Einfluss des Brennverfahrens auf die Thermodynamik des Wasserstoffmotors mit Niederdruck-Direkteinblasung

Die Entwicklung von Wasserstoffmotoren hat vor allem seit den 2000er Jahren eine Vielfalt von Brennverfahren hervorgebracht. Bei reinen Forschungsprojekten zeigen dabei Konzepte mit Hochdruck-Direkteinblasung, global magerer Schichtladung und hoher Verdichtung das größte Potential hinsichtlich des Wirkungsgrades und der Abgasemissionen.
Eine Analyse möglicher Wasserstoff-Speichertechnologien und deren Randbedingungen ergibt allerdings, dass unabhängig von der Art der Wasserstoffspeicherung in praktischen Anwendungen ein kontinuierlicher Versorgungsdruck von maximal 20 bar zu erwarten ist. Da eine zusätzliche Verdichtung des Wasserstoffs aufgrund dessen geringer Dichte mit großen Wirkungsgradverlusten verbunden ist, kann für reale Anwendungen ausschließlich ein Brennverfahren mit Niederdruck-Direkteinblasung in Frage kommen.
Betrachtet man die publizierten Arbeiten in diesem Bereich, so fällt auf, dass deren Anzahl und Umfang deutlich geringer ist, weshalb viele Fragen zu Brennverfahren mit Wasserstoff-Niederdruck-Direkteinblasung weiterhin offen sind. Die vorliegende Arbeit untersucht daher die Einflussparameter des Brennverfahrens auf die Thermodynamik von Wasserstoffmotoren mit Niederdruck-Direkteinblasung und gibt Empfehlungen für die optimale Gestaltung eines solchen Brennverfahrens.
Hierfür wird ein moderner PKW-Motor auf den Betrieb mit Wasserstoff umgerüstet und experimentell untersucht. Dies umfasst die Entwicklung eines geeigneten Injektors und dessen umfangreiche Qualifizierung für den Einsatz im Motor. Die Messungen werden, unterstützt durch eine simultan durchgeführte 1D-Motorsimulation, hinsichtlich des Wirkungsgrades, der Emissionen und des Brennverlaufs analysiert. Die Prozessverluste werden mittels Energiebilanzen und Verlustteilung bewertet.