Система впрыска водородного топлива Liebherr

Кажется, мало кто сомневается, что в долгосрочной перспективе водород рассматривается как топливо будущего для мобильных и стационарных силовых установок. В конечном счете, он рассматривается как технология, работающая с использованием топливных элементов.

Однако совсем недавно водород также рассматривался как возможное топливо для новых поколений дизельных двигателей, с целью снижения выбросов.

Многие полагают, что водородные двигатели внутреннего сгорания могли бы служить переходной технологией до тех пор, пока топливные элементы не будут полностью готовы к использованию.

Однако для этого необходимо адаптировать или усовершенствовать ряд систем двигателя, чтобы они могли работать на H2, и, возможно, наиболее важными из них являются системы впрыска топлива.

Одной из компаний, которая активно занимается разработкой водородных топливных систем, является Liebherr с ее линейкой топливных насосов и форсунок. Подразделение “Fuel Systems” этой компании уже несколько лет работает над системами впрыска водорода для двигателей внутреннего сгорания и уже проводит реальные испытания двигателя с использованием своей технологии прямого впрыска низкого давления (LPDI).

«В настоящее время мы наблюдаем большой интерес со стороны OEM-производителей и клиентов к двигателям внутреннего сгорания на водороде», — сказала Стефани Герхардт, управляющий директор подразделения топливных систем Liebherr. «Мы также видим, что федеральное законодательство подталкивает к снижению выбросов CO2.

«Интерес также существует, поскольку для использования водорода в  двигателях внутреннего сгорания существующие компоненты топливных систем, такие, как форсунки, их клапаны и распылители,  могут быть адаптированы без существенных дополнительных затрат. А для их производства можно использовать существующие производственные мощности. Некоторые другие компоненты двигателей, возможно, придется изменить для использования водорода».

Впрыск водородного топлива

Усилия Liebherr по разработке были сосредоточены на топливных системах дизелей большой мощности с рабочим объемом от 7 до 100 л. Неслучайно, что эти рабочие объемы охватывают большинство двигателей, применяемых на грузовиках и спецтехнике.

«Базовая конструкция дизельного двигателя сегодня может использоваться для обоих типов топлива», — сказал Герхардт. «Это также будет возможно с будущими водородными двигателями внутреннего сгорания. При разработке водородных топливных систем мы учли эти особые требования в наших решениях».

Усилия компании по разработке LDPI были сосредоточены на форсунках с давлением впрыска от 30 до 60 бар. Форсунка может быть частью двухтопливной системы дизельного двигателя.

«Наша технология низкого давления — это технология для двигетелей с искровым зажиганием», — сказал Герхардт. «Но эта технология может также использоваться в двухтопливных системах дизелей. Для использования технологии в двигателях с воспламенением от сжатия потребуется система непосредственного впрыска высокого давления (common rail).

«Приведение в действие газового распылителя форсунки существенно отличается от активации впрыска дизеля. Однако наш общий опыт в технологиях впрыска топлива помог направить процесс разработки системы впрыска водородного топлива в правильном направлении».

Преодоление различий

Существует несколько различий и проблем, связанных с разработкой водородных топливных систем. «Одной из наших первых целей разработки было обеспечение возможности работы водородной форсунки всухую», — сказал Герхардт. «Он работает плавно без каких-либо смазочных материалов, что предотвращает непреднамеренное загрязнение водорода внутри форсунки.

Форсунки LPDI компании Liebherr оснащены гибкой конструкцией распылителя, которая позволяет осуществлять впрыск в камеру сгорания под разными углами.

«В нашем портфолио нет ни одной системы для впрыска природного газа, куда мы могли бы перенести некоторые концепции дизайна. Это потребовало от нас проведения серии испытаний, особенно в отношении направления иглы распылителя. В конце концов мы смогли найти решение, которое осуществимо без значительного истирания и соответствует всем требованиям испытаний на выносливость».

Еще одной проблемой, связанной с водородом, является «хрупкость», ослабление металлов клапанов и распылителей форсунок, вызванное диффузией водорода в материал. В качестве превентивной меры, сказал Герхардт, Liebherr использовал специальные стали, устойчивые к диффузии и водородному растрескиванию под напряжением на определенных поверхностях распылителей и клапанов форсунок.

При разработке прототипа форсунок Liebherr стремилась поддерживать широкий спектр потенциальных систем на двигателях OEM. Распылитель форсунки также был разработан для гибкости с асимметричной геометрией, которая допускает различные углы впрыска в камеру сгорания.

Компания также работает над решениями для впрыска топлива во впускной коллектор для двигателей большой мощности объемом от 7 до 15 л с давлением впрыска 15 бар. «Требования к поведению и производительности для систем впрыска чрезвычайно разнообразны», — сказал Герхардт. «Сейчас, на пороге новых технологий силовых агрегатов, это становится еще более очевидным — особенно потому, что наши собственные машины также требуют этого большого спектра решений».

Тестирование форсунок

Компания Liebherr провела лабораторные испытания своей топливной форсунки, а также испытания форсунок на различных двигателях.

«Мы начали сначала только с распылителей и клапанов форсунок, а в конечном итоге наша цель — построить полную систему», — сказал Герхардт. «Это означает включение системы контроля давления и измерения газообразного водорода.