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Dieselmotoren der Stufe V

Die Entwicklung von neuen Dieselmotoren wird von der kommenden Euro-Stufe-V geprägt. Eine wesentliche Rolle spielt nach wie vor die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs.

Auf der bauma 2016 war die Euro-Stufe-V das zentrale Thema bei den Motorenherstellen. Schließlich müssen Dieselmotoren frühzeitig auf die ab 2019 geltende Stufe umgestellt werden, damit Fahrzeughersteller rechtzeitig die genauen Eckdaten, vor allem die neuen Abmessungen kennen. Da bei den meisten (zumindest bei den größeren) Dieselmotoren zukünftig ein Partikelfilter Pflicht ist, dürfte die Abgastechnik ein wenig größer bauen als bisher. Das Unternehmen Deutz, Köln, hatte schon frühzeitig die meisten seiner Motoren auf Euro-Stufe-V umgestellt oder die betreffende Baureihe, wo es nicht möglich war, komplett eingestellt.

Zusammen mit seinem chinesischen Joint Venture Deutz Dali-an Engine (DDE) präsentierten die Kölner im November 2016 auf der bauma in China erstmalig einen starken Vierzylinder-Dieselmotor mit 9 l Hubraum. Der TCD 9.0 verfügt über eine Leistung von 300 kW (408 PS) und einem Drehmoment von 1.700 Nm. Dieser Motor weist sehr kompakte Abmessungen auf und soll daher sehr einfach in vielen Anwendungen, vor allem in Bagger und Radlader zu integrieren sein. Wie alle neuen Motoren soll auch dieser Vierzylinder-Dieselmotor ab 2019 für die Emissionsstufen EU-Stufe-V, US Tier 4, China IV und EU Stufe IIIA, die in anderen Ländern noch gelten, bereitstehen. Der Dieselmotor TCD 9.0 markiert den Start einer neuen Motorengeneration, die Deutz im Rahmen einer Kooperation mit der Firmengruppe Liebherr plant. Diese umfasst neben dem TCD 9.0 auch Sechszylinder-Dieselmotoren. Die von Liebherr im Rahmen dieser Kooperation produzierten Motoren vertreibt DEUTZ unter eigener Marke über das eigene weltweite Händler- und Servicenetz. Der TCD 9.0 soll außerdem von DDE in Lizenz selbst gefertigt werden, um lokale Kunden in China bestmöglich beliefern zu können.

Weltpremiere in China

Tom Linebarger, Chairman and Chief Executive Officer von Cummins, will mit Dieselmotoren ohne AGR (Abgasrückführung) die Euro-Stufe-V erfüllen. Vor allem sollen die neuen Motoren, die auf der bauma 2016 vorgestellt wurden, die Betriebskosten senken. Im Verhältnis zu den aktuellen Stufe-IV-Dieselmotoren wird die Leistungsabgabe bei den neuen 3,8 bis 9 l-Motoren für Stufe V im Schnitt um mehr als 10 % und das Spitzendrehmoment um fast 20 % gesteigert. Dank der deutlich höheren Kraftstoffeffizienz ist eine Verringerung des Kraftstoffbedarfs insgesamt (einschließlich Harnstoff AdBlue) um etwa 3 % zu erwarten. Die Motorenmodelle X12 und X15 runden die Stufe-V-Palette mit einer Leistung von bis zu 503 kW (684 PS) für Schwerlastanwendungen ab. Der kleine F3.8 ist ab sofort mit einer Nennleistung von 55 kW (75 PS) zu haben. Er soll ideal für kompakte Maschinen mit hohem Drehmomentbedarf geeignet sein.

Gegründet bereits im Juni 1932 legten die Unternehmensväter Frank Perkins und Charles Chapman stets viel Wert auf besonders kompakte und leistungsstarke sowie schnelllaufende Dieselmotoren. Denn damals bauten solche Antriebe sehr groß, waren schwer und extrem langsam laufend. Erst kürzlich stellten die Engländer ihre neue Baureihe an kompakten Vierzylinder-Dieselmotor mit 2,8 und 3,6 l Hubraum und Leistungen zwischen 45 und 100 kW (61 bis 136 PS) vor. Nach Aussagen des Herstellers sollen diese Motoren für rund 80 % aller Maschinen bestens geeignet sein. Schließlich werden sehr viele Maschinen und Fahrzeuge mit kleineren Dieselmotoren ausgeliefert. Die neuen Motoren sollen bis zu 8 % verbrauchsärmer als die bisherigen Modelle sein. Sie sind selbstverständlich für die kommende Abgasnorm EU-Stufe-V ausgelegt worden. Von kompakten 3 Zylinder- Dieselmotoren mit 1.5 l Hubraum über die eben genannten 2,8 und 3,6 l-Motoren bis hin zu sehr leistungsstarken Dieselmotoren mit 6 Zylinder, 18 lHubraum und Leistungen bis rund 600 kW (815 PS) verfügen die Briten über ein großes Produktportfolio.

