Wie kann die transiente Performance des Wasserstoffmotors bei gleichzeitig niedrigsten NOx-Emissionen verbessert werden

Autoren

Dr.-Ing. L. Virnich, Dipl.-Ing. B. Lindemann, Dr.-Ing. M. Müther, Dr.-Ing. J. Schaub, Dr.-Ing. V. Huth, Dr.-Ing. J. Geiger, FEV Europe GmbH, Aachen:

Jahr

2021

Druckinfo

Eigenproduktion ÖVK

Zusammenfassung

Zunehmend strengere CO₂-Emissionsvorschriften erfordern eine Neuausrichtung der Antriebsstrangkonzepte im Schwerlastverkehr. Bis 2025 müssen die CO₂-Emissionen um 15 % und bis 2030 auf 30 % gegenüber dem Basisjahr 2019 reduziert werden. Mögliche Alternativen sind neben der Effizienzsteigerung bestehender Dieselmotoren der Einsatz von kohlenstoffarmen (z. B. Methan) oder sogar kohlenstofffreien Kraftstoffen (z. B. Wasserstoff) sowie die teilweise oder vollständige Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Wasserstoff bietet die Möglichkeit, entweder als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren oder für Brennstoffzellen genutzt zu werden. Brennstoffzellen in Kombination mit batterieelektrischen Antrieben bieten den größten Nutzen für Anwendungen mit stark transienten Fahrzyklen, z. B. Stadtbusse oder Nahverkehr. Ist jedoch eine hohe konstante Leistung und ein weniger transienter Fahrzeugbetrieb erforderlich, stellt ein mit Wasserstoff betriebener Verbrennungsmotor einen kostengünstigen Ansatz dar, um einen CO₂-freien Langstreckenverkehr zu realisieren. Um einen konventionellen Dieselmotor auf Wasserstoffbetrieb umzurüsten, müssen die Verbrennungs- und Aufladesysteme, die Kraftstoffeinspritz- und Zündsysteme sowie die Steuerungssoftware und das Abgasnachbehandlungssystem neu ausgelegt werden. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Auslegung des Abgasnachbehandlungssystems und die erforderliche Softwarestruktur, um niedrigste NO_x-Emissionen auch bei stark transienten Motorbetriebsbedingungen zu gewährleisten. Zunächst wird ein Simulationsmodell anhand von Motordaten kalibriert, die von einem zweistufig turboaufgeladenen Wasserstoffmotor mittlerer Leistung stammen. Dann werden transiente Lastzyklen auf dem Motorprüfstand durchgeführt, um die optimale Auslegung des Nachbehandlungssystems zu evaluieren. Verschiedene Nachbehandlungssystem-Architekturen sowie unterschiedliche Betriebsstrategien werden hinsichtlich ihrer Anpassung an die spezifischen Anforderungen eines Wasserstoffmotors bewertet.

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