Mehrere Wege führen zum Ziel

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1 Technologie der Abgasstufe 4 Mehrere Wege führen zum Ziel Seit Januar 2014 gilt für Offroad-Fahrzeuge in der Leistungsklasse 130 bis 560 kw (177 bis 761 PS)die Abgasstufe 4. Zur Einhaltung der verschärften Stickoxidgrenzwerte setzen mittlerweile alle Hersteller auf die Selektive Katalytische Reduktion SCR. Unterschiede gibt es hingegen beim Einsatz der übrigen Abgastechnologien. Roger Stirnimann stellt die Konzepte vor. Stirnimann Der Dieselmotor 6R 1300 von MTU wird auch im neuen Feldhäcksler BIG X 480 von Krone eingesetzt. Die Grenzwerte der Abgasstufe 4 werden mit den Abgastechnologien Abgasrückführung und selektive katalytische Reduktion (SCR) eingehalten. Musste beim Übergang von der Abgasstufe 3A auf 3B der Ausstoß an Partikelmasse (PM) massiv gesenkt werden, so liegt der Fokus beim aktuellen Übergang auf die Stufe 4 auf der Reduktion der Stickoxidemissionen (NOX). Diese müssen bei der Leistungsklasse 130 bis 560 kw von 2,0 auf 0,4 g/kwh und damit um 80 % gesenkt werden. Ab Oktober 2014 gilt die Abgasstufe 4 auch für neue Motoren in den Leistungsklassen 56 bis 74 kw (76 bis 100 PS) und 75 bis 129 kw (102 bis 175 PS), hier müssen die Stickoxidemissionen von 3,3 auf ebenfalls 0,4 g/kwh reduziert werden, was gar einer Reduktion von 88 % entspricht (siehe Tabelle 1). Abgasnachbehandlungssysteme notwendig Die Abgasstufen 1, 2 und 3A konnten mit innermotorischen Technologien eingehalten werden. Hierzu zählen Hochdruckeinspritzsysteme, Vierventiltechnik, Turbolader, Ladeluftkühlung, elektronische Motorregelung und auch die Abgasrückführung (AGR). Mit der Abgasstufe 3B mussten diese Technologien erstmals mit Abgasnachbehandlungssystemen ergänzt werden. Wurde mit der Motorabstimmung bis dahin ein Kompromiss zwischen tiefen NOX - und PM-Werten angestrebt, konnten die Motoren jetzt in die eine oder andere Richtung optimiert werden. Amerikanische Hersteller wie Caterpillar, Cummins und John Deere verfolgten eher den Weg einer innermotorischen Reduktion der Stickoxide durch die AGR und nahmen dafür höhere Partikelrohemissionen in Kauf, die letztlich mit den Nachbehandlungssystemen Dieseloxidationskatalysator (DOC) und Dieselpartikelfilter (DPF) unter die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte gedrückt wurden (oberer Pfad in Grafik 1). Europäische Hersteller wie z.b. Fiat Powertrain (FPT) und AGCO Power gaben hingegen die AGR auf und optimierten ihre Motoren in Richtung tiefe PM-Werte. Die dadurch verursachten höheren Verbrennungstemperaturen führten zu hohen NOX-Rohemissionen, welche nachmotorisch mittels SCR-Katalysatoren abgesenkt wurden (unterer Pfad in Grafik 1).

