MTU: Pionier bei EPA-Tier-4-Motoren für Bau- und Industrieanwendungen

Transkript

1 Technischer Hintergrundartikel Kontakt: Mirko Gutemann Telefon: MTU: Pionier bei EPA-Tier-4-Motoren für Bau- und Industrieanwendungen Seit mehr als 100 Jahren gelten Dieselmotoren als gängiger Antrieb für eine Vielzahl von Off-Highway-Anwendungen wie z. B. Schiffe und Schienenfahrzeuge, kommen in dieser Funktion aber auch in speziellen Anwendungen wie mobilen Kränen, Muldenkippern und Militärfahrzeugen zum Einsatz. Obwohl moderne Dieselmotoren Energie effizient und sauber umwandeln, machen immer strengere Emissionsvorschriften weitere Verbesserungen bei der Kontrolle von Dieselabgas-Bestandteilen erforderlich. Dabei handelt es sich vor allem um Stickstoffoxide (NO x ) und Feinstaub (PM). Das Motorenprogramm der MTU für Anwendungen im C&I-Bereich deckt einen Leistungsbereich zwischen 100 bis kw ab. Schlüsseltechnologien für saubere, sparsame und kraftvolle Motoren Die Emissionsrichtlinien für mobile Maschinen und Geräte in Nordamerika werden immer strenger. Mit der Emissionsstufe Tier 4 interim (Tier 4i) ist 2011 eine deutliche Verschärfung der seit 2006 gültigen Grenzwerte eingetreten. Für Antriebe unter 560 kw Leistung wurde das Limit für Stickoxide halbiert, für Partikel sogar um 90 Prozent reduziert. Bei Antrieben mit Leistungen über 560 kw sanken die Werte für Stickoxide um 45 Prozent und für Partikel um 50 Prozent. Schon 2014 folgt mit Tier 4 final (Tier 4f) für Motoren unter 560 kw eine nächste Emissionsstufe, bei der die Grenzwerte für Stickoxide im Vergleich zu Tier 4i um weitere 80 Prozent gesenkt werden. Für Motoren über 560 kw folgt im Jahr 2015 die Emissionsstufe Tier 4f, die eine weitere Reduzierung der Partikelemissionen um 60 Prozent auf 0,04 g/kwh vorsieht.

2 2/7 US-Emissionsgrenzwerte für mobile Maschinen u. Geräte (nonroad) unter 560 kw über 560 kw Tier 3 4,0/0,2 Tier 2 6,4/0,2 Tier 4i 2,0+0,19/ 0,02 Tier 4i 3,5+0,4/ 0,1 NO x +HC (Kohlenwasserstoff) / PM in g/kwh (NO x: Stickoxid, HC: Kohlenwasserstoff, PM: Feinstaub) Tier 4f 0,4+0,19/ 0,02 Um die immer strenger werdenden Emissionsrichtlinien einzuhalten, wird im ersten Schritt motorinterne Optimierung betrieben zum Beispiel durch Erhöhung des Einspritzdrucks, Optimierung der Verbrennung sowie den Einsatz von Abgasrückführung (AGR). Ziel ist es, die Rohemissionen so niedrig wie möglich zu halten. So sinken Aufwand und Kosten für die nachgeschaltete Abgasnachbehandlung deutlich, in vielen Fällen kann die Abgasnachbehandlung komplett entfallen. Der Kunde profitiert somit von geringerem Bauraumbedarf, weniger Wartungsaufwand und geringerer Komplexität. Tier 4f 3,5+0,19/ 0,04 Allerdings besteht ein genereller Zielkonflikt zwischen der Reduzierung von Dieselpartikeln und Stickoxiden. Nur wenige innermotorische Optimierungen erlauben die gleichzeitige Senkung beider Schadstoffe. Vielmehr führt die Verbesserung bei der einen Emissionskomponente zunächst zu einer Verschlechterung bei der anderen. Sofern es nicht mehr möglich ist, die Emissionsgrenzwerte innermotorisch einzuhalten, ist eine Abgasnachbehandlung mit Hilfe selektiver katalytischer Reduktion () zur Stickoxidreduktion und/oder Dieselpartikelfilter (DPF) zur Partikelminderung erforderlich. Baureihen 400, 500 und 900 für Tier 4i unter 560 kw Im Leistungsbereich bis 560 kw bietet MTU für die Tier-4i-Norm Motoren der Baureihen 400, 500 und 900 an. Sie treiben beispielsweise Hafen- und Mobilkräne, Containerstapler, Radlader, Baumaschinen, Straßenfräsen, Untertage-Minenfahrzeuge, Bagger und selbst fahrenden Erntemaschinen an. Die Motoren basieren auf Nutzfahrzeugmotoren von Mercedes-Benz und decken einen Leistungsbereich von 100 bis 480 kw ab. Mit den neuen Motoren können Fahrzeughersteller ihre Anwendungen mit überschaubarem Änderungsaufwand auf einen Tier- 4i-zertifizierten Antrieb umrüsten, denn sowohl die Abmessungen der Motoren als auch der Motorkühlbedarf und damit die Größe der

