Simulationsgestützte Entwicklung eines Wasserstoffmotors für einen emissionsfreien Verkehr

Mit Wasserstoff als Treibstoff für Verbrennungsmotoren steht eine Alternative

zum Emissionsausstoß von herkömmlich verbrennungsmotorisch angetriebe-

nen Fahrzeugen bereit. Bei der H2-Verbrennung entstehen faktisch keine

kohlenstoffhaltigen Abgasemissionen wie CO, CH oder klimaschädigendes

Treibhausgas CO2. In diesem Beitrag stellt Keyou sein Wasserstoffmotorkon-

zept vor und zeigt die Anpassung eines Dieselmotors für den Beitrieb mit

Wasserstoff. Dafür wird das ursprüngliche Dieselverfahren in ein fremdge-

zündetes Ottoverfahren umgerüstet und neben einem zusätzlichen Zündsys-

tem ein Kraftstoffsystem zur H2-Einblasung integriert.

© Keyou

Verbrennungsmotor

ENTWICKLUNG VErBrEnnungsMOTOr

38

WASSERSTOFF ALS TREIBSTOFF

Der Einsatz von Wasserstoff in Verbren-nungsmotoren ist ein an sich bewährtes Konzept. Verschiedene Hersteller haben das Potenzial erkannt, konnten jedoch das Potenzial hinsichtlich Wirkungsgrad und Leistungsdichte nur ansatzweise ausschöpfen, den Zielkonflikt zwischen Emissionsfreiheit, Effizienz und Wirt-schaftlichkeit nie lösen. Da die Diskus-sion rund um den Emissionsausstoß von verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen, nicht zuletzt wegen der

jüngsten Abgaskrise, immer mehr ent-facht wurde, gelangen alternative Kraft-stoffe jedoch wieder zunehmend in den Fokus der „Zero Emission“ Energiewand-lung. Der entscheidende Vorteil bei der Verwendung von H2 als Kraftstoff liegt beim nicht vorhandenen Kohlenstoff gegenüber fossilen Kraftstoffen. So ent-stehen bei der H2-Verbrennung faktisch keine kohlenstoffhaltigen Abgasemissio-nen wie CO, CH oder klimaschädigendes Treibhausgas CO2. Nebenprodukte wie Stickstoffoxide (NOX) lassen sich durch eine Abstimmung des Brennverfahrens sehr wirkungsvoll vermeiden.

Das in diesem Beitrag vorgestellte Motorkonzept von Keyou sieht eine Anpassung eines Dieselmotors vor, wel-cher durch einen gezielten Umbau an die Anforderungen eines Wasserstoff-motors adaptiert wird. Dafür wird das ursprüngliche Dieselverfahren in ein fremdgezündetes Ottoverfahren umge-rüstet und neben einem zusätzlichen Zündsystem ein Kraftstoffsystem zur H2-Einblasung integriert. In der ersten Motorgeneration erfolgt die Kraftstoffe-inblasung zylinderindividuell in das Saugrohr (Multi-Point-Injection, kurz MPI). In Verbindung mit einem Mager-brennverfahren sollen die für die Was-serstoffverbrennung kritischen Stick-stoffoxide auf ein Minimum reduziert werden. Um die NOX-Emission darüber hinaus zu eliminieren, wird ein H2-SCR-Katalysator entwickelt, der eine „Zero Emission Engine“ in allen Betriebsarten gewährleistet und somit weit unterhalb der Euro VI-Grenzwerte liegt.

ENTWICKLUNGSKONZEPT

Die Umrüstung eines herkömmlichen Dieselaggregats in einen effizient betrie-benen Wasserstoffmotor beinhaltet eine weitreichende Anpassung des Luft- und Kraftstoffsystems sowie der Entwicklung eines Brennverfahrens, welches einen effektiven Kraftstoffumsatz ermöglicht. Eine Einbindung des Kraftstoffsystems bedarf konstruktiver Anpassungen, sodass aus einem Dieselverfahren mit Direkteinspritzung ein MPI-H2-Motor dargestellt werden kann. Die Verände-rung des Frischluftpfades hat zudem einen Einfluss auf die Energieumsetzung und folglich auf die Motorperformance. In Verbindung mit der Verwendung von H2 treten gänzlich verschiedene Ansaug-eigenschaften sowie Verbrennungscha-

rakteristika auf, die sich - bezogen auf die Abgasenthalpie gestützte Aufladung - wiederum ungleich des Basismotors verhalten.