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3 Abgasrückführung erfordert aufwendige Turbotechnik Für die Abgasstufe 4 werden die Abgastechnologien nun in unterschiedlichen Kombinationen eingesetzt (siehe Grafik 1 und Tabelle 2). Auffallend ist, dass viele Hersteller wieder auf die gekühlte AGR setzen, um das Übel mit den NOX-Emissionen bereits im Brennraum anzugehen und diese gar nicht erst in großer Anzahl entstehen zu lassen. Die damit verbundenen Wirkungsgrad- und Verbrauchsnachteile versucht man mit aufwendiger Turboladertechnik wett zu machen. Lader mit variabler Geometrie und auch zweistufige Systeme, bei denen zwei unterschiedliche große Turbolader hintereinander geschaltet werden, gewinnen an Bedeutung. John Deere setzt beim PowerTech PSS-Motor mit neun Liter Hubraum für das neue 7R-Topmodell 7310R sogar auf eine Kombination von zweistufiger Turboaufladung und variabler Turbinengeometrie. Fendt verwendet bei den neuesten Deutz-Motoren in den Baureihen Vario 800 und 900 ebenfalls eine zweistufige Aufladung und kühlt die heißen Abgase mit einem Zwischenkühler vor der zweiten Verdichterstufe ein erstes Mal herunter, bevor diese den großen Ladeluftkühler in der Traktorfront passieren. Einen besonderen Weg beim Turbolader geht auch MTU beim 12,8 Liter-Aggregat 6R 1300, das beispielsweise in der neuen Großtraktorenbaureihe 11 von Deutz-Fahr zum Einsatz kommen wird. Der Abgasstrom wird bei diesem asymmetrischen System in zwei Fluten geteilt. Die Flut der Zylinder eins bis drei wird direkt zum Turbolader geleitet, vom Abgas der Zylinder vier bis sechs hingegen wird etwa ein Drittel für die AGR abgezweigt. Dies soll verschiedene Vorteile mit sich bringen wie z.b. ein höheres Druckgefälle in der AGR-Flut oder eine bessere Ausnutzung der Bewegungsenergie in der Nicht-AGR-Flut. Abgasstufe 4: Neue Kombinationen Während die AGR bei Stufe-3B-Motoren praktisch immer in Kombination mit DOC und DPF zur Anwendung kam, ist dieses Dreierpaket bei der Stufe 4 nicht mehr in allen Fällen eine zwingende Voraussetzung. Beispiele hierfür sind die AGCO Power-Motoren in den Großtraktoren 8700 von Massey Ferguson (AGR, DOC, SCR, aber kein DPF) oder das MTU-Aggregat 6R 1300 in der neuen Baureihe 11 von Deutz-Fahr (nur AGR und SCR). Ein wichtiger Grund hierfür sind die jüngsten Common Rail- Einspritzsysteme, die dank Maximaldrücken von bis zu 2100 bar den Treibstoff sehr fein zerstäuben. Case New Holland verzichtet bei den in den Großtraktoren New Holland T8 und Case IH Magnum eingebauten FPT-Motoren in Stufe-4-Konfiguration komplett auf AGR und DPF, schaltet dem SCR-Katalysator neu aber noch einen DOC vor. Unverzichtbar ist dieser kleine Katalysator am Motorausgang auch, wenn für die Abgasnachbehandlung ein DPF zur Anwendung kommt. Eine gut funktionierende DPF-Regeneration setzt nämlich eine bestimmte Konzentration an NO2 voraus, eine Verbindung, die im DOC entsteht. Bei Fendt und Claas kommen geschlossene DPF-Systeme zur Anwendung, die rein passiv regeneriert werden. Bei John Deere hingegen ist auch eine aktive Regeneration durch Einspritzen von Treibstoff in den Abgastrakt für den Fall möglich, dass der Filter über den passiven Weg nicht mehr von den Rußpartikeln befreit werden kann. Claas verbaut in den Axion-Modellen übrigens auch Motoren von FPT, bei diesen kommt im Gegensatz zu den Versionen in den CNH-Traktoren aber ein Turbolader mit variabler Geometrie, eine interne AGR (mittels Ventilüberschneidung) und ein DPF mit passiver Regeneration zur Anwendung.

