Schlüsselwörter
(Englisch)
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CO2-emission, H2 Multi Jet Ignition, Hydrogen combustion engine, Zero emission engine without EATS, Alternative fuel, Ultra lean-burn, Improvement of the knocking behavior, Increase of the engine power density, Efficiency improvement; MJI: Multi-Jet Ignition; EATS: Exhaust after-treatment system
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Das Einfließen neuer Technologien in die Entwicklung von Verbrennungsmotoren kann bei gleichzeitiger Effizienzsteigerung entscheidend zur Reduzierung der CO2-Emissionen beitragen. Liebherr will einen emissionsfreien Wasserstoff-Verbrennungsmotor mit einem speziellen Einspritzsystem (das sogenannte Multi-jet ignition, MJI) entwickeln, wodurch der Motor sehr mager betrieben werden kann. Hierdurch soll der Motor ohne ein Abgasnachbehandlungssystem die EURO7-Norm erfüllen.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The use of new technologies in internal combustion engines can increase the efficiency and at the same time significantly reduce the CO2 emissions. Liebherr will build a combustion engine operating with hydrogen as fuel by using the Multi-jet ignition (MJI), which will be branded as a zero emission engine. MJI is a new technology, which allows engine operation with higher air/fuel ratio range and fulfilling of the EURO 7 standards without any exhaust after-treatment system.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Wasserstoffverbrennungsmotoren werden eine wichtige Rolle bei der Dekarbonisierung bestimmter Sektoren wie dem Offroad-Bereich spielen. Eine der Herausforderungen des Wasserstoff-Verbrennungsmotors (H2ICE) ist die Einschränkung der Leistungsdichte aufgrund verschiedener Phänomene und Parameter in der Brennkammer. Eine Lösung, um die Leistung des H2ICE zu erhöhen und die Emissionen zu verringern, ist die "aktive Vorkammer" APC. Die Konstruktion und Steuerung der aktiven Vorkammer ist jedoch aufgrund der Komplexität des Kraftstoffpfads und Zündsystems eine große Herausforderung. Im Rahmen dieser Untersuchung wurden mehrere technische Lösungen entwickelt, wie z. B. die Steuerfunktion, das Komponentendesign und die Motorkalibrierung für einen optimalen Betrieb mit der APC-Technologie. Die Untersuchungen mit dieser Technologie zeigen folgende Verbesserungen des Motor-Verhaltens:
- Die NOx-Emissionen wurden weit unter den aktuellen Grenzwert der Stufe 5 "0,4 g/kW.h" gesenkt.
- Verbesserung des dynamischen und instationären Verbrennungsverhaltens um 20 % im Vergleich zu herkömmlichen H2-Verbrennungsmotoren (z. B. SI) (Table 6)
- Verbesserung der Leistungsdichte um 10 % im Vergleich zu H2-DI (Fig. 26)
Das Potenzial der Technologie wurde im stationären und transienten Betrieb nachgewiesen. Zur Bewertung der Technologie im Fahrzeugbetrieb wurde der Testzyklus NRTC "Non Road Transient Cycle" herangezogen.
Haupterkenntnisse:
1. Die vollständige Integration der Technologie ohne Änderung des Basismotors ist erfolgt
2. Hohe Leistungsdichte im Vergleich zur Saugrohreinspritzung (PFI-Technology), > 60 kW/Zylinder
3. NOx-Emissionen unter dem Niveau der aktuellen Emissionsvorschriften Stufe V (< 0,4 g/kW.h)
4. Motordynamik nahezu gleichwertig zum Dieselmotor (nur 10 % - 20 % weniger Dynamik als Dieselmotor)
5. Sehr hohe Verbrennungsstabilität nachgewiesen
6. Motor für den Betrieb im NRTC "Non-Road Transient Cycle" geeignet
Die APC-Technologie hat in Bezug auf ihre Anwendung in Wasserstoffverbrennungsmotoren ein großes Potenzial gezeigt. Diese Technologie bietet die Möglichkeit, die gleiche Motorgröße beizubehalten, um den derzeitigen Dieselmotor für verschiedene Anwendungen im Off-Road-Bereich wie Radlader, Bagger und allgemein Erdbewegungsfahrzeuge zu ersetzen. Mehrere optimierte Varianten des APC werden derzeit untersucht, um das endgültige Layout der Serienentwicklung festzulegen. Für die Zukunft werden weitere Untersuchungen für optische Grundlagenuntersuchungen (z.B. eine optische Kerze) in Betracht gezogen. Diese Anwendung der APC kann auf andere alternative Kraftstofftechnologien wie Ammoniak- und Methanolverbrennungsmotoren ausgeweitet werden, um das Zündverhalten solcher Motoren zu verbessern.
