂-HPDI-Demonstrator wurde mit einem Wasserstoff-Energieverhältnis von 97,5 % der Volllast betrieben, wobei eine kleine Piloteinspritzung verwendet wurde, um eine stabile Selbstzündung zu gewährleisten. Diese Konfiguration erfüllt die potenziellen CO₂-Emissionsziele von 3 g CO₂/t.km für den Schwerlastverkehr.