Hintergrundartikel. Die neue Generation der MTU-Baureihe 2000 erfüllt EPA Tier 4 ohne Abgasnachbehandlung

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1 Hintergrundartikel C&I-/Bergbau-Motoren Die neue Generation der MTU-Baureihe 2000 erfüllt EPA Tier 4 ohne Abgasnachbehandlung Die neue Motorengeneration der MTU-Baureihe 2000 für Baumaschinen und industrielle Anwendungen (C&I) sowie für den Bergbau erfüllt die EPA Tier 4-Emissionsgrenzwerte ohne Abgasnachbehandlung. Gleichzeitig wurden Motorleistung und Lebensdauer verbessert, der Kraftstoffverbrauch reduziert und damit die Gesamtbetriebskosten gesenkt. Die Motoren kommen unter anderem in Baggern, Muldenkippern, Radladern, Hochleistungsbohranlagen, Hafenkränen und Mobilkränen zum Einsatz. Zur Motorenfamilie der neuen Baureihe 2000 für Bergbaufahrzeuge gehören 12- und 16-Zylinder-V-Motoren im Leistungsbereich von 567 bis Kilowatt. Für die Emissionsstufe EPA Tier 4 sind die Motoren im Leistungsbereich von 783 bis 970 Kilowatt verfügbar. Das Zylinderhubvolumen beträgt 2,23 Liter. Wie bei allen MTU-Motorfamilien sind die meisten Bauteile des 12V-Motors identisch mit denen des 16V- Motors, so dass eine effiziente Ersatzteillogistik sichergestellt ist. Eine Vielzahl an Optionen wie etwa unterschiedliche Nebenantriebe (PTO) oder Ölwannen ermöglicht für nahezu alle Anwendungen die richtige Wahl. Bei ganz spezifischen Kundenanforderungen entwickelt MTU die entsprechenden Lösungen. Niedrigere Gesamtbetriebskosten Bei den Tier-4i-Motoren der Baureihe 2000 wurde der Kraftstoffverbrauch um bis zu 10 % reduziert. Gleichzeitig wurden die Wechselintervalle für Hauptkomponenten wie etwa Injektoren und Hochdruckpumpen verlängert. Hieraus ergeben sich verglichen mit der vorherigen Tier-2-Generation um 8 % niedrigere Lebenszykluskosten.

2 2 Verstärkte mechanische Komponenten für längere Lebensdauer Die neue Baureihe 2000 baut auf MTUs Ruf als Hersteller hoch belastbarer Motoren mit langer Lebensdauer auf. Kurbelwelle und Kurbelgehäuse wurden verstärkt und halten aufgrund ihrer optimierten Struktur und des verbesserten Materials Verbrennungsdrücken von mehr als 230 bar stand. Kolben aus geschmiedetem Stahl bieten höhere Festigkeit bei verringertem Gewicht und reduzieren aufgrund kleinerer Toleranzen gleichzeitig die Geräuschbildung. Die integrierten Ladeluftkühler sind mit Kupfereinsätzen für bessere Korrosionsbeständigkeit ausgestattet. Trotz dieser zahlreichen Verbesserungen im Bereich mechanische Festigkeit und trotz der zusätzlichen Bauteile entspricht das Leistungsgewicht der neuen Baureihe-2000-Motoren dem der vorherigen Tier-2-Generation. Verfügbar seit Juni 2012 Auf den MTU-Prüfständen sind Versuchsmotoren über Stunden gelaufen. Im November 2011 begann MTU einen Feldversuch mit einem 100-Tonnen-Muldenkipper in einer südafrikanischen Mine. Führende Erstausrüster haben im Jahr 2011 Prototypen erfolgreich in mehreren Anwendungen eingebaut und getestet. Seit Juni 2012 werden die MTU- Motoren der Baureihe 2000 Tier 4i ausgeliefert. MTUs Schlüsseltechnologien für die Entwicklung einer fortschrittlichen Dieselverbrennung Um die Tier-4-Vorgaben ohne externe Abgasnachbehandlung erfüllen zu können, hat MTU eine Kombination aus vier Schlüsseltechnologien am Motor umgesetzt: Gekühlte Hochdruck-Abgasrückführung (AGR) Geregelte zweistufige Turboaufladung Common Rail-Kraftstoffeinspritzung ADEC-Motorsteuerung

