Liebherr desenvolve injeção direta de hidrogênio para motores de combustão

Jun 01, 2023

A Liebherr desenvolveu um sistema de injeção direta de hidrogênio (H2-DI) que permite uma densidade de potência igual a um motor de combustão convencional.

Robustez contra poeira, sujeira e vibrações, bem como outras condições ambientais adversas são alguns dos principais requisitos. Contudo, ser comparável ao motor diesel em termos de desempenho e dirigibilidade em todas as aplicações é um dos maiores desafios.

A abordagem sistêmica da Liebherr para injeção de hidrogênio combina vários componentes para controlar a pressão e o fluxo. Isto permite as mesmas características de condução do diesel, mantendo ao mesmo tempo um design de sistema robusto.

Os trens de força baseados em hidrogênio são uma parte importante da abordagem tecnologicamente aberta da Liebherr para conceitos de motores alternativos.

O objetivo de combinar o desempenho de um motor H2-DI com o de um motor diesel exige que o sistema seja capaz de garantir altas vazões. Como o gás hidrogênio tem baixa densidade, o injetor requer um projeto de alto fluxo. Para permitir o controle preciso até mesmo das menores quantidades, a pressão do sistema deve ser regulada com extrema precisão. No sistema de injeção de H2 da Liebherr, isso é conseguido por meio de uma válvula de controle de volume de gás. Além disso, é importante garantir que o injetor não tenha vazamento e seja estanque a gases.

“Para alcançar a mesma dirigibilidade com um sistema H2 e com um diesel, o sistema de injeção de hidrogênio deve estar perfeitamente alinhado com o torque e a potência do motor”, disse Richard Pirkl, Diretor Geral de Tecnologia e Desenvolvimento da Liebherr-Components Deggendorf GmbH.

“Isso significa que durante a transição da marcha lenta para a carga total, a quantidade necessária de combustível e a pressão do sistema correspondente devem ser disponibilizadas o mais rápido possível.”

O sistema de injeção H2 da Liebherr foi projetado para fornecer controle de pressão extremamente rápido e preciso, independentemente da posição do tanque de combustível, tamanho da máquina, layout ou instalação do motor. O design fornece um controle de pressão de dois estágios. Enquanto o primeiro estágio estabiliza inicialmente a pressão variável do tanque de combustível, o segundo estágio ajusta a pressão.

A pressão de injeção é controlada ativando a válvula dosadora de gás através da unidade de controle eletrônico (ECU). A ECU controla a válvula de medição de gás por meio de um controlador feedforward de circuito fechado. Módulos de software específicos para hidrogênio desenvolvidos sob medida podem ser integrados em softwares aplicativos ou unidades de controle de terceiros.

“O sistema H2-DI foi projetado para operar sem uma válvula eletrônica de alívio de pressão”, disse Pirkl.

“A ideia por trás disso é manter o sistema o mais simples possível, evitando ao mesmo tempo a liberação de qualquer gás hidrogênio na atmosfera durante a operação.”

O injetor é um componente chave do sistema. As dimensões gerais do injetor H2 LPDI da Liebherr são semelhantes às dos injetores diesel para motores pesados. Em particular, o diâmetro externo máximo crítico está dentro da mesma faixa dos injetores diesel.

“O injetor é o componente mais sofisticado e, ao mesmo tempo, determinante de desempenho do sistema de combustível de hidrogênio”, disse Pirkl.

No atual estágio de amostragem, o injetor pode ser equipado com diversas conexões de hidrogênio por meio de um inserto rosqueado. Duas variantes básicas da cabeça do injetor – entrada H2 radial e axial – permitem diferentes situações de instalação.

Para garantir o padrão de pulverização e a direção do jato corretos, o bico injetor está equipado com uma tampa difusora.

“É intercambiável na etapa de amostragem e permite testes econômicos de diferentes variações para definir a melhor configuração. Usando uma solução aparafusada, a tampa do difusor pode ser facilmente substituída”, disse Pirkl.

O injetor é aberto e fechado por meio de uma agulha que é acionada diretamente por uma bobina energizada. Para atender às dimensões desejadas do invólucro, a bobina foi ampliada.

O desafio era conseguir força eletromagnética suficiente para ativação direta, ao mesmo tempo que combinava as dimensões externas críticas na área da bobina com os requisitos do fabricante do motor. Múltiplas simulações de diferentes conceitos de bobinas, materiais e situações de instalação foram testadas ao longo do processo. A força eletromagnética foi ajustada para garantir a abertura adequada do injetor, minimizando o atraso no fechamento.