Magazin Motor- und Fahrzeugtechnik

Traktormotoren :

Nur noch „Saubermänner“ unterwegs

Als letzte Klassen gilt ab dem Neujahrstag 2020 auch für Traktoren von 56 bis 130 kW Leistung die Abgasstufe V – Damit ist hinsichtlich der Eliminierung der festen und gasförmigen Schadstoffe das derzeit technisch Machbare erreicht – Es kommen aber neue Auflagen dazu.

Traktormotoren: Nur noch „Saubermänner“ unterwegs

MAN beschreitet mit dem neuen 9-Liter-Motor D1556 den „SCR-only-Pfad“.

Bauraum wird immer enger: John Deere bedient sich einer Kombination aller vier Abgastechnologien.

Bauraum wird immer enger: John Deere bedient sich einer Kombination aller vier Abgastechnologien.

Motoren von neuen Nonroad-Fahrzeugen (Englisch: Nonroad Mobile Machinery NRMM) unterliegen ab 2019 bekanntlich den Grenzwerten der Abgasstufe V. Festgelegt sind diese in der neuen EU-Verordnung 2016/1628, welche die bisherige Emissionsrichtlinie 97/68 EG ablöst. Für land- und forstwirtschaftliche Zugmaschinen (Traktoren) gibt es mit der EU 2015/96 wiederum eine separate Verordnung (analog 2000/25EG).

Bisher galten die Grundsätze „je höher die Leistungsklasse, umso strenger die Grenzwerte“ und „je höher die Leistungsklasse, umso früher die Einführungszeitpunkte“. Der erste Grundsatz gilt – zumindest für die bisher reglementierten Leistungsklassen (19 bis 560 kW) – weiterhin, der zweite hingegen nicht mehr ganz. Mit der Abgasstufe V wurde bezüglich der Einführungszeitpunkte nämlich eine Harmonisierung angestrebt (Übersicht 1). Allerdings gibt es auch hier wieder Übergangsfristen und Sonderregelungen, durch welche das Bild letztlich etwas verzerrt wird (Kasten).

Mit Stufe V gelten erstmals Grenzwerte auch für Motoren mit Leistungen von weniger als 19 kW (26 PS) und mehr als 560 kW (761 PS). Die Werte für Stickoxide (NOX) und Partikelmasse (PM) sind bei diesen „neuen“ Leistungsklassen allerdings weniger streng als bei den bisher reglementierten. Die NOX -Emissionen der neuen Top-Leistungsklasse > 560 kW beispielsweise dürfen mit 3,5 g/kWh knapp neunmal höher liegen als bei der Klasse 130 ≤ P ≤ 560 kW. Insgesamt bewegen sich die NOX - und PM-Grenzwerte damit ungefähr auf Stufe-IIIA-Niveau der jeweiligen Nachbarklassen.

Bei den „alten“ Leistungsklassen wird das PM-Limit noch einmal abgesenkt, und es kommt neu ein Grenzwert für die Partikelanzahl (PN) dazu. Damit soll der Ausstoß an sehr kleinen Partikeln minimiert werden, die der menschlichen Gesundheit wegen ihrer Lungenbläschen-Gängigkeit besonders abträglich sind. Der PN-Grenzwert von 1x10 12  (#/kWh) lässt sich aus heutiger Sicht nur mit geschlossenen Partikelfiltersystemen einhalten.

Neu bei der Abgasstufe V ist überdies die Überwachung der Emissionen von Motoren im Betrieb (In-Service-Monitoring) sowie die Dauerhaltbarkeitsperiode von 8.000 Betriebsstunden (analog 700.000 km Fahrleistung bei Lkw). Und was insbesondere für Traktoren in Zukunft von Bedeutung sein dürfte: Für die Einteilung in Leistungsklassen gilt nicht mehr die Nennleistung, sondern die höchste Nutzleistung, sprich die Maximalleistung mitsamt Boost! Den Fall, dass landwirtschaftliche Traktoren in der Praxis Maximalleistungen von rund 75 kW aufweisen, auf dem Papier aber lediglich mit knapp 37 kW homologiert sind, dürfte es in Zukunft somit nicht mehr geben.

Übersicht 1: Inverkehrbringungszeitpunkte und Grenzwerte für die Abgasstufen IIIB bis V im Überblick.

