Liebherr sviluppa l'iniezione diretta di idrogeno per motori a combustione

Jul 29, 2023

Liebherr ha sviluppato un sistema di iniezione diretta dell'idrogeno (H2-DI) che consente una densità di potenza pari a quella di un motore a combustione convenzionale.

La robustezza contro polvere, sporco e vibrazioni, nonché altre condizioni ambientali difficili sono alcuni dei requisiti chiave. Tuttavia, essere paragonabili al motore diesel in termini di prestazioni e guidabilità in tutte le applicazioni rappresenta una delle sfide più grandi.

L'approccio orientato al sistema di Liebherr all'iniezione di idrogeno combina vari componenti per controllare la pressione e il flusso. Ciò consente le stesse caratteristiche di guida del diesel, pur mantenendo un design robusto del sistema.

I propulsori basati sull'idrogeno rappresentano una parte importante dell'approccio tecnologico aperto di Liebherr ai concetti di propulsori alternativi.

L'obiettivo di eguagliare le prestazioni di un motore H2-DI a quelle di un motore diesel richiede che il sistema sia in grado di garantire portate elevate. Poiché il gas idrogeno ha una bassa densità, l'iniettore richiede un design a flusso elevato. Per consentire un controllo preciso anche delle quantità più piccole, la pressione del sistema deve essere regolata con precisione millimetrica. Nel sistema di iniezione di H2 Liebherr ciò avviene tramite una valvola di regolazione della quantità di gas. Inoltre, è importante garantire che l'iniettore non abbia perdite e sia a tenuta di gas.

"Per ottenere con un sistema H2 la stessa guidabilità di un diesel, il sistema di iniezione dell'idrogeno deve essere adattato in modo ottimale alla coppia e alla potenza del motore", ha affermato Richard Pirkl, amministratore delegato della tecnologia e dello sviluppo presso Liebherr-Components Deggendorf GmbH.

"Ciò significa che durante la transizione dal minimo al pieno carico, la quantità necessaria di carburante e la corrispondente pressione del sistema devono essere rese disponibili il più rapidamente possibile."

Il sistema di iniezione H2 di Liebherr è progettato per fornire un controllo della pressione estremamente rapido e preciso, indipendentemente dalla posizione del serbatoio del carburante, dalle dimensioni della macchina, dal layout o dall'installazione del motore. Il design prevede un controllo della pressione a due stadi. Mentre il primo stadio inizialmente stabilizza la pressione variabile del serbatoio del carburante, il secondo stadio la regola con precisione.

La pressione di iniezione viene controllata attivando la valvola di dosaggio del gas tramite l'unità di controllo elettronico (ECU). L'ECU controlla la valvola di misurazione del gas tramite un controller feed-forward a circuito chiuso. I moduli software specifici per l'idrogeno sviluppati su misura possono essere integrati in software applicativi o unità di controllo di terze parti.

"Il sistema H2-DI è progettato per funzionare senza una valvola elettronica di rilascio della pressione", ha affermato Pirkl.

“L’idea alla base è quella di mantenere il sistema il più semplice possibile, evitando il rilascio di idrogeno nell’atmosfera durante il funzionamento”.

L'iniettore è un componente chiave del sistema. Le dimensioni complessive dell'iniettore H2 LPDI Liebherr sono simili a quelle degli iniettori diesel per motori pesanti. In particolare, il diametro esterno massimo critico rientra nello stesso intervallo degli iniettori diesel.

"L'iniettore è il componente più sofisticato e, allo stesso tempo, determinante per le prestazioni del sistema di alimentazione dell'idrogeno", ha affermato Pirkl.

Nell'attuale fase di campionamento l'iniettore può essere dotato di diversi collegamenti per l'idrogeno mediante un inserto a vite. Due varianti base della testa dell'iniettore - ingresso H2 radiale e assiale - consentono diverse situazioni di installazione.

Per garantire la corretta forma di spruzzo e la direzione del getto, l'ugello dell'iniettore è dotato di un cappuccio diffusore.

“È intercambiabile nella fase di campionamento e consente di testare in modo conveniente diverse varianti per definire la migliore configurazione. Utilizzando una soluzione a vite, il tappo del diffusore può essere facilmente sostituito”, ha affermato Pirkl.

L'iniettore viene aperto e chiuso tramite uno spillo attivato direttamente da una bobina eccitata. Per soddisfare le dimensioni previste dell'alloggiamento, la bobina è stata ingrandita.

La sfida era ottenere una forza elettromagnetica sufficiente per l'attivazione diretta, adattando al tempo stesso le dimensioni esterne critiche nell'area della bobina ai requisiti del produttore del motore. Durante tutto il processo sono state testate molteplici simulazioni di diversi concetti di bobina, materiali e situazioni di installazione. La forza elettromagnetica è stata messa a punto per garantire la corretta apertura dell'iniettore, riducendo al minimo il ritardo di chiusura.