Um den komplexen Fragestellungen gerecht zu werden, soll mittels einer simulationsgestützten Systemauslegung ein möglichst straffer Entwicklungspro-zess umgesetzt werden. Das Entwick-lungskonzept sieht eine parallele Anpassungskonstruktion sowie simula-tive Systembetrachtungen vor. Hierbei werden konstruktive Fragestellungen, welche einen essentiellen Einfluss auf den Motorprozess haben, modellhaft betrachtet. Über diese Fragestellungen hinaus soll so das Motorkonzept über-prüft, gegebenenfalls Alternativen auf-gezeigt, und die Prozessführung hin-sichtlich geforderter Ziele angepasst werden. In einer ersten Prüfstandsphase wird eine Grundbedatung vorgenom-men und Bauteilkonfigurationen, wie etwa das Zündsystem, an die Randbe-dingungen des H2-Betriebes angepasst. Des Weiteren wird eine Modellvalidie-rung durchgeführt, sodass die Verbren-nungscharakteristika genauer abgebil-det und die Motorapplikation weiter unterstützt werden können. In der zwei-ten Prüfstandsphase erfolgt die Motorapplikation für den Fahrzeugbe-trieb, sodass in der letzten Phase ein funktionstüchtiger Demonstrator darge-stellt werden kann, BILD 1.

MOTORSIMULATION

Auf der Grundlage eines 1D-Motormo-dells mit Dieselkonfiguration konnte mit gezielten Änderungen das Wasserstoff-motormodell aufgebaut werden. Gegen-über dem Dieselmotor wurde dafür eine MPI H2-Einblasung modelliert, die durch eine zylinderindividuelle λ-Regelung das geforderte Betriebsfeld nachbildet. Ein weiterer essentieller Unterschied zum Dieselmotor ist das Verbrennungsmodell. Zur realistischen Nachbildung der H2-Verbrennung sind Referenzmessun-gen notwendig oder ein prädiktives Ver-brennungsmodell zu verwenden. Um einen Vorentwicklungsstand zu generie-ren, wurde ein Vibe-Ansatz zur Verbren-nungsmodulation verwendet.

Um die Verbrennungscharakteristik möglichst realitätsnah abzubilden, wur-den die Verbrennungsparameter an in der Literatur zugänglichen Parametern angelehnt. So sind etwa in [1] Richtwerte

AuTOrEn

Daniel Koch ist Entwicklungsingenieur bei der

Keyou gmbH in unterschleißheim bei München

Stephan Christian ist Entwicklungsingenieur bei der

Zeilinga (Ovgu) in München

Professor Dr. Hermann Rottengruber ist Leiter des Lehrstuhls

Energiewandlungssysteme für mobile Anwendungen der

OVgu in Magdeburg

Alvaro Sousa ist Entwicklungsingenieur bei der

Keyou gmbH in unterschleißheim bei München

Verbrennungsmotor

MTZ 11|2017 78. Jahrgang 39

für die Brenndauer in Abhängigkeit des Verbrennungsluftverhältnisses zu ent-nehmen, wobei dieser Quelle, verglichen mit dem hier verwendeten Dieseltrieb-werk, ein Hochdrehzahlkonzept zugrunde liegt, welches auf einem Ein-zylinderforschungsmotor basiert. Neben der Literatur stützt sich die Parametrie-rung des Verbrennungsmodells auf Erfahrungswerte, da für das eingesetzte Aggregat keine äquivalenten Daten zugänglich sind.

Diese Annahmen ermöglichen die Funktionalität des Zielsystems, hinsicht-lich der Gaswechseldynamik sowie des Einblase- und Aufladekonzepts zu unter-suchen. Eine wichtige Fragestellung zu Beginn der Motorauslegung sind die Spül- beziehungsweise Rückströmanteile in der Ladungswechselphase. Bei der H2-Einblasung sind das Rückströmen sowie das Scavenging möglichst zu ver-meiden. Auf Basis der gegebenen Anfor-derungen erfolgen eine Steuerzeitenopti-mierung sowie eine Studie zur Ermitt-lung geeigneter Ventilhübe. Damit ist eine systemoptimale Parametrierung vorgenommen, die Rück- und Durch-strömverluste auf ein unkritisches Maß reduziert und dadurch das Lastpotential in den unteren Drehzahlbereichen erhöht worden. Die Ergebnisse aus der Ladungs-wechselsimulation ermöglichen der Kon-struktion in einen frühen Entwicklungs-zeitraum die Steuerzeitenparameter zu definieren und mit den technischen Möglichkeiten des Basismotors abzugleichen.