3 3 MTU entwickelt Strategie gegen Zielkonflikt bei Emissionen Die primären, einer Regulierung unterliegenden Bestandteile des Abgases sind Partikelemissionen und Stickoxide (NO X ). Entwickler von Dieselmotoren sind aufgrund chemisch-physikalischer Gegebenheiten mit einem Zielkonflikt konfrontiert, der als NO X -Partikel-Trade-off bezeichnet wird. Er tritt auf, sobald Verbrennungsparameter so angepasst werden, dass die Emissionen von Partikeln oder NO X sinken: Die Reduzierung von Partikeln führt stets zu einer Steigerung des NO X - Ausstoßes und umgekehrt. Zurückzuführen ist dies auf zwei für jeden Verbrennungsprozess wesentliche Parameter: das Luft-Kraftstoff- Verhältnis und die maximale Verbrennungstemperatur. Bei jeder Flamme verhindert eine ausreichende Luftzufuhr (d.h. ein hohes Luft- Kraftstoff-Verhältnis) übermäßige Rauchbildung. Allerdings führt eine derart magere Verbrennung auch zu hohen Verbrennungstemperaturen und damit zur verstärkten Bildung von NO X. Eine Möglichkeit, diese nachteiligen Auswirkungen zu verhindern, besteht darin, nur eine der beiden Abgaskomponenten innermotorisch während der Verbrennung zu optimieren und gleichzeitig die andere Komponente, die dabei erhöht wird, daran zu hindern, an die Außenluft zu gelangen. Dies geschieht in der Regel über ein dem Motor nachgeschaltetes externes Abgasnachbehandlungssystem. Gestiegene NO X -Emissionen müssen durch einen SCR-Katalysator reduziert werden. Bei verstärkter Rußbildung muss ein Dieselpartikelfilter (DPF) oder ein Dieseloxidationskatalysator (DOC) eingesetzt werden, damit diese Partikelemissionen nicht in die Umwelt gelangen. Als Technologieführer im Bereich Hochleistungsdieselmotoren gibt sich MTU mit einem solchen Kompromiss jedoch nicht zufrieden und hat einen Weg gefunden, den NO X -Partikel-Trade-off zu entschärfen: Die maximale Verbrennungstemperatur wird zugunsten geringer NO X -

4 4 Emissionen niedrig gehalten und gleichzeitig wird ein ausreichendes Luft-Kraftstoff-Verhältnis bereitgestellt, so dass die Partikelemissionen gering ausfallen. Dies ist mit konventioneller Motortechnik nicht möglich. Daher hat MTU vier Schlüsseltechnologien im Motor umgesetzt. Von MTU patentierte Spenderzylinder-AGR für niedrige NO X - Emissionen Abgasrückführung ist im Dieselmotorenbau nicht neu. Sie wird bei On- Highway-Anwendungen bereits seit längerer Zeit eingesetzt. Ihre wesentliche Rolle besteht darin, die Wärmekapazität der Zylinderfüllung zu erhöhen. Bei einem gegebenen Motorbetriebspunkt, der einer ebenfalls gegebenen Einspritzmenge entspricht, wird während der Verbrennung auch eine gegebene Menge Wärme produziert. Hierdurch steigt die Temperatur der Zylinderfüllung an. Und genau hier kommt das rückgeführte Abgas, bei dem es sich zu 90 % um inerte Gase handelt, ins Spiel. Es vergrößert die Wärmekapazität der Zylinderfüllung und senkt so die maximale Verbrennungstemperatur. Daher ist AGR derzeit die wirksamste Methode, die Bildung von NO X während des Verbrennungsprozesses zu unterdrücken. MTU verfügt über die patentierte Spenderzylinder-AGR: ein gekühltes Hochdrucksystem, dessen Besonderheit die Spenderzylinder sind. Bei den neuen Motoren der Baureihe 2000 versorgen bei der 12-Zylinder- Variante nur vier Zylinder das AGR-System mit Abgas. Bei der 16- Zylinder-Variante kommen fünf Spenderzylinder zum Einsatz. Bei maximaler AGR-Rate liefern diese Zylinder 100 % ihres Abgases an das AGR-System, während die übrigen Zylinder die Turbolader versorgen. Dies hat den Vorteil, dass nur die Spenderzylinder gegen den hohen Gegendruck arbeiten müssen, wenn sie das Abgas in das Ansaugsystem fördern. Bei Motoren mit Abgasturboaufladung ist der Druck im Ansaugsystem stets höher als im Abgassystem. Aus diesem Grund strömt Abgas nie selbständig in das Ansaugsystem, sondern