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Schlussbericht
(Englisch)
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Hydrogen combustion engines will play an important role in the decarbonization of certain sectors such as off-road vehicles and construction machinery. One of the challenging aspects of a hydrogen internal combustion engine (H2-ICE) is the limitation of the power density due to several phenomena and parameters in the combustion chamber. One solution to increase the performance and reduce emissions of the H2-ICE is the APC “active pre-chamber” technology. However, the design and control of the active pre-chamber is very challenging due to the complexity of the fuel path and the ignition system.
Several technical solutions concerning the control function, component design, and engine calibration for optimal operation with the technology APC were developed during this investigation. The investigation of the technology shows significant improvement in terms of:
-Emission: NOx emissions reduced far below the current stage 5 regulation limit “0.4 g/kW.h”
-Dynamic and transient behavior of the combustion improved by 20% compared to a conventional H2 combustion engine (such as SI: Spark ignition) (table 6)
-Power density improved by more than 10% compared to direct injection (DI-H2, see Fig. 26)
The performance potential of the technology was demonstrated in steady state and transient application. The vehicle operation was evaluated in the NRTC “Non-Road Transient Cycle” mode. Main Findings:
1. Complete integration of the technology without modification of the base engine achieved
2. High power density compared to port fuel injection, > 60 kW / Cylinder
3. NOx emissions below the level of the current emission regulation Stage V (< 0.4 g/kW.h)
4. Engine dynamic nearly equivalent to diesel engine (10 % - 20 % less dynamic than diesel engine)
5. Very high combustion stability demonstrated
6. Engine capable to run the NRTC “Non-Road Transient Cycle”
Technology of APC has shown a large potential regarding its application in hydrogen combustion engine. This technology offers the possibility of keeping the same engine size for replacement of the current diesel engine for different applications in Off-Road sector such as wheel loader, excavator and generally the earth moving vehicles. Several optimized variants of APC are currently under investigation in order to set up the final layout of serial development. Additional insights for basic optical investigations (e.g., an optical candle) will be considered in the future.
This application of APC can be extended to other alternative fuel technology such as ammonia combustion engine and methanol combustion engine in order to improve the ignition behavior of such engines.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Le moteur à combustion à hydrogène jouera un rôle important dans la décarbonisation de certains secteurs tels que les activités non-routières et de la construction. L'un des défis majeurs du moteur à combustion interne à hydrogène (H2-ICE) est la limitation en termes de la densité de puissance due à plusieurs phénomènes et paramètres de la chambre de combustion. Une solution pour améliorer les performances et les niveaux des émissions du moteur H2-ICE est la technologie de la « préchambre active », APC. Cependant, la conception et la régulation de la préchambre active sont très difficiles en raison de la complexité du parcours du combustible et du système d’allumage.
Plusieurs solutions techniques telles que la fonction de contrôle, la conception des composants, la calibration du moteur pour un fonctionnement optimal avec la technologie APC ont été développées au cours de cette étude.
L'investigation avec la technologie montre une nette amélioration de la combustion en termes de :
- Emission : Les émissions de NOx ont été réduites bien en dessous de la limite réglementaire actuelle de stage 5 "0,4 g/kW.h"
- Amélioration du comportement dynamique et transitoire du moteur de 20 % par rapport aux moteurs à combustion H2 conventionnels (tels que l’allumage par bougie) (Table 6)
- Amélioration de la densité de puissance de plus de 10 % par rapport au DI-H2 (injection directe, voir Fig. 26)
Le potentiel de la technologie a été prouvé dans des applications en régime permanent et transitoire. Le fonctionnement du véhicule en utilisant le NRTC "Non-Road Transient Cycle" a été considéré pour évaluer la technologie.
Principales conclusions :
1. L'intégration complète de la technologie sans modification du moteur de base a été réalisée
2. Densité de puissance élevée par rapport à l'injection indirecte (PFI : Port Fuel Injection) > 60 kW / Cylindre
3. Emission de NOx inférieure au niveau de la réglementation actuelle sur les émissions (< 0,4 g/kW.h)
4. Dynamique du moteur presque équivalent à celle du moteur diesel stage V (10 % - 20 % moins dynamique que le moteur diesel)
5. Très grande stabilité de combustion démontrée
6. Moteur capable de réaliser le cycle transitoire dans le domaine non-routier NRTC "Non-Road Transient Cycle"
La technologie APC a montré un grand potentiel en ce qui concerne son application dans les moteurs à combustion d'hydrogène. Cette technologie offre la possibilité de conserver la même taille de moteur pour remplacer le moteur diesel actuel pour différentes applications dans le secteur des véhicules off-road, telles que les chargeuses sur roues, les excavatrices et, plus généralement, les véhicules de terrassement. Plusieurs variantes optimisées de l'APC sont actuellement à l'étude afin d'établir le schéma final du développement en série. À l'avenir, d'autres études seront envisagées pour des recherches optiques de base (par exemple, une bougie optique). Cette application de l'APC peut être étendue à d'autres technologies de carburants alternatifs telles que les moteurs à combustion à l’ammoniac ou au méthanol afin d'améliorer le comportement d'allumage de ces moteurs.
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