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Wie lange wird noch ”gedieselt”? Umweltschutz steuert Innovationen

Thermische Antriebstechnik POWERWORLD 02-2013

Scania-LKW mit Scania-Erdgas bzw Biogasmotor.

Es ist hinreichend bekannt dass zu den politisch getriebenen Bereichen die europäische Abgasgesetzgebung gehört. Sie regelt die Bekämpfung der Emissionen von gasförmigen Schadstoffen und Luft verunreini­ genden Partikeln aus Verbrennungsmotoren für mobile Maschinen und Geräte. Seit 1997 in Kraft wurden mit Wirkung vom 1. Januar 2011 mit der Abgasstufe IIIB die Anforderungen an die Abgasreinigung nochmals verschärft. Die Implementierung der vorerst letzten Abgasstufe IV erfolgt 2014. In Brüssel wird aber bereits über eine neue Abgasstufe V diskutiert, denn gemäß der sogenannten „Air Quality Directive 1999/30/ EC” sind Städte und Regionen in der EU aufgefordert, bestimmte Grenzwerte für saubere Luft einzuhalten. Auf Grund der Diskussionen hinsichtlich der Verbesserung der lokalen Luftqualität und des Schutzes des globalen Klimas ist davon auszugehen, dass in allen Bereichen von Dieselmotoren für Industrieanwendungen die bereits geltenden Emissionsanforderungen verschärft beziehungsweise um zusätzliche Kriterien oder Maßnahmen erweitert werden. Wann und ob die Abgasstufe V kommen wird und wie lange die Stufe IV damit letztlich in Kraft bleibt, können jedoch weder die verantwortlichen Beamten noch Politiker sagen. Die Motorenhersteller, so Frank Diedrich, der in Brüssel die Interessen der Bau- und der ebenfalls von der Regelung betroffenen Landmaschinenhersteller im VDMA vertritt, fordern einen Zeitraum von mindestens fünf Jahren. Wie lange es jedoch wirklich sein werde, wisse heute noch niemand. Diedrich: „Das war bei den bishe­rigen Stufen auch so.“ Die europäischen Bauund Landmaschinenhersteller jedenfalls erteilen der Einführung weiterer Abgasstufen eine klare Absage. VDMA-Geschäftsführer Schmid: „Eine weitere Verschärfung

der Gesetzgebung hält die Industrie weder aus umweltpolitischen noch aus volkswirtschaftlichen Gesichtspunkten für sachdien­ lich.“ Die Entwicklung und der Vertrieb von mobilen Arbeitsmaschinen und Traktoren wurden bereits in den letzten Jahren stark von den Anforderungen der europäischen Abgasgesetzgebung bestimmt. Dieser Einfluss wird mit der Einführung der Abgasstufe IV massiv zunehmen, da nicht mehr der Motor alleine, sondern auch verschiedene Komponenten zur Abgasnachbehandlung und deren Einbaubedingungen eine erhebliche Rolle spielen werden. Mit der Abgasstufe TIER 4 final sind ab 2014 nur noch rund 10 % der Ruß- und NOx-Emissionen (im Vergleich zu den Grenzwerten der TIER IIIA) zulässig. Im Zuge der weltweiten Anstrengungen, CO2-Emissionen zu reduzieren müssen auch Baumaschinen, landwirtschaftliche Arbeits­maschinen und Nutzfahrzeuge ihren Beitrag leisten.

