Magazin Landtechnik

Motortechnik :

Mehr Kraft – weniger Emissionen

Während zahlreiche Motorenhersteller ihre neuesten hochmodernen Dieselmotoren präsentieren, die mehr leisten, weniger verbrauchen und noch schadstoffärmer sind, droht am Himmel bereits der nächste Regenguss: Die Euro-Abgasstufe V.

Motortechnik: Mehr Kraft – weniger Emissionen

Das Herz auch von selbstfahrenden Landmaschinen soll sauberer werden: Montage eines MTU-Motors bei Krone in Spelle.

Erst EU-Stufe III (A und B), dann EU-Stufe IV Interim sowie anschließend noch Final. Die Hersteller von Dieselmotoren und Landmaschinen sowie deren Händler und Endkunden bekamen in kürzester Zeit einen Crashlehrgang für Abgastechnik serviert. Noch vor wenigen Jahren bekam man auf eine Frage nach Abgastechnik bei Dieselmotoren auf diversen Fachmessen wie die Agritechnica ein hilfloses Achselzucken. Wenn man als Besucher großes Glück hatte, war ein Experte aus der Forschungs- und Entwicklungsabteilung zufällig anwesend. Doch kurze Zeit später wurde bereits recht kenntnisreich von AGR (Abgasrückführung), DOC (Dieseloxidationskatalysator), DPF (Dieselpartikelfilter) sowie SCR (Selektive Katalytische Reduktion) gesprochen; selbst von motortechnisch weniger versierten Vertriebsmitarbeitern.

Euro V: Partikelmasse und Partikelanzahl runter!

Obwohl die meisten Hersteller und Kunden inzwischen das Einmaleins der Abgastechnik recht gut beherrschen, dürfen sie sich in Zukunft schon auf eine neue Inspirationsquelle einstellen: Die Euro-Abgasstufe V. Ja, sie wird definitiv kommen und zwar voraussichtlich schon ab dem 1. Januar 2019. Der Termin steht nahezu fest, die konkreten Abgasgrenzwerte dagegen noch nicht. Derzeit rangeln noch verschiedene Verbände wie CEMA (Comité Européen des groupements de constructeurs du machinisme agricole), der Europäische Landmaschinenverband, CECE (Committee for European Construction Equipment), der Europäische Baumaschinenverband sowie FEM (Fédération Européenne de la Manutention), der Europäische Förder- und Lagertechnikverband um letzte Details. Vor allem geht es neben technischen Fragen darum, die Fristen zur Einführung der NRMM (Non-Road Mobile Machinery) gemäß Euro Stufe V zu verlängern. Vor allem kleinere Maschinenhersteller (unter 100 Stück pro Jahr) sollen längere Fristen zur Einhaltung von Stufe V bekommen. Alle Kritiker sollten jedoch bedenken, dass zum Beispiel allein Traktoren und Landmaschinen für rund 50 % der Stickoxide (NOx) und zu rund 72 % für alle Rußpartikel (PM) bei den NRMM verantwortlich sind (Stand von 2010).

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So sieht der VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau) die neue Euro-Stufe V im Vergleich zu den bisherigen Abgasnormen.

So sieht der VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau) die neue Euro-Stufe V im Vergleich zu den bisherigen Abgasnormen.

