Liebherr desarrolla inyección directa de hidrógeno para motores de combustión

Jul 29, 2023

Liebherr ha desarrollado un sistema de inyección directa de hidrógeno (H2-DI) que permite una densidad de potencia igual a la de un motor de combustión convencional.

La robustez frente al polvo, la suciedad y las vibraciones, así como frente a otras condiciones ambientales adversas, son algunos de los requisitos clave. Sin embargo, ser comparable al motor diésel en términos de rendimiento y capacidad de conducción en todas las aplicaciones es uno de los mayores desafíos.

El enfoque sistémico de Liebherr para la inyección de hidrógeno combina varios componentes para controlar la presión y el flujo. Esto permite las mismas características de conducción que el diésel, manteniendo al mismo tiempo un diseño de sistema robusto.

Los sistemas de propulsión basados ​​en hidrógeno son una parte importante del enfoque tecnológico abierto de Liebherr hacia conceptos de sistemas de propulsión alternativos.

El objetivo de igualar las prestaciones de un motor H2-DI a las de un motor diésel requiere que el sistema sea capaz de garantizar caudales elevados. Como el gas hidrógeno tiene baja densidad, el inyector requiere un diseño de alto flujo. Para permitir un control preciso incluso de las cantidades más pequeñas, la presión del sistema debe regularse con precisión milimétrica. En el sistema de inyección de H2 de Liebherr esto se consigue mediante una válvula reguladora de volumen de gas. Además, es importante asegurarse de que el inyector no tenga fugas y sea hermético.

"Para lograr la misma capacidad de conducción con un sistema H2 que con un diésel, el sistema de inyección de hidrógeno debe estar adaptado de forma óptima al par y la potencia del motor", afirma Richard Pirkl, director general de tecnología y desarrollo de Liebherr-Components Deggendorf GmbH.

"Esto significa que durante la transición del ralentí a la carga completa, la cantidad necesaria de combustible y la correspondiente presión del sistema deben estar disponibles lo más rápido posible".

El sistema de inyección de H2 de Liebherr está diseñado para proporcionar un control de presión extremadamente rápido y preciso, independientemente de la posición del tanque de combustible, el tamaño de la máquina, el diseño o la instalación del motor. El diseño proporciona un control de presión de dos etapas. Mientras que la primera etapa estabiliza inicialmente la presión variable del tanque de combustible, la segunda etapa afina la presión.

La presión de inyección se controla activando la válvula dosificadora de gas a través de la unidad de control electrónico (ECU). La ECU controla la válvula dosificadora de gas mediante un controlador de alimentación anticipada de circuito cerrado. Los módulos de software específicos del hidrógeno desarrollados a medida se pueden integrar en unidades de control o software de aplicación de terceros.

"El sistema H2-DI está diseñado para funcionar sin una válvula electrónica de liberación de presión", dijo Pirkl.

"La idea detrás de esto es mantener el sistema lo más simple posible, evitando al mismo tiempo la liberación de gas hidrógeno a la atmósfera durante el funcionamiento".

El inyector es un componente clave del sistema. Las dimensiones totales del inyector H2 LPDI de Liebherr son similares a las de los inyectores diésel para motores de servicio pesado. En particular, el diámetro exterior máximo crítico está dentro del mismo rango que para los inyectores diésel.

"El inyector es el componente más sofisticado y, al mismo tiempo, determinante del rendimiento del sistema de combustible de hidrógeno", afirmó Pirkl.

En la etapa de muestreo actual, el inyector puede equiparse con diferentes conexiones de hidrógeno mediante un inserto atornillable. Dos variantes básicas del cabezal del inyector (entrada de H2 radial y axial) permiten diferentes situaciones de instalación.

Para garantizar el patrón de pulverización y la dirección del chorro correctos, la boquilla del inyector está equipada con una tapa difusora.

“Es intercambiable en la etapa de muestra y permite realizar pruebas rentables de diferentes variaciones para definir la mejor configuración. Con una solución atornillable, la tapa del difusor se puede reemplazar fácilmente”, afirmó Pirkl.

El inyector se abre y cierra mediante una aguja que se activa directamente mediante una bobina energizada. Para cumplir con las dimensiones previstas de la carcasa, se ha ampliado la bobina.

El desafío era lograr suficiente fuerza electromagnética para la activación directa y al mismo tiempo adaptar las dimensiones externas críticas en el área de la bobina a los requisitos del fabricante del motor. A lo largo del proceso se probaron múltiples simulaciones de diferentes conceptos de bobinas, materiales y situaciones de instalación. La fuerza electromagnética se ajustó para garantizar que sea posible la apertura adecuada del inyector, minimizando al mismo tiempo el retraso en el cierre.

"Un objetivo de desarrollo clave adicional era controlar el inyector de hidrógeno con las unidades de control del motor existentes, así como con los perfiles estándar actuales ya conocidos de estas aplicaciones", dijo Pirkl.

La estanqueidad del inyector frente al hidrógeno es uno de los mayores retos en el desarrollo de componentes de H2. Las pruebas realizadas en un banco de pruebas de fugas de vacío muestran resultados impresionantes para el diseño actual de inyectores de Liebherr.

“Las tasas de inyección medidas de la muestra actual ya muestran progresiones extremadamente estables. En general, el inyector muestra un buen comportamiento de apertura y cierre”, afirmó Pirkl. “En el banco de pruebas funcionales hemos podido demostrar un buen control de la velocidad de inyección a diferentes niveles de presión. Las tasas de inyección mínimas requeridas de 0,0005 oz por carrera se logran con una presión de riel de 145 psi”.

Liebherr ha realizado todas las pruebas con un inyector que funciona completamente en seco y sin aceite lubricante adicional. Dado que el inyector fue desarrollado exclusivamente para hidrógeno y, por lo tanto, no se utilizaron conceptos ni piezas de una plataforma de inyector de gas natural o gasolina, la atención se centró en la capacidad de funcionamiento en seco de los componentes móviles.

Ahora el equipo Liebherr en Deggendorf realiza pruebas de resistencia.

La inyección directa de hidrógeno es ideal para aplicaciones con altas exigencias de dinámica y densidad de potencia en un espacio de instalación limitado y es un concepto viable que está desarrollando Liebherr en Deggendorf.

"La validación de productos será una de las tareas más importantes en el desarrollo de sistemas de combustible de hidrógeno en el futuro", afirmó Pirkl. “Los próximos pasos son optimizar el sistema DI de baja presión en términos de estabilidad de la inyección y rendimiento dinámico. Basado en el sistema DI de baja presión para motores de servicio pesado, también estamos desarrollando y probando un sistema con mayores caudales para motores más grandes”.

Paralelamente, Liebherr trabaja en inyectores de H2 PFI. Los sistemas para la inyección portuaria de combustible y la inyección directa utilizan como base una plataforma de inyectores común y escalable. Con esta amplia cartera de productos, Liebherr satisface una amplia gama de requisitos de motores y permite un amplio espectro de aplicaciones para motores medianos, grandes y pesados.