Zauberwort „Downsizing“ Ein Weg den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors, und damit die CO2-Emissionen zu reduzieren, ist die Verringerung des Hubraums, das so genannte Downsizing. Der Motor arbeitet – insbesondere in Verbindung mit einer reduzierten Anzahl von Zylindern – mit weniger Reibungsverlusten und in einem verbrauchsgünstigeren Betriebsbereich. Prinzipiell lassen sich fast alle Verbrauchsreduzierungen auf die Zylinderbrennräume zurückführen. Hier wird in Bruchteilen von Sekunden die im Kraftstoff gebundene che-

mische Energie in mechanische Energie umgewandelt. Je effizienter diese Umwandlung abläuft, desto besser ist der Wirkungsgrad. Bis die Kraft an den Antriebsrädern ankommt, haben diverse Verluste am Energiestrom geknabbert. Genau dort setzt die Entwicklung an, um die Verluste und somit den Kraftstoffverbrauch zu senken. Motorenkomponenten-Zulieferer haben schon seit einiger Zeit Motoren entwickelt, die bis zu 30 Prozent verbrauchsoptimierter sind. Kernthema ist hier ebenfalls das Downsizing, flankiert von zahlreichen Techniken, die nach und


nach in die Serienfertigung einfließen könnten. Dazu zählen die vollvariable Ventilsteuerung, Direkteinspritzung, ein ausgeklügeltes Wärmemanagement, Hochdruckaufladung, bedarfsgerechte Steuerung der Nebenaggregate und eine noch präzisere Einspritzung. All diese Maßnahmen reduzieren die Verluste, ebenso wie reibungsreduzierte Lagerungen an den Ausgleichsund Nockenwellen, Leichtbauventile, reibungsoptimierte Kolbenringe und erhöhte Abgasrückführraten. Die Technik der Bau- und Landmaschinen hat sich in den letzten Jahren nicht grundlegend verändert. Einige Veränderungen an Design und Maschinen-Motorisierung sind natürlich eingetreten. Moderne Motoren-Technik und effizientere Dieselmotoren in Verbindung mit Elektronik und Computer-Technik wird heutzutage überwiegend eingesetzt. Durch das gestiegene Umweltbewusstsein und die höheren Anforderungen an die Leistung der Dieselmotoren wurde in diesem Bereich der Arbeitsmaschinen-Technik sehr viel getan.

Nicht die Maschine allein bestimmt die Zukunft, auch Bedarf und Nachfrage sowie Wirtschaftlichkeit sind wichtige Faktoren.

Wettstreit der Antriebstechnik Der Wettstreit zwischen Elektrofahrzeugen und Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ist kein neues Thema: Bereits im Jahr 1912 produzierten rund 20 Fahrzeughersteller fast 34.000 Elektrofahrzeuge. Das EFahrzeug konnte vor allem durch seine leichte Bedienbarkeit punkten. Der Siegeszug des Verbrennungsmotors begann mit der Erfindung des elektrischen Anlassers. Mit der Kurbel zum Anlassen entfiel auch der bisher entscheidende Bedienvorteil. Rund 100 Jahre später steht die Fahrzeug- und Arbeitsmaschinenindustrie wieder vor der Frage, ob der Verbrennungsmotor weiterhin die richtige Antriebsform ist. Die Vorteile des Elektroantriebs sind unbestritten: Das reine Elektrofahrzeug ist leise und glänzt durch ein hohes Anfahrdrehmoment. Hauptargument für die Elektrifizierung des Antriebsstrangs ist jedoch die vermeintliche Emissionsfreiheit. Beispielsweise versehen Automobilhersteller ihre Prototypen gern mit „Zero-Emission“-Markierungen. Hier muss nun klargestellt werden, dass Elektrofahrzeuge nur lokal emissiwww.HATZ-DIESEL.com

Es ist Zeit für eine neue Generation.

Weltpremiere für den neuen wassergekühlten Turbodieselmotor 4H50TIC mit Common-Rail-Technologie und externer Abgasrückführung. Kompakt, leicht, sparsam, robust und umweltverträglich: So präsentiert sich ab 2014 die neue H-Serie. Sie besticht durch Laufruhe, Dynamik und Wartungsfreundlichkeit. Der konstant niedrige Kraftstoffverbrauch über einen breiten Lastbereich setzt Maßstäbe.