5 5 muss gefördert werden. Bei weniger hoch entwickelten AGR-Systemen sind daher Kompromisse erforderlich. Konventionelle Hochdruck-AGR- Systeme verwenden Abgasturbinen mit erhöhtem Abgasgegendruck oder Drosselklappen im Ansaugtrakt, um so den Abgasstrom in das Ansaugsystem sicherzustellen. Diese Lösungen führen zwangsläufig zu erhöhten Ladungswechselverlusten und sind nicht gerade geeignet, den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen. Mit der Spenderzylinder-AGR eliminiert MTU diese Nachteile und erreicht AGR-Raten von bis zu ca. 30 % bei einzigartiger Effizienz. MTU umgeht weitere Nachteile konventioneller AGR-Systeme Motorbesitzer und Wartungspersonal kennen weitere Nachteile weniger hoch entwickelter, konventioneller AGR-Systeme. Durch den von MTU gewählten innovativen Ansatz werden die typischen AGR-Probleme wie höherer Kraftstoffverbrauch, sichtbarer Schwarzrauch, Rußablagerungen in Ansaugsystem und Ladeluftkühlern, starker Rußeintrag ins Schmieröl und die dadurch bedingte deutliche Verkürzung der Ölwechselintervalle vermieden. Insbesondere der letzte Punkt tritt so häufig auf, dass Schmierölhersteller gezwungen waren, spezielle Additive zu entwickeln, um die Rußtoleranz ihrer Öle zu erhöhen. Alle diese Probleme lassen sich auf die gleiche Ursache zurückführen: den NO X -Partikel-Trade-off. Der Einsatz eines AGR-Systems ohne gleichzeitige Maßnahmen zur Sicherstellung eines ausreichenden Luft- Kraftstoff-Verhältnisses hat stets ein zu mageres Verbrennungsgemisch zur Folge. Hierfür gibt es zwei Gründe: Das zurückgeführte Abgas nimmt im Zylinder Raum ein, der dann nicht für Luft und damit für Sauerstoff zur Verfügung steht. Außerdem verhindert die niedrigere Temperatur während der Verbrennung die Oxidation von Partikeln. Aus diesem Grund hat MTU eine zweite Schlüsseltechnologie eingesetzt.