Übersicht 1: Inverkehrbringungszeitpunkte und Grenzwerte für die Abgasstufen IIIB bis V im Überblick.

Kombinationsvielfalt dürfte kleiner werden

Die Abgasgesetzgebung ist damit weiterhin ein wichtiger Technologietreiber. Die meisten Traktorenhersteller halten sich betreffend Abgasstufe-V-Lösungen derzeit eher noch etwas bedeckt, die sich abzeichnenden Technologiekombinationen lassen sich aber aus den jüngsten Entwicklungen der Motorenhersteller ableiten. Common-Rail-Einspritzung, Vierventiltechnik, Turbolader, Ladeluftkühlung, Visco-Lüfter und elektronische Motorsteuerung stellen dabei weiterhin die motortechnischen Grundpfeiler dar, um die Anforderungen an Leistung, Verbrauch und Emissionen unter einen Hut zu bringen. Auch bei den Abgastechnologien wird in den meisten Fällen auf bekannte Technologien zurückgegriffen. War die Kombinationsvielfalt bei der Stufe IV noch recht groß, dürfte sich diese bei Standardtraktoren, die nicht unter Sonderregelungen fallen, in Zukunft auf die Kombinationen „AGR/DOC/DPF/SCR“ und „DOC/DPF/SCR“ reduzieren (Grafik 1).

Dieseloxidationskatalysator (DOC), Dieselpartikelfilter (DPF) und Selektive Katalytische Reduktion (SCR) als Abgasnachbehandlungssysteme sind somit gesetzt und es wird nur noch um die (Philosophie)Frage gehen, ob es die Abgasrückführung (AGR) als innermotorische Technologie zur Verminderung der NOX-Bildung noch braucht oder nicht.

Dies geht auch aus Tabelle 1 hervor. Deutz (eigene Baureihen), John Deere und Perkins werden weiterhin alle vier Abgastechnologien einsetzen. FPT Industrial hingegen verzichtet auf die Abgasrückführung. MAN ist mit dem neuen 9-Liter-Motor (D1556), der bei Traktoren in Zukunft eine Rolle spielen dürfte, ebenfalls auf dem SCR-only-Pfad. Hauptgründe hierfür dürften der Verzicht auf die für AGR notwendigen Kühlkapazitäten sowie die Verringerung der technischen Gesamtkomplexität sein.

Bei den Abgasnachbehandlungssystemen (DOC, DPF, SCR) gibt es insgesamt einen Trend zu effizienteren und kompakteren Einheiten. Bei Traktoren ist es aufgrund der knappen Platzverhältnisse im Motorbereich allerdings schwierig, diese in einem einzigen Modul zusammenzufassen, wie dies beispielsweise bei Lkw möglich ist. FPT Industrial hat deshalb als einer der ers- ten Hersteller ein SCRonFilter-System (SCRoF) vorgestellt, bei dem der Partikelfilter eine SCR-Beschichtung aufweist und somit einen Teil der NOX -Reduktion übernimmt. Der eigentliche SCR-Katalysator kann dadurch sehr kompakt gehalten werden und das Gesamtsystem DOC/DPF/SCR für die Abgasstufe V braucht nur wenig mehr Platz als die bisherige DOC/SCR-Kombination für die Stufe IV. FPT wird SCRoF in Zukunft bei allen Nonroad-Motoren mit 4,5 Liter und mehr Hubraum einsetzen.

Dass bei Abgasstufe-V-Motoren in den traktortypischen Leistungsklassen nicht mehr auf geschlossene DPF-Systeme verzichtet werden kann, hängt wie bereits erwähnt, mit der Einführung der PN-Grenzwerte zusammen. Der neue PM-Grenzwert von 0,015 g/kWh wäre mit innermotorischen Maßnahmen und DOC wahrscheinlich noch zu schaffen gewesen, weil damit insbesondere die größeren Partikel, die bei der Partikelmasse besonders stark ins Gewicht fallen, vermindert werden.