So dürfen sich die Motorentwickler schon heute seelisch auf diesen Zeitpunkt einstellen, leider nur nicht auf konkrete Vorgaben. Kleinmotoren (weniger als 19 kW), welche bis dato von Abgasgrenzwerten komplett verschont wurden, werden mittels EU-V wohl ebenso reglementiert, wie die ganz großen Brocken mit Leistungen von über 560 kW, die in Europa bisher ebenfalls keine Abgasgrenzwerte einzuhalten brauchten. Beides ist allerdings zwingend geboten, denn Kleinmotoren sind millionenfach im Einsatz und Großmotoren weisen von Haus aus schon extrem hohe Emissionswerte auf. Allein Mini-DOCs, also kleine Diesel-oxidationskatalysatoren, werden in kleinsten Größen schon jetzt recht kostengünstig angeboten. Kleinmotoren, die damit bestückt sind, schonen die Umwelt und vor allem den Bediener erheblich (nicht nur beim Rasenmähen). Und ob ein großer Häcksler, der 400.000 Euro kostet, wirklich spürbar teurer wird, wenn er mit einem Abgassystem bestückt ist, dürfte eher zu bezweifeln sein. Das merkt der Kunde doch kaum, und die moderne Abgastechnik arbeitet inzwischen auch recht klaglos. Bei den gängigen Motoren mit Leistungen von 56 bis 560 kW wird sich vor allem bei der Partikelmasse und (ganz neu) bei der Partikelanzahl etwas ändern. Besonders die Festlegung der Partikelanzahl stößt vielen Motorenherstellern sauer auf, denn das bedeutet in der Regel, dass ein DPF zwingend einzubauen ist. Für die Nutzfahrzeughersteller (Lkw) werden diese Anforderungen dank Euro-VI inzwischen voll beherrscht und die Abgastechnik ist seit langem verfügbar. Ergo dürfte es auch für Produzenten von Non-Road-Motoren keine allzu großen Schwierigkeiten darstellen. Immerhin verbauen zahlreiche Non-Road-Motorenhersteller bereits heute DPF und verfügen daher über ausreichende Erfahrungen. Im Landmaschinenbau sind dies vor allem Deutz, John Deere, Perkins, MAN, Mercedes-Benz (MTU), FPT (Fiat Powertrain) und Agco Power.

So proklamierte im Frühjahr dieses Jahres die Deutz AG, Hersteller von Dieselmotoren auch für Traktoren und Landmaschinen, dass ihre Motoren bereits heute die kommende Abgasnorm EU Stufe V erfüllen würden – zumindest wären sie darauf vorbereitet. Dank ihres modularen Systembaukastens zur Abgasnachbehandlung mit der Abkürzung „DVERT“ (Deutz Variable Emissions-Reduktions-Technologie) lassen sich viele Motoren mit einem Dieselpartikelfilter ausrüsten und dürften damit die zukünftigen Grenzwerte einhalten. Wollen wir dann mal hoffen, dass die Bürokraten in Brüssel nicht noch ein anderes Abgasei ausbrüten. Die Finalisierung der Regelung wird nämlich erst Anfang 2016 erwartet. Die Kölner hatten bereits für die vierte Abgasstufe (EU IV / US EPA Tier 4), welche 2014 eingeführt wurde, die meisten Motoren komplett neu entwickelt, und dabei wurde eine moderne Abgasnachbehandlung gleich mit implementiert. Mit Hilfe eines geschlossenen Dieselpartikelfilters sollen diese Motoren die Stufe V erfüllen. Für die OEM-Kunden bedeutet dies, dass sie (voraussichtlich) keine kostspieligen Änderungen zur Erfüllung der nächsten Emissionsstufe berücksichtigen müssen, da die Baugröße sowie die Ausführung der Motoren identisch blieben. Darunter fallen viele Motoren im Bereich von 2,9 bis 7,8 Liter Hubraum.

Abgesehen von den Emissionswerten entwickelten die Kölner ihre Motoren konsequent weiter – inklusive einem geringen Kraftstoffverbrauch.

