Водород делает приводные системы мобильной техники экологичными

На выставке Systems & Components 2023, которая проходит параллельно с Agritechnica 12-18 ноября в Ганновере, посетителям предложат ознакомиться с практическими решениями для водородных двигателей внутреннего сгорания и технологий топливных элементов, которые можно использовать вместе с электроприводами в различных гибридных конфигурациях для питания внедорожников.

С 12 по 18 ноября торговая площадка B2B, которая будет проходить в рамках ведущей мировой выставки сельскохозяйственной техники Agritechnica, предложит разработчикам и инженерам-проектировщикам информационную и дискуссионную площадку о последних разработках и альтернативных видах топлива. Там посетители могут увидеть, как может выглядеть «идеальная» трансмиссия для водородного экскаватора или трактора.

Современные водородные двигатели, подобные тем, которые будут представлены на выставке Systems & Components в середине ноября, основаны на знакомой и проверенной технологии сгорания. Преимущества такой стратегии очевидны: водородный двигатель внутреннего сгорания можно установить на ту же машину, что и дизельный двигатель, используя ту же коробку передач, систему охлаждения и гидравлическую систему. Двигатель может работать в пыльной среде, способен выдерживать сильные вибрации и доступен во всех размерах и конфигурациях. Для перехода на водородные трансмиссии производители транспортных средств и операторы автопарков могут придерживаться знакомой архитектуры, в которой поршневой двигатель работает на водороде, а не на дизельном топливе, бензине или природном газе.

Проверенная основа, устойчивое топливо

В отличие от топливных элементов, водородный двигатель внутреннего сгорания представляет собой недорогую альтернативу, которую можно быстро внедрить, используя существующую производственную инфраструктуру, и добиться нулевой мобильности углерода в сельском хозяйстве и строительстве. Хотя его эффективность ниже, чем у топливного элемента при низких и средних нагрузках, она выше при полной нагрузке.

Эксперты, такие как д-р Томас Пауэр, президент подразделения Bosch Powertrain Solutions, рассматривают водородный двигатель как технологию ворот для внедорожных рынков и дополнение к технологии топливных элементов, которая быстро достигает своих пределов в тяжелых условиях эксплуатации.

«Строительная техника часто работает в состоянии высоких нагрузок, и именно здесь водородный двигатель отличается высокой эффективностью и надежностью», — подчеркивает Пауэр.

Примером этой концепции является TCG 7.8 H2 от Deutz, шестицилиндровый двигатель, основанный на существующей модульной системе двигателя и подходящий для использования на бездорожье. Он не выделяет углерода и обеспечивает мощность 220 киловатт. Помимо экспериментального применения в генераторной установке (комбинированный двигатель и генератор) для производства электроэнергии, двигатель будет демонстрировать свои возможности на 18-тонном грузовике в рамках проекта HyCET. Deutz уже планирует начать серийное производство двигателя в 2024 году.

«Использование водорода может быстро сделать многие тяжелые и внедорожные машины климатически нейтральными», — подтверждает д-р Питер Виеске, корпоративный директор по передовым разработкам Mahle.

Тем не менее, предотвращение детонации двигателя и преждевременного зажигания при сохранении степени сжатия, эффективности двигателя и выходной мощности является сложной задачей. При этом решающую роль играет форкамерное зажигание, разработанное Mahle Powertrain для Liebherr Machines Bulle. Чтобы добиться стабильной работы без детонации, несмотря на высокую степень сжатия, водородные двигатели должны работать с избытком воздуха, так что обычная свеча зажигания не способна воспламенить смесь.

Предкамерная технология для стабильного сгорания

Система Mahle Jet Ignition (MJI) решает эту проблему, воспламеняя небольшое количество горючей смеси в форкамере цилиндра. Образовавшаяся газовая плазма направляется через небольшие отверстия в основную камеру сгорания, где благодаря высокому содержанию энергии быстро и равномерно воспламеняет основную газовую смесь. По данным компании, испытания двигателей Liebherr H966 и H964 показали выдающиеся результаты с точки зрения скорости сгорания, мощности и выбросов.