3 3/7 Fahrzeugkühler entsprechen weitgehend denen der Vorgänger- Motorenbaureihen. Die Motoren verfügen über eine - Abgasnachbehandlung, das die Stickoxidemissionen im Abgas reduziert. Der -Katalysator ersetzt den Schalldämpfer, so dass er nur wenig zusätzlichen Bauraum beansprucht. Der Fahrzeughersteller muss hauptsächlich den zusätzlichen Tank für das - Reduktionsmittel vorsehen. Da die Motoren der Baureihen 400, 500 und 900 baugleich sowohl für die US-amerikanische Emissionsnorm EPA Tier 4i als auch für die europäische Norm EU III B zertifiziert sind, können die Kunden ihre Anwendung ohne Änderungen am Antrieb von der einen in die andere Region exportieren. Dank Hochdruckeinspritzung und optimierter Verbrennung erfüllen die Motoren die Tier-4i-Partikelgrenzwerte ohne Dieselpartikelfilter. Zudem sinkt der Kraftstoffverbrauch durch diese Optimierungen im Vergleich zu den Vorgängermotoren um bis zu fünf Prozent. Es ist auch gelungen, das Lastannahmeverhalten der Motoren weiter zu verbessern. Das -System ist aus dem Nutzfahrzeugbereich abgeleitet und hat dort seine Funktionssicherheit und Wartungsfreundlichkeit im Alltagsbetrieb schon unter Beweis gestellt. Alle -Systemkomponenten, mit Ausnahme der Katalysatoren, sind bei den Baureihen 400, 500 und 900 identisch und untereinander austauschbar, was die Ersatzteilbeschaffung für den Anwender erheblich erleichtert. Baureihen 1000, 1100, 1300 und 1500 für Tier 4f unter 560 kw Für Tier 4f bietet MTU ab 2014 mit den Baureihen 1000, 1100, 1300 und 1500 neue Vierzylinder- und Sechszylinder-Reihenmotoren im Leistungsbereich von 100 bis 460 kw an. Sie basieren auf der kommenden Generation von Nutzfahrzeugmotoren von Mercedes-Benz und werden von MTU auf die spezifischen Anforderungen im Bereich C&I angepasst. Die Baureihe 1000 deckt mit vier und sechs Zylindern den Bereich von 100 bis 260 kw ab. Die Sechszylindermotoren der Baureihen 1100, 1300 und 1500 leisten 280 bis 320 kw (BR 1100), 340 bis 380 kw (BR 1300) und 400 bis 460 kw (BR 1500). Damit zeigt MTU als einer der ersten Motorenhersteller schon heute die komplette Motorenfamilie für Tier 4f unter 560 kw. Das gibt den Kunden ausreichend Zeit, ihre Anwendungen auf die neuen Motoren anzupassen.