Euro V bereits eingebaut

Alle Motoren mit DPF sind zudem ohne zusätzliche Funkenfänger nach EN 1834 zertifiziert, was auch deren Einsatz an Orten mit erhöhter Brandgefahr ermöglicht. So verrichtet der Deutz-Dieselmotor TCD 7.8 L6 (Reihensechszylinder mit 7,8 Liter Hubraum) im Fendt Traktor 900 Vario seine zuverlässigen Dienste. Dank seines hohen Einspritzdrucks von 2.000 bar sorgt er für eine feine Zerstäubung und damit beste Verbrennung im Motorraum. Zusammen mit den beiden Turboladern und dem Ladeluftzwischenkühler erreichen die 900er Varios eine Maximalleistung von 390 PS (287 kW). Sie verfügen mit SCR-Abgassystem plus Dieselpartikelfilter über eine Komplettlösung und unterschreiten damit die Grenzwerte der Abgasstufe 4 / Tier 4 Final. Die beiden Fendt-Baureihen 700 und 800 Vario werden ebenfalls von einem Deutz-Dieselmotor angetrieben und zwar vom Typ TCD 6.1 L6 (Reihensechszylinder mit 6,06 Liter Hubraum). Die 700er Modelle geben eine Leistung von maximal 240 PS (176 kW) ab, die 800er Traktoren maximal 280 PS (205 kW). Sie verfügen ebenso über ein Common-Rail-System mit 2.000 bar Einspritzdruck sowie über ein SCR-System plus DPF. Das sogenannte Coated Soot Filter wird während der Fahrzeit regeneriert, der Ruß wird also nicht aktiv mittels eines Brenners oder ähnlichem verbrannt. Dies spart Kraftstoff. Der Hersteller hat nach seinen Aussagen diesen DPF auf Traktor-Lebensdauer ausgelegt. Auch diese beiden Baureihen erfüllen selbstverständlich die Abgasnorm der EU Stufe 4 / US EPA Tier 4 Final.

Auf der Agritechnica wird der süddeutsche Traktorhersteller seine neueste Topmodell-Baureihe vorstellen, die 1000 Vario. Hierbei handelt es sich um komplett neu entwickelte Standard-Großtraktoren mit einer Leistungsklasse von 380 bis 500 PS (297 kW bis 368 kW). Sie werden mit ihrer kompakten Bauweise sowie der neuen x5 S Kabine inklusive der bewährten voll integrierten Fendt-Variotronic sicherlich überzeugen. Als Antrieb verwenden die Marktober- dorfer einen neuentwickelten Sechszylinder-Dieselmotor von MAN. Dieses Modell mit der Typbezeichnung D3876 LE12x verfügt über einen Hubraum von 12,4 Liter und ist mit einem VTG-Turbolader, also einem Turbo mit variabler Turbinengeometrie ausgestattet. Dank der verstellbaren Leitschaufeln lässt sich das berühmt berüchtigte Turboloch vermeiden, ein großes Motordrehmoment bei niedriger Drehzahl realisieren und vor allem die Schadstoffanteile, also die Rohemissionen stark vermindern. Die Sechszylindermotoren D3876 LE12x erfüllen die strenge Abgasnorm Tier 4 final und sind bereits ausgelegt für die kommende EU Stufe V.

Darüber hinaus bietet MAN für Landmaschinenhersteller den neuen Zwölfzylindermotor D2862 LE13x mit Leistungen von 588 bis 816 kW (800 bis 1110 PS) und Drehmomenten bis 5.000 Nm an. Dieser bärenstarke Motor soll sich bestens für selbstfahrende Erntemaschinen wie beispielsweise Feldhäcksler, Mähdrescher oder Rübenernter eignen. Alle neuen MAN Dieselmotoren bieten eine deutlich dynamischere Leistungscharakteristik beim Einsatz in Ackerschleppern und selbstfahrenden Erntemaschinen als ihre Vorgängermodelle. Sie basieren auf den jeweils neuesten MAN-Baureihen und sind deshalb – nach Herstelleraussage – langfristig auch über die EU Stufe V hinaus für die Maschinenhersteller verfügbar.

Die Lösung: Motornahe Abgastechnik

Bereits seit Jahren kümmern sich die Emitec Abgasspezialisten aus Lohmar (bei Köln) um saubere NRMM. Bereits auf der Agritechnica 2009 präsentierten sie als erste (damals eine Weltneuheit) einen Ackerschlepper mit einem allumfassenden Abgasreinigungssystem (Oxydationskatalysator plus SCR-System plus Partikelfilter). Diese sehr kompakte Abgaslösung fand seinen Platz unter der Standard-Motorhaube eines Deutz-Fahr Agrotron-Traktors K610. Mit ein Grund, warum sich Emitec (Abkürzung für Emissions-Technologie) so sehr für die Landmaschinentechnik einsetzte, war sicherlich auch die Liebe des damaligen Geschäftsführers Wolfgang Maus für alte Traktoren, die er in seiner Freizeit aufwändig selbst restaurierte, wie beispielsweise einen Eicher Mammut. Heute firmiert das Unternehmen als Continental Emitec GmbH und ist damit Teil dieses bedeutenden Fahrzeugbau-Zulieferers.