4 SCR jetzt bei allen Herstellern Mit der Abgasstufe 4 setzen jetzt alle Hersteller auf die Selektive Katalytische Reduktion SCR, zumindest in der Leistungsklasse 130 bis 560 kw. Unterschiede gibt es aber in Bezug auf die notwendigen AdBlue-Mengen. New Holland und Case IH setzen bei ihren Großtraktoren wie bereits erwähnt auf FPT-Motoren ohne AGR und müssen die NOX-Emissionen deshalb komplett über die nachmotorische Schiene eliminieren. Zum Einsatz kommt hier ein Hi-eSCR- System mit einer hohen NOX-Umwandlungsrate von 95 %. Erforderlich hierzu sind AdBlue-Mengen in der Größenordnung von 8 % des Treibstoffverbrauches. Bei den Herstellern, die auf eine AGR setzen, fallen die AdBlue-Verbräuche hingegen tiefer aus und dürften im Bereich von 3 bis 5 % liegen. Mit den SCR-Katalysatoren haben die Motorenhersteller das NOX-Problem elegant aus der Welt schaffen können, sich damit aber gleichzeitig ein neues eingehandelt. Bei der chemischen Reaktion im SCR-Katalysator wird die wässerige Harnstofflösung AdBlue zuerst in Ammoniak (NH3) umgewandelt, danach reagieren die Ammoniak-Moleküle mit den NOX-Verbindungen im Abgas und es entstehen Wasserdampf, Kohlendioxid und Luftstickstoff. Ein gewisser Teil des Ammoniaks wird dabei aber nicht umgesetzt, weshalb die meisten Hersteller dem SCR-Katalysator noch einen Ammoniak-Sperrkatalysator nachordnen. John Deere bezeichnet diesen beispielsweise als AOC (Ammonia Oxidation Catalyst), Fiat Powertrain als CUC (Clean up Catalyst). John Deere wird im Jahre 2014 lediglich das neue 7R-Flaggschiff 7.310R mit Abgasstufe-4-Motor ausliefern. Der Technologie-Mix lautet hier AGR, DOC, DPF und SCR (siehe Grafik 3). Die übrigen 7R-Modelle sowie die 8R-Baureihe werden weiterhin mit Aggregaten der Abgasstufe 3B ausgeliefert. John Deere nutzt hier die gesetzlich erlaubten Übergangsfristen aus und verbaut im laufenden Jahr noch auf Lager produzierte Stufe-3B-Motoren. Hoher Technologieaufwand, hohe Kosten Der Technologieaufwand zur Einhaltung der Grenzwerte der Abgasstufe 4 ist sowohl bei den Motoren selber als auch bei den Abgasnachbehandlungssystemen sehr hoch. Die Herstellkosten für ein solches Antriebsaggregat dürften sich gegenüber einem 3A-Block um Faktoren in der Größenordnung von 1,5 bis 2 erhöht haben, je nach Leistungsklasse und Technologiepfad. In vielen Fällen erfordert diese neue Motorengeneration auch Anpassungen an den Fahrzeugen, weil beispielsweise durch die gekühlte Abgasrückführung größere Kühlereinheiten notwendig sind. Wie sich diese neuen Technologien auf die variablen Betriebskosten auswirken werden, lässt sich im Moment nur schwer beziffern. Alle Hersteller proklamieren für ihre Lösungen grundsätzlich tiefe Gesamtverbräuche an Diesel und AdBlue. Wie weit mit Verbrauchsunterschieden höhere Wartungskosten bei den Abgasnachbehandlungssystemen ausgeglichen werden können, muss sich in der Praxis erst noch zeigen. SCR-Katalysatoren beispielsweise wird eine Lebensdauer von Betriebsstunden vorausgesagt, Dieselpartikelfilter dürften hingegen nur halb so lange eingesetzt werden können. Stufe 4 ist noch nicht das Ende Mit den Stufen 3B und 4 wollten die Gesetzgeber den Einsatz von Partikelfiltern ursprünglich erzwingen. Aufgrund der technologischen Fortschritte bei den Einspritz- und Aufladesystemen können die Partikelmasse-Grenzwerte mittlerweile auch ohne Partikelfilter eingehalten werden. Da aber insbesondere die ganz kleinen Partikel, die bei der Partikelmasse nicht ins Gewicht fallen, eine gesundheitsschädigende Wirkung haben, wird in Brüssel derzeit über die Einführung einer nächsten Abgasstufe für Offroad-Fahrzeuge diskutiert. Mit dieser soll eine drastische Reduktion der Partikelanzahl erfolgen, wie dies mit Euro VI bei den schweren Lastwagen bereits umgesetzt wurde. Ein solcher Grenzwert kann nur noch mit geschlossenen Partikelfiltersystemen eingehalten werden, und damit würden die unterschiedlichen Pfade in Bezug auf die Abgastechnologien in Zukunft wohl eher wieder zusammengeführt. Nachdem die Limits für Partikel und Stickoxide in den letzten Jahren Richtung Nullgrenzen getrieben wurden, dürften die Gesetzgeber das Augenmerk in Zukunft zudem vermehrt auf die CO2-Reduktion richten. Bei den Motoren selber dürfte das Potenzial für Verbrauchssenkungen aufgrund der Zielkonflikte Stickoxide/Partikel resp. Stickoxide/Verbrauch ziemlich ausgereizt sein. Die zukünftigen Ansätze werden deshalb vielmehr in Richtung Optimierung der Gesamtfahrzeuge (Motor, Getriebe, Fahrwerk) laufen. Roger Stirnimann, Dozent für Agrartechnik an der Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften HAFL in Zollikofen, Schweiz

5 Grafik 1: Zwei klassisch

6 Grafik 2: MTU verwend Grafik 3: John Deere se

7 Powered by TCPDF ( Grafik 4: Bei den SCR