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Gaseinblasesystem für neue Energieträger in Verbrennungsmotoren

Kurzfassung

Ein effizientes, bei niedrigem Druck funktionierendes, System zur Einblasung von Gas (z.B. Wasserstoff) in den Brennraum eines Verbrennungsmotors.

Vorteile

  • Durch die spezielle Konstruktion des Injektors ist ein geringerer Druck im System notwendig
  • Hohe Lebensdauer des Injektors
  • Hohe Dichtigkeit des Systems

Anwendungsbereiche

  • Alle Verbrennungsmotoren, die mit gasförmigen Kraftstoffen betrieben werden
  • Arbeitsmaschinen
  • Die Umrüstung alter Verbrennungsmotoren auf neue Kraftstoffe

Hintergrund

Das Ziel den CO2-Ausstoß bis 2030 um 55 Prozent zu verringern, ist Deutschlands Beitrag zum Pariser Klimaabkommen. Die Mobilität spielt dabei eine große Rolle. Immer strengere CO2-Grenzwerte für Neuwagen fordern eine entsprechende Technik. Ganz neue, aber auch wiederbelebte, Technologien sind auf dem Vormarsch; die Elektromobilität ist nur eine Variante. Auch bewährte Antriebstechnologien, wie der Verbrennungsmotor, lassen sich durch Optimierung nochmal deutlich umweltfreundlicher gestalten. An der Hochschule Heilbronn werden neue, effizientere Komponenten für Hubkolbenbrennkraftmaschinen entworfen. So kommen künftig auch Wasserstoff oder E-Fuels als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren infrage.

Problemstellung

Die Nutzung gasförmiger Kraftstoffe, z.B. Wasserstoff oder Methan, gehört zum Stand der Technik. Dabei wird das Brenngas meist außerhalb des Brennraumes mit Luft vermischt (äußere Gemischbildung, Saugrohreinblasung). Dies führt, insbesondere bei Wasserstoff, zu Schwachstellen gegenüber herkömmlichen Treibstoffen, wie einem geringerem Volllastdrehmoment und der Gefahr von Frühzündung des Gemisches im Einlasskanal.

Bei der Direkteinblasung wird das Brenngas über Injektoren direkt in den Brennraum eingebracht. Dadurch, dass ein Verdrängen von Luft aus dem Brennraum ausgeschlossen wird, steigt der Gemischheizwert und eine Frühzündung bei der sogenannten „inneren Gemischbildung“ wird vermieden.

Lösung

Forscher an der Hochschule Heilbronn entwickelten ein Direkteinblasesystem für Gase, bestehend aus speziell konstruierten Injektoren (ein Injektor je Motorzylinder), einem Hochdruckleitungssystem und einem Niederdruckleitungssystem. Zur Nutzung der Vorteile beider Systeme, zur Vermeidung von Leckageströmen und zum Erreichen des maximalen Einblasevolumens, werden die Direkteinblasung und die Saugrohreinblasung kombiniert.

Die neu entwickelten Injektoren weisen einen höheren Öffnungsquerschnitt auf als bisherige Lösungen, um in der verfügbaren Zeitspanne die gewünschte Menge an Wasserstoff mit dem vergleichsweisen geringen Druck von 20 bar einzublasen. Als Dichtmittel zum Brennraum wird ein Sitzventil verwendet, welches servo-hydraulisch angesteuert wird. Weiterhin sind die Injektoren so konstruiert, dass sie einen sehr geringen Verschleiß aufweisen und über die komplette Lebensdauer eines Motors halten.

Abbildung 1: perspektivische Ansicht des Direkteinblasesystems appliziert an einem Zylinderkurbelgehäuse (Quelle: Prof. K. Wittek, Hochschule Heilbronn)
Abbildung 1: perspektivische Ansicht des Direkteinblasesystems appliziert an einem Zylinderkurbelgehäuse (Quelle: Prof. K. Wittek, Hochschule Heilbronn)
Abbildung 2: Einzelner Injektor fotografiert im Motorenlabor der Hochschule Heilbronn [Benjamin Schilling, TLB GmbH]
Exposé
Kontakt
Benjamin Schilling, M.Sc.
Technologie-Lizenz-Büro (TLB)
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe
Telefon + 49 721 / 790 040
schilling(at)tlb.de | www.tlb.de
Entwicklungsstand
TRL 7 - Test eines System-Prototyps im realen Einsatz
Patentsituation
DE 102020127020 B3 erteilt
Referenznummer
20/044TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.