Da die Abgasgrenzwerte immer niedriger werden, plädieren die rheinischen Katalysator- und Filterspezialisten für motornahe Abgasanlagen. Heutige Katalysatorsysteme für schwere Non-Road-Landmaschinen sind häufig in rahmenfest angebauten Schalldämpfern integriert und bestehen oft aus Oxidationskatalysator, Partikelfilter, AdBlue-Eindüsung und SCR-Katalysator. Die Verbindung zum Motor erfolgt über ein Abgasrohr mit integriertem Entkopplungselement. Durch diesen Aufbau wird der Light-Off * des SCR-Katalysators durch die thermische Masse des Partikelfilters verzögert. Zusätzlich kommt es dort zu einem Temperaturverlust, der nur aufwändig durch Isolationsmaßnahmen am Vorrohr teilweise kompensiert werden kann. Um im ersten Schritt aufgrund des mangelnden Bauraums zumindest einen Teil des Katalysatorsystems näher am Motor platzieren zu können, gilt es folgendes zu erfüllen: Der Oxidationskatalysator muss vollständig motornah angeordnet werden. Die AdBlue-Eindüsung und Verdampfung sollte ebenfalls motornah erfolgen, um zu verhindern, dass die AdBlue-Tropfen in das notwendige Entkopplungselement gelangen und dort schädliche Ablagerungen bilden. Der Partikelfilter muss mit einer SCR-Beschichtung versehen werden. Zur Erfüllung der genannten Anforderungen ist eine kompakte AdBlue-Eindüse- und Verdampfungsstrecke zwingend erforderlich. Die Emitec-Ingenieure entwickelten daher eine sogenannte „Universal Decomposition Pipe“ (UDP), welche eine ablagerungsfreie Eindüsung der benötigten AdBlue-Mengen unter allen Betriebsbedingungen ermöglicht.

Aufgrund der vorgegebenen Entwicklungszeiten bei den Non-Road-Maschinen ergibt sich die Notwendigkeit einer zweistufigen Einführung von motornahen Abgassystemen:

1. Stufe: Motornaher Oxidationskatalysator plus motornahe AdBlue-Eindüsung

2. Stufe: Motornahes Gesamtsystem inklusive SCR-Katalysator und Partikelfilter. Schon für die erste Stufe ist der Einsatz von SCR-beschichteten Partikelfiltern ähnlich wie bei aktuellen Pkw-Anwendungen erforderlich.

Emitec hat übrigens als erstes, zusammen mit MAN, den Nebenstrom-Tiefenfilter PM-Metalit zur Seriereife entwickelt und als Abgaslösung für den damals brandneuen MAN-Motor D20 auf die Straße gebracht. Wanddurchströmte Partikelfilter aus Keramik halten zwar viele Partikel zurück, erzeugen jedoch einen hohen Abgasgegendruck und damit einen hohen Kraftstoffverbrauch. Ein Nebenstrom-Tiefenfilter hält die besonders feinen Rußpartikel zu über 80 %, die groben (meist die sichtbaren) Partikel jedoch nur zu maximal 40 % zurück. Dafür beschädigen die Nebenstrom-Tiefenfilter im Verstopfungsfalle nicht den Motor, da diese dann die Abgase – strömungstechnisch bedingt – einfach ungereinigt in die Umwelt abgeben. Katalysatoren aus Metall und auch die Metall-Partikelfilter bauen bekanntlich sehr kompakt, sind extrem robust und weisen einen geringeren Abgasgegendruck auf als die Keramik-Katalysatoren sowie die Keramik-Partikelfilter. Gerade in der Landwirtschaft dürfte vor allem die robuste Bauweise der Metall-Kats und -Filter den Motorherstellern sehr entgegen kommen.

Mercedes-Benz präsentierte in diesem Sommer seinen neuen Schwerlast-Dieselmotor OM 471. Dieser Reihensechszylinder mit 12,8 Liter Hubraum wurde komplett neu überarbeitet, unterscheidet sich also erheblich vom Vorgängermodell.