4 4/7 Um die strengen Emissionsgrenzen der Stufe Tier 4f bei Stickoxiden und Partikeln einzuhalten, rüstet MTU die Motoren mit Abgasrückführung, -System und Dieselpartikelfilter aus. Entwicklungsziel von MTU ist es jedoch, Tier 4f auch ohne Dieselpartikelfilter zu erfüllen, was ein großer Vorteil in Bezug auf Bauraum und Gewicht wäre. Ein modernes Common-Rail-Einspritzsystem mit bis zu bar Einspritzdruck sorgt für geringe Partikel-Rohemissionen und eine effiziente Verbrennung. Die gesamte Abgasnachbehandlungstechnologie ist in einem einzigen Modul integriert. Das so genannte One-Box-System erlaubt den Kunden die einfache Integration des Moduls in ihre Anwendungen. Sie müssen es lediglich an die Reduktionsmittelversorgung anschließen und mit der Motorelektronik verkabeln. Das One-Box-System ist zugleich der Schalldämpfer. Motoren über 560 kw Bei Motoren über 560 kw Leistung setzt MTU für die Emissionsnormen Tier 4i und Tier 4f ein Technologiepaket aus Hochdruckeinspritzsystem, zweistufig geregelter Aufladung und Abgasrückführung ein. Dies ermöglicht eine Verbrennung mit besonders geringen Partikel- und Stickoxid-Emissionen, so dass es möglich ist, weitestgehend auf Abgasnachbehandlungssysteme zu verzichten. Als Einspritzsystem nutzt MTU die so genannte Common-Rail- Einspritzung. Eine Hochdruckpumpe baut den Einspritzdruck bis bar unabhängig von Motordrehzahl und Einspritzmenge auf. Über Leitungen wird der Kraftstoff in die Injektoren geführt, die ihn richtig dosiert und fein zerstäubt in die Brennräume einspritzen. Das Ergebnis ist eine sehr effiziente und partikelarme Kraftstoffverbrennung im Zylinder. Da die Abgasrückführung gleichzeitig die Temperatur im Brennraum absenkt, entstehen auch weniger Stickoxide während der Verbrennung. Eine zweistufig geregelte Turboaufladung versorgt den Motor mit Verbrennungsluft und gewährleistet maximale Leistung und hohe Dynamik des Motors, auch bei sprunghaften Drehzahlsteigerungen. Bei diesem Aufladungsprinzip wird die Luft zunächst in der ersten Turboladerstufe verdichtet, dann abgekühlt und anschließend in der zweiten Turboladerstufe weiterverdichtet, bevor sie erneut abgekühlt wird. Alle Motor- und Turboladerfunktionen steuert das von MTU selbst

5 5/7 entwickelte leistungsstarke Motormanagementsystem ADEC (Advanced Diesel Engine Control) zentral. Baureihe 1600 Ab 2014 wird MTU die Motorenbaureihe 1600 auch für C&I- Anwendungen anbieten. Mit einem Zylindervolumen von 1,75 Litern leisten die Zehn- und Zwölfzylindermotoren zwischen 567 und 730 kw. Sie sind für den dieselmechanischen und dieselhydraulischen Antrieb ausgelegt und eignen sich unter anderem für Muldenkipper, Radlader, Bagger, Kräne und Anlagen für den Bergbau. Um die 2015 in Kraft tretenden Tier-4f-Grenzwerte einzuhalten, werden diese Motoren mit einer motorinternen Abgasrückführung sowie mit einem Dieseloxidationskatalysator ausgerüstet. Erklärtes Entwicklungsziel von MTU ist es jedoch, Tier 4f auch ohne Abgasnachbehandlung zu erfüllen. Die Vorteile für den Kunden: geringer Kraftstoffverbrauch, wenig Bauraumbedarf und niedrige Umstellungs- und Betriebskosten. Zudem ist der Kühlkreislauf der Motoren so ausgelegt, dass sich anwendungsseitig zu kühlende Systeme problemlos integrieren lassen. Das erleichtert Aufwand und Kosten der Systemintegration, minimiert die Zahl der Verbindungsstellen und vereinfacht die Wartung. Baureihe 2000 MTU-Motoren der Baureihe 2000 sind seit 1997 weltweit in mobilen Anwendungen wie Baggern, Muldenkippern oder Radladern sowie Großbohrgeräten, Hafen- und Mobilkränen erfolgreich im Einsatz. Für Tier 4i hat MTU die Baureihe 2000 grundlegend weiterentwickelt. Mit einem Zylindervolumen von 2,23 Litern decken die 12- und 16- Zylindervarianten einen Leistungsbereich von 561 bis kw ab. Als weltweit erstes Serienkonzept dieser Leistungsklasse erfüllen die Motoren der Baureihe 2000 die Tier-4i-Norm rein innermotorisch ohne Dieselpartikelfilter oder -Katalysator. Der Kühler muss auf den erhöhten Kühlleistungsbedarf des Motors angepasst werden. Ab 2015 wird die Baureihe 2000 als Tier 4f-Version erhältlich sein Auch für diese Abgasnorm plant MTU die rein innermotorische Erfüllung der Grenzwerte. Gegenüber Tier-2-Motoren wurden jedoch nicht nur die Emissionen um bis zu zehn Prozent deutlich verringert, sondern auch der Kraftstoffverbrauch. Reduziert wurden zudem auch die Verbrennungsgeräusche.

