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Mehr Kraft – weniger Emissionen

Mobile Motoren sind hocheffizient

Während zahlreiche Motorenhersteller stolz ihre neuesten hochmodernen Dieselmotoren präsentieren, die mehr leisten, weniger verbrauchen und sehr schadstoffarm seien, droht am Himmel bereits der nächste Regenguss: Die Euro-Abgasstufe V für Non-Road-Maschinen.

Zunächst einmal sollte man grundsätzlich zwischen den Non-Road-Abgasstufen (I bis zur zukünftigen V) sowie den On-Road- (den bekannten Lkw-) Abgasgrenzwerten nach Euro I bis aktuell VI (also ohne den kleinen Zusatz "Stufe"; im englischen: "Stage") unterscheiden.

Im Non-Road-Bereich wurde es in Bezug auf Abgastechnik besonders ernst mit der EU-Stufe III (A und B), dann EU-Stufe IV / US EPA Tier 4 interim sowie anschließend noch final. So bekamen die Hersteller von Non-Road-Dieselmotoren und Kommunalmaschinen sowie deren Kunden in kürzester Zeit einen Crashlehrgang für Abgastechnik serviert. Noch vor wenigen Jahren erhielt man auf eine Frage nach Abgastechnik bei Dieselmotoren auf diversen Fachmessen ein hilfloses Achselzucken. Wenn man als Besucher großes Glück hatte, war ein Experte aus der Forschungs- und Entwicklungsabteilung zufällig anwesend. Doch kurze Zeit später wurde bereits recht kenntnisreich von AGR (Abgasrückführung), DOC (Dieseloxidationskatalysator), DPF (Dieselpartikelfilter) sowie SCR (Selektive Katalytische Reduktion) gesprochen; selbst von einfachen Vertriebsmitarbeitern.

Euro-Stufe-V: Partikelmasse und Partikelanzahl runter!

Obwohl die meisten Hersteller und Kunden inzwischen das Einmaleins der Abgastechnik recht gut beherrschen, dürfen sie sich in Zukunft schon auf eine neue Inspirationsquelle einstellen: Die Euro-Abgasstufe V für Non-Road-Maschinen. Ja, sie wird definitiv kommen und zwar voraussichtlich schon ab dem 1. Januar 2019. Der Termin steht nahezu fest, die konkreten Abgasgrenzwerte dagegen noch nicht. So können sich die Entwickler aktuell schon mal seelisch auf diesen Zeitpunkt einstellen, leider nur nicht auf ganz konkrete Vorgaben. Kleinmotoren (weniger als 19 kW), welche bis dato von Abgasgrenzwerten komplett verschont wurden, werden mittels EU-Stufe V wohl ebenso reglementiert, wie die ganz großen Non-Road-Brocken mit Leistungen von über 560 kW, die in Europa bisher ebenfalls keine Abgasgrenzwerte einzuhalten brauchten. Beides ist allerdings zwingend geboten, denn Kleinmotoren sind millionenfach im Einsatz und Großmotoren weisen von Haus aus schon riesige Emissionswerte auf. Allein Mini-DOCs, also Dieseloxidationskatalysatoren, werden in kleinsten Größen schon jetzt recht kostengünstig angeboten und Kleinmotoren, die damit bestückt sind, schonen die Umwelt und vor allem den Bediener erheblich (nicht nur beim Rasenmähen oder bei Kettensägen- und Laubbläsearbeiten). Und ob ein riesengroßer, sehr leistungsstarker Radlader oder Kran, der Hunderttausende an Euro kostet, wirklich sehr viel teurer wird, wenn er mit einem Abgassystem bestückt ist, dürfte eher zu bezweifeln sein. Das merkt man als Kunde doch kaum und die moderne Abgastechnik arbeitet inzwischen recht klaglos.

Bei den gängigen Motoren mit Leistungen von 56 bis 560 kW wird sich vor allem bei der Partikelmasse und (ganz neu) bei der Partikelanzahl etwas ändern. Besonders die Festlegung der Partikelanzahl stößt vielen Motorenherstellern sauer auf, denn das bedeutet in der Regel, dass ein DPF zwingend einzubauen ist. Bei vielen Kommunalfahrzeugen ist das dank (On-Road) Euro VI inzwischen tagtägliche Praxis und die Abgastechnik seit langem bewährt. Ergo dürfte es auch für Produzenten von Non-Road-Motoren keine allzu großen Schwierigkeiten darstellen. Immerhin verbauen zahlreiche Non-Road-Motorenhersteller bereits heute tausende DPF und verfügen daher über ausreichende Erfahrungen.