Wo ein DPF vorhanden ist, gibt es fast immer auch einen DOC. Eine wesentliche Aufgabe dieses „Vorkatalysators“ ist die Erhöhung des Stickstoffdioxid-Anteils (NO2). Diese Verbindung gehört zwar zur NOX-Schadstoffgruppe, die es letztlich zu reduzieren gilt. Durch die hohe Reaktionsfreudigkeit mit Partikeln vermindert sie diese einerseits bereits im DOC selber, andererseits sorgt sie im nachgeschalteten DPF für eine kontinuierliche passive Regeneration, indem die im porösen Filtersubstrat angelagerten Partikel oxidiert werden. Ein hoher NO2-Anteil wirkt sich darüber hinaus positiv auf die Effizienz von SCR-Katalysatoren aus, die heute NOX-Umwandlungsraten von bis zu 95 % erreichen müssen.

Die im DOC insgesamt ablaufenden Oxidationsprozesse (auch von Kohlemonoxid CO und Kohlenwasserstoff HC) erhöhen zudem die Abgastemperatur, was für das längerfristige Funktionieren von DPF und SCR-Katalysator – insbesondere im Niedriglastbetrieb – unabdingbar ist.

Tabelle 1: Übersicht über die Abgastechnologie-Kombinationen ausgewählter Lieferanten von Traktormotoren (Leistungsklassen > 56 KW)

Tabelle 1: Übersicht über die Abgastechnologie-Kombinationen ausgewählter Lieferanten von Traktormotoren (Leistungsklassen > 56 KW)

Zusammenfassung und Ausblick

In den zwei letzten Jahrzehnten konnten die NOX - und PM-Emissionen von NRMM massiv vermindert werden. Die Hersteller mussten hierfür allerdings immense Geldsummen in die Entwicklung neuer Motor- und Abgastechnologien sowie in die Anpassung der Fahrzeuge stecken; teilweise mussten bis zu 50 % der Gesamtentwicklungsbudgets eingesetzt werden. Diese Kosten wurden logischerweise auf die Herstellungskosten aufgerechnet, was bei Motoren in den letzten 20 Jahren ungefähr zu einer Preisverdoppelung geführt hat.

Mit der Abgasstufe V steht ab 2019 eine weitere Verschärfung der Grenzwerte an und es müssen gleichzeitig neue zusätzliche Auflagen erfüllt werden. Man könnte denken, dass das Ende der Fahnenstange damit jetzt erreicht ist, was für die gasförmigen und festen Schadstoffe wahrscheinlich auch zutreffen mag. Ein Seitenblick zu schweren Nutzfahrzeugen lässt aber schnell die Vermutung aufkommen, dass in Brüssel weiterhin neue Pfeile gespitzt werden, mit welchen die Entwicklungsabteilungen auch in Zukunft auf Trab gehalten werden.

Grafik 1: Bei Motoren ab 56 kW dürfte die Kombinationsvielfalt bei den Abgastechnologien mit der Abgasstufe V kleiner werden.

Grafik 1: Bei Motoren ab 56 kW dürfte die Kombinationsvielfalt bei den Abgastechnologien mit der Abgasstufe V kleiner werden.

Abgasstufen – Übergangsfristen und Sonderregelungen

Die in Übersicht 1 dargestellten Einführungszeitpunkte für die Abgasstufe V (01.01.2019 resp. 01.01.2020) gelten für das Inverkehrbringen von Motor und Maschine. Für alle Leistungsklassen gibt es mit der Verordnung 2016/1628 neu eine Übergangsperiode von 24 Monaten ab den jeweiligen Einführungszeitpunkten, in der noch Motoren einer vorherigen Abgasstufe in Verkehr gebracht werden können (sogenannte Übergangsmotoren). Diese müssen allerdings vor den jeweiligen Zeitpunkten produziert worden sein und die Produktionsdaten der Maschinen, in welche sie eingebaut werden, dürfen maximal 18 Monate danach liegen. Dass für die Leistungsklassen 56 kW ≤ P < 75 kW und 75 kW ≤ P < 130 kW ein Jahr mehr Zeit für Verfügung steht, hat mit den relativ langen Übergangsfristen für die Stufe IIIB zu tun. Kämen hier ebenfalls die Einführungszeitpunkte vom 01.01.2019 zur Anwendung, wäre die Geltungsdauer der Stufe IV nur von sehr kurzer Dauer, was zu hohen Kosten für die Hersteller führen würde.