NewHollands Prototype des Traktors NH2 mit Brennstoffzellenantrieb.

CREATING POWER SOLUTIONS.


Thermische Antriebstechnik

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onsfrei sind! So ist in Deutschland das CO2-Reduktionspotential von Elektrofahrzeugen mit dem heutigen Strommix begrenzt. CO2-freie Atomkraftwerke sollen abgeschaltet werden und Projekte zur CO2-freien Kohleverstromung durch CO2-Abspaltung und Einlagerung unter Tage stoßen auf massiven Widerstand. Der dringende Ausbau der Stromnetze zur Durchleitung des CO2-freien Windstroms von See lässt noch lange auf sich warten. So wird es noch lange dauern bis ein CO2-freies Elektrofahrzeug flächendeckend verfügbar sein könnte. Das Hauptproblem der E-Fahrzeuge ist heute wie vor 100 Jahren der Energiespeicher. Fossile Kraftstoffe überzeugen weiterhin durch ihre hohe Energiedichte. Auch wenn die Batterien der neuesten Entwicklungen ihre Vorgänger in der Energiedichte mittlerweile um den Faktor zehn übertreffen, glänzt der Dieselkraftstoff mit einer immer noch 40 Mal höheren Energiedichte. Mögliche Batterietechniken wie Lithium-Luft, die diese Lücke vielleicht reduzieren könnten, sind noch im Forschungsstadium.

Zukunftstrend: Elektrische Antriebe Experten sind sich einig: Elektrische Antriebe besitzen viele Vorteile und werden zukünftig mehr und mehr an Bedeutung auch in der Landtechnik gewinnen. Elektrische Antriebe sollen gegenüber konventionellen Konzepten deutlich Vorteile für die Landtechnik haben. Dieser Einschätzung waren mehr als 100 Experten aus Agrarwirtschaft und Landtechnik, die zu einem Kolloquium „Elektrische Antriebe in der Landtechnik“ des Verbands Deutscher Ingenieure (VDI-MEG) in Dresden zusammengekommen waren.

Eine Brennstoffzelle für einen Traktor

Schematische Darstellung des NH2Traktors, die insbesondere auf Lage und Aufbau des Brennstoffzellenantriebs eingeht. „Elektrische Antriebe haben einen hohen Wirkungsgrad, bieten sehr gute Steuer- und Regelungsmöglichkeiten und können damit die Funktionalität und den Prozesswirkungsgrad von Landmaschinen und -geräten deutlich verbessern“, resümierte Prof. Thomas Herlitzius von der TU Dresden. Bei gesteiger­ter Effizienz und erweitertem Funktionsum­ fang werde gleichzeitig der CO2-Ausstoß mobiler Landmaschinen deutlich reduziert.

Kein Verdrängungswettbewerb Branchenexperten sind sich jedoch einig, dass der elektrische Betrieb die bisherigen hydraulischen und mechanischen Ausführungen nicht verdrängen, sondern ergänzen wird. Denn je nach Bodenbeschaffenheit und auszuführender Arbeit sind die Anforderungen an die Maschinen völlig verschieden. Für jede Tätigkeit muss die optimale Betriebsart ermittelt werden, daher auch der hohe Anspruch an Flexibilität zukünftiger Traktoren.

Zukünftige Arbeitsmaschinen werden möglicherweise nicht mehr mit Dieselmotoren als Antriebsaggregate ausgestattet sein. Maschinenentwickler spielten mit der Idee, Gasturbinen zu benutzen, einigten sich jedoch dann auf Brennstoffzellen, mit denen die dem Wasserstoff innewohnende Energie in Strom verwandelt werden kann. Ein «grünes» Konzept, bei dem als einziges Abfallprodukt Wasser anfällt. Brennstoffzellen sind wie Batterien, altern aber nicht, solange Wasserstoff zugeführt wird. Der Landmaschinen-Hersteller NewHolland hat den ersten Prototypen eines BrennstoffzellenTraktors, NH2, im letzten Jahr der Öffentlichkeit vorgestellt. Diese Brennstoffzelle ist allerdings noch in der weiteren Entwicklung. Für den Antrieb einer Baumaschine rechnet man damit, dass eine Brennstoffzelle benötigt würde, die in etwa der Größe zweier Reisekoffer entspricht. Dies würde mehr Freiraum dort bedeuten, wo üblicherweise der Dieselmotor sitzt, nämlich im Oberwagen, deswegen auch eine besondere Formgebung in diesem Bereich.