H966 является основным элементом нового гусеничного экскаватора Liebherr R9XX H2. В нем используется водородный двигатель, разработанный для полевых испытаний и основанный на впрыске топлива через порт (PFI). Результаты, достигнутые с помощью этой технологии, показывают потенциал водородного привода для внедорожной техники.

Liebherr также работает над другими технологиями привода на основе водорода, такими как непосредственный впрыск H2 (DI). Последний обещает более высокую удельную мощность, чем впрыск топлива H2, и поэтому подходит для тяжелых условий эксплуатации в строительной и горнодобывающей промышленности.

Bosch также работает над системами с портовым или непосредственным впрыском топлива и участвует в более чем 100 проектах по всему миру. Помимо непосредственного впрыска водорода, новая форсунка AFI-LP (альтернативная топливная форсунка низкого давления) также может использовать другие виды топлива, такие как метанол, тем самым обеспечивая максимально возможную гибкость для производителей двигателей. Bosch также работает над системами с портовым или непосредственным впрыском топлива и участвует в более чем 100 проектах по всему миру.

Liebherr планирует начать массовое производство своих водородных двигателей к 2025 году. Как и Bosch, технологическая компания также проводит исследования в области систем впрыска для дальнейшей оптимизации сгорания и удельной мощности.

«Экспертные знания нашей команды инженеров об альтернативных видах топлива имеют центральное значение в этой разработке», — объясняет Бузид Себа, руководитель отдела перспективных разработок Liebherr Machines Bulle.

В его заявлении подчеркивается подход Liebherr к открытым технологиям в отношении различных технологий и подходящих для них видов топлива. Помимо двигателей, работающих на водороде, в настоящее время проводится несколько исследовательских проектов по альтернативным видам топлива. Одним из примеров этого является двухтопливный двигатель, который может работать на водороде и HVO (гидроочищенное растительное масло) или только на HVO.

Водородное будущее должно начаться в Ганновере

Технологический потенциал водорода в сельском и лесном хозяйстве будет обсуждаться на SYSTEMS & COMPONENTS. В то время как электромобили завоевывают дороги, мощности аккумуляторных машин, за исключением некоторых компактных машин мощностью менее 50 киловатт, зачастую недостаточно для использования в полевых условиях.

Вальтер Вагнер, директор по исследованиям и развитию компании AGCO/Fendt, заявляет:

«По сравнению с традиционными источниками энергии электромобильность не подходит для машин с высокой производительностью. Мы проводим исследования альтернативных решений, таких как использование водорода».

В таких приложениях в качестве дополнительного варианта привода основное внимание уделяется блоку топливных элементов. Он преобразует химическую энергию водорода и кислорода непосредственно в электрическую энергию, которая затем используется для привода двигателей или хранится в буферных батареях. Топливные элементы должны точно контролироваться и контролироваться. Объем, влажность и чистота входящего воздуха так же важны, как и температура подаваемого водорода. Участники выставки Systems & Components будут предлагать все компоненты, необходимые для контроля и мониторинга топливных элементов, и продолжать их дальнейшее развитие.

Совместный пилотный проект H2Agrar, в котором принимает участие компания Fendt, исследующий водородную инфраструктуру для сельскохозяйственного использования, получил в 2022 году награду DLG Agrifuture Concept Award.

Впервые будут использоваться прототипы тракторов, работающих на водородных топливных элементах, доставлен компанией Fendt на фермы в Харен в регионе Эмсланд в Нижней Саксонии в Германии в начале апреля этого года. Они будут эксплуатироваться в реальных условиях на протяжении всего периода реализации проекта.

Параллельно ведутся исследования технических требований к подходящей водородной инфраструктуре для сельскохозяйственного сектора. В преддверии выставки Systems & Components 2023 многие подходы к созданию климатически нейтрального силового агрегата будут продемонстрированы с 12 по 18 ноября на торговой ярмарке в Ганновере.