Die Optimierung der Wasserstoffein-blasung hat eine existentielle Bedeu-tung. Aufgrund der Verdrängung der

Frischluft durch die H2-Einblasung ent-stehen Füllungsverluste gegenüber DI-Verfahren. [2] Dies führt zu einem Leis-tungsnachteil, welchem durch eine effi-ziente Aufladung entgegengewirkt werden soll. Zur Ermittlung geeigneter Aufladestrategien wurden verschiedene Konfigurationen simulativ analysiert. Analog der Literatur [3, 4] steht auf-grund der schnellen Verbrennung unge-nügend Abgasenthalpie zur Verfügung, um ausreichend Ladedruck zu erzeu-gen. Daher hat eine einfache Abgastur-boaufladung gegebenenfalls mit Low-End-Torque (LET) Booster einen Vorteil gegenüber einer Anordnung mit doppel-tem ATL. Die Simulation zeigt, dass bei hohen Drehzahlen und hohen Lasten

ein guter Aufladegrad dargestellt wer-den kann.

Bei niedrigen Drehzahlen hingegen besteht ein Leistungsdefizit, welches der fehlenden Abgasenthalpie geschuldet ist. BILD 2 zeigt das simulierte Motorkennfeld bezüglich der potentiell möglichen Wir-kungsgrade. Bei der angenommenen Modellierung der Wasserstoffverbren-nung hat sich eine ATL-Einheit ergeben, die potentiell höhere Aufladegrade im unteren Drehzahlbereich ermöglicht. Um das LET zu verbessern, ist der Luftauf-wand zu erhöhen. Dies kann durch eine Ladedruckerhöhung oder durch eine Änderung der Kraftstoffbereitstellung erfolgen. Beide Verfahren werden im Rahmen der Entwicklung näher verfolgt.

BILD 2 Simuliertes Wirkungsgradkennfeld (© Keyou)

BILD 1 Prozessverlauf der H2-Motorentwicklung (© Keyou)

ENTWICKLUNG VErBrEnnungsMOTOr

40

MOTORKONSTRUKTION – BRENNVERFAHRENSSPEZIFISCHE KOMPONENTEN

Grundsätzlich müssen für den Wasser-stoffbetrieb wesentliche Komponenten integriert bzw. angepasst werden. Insbe-sondere sind das die Einbindung des H2-Kraftstoffrails, die Integration eines neuen Zündsystems und die Neugestal-tung der Kolbengeometrie.

KRAFTSTOFFRAIL

Der Basismotor bietet nur begrenzten Bauraum für die Integration eines neuen Rails. Zudem sollten die kraftstofffüh-renden Leitungen möglichst kurz und

gleichzeitig abgeschirmt von heißen Bauteilen sein, um den Wärmeeintrag in das Kraftstoffsystem zu verhindern. Ein gasführendes Kraftstoffsystem benötigt gegenüber einem System mit flüssigem Kraftstoff aufgrund der Medi-endichte ein größeres Kraftstoffvolu-men. Die optimale Lösung ergibt sich demnach aus einem Kompromiss aus einer bauraumeffizienten Lösung, die den Wärmeeintrag durch angrenzende Bauteile weitestgehend verhindert und gleichzeitig das notwendige Kraftstoff-volumen bereitstellt. Das minimal not-wendige Rail-Volumen wurde mittels einer Simulation analysiert, die sich auf vereinfachte Systemparameter stützt, BILD 3.

KOLBEN

Der bestehende Grundmotor verfügt über einen Diesel-Brennraum und muss für die Anwendung mit Wasserstoff auf eine ottomotorische Prozessführung adaptiert werden. Dazu ist eine Neuaus-legung der Kolbengeometrie erforder-lich. Wegen der geringeren Klopffestig-keit muss das Verdichtungsverhältnis angepasst werden. Eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses hat, aus thermodynamischen Gründen, eine gleichzeitige Reduzierung des Wir-kungsgrades zur Folge. Der Zielkonflikt des optimalen Verdichtungsverhältnis-ses liegt hier zwischen der Identifizie-rung der Wirkungsgradoptima und der Prävention von Selbstzündungsphäno-menen. Basierend auf dieser Grundlage werden für die erste Untersuchungs-reihe verschiedene Kolbengeometrien mit unterschiedlichen Verdichtungsver-hältnissen analysiert.