Schritte zu einer emissions­ freien Mobilität In den nächsten zwanzig Jahren wird der Verbrennungsmotorenantrieb wohl nicht von der Elektromobilität abgelöst werden. Bei Verbrennungsmotoren gibt es noch erhebliches Potenzial hinsichtlich Effizienz und Kraftstoffeinsatz (Einsatz von Substi-


tuten wie zum Beispiel Ethanol oder GTL). Gerade in Kombination bei Hybridanwendungen sind Verbrennungsmotoren in den nächsten Jahren noch die vorherrschende Grundlage für effiziente Antriebe. Gasmotoren für den Einsatz in schweren LKW’s im Verteiler- sowie Kommu­ nalverkehr sind beispielsweise bei dem schwedischen Fahrzeug- und Motorenhersteller Scania seit rund zwei Jahren verfügbar. Die ScaniaMotoren wurden für den Betrieb mit Biogas (CBG), Erdgas (CNG) oder einer Mischung aus beiden entwickelt. Auch der österreichische Landmaschinenund Motorenhersteller Steyr präsentierte auf der Landtechnik-Messe Agritechnika 2011 erstmals den Prototypen eines Traktors mit Erd- bzw Biogasantrieb. Der Profi 4135 Natural Power besitzt einen speziellen Mono Fuel Motor und punktet mit Energie-Effizienz und sauberen Abgasen. Insbesondere für landwirtschaftliche Betriebe mit eigener Biogas-Produktion ist dieser Traktor eine ideale Alternative. Nach Firmenangaben ist die Markteinführung des Biogas-Traktors für 2015 geplant.

Effizienzsteigerung, Elektrifizierung und parallel die Entwicklung von Elektromobilität sind Schritte zu einer emissionsfreien Mobilität. Hierbei ist ein CO2-neutralerer Strommix die Voraussetzung für die reale Klimawirksamkeit von mit Elektromotoren angetriebenen Maschinen. Maßgebliche Größe für Kosten und Reichweite von EFahrzeugen bleibt nach wie vor die Batterietechnik.

Zusammenfassung Es gleicht aus heutiger Sicht einem Blick in die gläserne Kugel, wollte man Konkretes in der weiteren Entwicklung des Verbrennungsmotors sagen:

Viele Unwägbarkeiten, Unsicherheiten und Unschärfen, viele technologische und politische Einflussfaktoren verhindern mögliche Basisannahmen von Prognosen und Szenarien Der Verbrennungsmotor wird unsere Gesellschaft auch in den kommenden Jahrzehnten begleiten. Der Elektromotor wird den Verbrennungsmotor nicht ersetzen, sondern sinnvoll ergänzen Autor: Dipl.-Ing. Peter Pospiech, TechTexVerlag GmbH & Co. KG, Redaktion Nord Bilder: Scania, NewHolland, Steyr, POW

Steyr‘s neuer Traktor, Profi 4135 Natural Power, mit Erdgas bzw Biogas-Motor.

info TechTex-Verlag GmbH & Co. KG · Redaktion Nord · Peter Pospiech, Dipl.-Ing. 26817 Rhauderfehn · Fon: +49 (0) 49 52-8 26 90 87 · pp@techtex-verlag.com

Pow 02 2013 s8 11 fachbeitrag dieselmotoren  
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