Auf das Einspritzsystem kommt es an

Common-Rail lautet das Zauberwort für besonders sparsame, leistungsfähige und emissionsarme Dieselmotoren. Die Wenigsten wissen allerdings, dass Fiat Powertrain (FPT) der Erfinder des Common-Rail-Systems ist und nicht etwa Bosch. Die Fiat-Ingenieure im Schweizer FPT-Entwicklungszentrum in Arbon hatten dieses in den 1980er Jahren entwickelt gehabt. Viele dieser Ingenieure halten es noch heute für einen Fehler, ihre Erfindung 1993 an Bosch verkauft zu haben - nicht nur wegen des Prestiges. Mit Case, New Holland (CNH Industrial) aber auch Iveco sowie Iveco Astra spielt der Fiat-Konzern im Baumaschinenbereich und in der rohstoffverarbeitenden Industrie eine große Rolle. Zahlreiche der produzierten Dieselmotoren von FPT gehen jedoch an externe Kunden wie beispielsweise Komatsu, Tata Daewoo sowie Generac und Himoinsa (Hersteller von Stromgeneratoren). Die Motoren der Cursor-Baureihen (8,7 und 12,9 sowie 16 l Hubraum) mit Leistungen zwischen 175 und 500 KW (238 bis 680 PS) werden dort eingesetzt, wo hohe Leistungen bei kompakten Abmessungen, ein besonders gutes Lastansprechverhalten sowie niedrigsten Kraftstoffverbrauch gefragt sind. Hohe Zuverlässigkeit, lange Wartungsintervalle bei niedrigen Betriebskosten sollen ebenfalls gegeben sein.

Nach Ansicht der Italiener verringert der Einsatz eines AGR-Systems zwar die Stickoxid- (NOx-) Emissionen in der Brennkammer durch die Abgasrückführung, erhöht sich allerdings der Rußpartikelanteil. Dies macht eine Zwangsregeneration des eingebauten Dieselpartikelfilters (DPF) notwendig. Aus diesem Grund arbeiten die Italiener bei verschiedenen Dieselmotoren entweder nur mit einem SCR-System oder mit einem SCR-System plus passivem Partikelfilter (beispielsweise einem Nebenstrom-Tiefenfilter vom Typ PM-Metalit von Continental Emitec, Lohmar. Die verbleibenden Rußpartikel werden vom passiven DPF und die NOx vom SCR-System verringert, während sich Kraftstoffverbrauch, Leistung und Zuverlässigkeit dadurch verbessern. Die sogenannte HI-eSCR-Technologie (High Efficiency Selective Catalytic Reduction) kann nach Herstellerangaben die NOX-Emissionen um mehr als 95 % verringern; marktüblich sind nach FPT-Aussagen 80 bis 85 %. Inklusive den Iveco-Lkw-Motoren gemäß Euro VI sind seit 2005 damit schon mehr als 400.000 Motoren ausgestattet worden - ausreichende Erfahrungen sind also gegeben.

Partikelfilter vom Typ PM-Metalit lassen sich motornah anordnen und erreichen dadurch schneller die notwendige Temperatur zum kontinuierlichen Regenerieren der Rußpartikel. Dieser DPF weist daher eine besonders hohe Betriebssicherheit aus, welche vor allem bei Baumaschinen und anderen Non-Road-Fahrzeuge sehr gefragt ist. Die Motorsteuerung reagiert auf die Betriebsweise und stellt eine optimale Funktion des Motors mit niedrigsten Emissionen unter allen, auch den extremst denkbaren, Betriebsparametern sicher. Das Filter baut sehr kompakt und kann daher unmittelbar am Motor angeflanscht werden. Es ist wartungsfrei und benötigt keine Zwangsregeneration. Die hohe Filterwirkung wird auch nach langen Betriebszeiten noch erreicht. Eine pfiffige Abgasreinigungslösung, welche vor allem für solche Fahrzeuge bestens geeignet sind, bei denen kein zweiter Betriebsstoff (AdBlue) verwendet werden soll.