6 6/7 Eine leistungsfähige ADEC der neuesten Entwicklungsstufe ECU9 steuert den Motor und seine Komponenten. Mit der zweistufig geregelten Turboaufladung liefert der Motor eine konstante Leistung auch unter extremen Einsatzbedingungen wie bei hohen Lufttemperaturen bis zu 55 C oder in großer Höhe bis zu Metern als derzeit einziger Antrieb dieser Leistungsklasse auf dem Markt. Für die in diesem Leistungsbereich ab 2015 gültige Emissionsnorm Tier 4f wird die Baureihe 2000 derzeit weiterentwickelt. MTU plant, auch die noch strengeren Grenzwerte dieser Emissionsstufe ausschließlich durch innermotorische Maßnahmen ohne Dieselpartikelfilter oder - System einzuhalten. Baureihe 4000 Ab 2015 wird MTU die neuen Mining-Motoren der Baureihe 4000 für Tier 4f auf dem US-Markt einführen. Auf Kundenwunsch kann die neue Motorengeneration für Tier 4i und Tier 4f auch vor 2015 geliefert werden. Mit einem Zylindervolumen von 4,77 Litern deckt sie mit Acht-, Zwölf-, 16- und 20-Zylindervarianten einen Leistungsbereich zwischen 800 und kw ab. Diese leistungsfähigen Antriebe der Baureihe 4000 haben sich weltweit im Mineneinsatz bewährt und kommen vorwiegend in schweren Minenfahrzeugen, Radladern und Baggern in Steinbrüchen und im Tagebau zum Einsatz. MTU plant die rein innermotorische Einhaltung der Abgasnormen. Dazu wurde der Verbrennungsprozess so weiterentwickelt, dass er besonders schadstoffarm abläuft. Zur Reduzierung der Stickoxidemissionen setzt MTU neben der Abgasrückführung die so genannte Miller- Ventilsteuerung ein. Dabei werden die Einlassventile früher als sonst üblich geschlossen, was zu niedrigeren Verbrennungstemperaturen und damit zu weniger Stickoxiden im Abgas führt. Darüber hinaus hat MTU das Common-Rail-Einspritzsystem optimiert und den Einspritzdruck erhöht. Die Steuerung des Motors und aller Unterfunktionen übernimmt die leistungsstarke ADEC von MTU in der Entwicklungsstufe ECU9. Die Motoren verbrauchen im Vergleich zu den heutigen Tier-2-Motoren bis zu drei Prozent weniger Kraftstoff. MTU rüstet die Baureihe 4000 mit einer zweistufigen Turboaufladung mit drei Turboladern aus. Dadurch haben die neuen Motoren ein noch

7 7/7 höheres Drehmoment und bringen bis zu einer Höhe von Metern eine konstante Leistung. Zertifizierung aus einer Hand Als Systemhersteller für komplette Antriebslösungen liefert MTU die Motoren für C&I-Anwendungen mit vollständiger EPA-Tier-Zertifizierung aus. Somit können die Kunden MTU-Antriebe schnell, einfach und kostengünstig in ihre Anwendung integrieren. MTU-Motoren für C&I-Anwendungen Leistungsbereich Tier 3 Tier 4i Tier 4f kw 4R, 6R BR 900 (bis zu 240 kw) kw 6R S60 6R BR 400 6V BR kw 6R S60 6R BR 400 (bis zu 360 kw) kw 6R S60 8V BR 500 (bis zu 480 kw) kw 12V BR kw 12V, 16V BR 2000 (bis zu kw) kw 12V, 16V, 20V BR R, 6R BR 900 (2011) (bis zu 240 kw) 6R BR 400 (2011) 6V BR 500 (2011) 6R BR 400 (2011) (bis zu 360 kw) 8V BR 500 (2011) (bis zu 480 kw) Tier 2 Tier 4i Tier 4f 12V BR 2000 (2011) AGR 12V, 16V BR 2000 (2011) AGR 12V, 16V BR 4000 (auf Anfrage) AGR * Ohne Dieselpartikelfilter (DPF) in Entwicklung ** Ohne Dieseloxidationskatalysator (DOC) in Entwicklung AGR: Abgasrückführung : Selektive Katalytische Reduktion DPF: Dieselpartikelfilter DOC: Dieseloxidationskatalysator 4R, 6R BR 1000 (2014) AGR,, DPF* 6R BR 1100 (2014) AGR,, DPF* 6R BR 1300 (2014) AGR,, DPF* 6R BR 1500 (2014) AGR,, DPF* 10V, 12V BR 1600 (2014) AGR, DOC** 12V, 16V BR 2000 (2015) AGR, DPF* 8V, 12V, 16V, 20V BR 4000 (2015) AGR, DPF* Ende