Für Schmalspurtraktoren mit Rädern oder Raupen (Fahrzeugklassen T2 resp. C2) sowie für Stelzradtraktoren (Klasse T4.1) gibt es weiterhin Sonderregelungen, weil die Problematik mit den knappen Platzverhältnissen für Abgasnachbehandlungssysteme hier besonders ausgeprägt ist und die Produktionsstückzahlen relativ klein sind. Die Übergangsfristen von 24 Monaten gelten bei solchen Traktoren in den Leistungsklassen 56 kW ≤ P < 75 kW und 75 kW ≤ P < 130 kW deshalb nicht nur für Motoren der Stufe IV, sondern auch für solche der Stufe IIIB. Bei Letzteren handelt es sich damit ebenfalls um Übergangsmotoren für die Stufe V und damit ausgestattete Traktoren können deshalb bis 31.12.2021 auf den Markt gebracht werden, wenn sie bis spätestens 30. Juni 2021 produziert worden sind. Dank dieser Sonderregelungen und dem sogenannten Flexibilitätssystem lässt sich die Abgasstufe IV hier quasi überspringen.

Für Schmalspurtraktoren gelten die Definitionsmerkmale Mindestspurweite von 1.150 mm, Leermasse in fahrbereitem Zustand von mehr als 600 kg und Bodenfreiheit bis 600 mm.

Abgasnormen – Seitenblick auf den Lkw-Bereich

Motoren von schweren Nutzfahrzeugen kam in den letzten zwei Jahrzehnten eine technologische Vorreiter-Rolle zu, und die Entwicklungsschritte für NRMM-Aggregate ließen sich relativ gut daran ablesen. Lag der zeitliche Vorsprung Ende der 1990er-Jahre bei knapp zehn Jahren, beträgt er bald nur noch rund fünf. Mit der Einführung der Abgasstufe V werden NRMM-Motoren der Leistungsklasse 130 bis 560 kW bezüglich Emissionsgrenzwerten und Technologien praktisch auf EURO VI-Niveau von Lkw liegen (Tabellen 2 und 3). Ein gewisser Vorsprung bleibt aber dennoch: Mit den Kleinbuchstabenzusätzen b, c und d wurde und wird die Abgasnorm EURO VI stetig verfeinert. Dahinter stehen beispielsweise die Messung von Emissionen im realen Fahrbetrieb oder Messverfahren für den Treibstoffverbrauch und somit für den CO2-Ausstoß.

Die AGR-Frage stellt sich seit Jahren auch in der Lkw-Branche. Wie aus Tabelle 3 hervor geht, verzichtet Iveco mit den hausinternen FPT-Motoren relativ konsequent auf die AGR, die anderen Hersteller setzen hingegen weiterhin darauf. Die Rückführraten wurden von diesen in den letzten Jahren allerdings eher etwas reduziert. Ein gewisser Trend in Richtung „SCR-only“ ist aber trotzdem spürbar und so hat auch der schwedische Hersteller Scania in der jüngeren Vergangenheit einzelne Motormodelle ohne AGR auf den Markt gebracht. Interessant ist hier aber, dass beispielsweise beim großen V8 nur bei den drei unteren Leistungsstufen (382 kW/520 PS bis 478 kW/650 PS) auf AGR verzichtet wird, bei der Top-Stufe mit 537 kW/730 PS hingegen nicht. Und selbst bei SCR-only-Hardcore-Verfechter Iveco gibt es gewisse Graubereiche: Die beiden Topmodelle der schweren Stralis-Baureihe arbeiten ebenfalls mit einer „Smart-AGR“.

Roger Stirnimann, Dozent für Agrartechnik an der Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften HAFL, Zollikofen (Schweiz)

Tabelle 2: Gegenüberstellung der Abgasstufen IV/V für NRMM und EURO VI für Lkw. Die Grenzwerte können aufgrund von unterschiedlichen Testzyklen zwar nicht 1:1 verglichen werden, die Größenordnungen können aber trotzdem entnommen werden.

Tabelle 2: Gegenüberstellung der Abgasstufen IV/V für NRMM und EURO VI für Lkw. Die Grenzwerte können aufgrund von unterschiedlichen Testzyklen zwar nicht 1:1 verglichen werden, die Größenordnungen können aber trotzdem entnommen werden.

Tabelle 3: Abgastechnologie-Kombinationen Lkw mit EURO-VI-Motoren.

Tabelle 3: Abgastechnologie-Kombinationen Lkw mit EURO-VI-Motoren.


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