Rückbau der Abgastechnik

Ein Problem, das selten thematisiert wird, ist der häufige Export selbstfahrender Maschinen. Es gibt zahlreiche Länder, wo ein schwefelarmer Kraftstoff gemäß EN 590 (Pkw-/Lkw-Dieselkraftstoff) gar nicht verfügbar ist. Diesel nach EN 590 hat einen Schwefelanteil von weniger als 10 ppm = 0,001 %; in solchen Ländern sind allerdings Werte von über 2.000 ppm gängig. Schwefel ist jedoch der größte Feind der modernen Abgastechnik, weil er nicht nur die Beschichtungen (Washcoat und Edelmetalle) der Katalysatoren vergiftet, sondern auch für eine Verschmutzung und schlussendlich Verstopfung z.B. der AGR-Rohre und -Kühler sorgt. Zudem ist in vielen Ländern das AdBlue, oder, wie es markenneutral heißt: "DEF = Diesel Exhaust Fluid", gar nicht verfügbar und falls doch, wird es meist nicht eingefüllt. Doch ohne diese Harnstoffflüssigkeit sind die Motoren noch dreckiger als Euro-Stufe-I, denn der Motor wurde ja ganz bewusst auf die Kennlinie geringe Partikelwerte dafür hohe Stickoxidwerte eingestellt, um auch den Verbrauch zu senken.

Die Motorenfabrik Hatz, die ausschließlich kleinere Dieselmotoren für Baumaschinen, Förderbänder, Mühlen, Frischwasserpumpen oder Stromaggregate liefert, hat für solche Märkte jüngst einen neuen Dieselmotor entwickelt. Der 4-Zylinder-Turbo-Dieselmotor 4H50 TI mit 62 kW Leistung soll sich für Länder mit hohem Schwefelanteil im Kraftstoff (bis 5.000 ppm) eignen und die Emissionsgrenzwerte nach EU-Stufe II / US-Tier 2 erfüllen. So wurde auf eine AGR und DOC komplett verzichtet. Andere Dieselmotoren aus diesem Hause lassen sich rückrüsten, wenn eben AGR und DOC entfernt oder deaktiviert werden.

Für den Betrieb von gebrauchten Deutz-Motoren der Abgasstufe EU Stufe IIIB oder US-Tier 4 interim in nicht zertifizierungspflichtigen Regionen (Tier 0) sind Änderungen zwingend notwendig. So gilt es den Dieselpartikelfilter außer Betrieb zu setzen, die Regeneration abzuschalten und die entsprechenden Sensoren zu deaktivieren sowie die AGR-Raten an die erhöhten Schwefelgehalte im Kraftstoff anzupassen. In Regionen mit einem Schwefelgehalt von über 2.000 ppm liegt keine Freigabe für ein Emissions-Rückbau vor. In Abhängigkeit der Motorenbaureihe bieten die Service-Niederlassungen der Kölner verschiedene Rückbau-Konzepte an, um einen wirtschaftlichen Umbau der Emissionsstufe Tier 4 interim in einen Tier 0-Dieselmotor zu ermöglichen. Der Änderungsumfang wird in Abhängigkeit der Motornummer sowie der jeweiligen Anwendung individuell geprüft und festgelegt. Diese Änderungen kann und sollte nur ein Deutz-Servicehändler mit einer entsprechenden Kompetenzklasse durchführen. Gegebenenfalls gilt es auch eine schriftliche Vereinbarung zwischen den Partnern zu unterzeichnen, um spätere Regressansprüche eindeutig zuordnen zu können. Die Kosten hierfür sind pauschal nicht bezifferbar. Bei kleineren Motoren, wo unter Umständen nur ein DOC oder ein Nachrüst-DPF abzubauen ist, sollte dieses für weniger als 1.000 Euro durchführbar sein. Größere Umbauten mit Eingriff ins Motormanagement und Sensorik können dann  mehrere Tausend Euro kosten.

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