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Feb 17, 2024

Liebherr apuesta directamente por los sistemas de combustible H2

Por Mike Brezonick 22 de noviembre de 2022 Liebherr Components AG, parte del Grupo Liebherr, ha anunciado el desarrollo de nuevos sistemas de inyección directa de combustible para motores de combustión de hidrógeno (H2) en

Por Mike Brezonick 22 de noviembre de 2022

Liebherr Components AG, parte del Grupo Liebherr, ha anunciado el desarrollo de nuevos sistemas de inyección directa de combustible para motores de combustión de hidrógeno (H2) en aplicaciones de servicio pesado. Los sistemas actuales apuntan a motores con potencias de hasta 75 kW (100 hp) por cilindro, pero la compañía también está desarrollando versiones diseñadas para motores más grandes con potencia de hasta 225 kW (302 hp) por cilindro.

Liebherr señaló varios desafíos para los motores de combustión H2, incluida la capacidad de operar en condiciones no óptimas mientras se mantiene la potencia máxima y se adapta a los cambios dinámicos de carga. Ser capaz de acercarse a los motores diésel en términos de rendimiento y características operativas es quizás el mayor obstáculo para los motores H2, afirmó la compañía.

Para abordar estos problemas, Liebherr ha adoptado un enfoque sistémico para la inyección de hidrógeno que combina varios componentes para controlar la presión y el flujo. Esto permite las mismas características operativas que un diésel manteniendo un diseño de sistema robusto, dijo la compañía.

El objetivo de igualar las prestaciones de un motor H2-DI (inyección directa de hidrógeno) a las de un motor diésel requiere que el sistema sea capaz de garantizar caudales elevados. Debido a la baja densidad del gas hidrógeno, el inyector necesita secciones transversales de válvula grandes. 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. Se presta atención adicional a la mínima fuga de la boquilla del inyector, con el objetivo de hacer que el inyector sea hermético al gas.

"Para lograr la misma capacidad de conducción con un sistema H2 que con un diésel, el sistema de inyección de hidrógeno debe estar perfectamente adaptado al par y la potencia del motor", explicó 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 almacenamiento de combustible, el tamaño de la máquina, el diseño o la instalación del motor. El diseño incorpora un control de presión de dos etapas. Mientras que la primera etapa estabiliza inicialmente la presión variable del almacenamiento de combustible, la segunda etapa ajusta la presión del combustible. 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 avance de circuito cerrado. Los módulos de software específicos para hidrógeno desarrollados a medida se pueden integrar en software de aplicación de terceros y/o unidades de control.

"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".

Junto con la válvula dosificadora de gas y el controlador, un componente clave es el propio inyector de combustible. "El inyector es el componente más sofisticado y al mismo tiempo determinante del rendimiento del sistema de combustible de hidrógeno", afirma Pirkl. Las dimensiones generales del inyector H2 LPDI de Liebherr son muy similares a las de los inyectores diésel para motores de servicio pesado y, en particular, el diámetro exterior máximo crítico está dentro del mismo rango que el de los inyectores diésel.

En la fase actual de desarrollo, el inyector puede equiparse con diferentes conexiones de hidrógeno mediante un inserto atornillable. Dos variantes básicas del cabezal del inyector (una entrada de H2 radial o axial) permiten diferentes requisitos 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", señaló Pirkl. "Con una solución para tornillos, la tapa del difusor se puede reemplazar fácilmente".

El inyector se abre y cierra mediante una aguja que se activa directamente mediante el imán. El desafío era lograr suficiente fuerza magnética para la activación directa y al mismo tiempo hacer coincidir las dimensiones externas críticas en el área del imán con los requisitos del fabricante del motor.

Parte del proceso de desarrollo de Liebherr fueron múltiples simulaciones de diferentes conceptos magnéticos, materiales y situaciones de instalación. El resultado fue que la fuerza del imán se ajustó de tal manera que se logra la apertura adecuada del inyector mientras que el retardo de cierre se reduce al mínimo.

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

Como se mencionó, la estanqueidad del inyector para evitar emisiones fugitivas de hidrógeno ha sido uno de los mayores desafíos en el desarrollo de componentes de H2. Liebherr afirmó que las pruebas realizadas en un banco de pruebas de fugas de vacío arrojaron buenos resultados para su concepto de inyector de H2.

"Las tasas de inyección medidas en el banco de muestras actual ya muestran progresiones extremadamente estables", afirmó Pirkl. “En general, el inyector muestra un buen comportamiento de apertura y cierre. En el banco de pruebas funcionales hemos podido demostrar una buena controlabilidad de la velocidad de inyección a diferentes niveles de presión. Las tasas de inyección mínimas requeridas de ~2,5 mg por carrera se logran con una presión de riel de 10 bar (145 psi).

Liebherr ha realizado todas las pruebas con un inyector funcionando completamente en seco y sin adición de aceite lubricante. Dado que el inyector fue desarrollado exclusivamente para hidrógeno y no se utilizaron conceptos o componentes de una plataforma de inyectores de gas natural o gasolina, la atención se centró en la capacidad de funcionamiento en seco de los componentes móviles. Actualmente, el equipo de Liebherr en Deggendorf (Alemania) está realizando pruebas de resistencia del inyector que funciona en seco.

La inyección directa de hidrógeno es especialmente adecuada para aplicaciones con altas exigencias de dinámica y densidad de potencia dentro de un espacio de instalación limitado. Las primeras pruebas han demostrado que el H2 DI es un concepto viable, que Liebherr en Deggendorf planea seguir desarrollando.

"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”.

Las primeras muestras de esos sistemas, adecuados para motores marinos, de generación de energía, ferroviarios y otras aplicaciones de 1 MW o más, comenzarán a probarse en enero, dijo la compañía.

Paralelamente a la tecnología de inyección directa, Liebherr trabaja en inyectores de inyección de combustible en puerto (PFI). Los sistemas para colector de admisión e inyección directa utilizan como base una plataforma de inyectores común y escalable.

Con esta amplia cartera de productos, Liebherr busca satisfacer una amplia gama de requisitos de motores y permitir un amplio espectro de aplicaciones para motores medianos, pesados ​​y grandes.