Kraftvoll und sparsam

Es gibt ihn in fünf Leistungsstufen von 310 kW (421 PS) bis zu einer Maximalleistung von 390 kW (530 PS). Sowohl das Leistungsmaximum wie das höchste Drehmoment stehen bei allen Motoren der neuen Generation nahezu konstant über einen weiten, sehr niedrigen Drehzahlbereich zur Verfügung. Dies bedeutet für den Fahrer, dass er jederzeit eine exzellente Fahrbarkeit über einen breiten nutzbaren Drehzahlbereich bekommt.

Beim OM 471 wird das neueste Einspritzsystem X-Pulse, ein Common-Rail-System mit Druckverstärkung im Injektor selbst und freier Modellierbarkeit des Einspritzsystems verbaut. Der maximale Raildruck wurde von 900 auf 1160 bar erhöht, was zu einem maximalen Einspritzdruck von immerhin 2700 bar führt. Bei der Einspritzdüse handelt es sich um eine Achtloch-Düse (bisher sieben Düsen), damit erhöht sich der maximale Durchfluss um rund zehn Prozent. Neu sind außerdem die Geometrie der Kolbenmulden, das von 17,3 : 1 auf 18,3 : 1 deutlich angehobene Verdichtungsverhältnis sowie eine reduzierte Rate der Abgasrückführung (AGR). Alle Maßnahmen führen zu einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrads im gesamten Motorkennfeld. Ergebnis ist ein deutlich gesenkter Kraftstoffverbrauch von rund drei Prozent im Vergleich zur bereits sehr sparsamen Vorgängerbaureihe.

Das neue Common-Rail-Einspritzsystem mit Druckverstärkung X-Pulse, der neue, innovative asymmetrische Abgasturbolader, die leistungsstarke Motorbremse und eine Abgasreinigung mit SCR-Technik, Abgasrückführung und Partikelfilter tragen dazu bei, dass die strengen Abgasvorschriften nach Euro VI (Lkw) sicher erfüllt werden. Euro VI und die zukünftige Euro-Abgasstufe V werden sich wohl sehr ähnlich sein. Es gibt sogar Forderungen von Motorenherstellern, dass beide gleich sein sollten.

Eine neue Kraftstoff sparende Klimaanlage, der Verzicht auf ein störanfälliges Wastegate-Ventil für den Turbolader sowie das Fehlen der sonst üblichen Ladedruckregelung sorgen für mehr Komfort bei gleichzeitig höherer Zuverlässigkeit. Der neue Schwerlast-Dieselmotor OM 471 wird seit Oktober 2015 ausgeliefert. Der Motorenpartner Rolls-Royce Power systems (vormals Tognum) in Friedrichshafen mit seiner Marke MTU wird die neuen OM 471 in Kürze erhalten und entsprechend den Kundenanforderungen dann speziell angepasste Industriemotoren liefern können. Wie das Unternehmen betont, werden die Mercedes-Benz Dieselmotoren (wie der OM 471) von MTU für den Off-Highway Einsatz optimiert und dann unter der eigenen Bezeichnung Baureihe 1300 / Series 1300 an die Kunden verkauft. Als Partner der Landmaschinenbranche dürfte Rolls-Royce Power systems hinlänglich bekannt sein, denn diese Motoren gelangen unter anderem bei Claas, Deutz-Fahr, Fendt, Krone, Rostselmash zum Einsatz. So verfügt beispielsweise der Feldhäcksler Big X 480 von Krone über solch einen Dieselmotor der Baureihe 1300 (allerdings beruht dieser noch auf die Vorgängerversion des OM 471-Motors und nicht auf der weiter oben erwähnten brandneuen Ausführung). Allerdings erfüllen die aktuellen Dieselmotoren von 4- bis zu 12-Zylinder bereits heute die EU Stufe 4 / US EPA Tier 4 Final.

Robert Ruthenberg

* Damit der Katalysator hoch effizient arbeitet, ist es notwendig, dass er möglichst kurz nach Start des Motors seine volle Leistung entfaltet. Dies bezeichnet die sogenannte Light-Off-Temperatur – ab dann ist der Katalysator aktiv.


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