ZÜNDSYSTEM

Zur Anpassung an den ottomotorischen Prozess ist ein externes Zündsystem erforderlich. Der daraus folgende konst-ruktive Eingriff ist die komplexeste Änderung in der gesamten Motorperi-pherie, da dadurch sämtliche Aufgaben-bereiche des Zylinderkopfes nicht nega-tiv beeinflusst werden dürfen. Im kom-merziellen Dieselbetrieb ist diese Komponente nicht vorgesehen, somit steht für das Zündsystem kein freier Bauraum im Zylinderkopf zur Verfü-gung. Die Einbindung des Systems wird durch eine Bohrung je Zylinder reali-

BILD 3 1D-Model des Kraftstoffrails (© Keyou)

BILD 4 Vergleich Simulations- und Messergebnisse (© Keyou)

MTZ 11|2017 78. Jahrgang 41

siert, die mit Hilfe eines Extenders den Weg vom Zylinderkopf hin zum Brenn-raum überbrückt.

VERSUCHE AM MOTOR

Die erste Testphase des Prototyps zeigt, dass die Simulation die H2-Verbrennung in der oberen Teillast unterschätzt, wohingegen in der unteren Teillast deut-lich bessere Ergebnisse simuliert werden, BILD 4. Für die Praxis bedeutet das, dass weit höhere Volllastpotentiale erreicht werden können, als mit der Simulation bis dato abgeschätzt. Dies hat eine besondere Bedeutung für den LET, da der bisher kritische Kennfeldbereich stark unterschätzt wurde, sodass von einer leistungsfähigeren Volllast im unte-ren Drehzahlbereich auszugehen ist. Dies gilt es, in der aktuellen Entwick-lungsphase eingehend zu prüfen und zu analysieren.

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Der hier dargestellte Wasserstoff-MPI-Motor gehört zur ersten Motorgeneration des Start-Ups Keyou, an dem Grundla-genuntersuchungen zum allgemeinen H2-Betrieb mit technisch noch nicht seri-enreifen Konzepten vorgenommen wer-den. Zu diesen Konzepten gilt zum einen der theoretisch positive Einfluss der Hochdruck-AGR hinsichtlich des Wir-kungsgrads, der NOX-Rohemissionen und der Verbrennungsstabilität zu analy-sieren. Zum anderen wird parallel an einem spezielle H2-SCR-Katalysator gear-beitet, der explizit auf das Brennverfah-ren ausgelegt ist, um dem angestrebten

Ziel der „Zero Emission Engine“ gerecht zu werden.

Mit Hilfe des entwickelten Katalysators werden die bereits sehr niedrigen NOX-Rohemissionen, welche unter der Euro VI-Grenze liegen, bis auf die Grenze der Nachweisbarkeit moderner Messsysteme reduziert. Der H2-MPI-Motor wird als ein Zwischenschritt zur nächsten Motoren-generation mit Wasserstoff-Direkteinbla-sung angesehen. Durch die Weiterent-wicklung des Brennverfahrens von äuße-rer zu innerer Gemischbildung wird einerseits der Wirkungsgrad erhöht und andererseits eine Leistungssteigerung erwartet, die dem heutigen Dieselmotor mindestens ebenbürtig, wenn nicht sogar überlegen sein soll.

LITERATUR[1] Fouquet, M. C. T.: niedrigstemissionskonzept für einen wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor 2012[2] grabner, P.: Potentiale eines Wasserstoffmotors mit innerer gemischbildung hinsichtlich Wirkungs-grad, Emissionen und Leistungsdichte, Dissertation, graz 2009[3] Eichlseder, H., Klell, M.: Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik. Erzeugung, speicherung, Anwen-dung. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Vieweg+Teubner Verlag / gWV Fachverlage gmbH Wiesbaden, Wiesbaden 2010[4] rottengruber, H., Wiebicke, u., Woschni, g., Zeilinger, K.: Wasserstoff-Dieselmotor mit Direktein-spritzung, hoher Leistungsdichte und geringer Abgasemission. Teil 3: Versuche und Berechnung am Motor. MTZ Motortechnische Zeitschrift 61 (2000) nr. 2, s. 122–128

BILD 5 Abbildung des Zündsystems am Vollmotor (© Keyou)

ENTWICKLUNG VErBrEnnungsMOTOr

42

READ THE ENGLISH E-MAGAZINETest now for 30 days free of charge: www.mtz-worldwide.com

MTZ 11|2017 78. Jahrgang 43