6 6 Geregelte zweistufige Aufladung für geringe Rußbildung während des Verbrennungsprozesses Wie kann sichergestellt werden, dass im Zylinder eine ausreichende Menge Sauerstoff für eine rußarme Verbrennung vorhanden ist, wenn ein Teil des Volumens bereits mit rückgeführtem Abgas gefüllt ist? Die einzige Lösung ist einer Steigerung der Dichte der Zylinderfüllung durch einen höheren Aufladegrad. Mit einem einstufigen Turbolader lässt sich dies bei vernünftigem Turbolader-Wirkungsgrad nicht erreichen. Das zweistufige Aufladesystem der neuen Baureihe 2000 verfügt über eine Hochdruckstufe mit einem Turbolader, der in Reihe mit einer Niederdruckstufe bestehend aus zwei weiteren Turboadern geschaltet ist. Der Ladedruck wird per Wastegate geregelt. Die Ladeluftkühlung erfolgt ebenfalls in zwei Stufen: Zwischen Nieder- und Hochdruckstufe und zwischen Hochdruckstufe und Zylindereinlass ist jeweils ein Ladeluftkühler angeordnet. Außergewöhnliches Ansprech- und Höhenverhalten Die zweistufige Turboauflagung ermöglicht trotz Vorhandensein eines AGR-Systems eine Verbrennung mit extrem geringer Rußbildung. Es ist keine Schwarzrauchbildung sichtbar. Dies bedeutet, dass die vorhandene Rußmenge so gering ist, dass sie weder das Schmieröl noch das Ansaugsystem verunreinigt. MTU hat damit eine Lösung gefunden, die wichtigsten Nachteile konventioneller AGR-Systeme zu umgehen. Neben der Abgasqualität ermöglicht die zweistufige Aufladung auch ein außergewöhnliches Lastannahmeverhalten und exzellente Motordynamik. Beim Betrieb in großen Höhen zeichnet sich der Motor auch durch seine hohe Toleranz gegen geringe Luftdichte aus. Die 16-Zylinder-Variante der neuen Baureihe 2000 erreicht in Höhen bis zu m 100% seiner Nennleistung, ohne dass eine Leistungsreduzierung erforderlich wird, während der 12-Zylindermotor bis m ohne Leistungsreduktion auskommt und in Höhen bis zu m nur eine geringe Leistungsreduzierung erfordert. Im

7 7 Drehzahlbereich zwischen U/min und U/min ist das maximale Drehmoment konstant verfügbar. Ebenso ist die Nennleistung im Drehzahlbereich von U/min bis zur Nenndrehzahl von U/min konstant abrufbar. Diese hohe Elastizität des Motors macht ihn zum idealen Antrieb für mechanisch angetriebene Maschinen wie etwa Muldenkipper. Common Rail-Einspritzung zur Steuerung des Verbrennungsprozesses Eine Erfüllung der strengen Tier-4-Abgasnorm bei gleichzeitiger Senkung des Kraftstoffverbrauchs ist nur möglich, wenn der Verbrennungsprozess optimal gesteuert wird. Dabei müssen sich Beginn, Ende, Menge und Verlauf der Kraftstoffeinspritzung während des jeweiligen Zündzyklus individuell steuern lassen. Hierfür werden elektronisch gesteuerte Injektoren mit schnellem Ansprechverhalten benötigt. Ihre Kraftstoffversorgung muss kontinuierlich und mit regelbarem Druck erfolgen. MTU hat die diesbezüglichen Einschränkungen mechanischer Einspritzsysteme erkannt und bereits 1996 für die Baureihe 4000 das weltweit erste Common Rail- Einspritzsystem für schnell laufende Dieselmotoren entwickelt. Heute kommt die Common Rail-Technik in vielen Bereichen zum Einsatz von kleinen Dieselmotoren in Personenwagen bis hin zu Großdieselmotoren in Containerschiffen. Im Bündel der MTU-Schlüsseltechnologien zum Erreichen der Tier-4-Vorgaben trägt das Common Rail-System dazu bei, beide Abgaskomponenten zu reduzieren. Aufgrund des maximalen Einspritzdrucks von bar ermöglicht die starke Zerstäubung des Kraftstoffs eine gute Vermischung mit der Luft im Zylinder und damit eine geringe Rußbildung während der Verbrennung sowie eine hohe Kraftstoffeffizienz.

8 8 Moderne Dieselmotorsteuerung die neue ECU 9 Die beschriebenen Schlüsseltechnologien bieten ein hohes Maß an Flexibilität bei der Verbrennungssteuerung. Verglichen mit vorherigen Systemen müssen vom neuen Motorsteuergerät (ECU) nun allerdings deutlich mehr Parameter, Sensoren und Stellglieder verwaltet werden. Nur so sind eine Einhaltung der EPA-Vorgaben und eine entsprechende Zertifizierung möglich. Zur einfachen Integration durch den Erstausrüster verfügt die neue ECU 9 auch über eine integrierte SAE J1939 CAN- Schnittstelle sowie über Regelkreise für zwei voneinander unabhängige Lüfter und zahlreiche kalibrierbare Ein- und Ausgänge. - Ende -