So proklamierte die Deutz AG, Köln, ein renommierter Hersteller von Dieselmotoren für die Agrar-, Bau- und Forstwirtschaft sowie andere Branchen, bereits in 2015, dass deren Motoren die kommende Abgasnorm EU-Stufe-V erfüllen täten. Zumindest wären sie darauf vorbereitet. Inzwischen gilt das für alle Motoren im Bereich 2,2 bis 16 Liter Hubraum. Dank ihres modularen Systembaukastens zur Abgasnachbehandlung mit der Abkürzung "DVERT" (Deutz Variable Emissions-Reduktions-Technologie) lassen sich ihre Motoren mit einem Dieselpartikelfilter ausrüsten und somit dürften diese die zukünftigen Grenzwerte sicher einhalten. Wollen wir dann mal hoffen, dass die Bürokraten in Brüssel nicht noch ein anderes Abgasei ausbrüten. Die Finalisierung der Regelung wird nämlich erst in 2016 erwartet.

Die Kölner hatten bereits für die vierte Abgasstufe (EU-Stufen IIIB und IV sowie US EPA Tier 4 interim und final), welche 2014 eingeführt wurden, mehrere Motoren komplett neu entwickelt und dabei wurde eine moderne Abgasnachbehandlung gleich mit implementiert. Mit Hilfe eines geschlossenen Dieselpartikelfilters sollen diese Motoren die EU-Stufe-V sicher erfüllen. Für die OEM-Kunden bedeutet dies, dass sie keine kostspieligen Änderungen zur Erfüllung der nächsten Emissionsstufe berücksichtigen müssen, da die Baugröße sowie die Ausführung der Motoren nahezu identisch blieben. Darunter fallen alle TCD-Motoren im Bereich von 2,2 bis 16 Liter Hubraum mit DPF. Auf der bauma 2016 in München wurden verschiedene neue Motoren vorgestellt. So wird ein kleiner Dreizylinder mit Leistungen von 22 bis 56 kW, der TCD 2.2 ebenso kommen wie zwei Gasmotoren (G 2.2 und G 2.9). Noch interessanter, vor allem auch für die Forstbranche, dürfte das Motorenprojekt TCD 5.0 sein. Hierbei handelt es sich um einen sehr kompakten 5-Liter Dieselmotor mit Leistungen von 100 bis 150 kW. Einbaumaße und Kundenschnittstellen sind mit dem TCD 4.1 beinahe identisch. Eine Anpassung dürfte somit kaum Schwierigkeiten bereiten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Antrieben zeichnet sich der neue TCD 5.0 durch eine besonders verrohrungsarme Konstruktion aus. Das ganze "Rohrgewurschtel", welches manche Motoren auszeichnet, entfällt bei diesem. Damit dürfte er noch einbaufreundlicher sein; wichtig auch beim Service.

Euro-Stufe-V bereits eingebaut

Abgesehen von den Emissionswerten entwickelten die Kölner ihre Motoren konsequent weiter inklusive einem geringen Kraftstoffverbrauch. Alle Motoren mit DPF sind zudem ohne zusätzliche Funkenfänger nach EN 1834 zertifiziert, was auch deren Einsatz an Orten mit erhöhter Brandgefahr ermöglicht.

Deutz-Dieselmotoren sind in vielen Kommunalfahrzeugen anzutreffen. So sind Teleskop- und Radlader von Manitou mit diesen Maschinen bestückt oder Teleskoparbeitsbühnen von Genie (Terex-Konzern). Ebenso die bekannten Gabelstapler aus dem Kion-Konzern (Linde Material Handling, Still, OM Charrelli Elevatori und andere) sowie die von Clark und Linde werden von den Kölnern Dieselmotoren angetrieben. Im Baumaschinenbereich ist die Kundenliste noch länger. So setzen Atlas Copco, Bomag, Hamm, Liebherr, Terex, Wacker-Neuson, Wirtgen, Vögele und andere mehr die leistungsstarken und besonders kompakten Dieselmotoren aus dem Rheinland ein.

Ebenfalls kleinere Unternehmen wie die norddeutsche Hansa-Maschinenbau lassen ihre Maschinen wie den Kommunal- und Friedhofsbagger APZ 331 / 531 H von einem kraftvollen 4-Zylinder-Deutz-Motor antreiben.

Aufs richtige Einspritzsystem kommt es an!

Common-Rail lautet das Zauberwort für besonders sparsame, leistungsfähige und emissionsarme Dieselmotoren. Die wenigsten wissen allerdings, dass Fiat Powertrain (FPT) der Erfinder des Common-Rail-Systems ist und nicht etwa Bosch. Die Fiat-Ingenieure im Schweizer FPT-Entwicklungszentrum in Arbon hatten dieses in den 80er Jahren entwickelt gehabt. Viele dieser Ingenieure halten es noch heute für einen Fehler, ihre Erfindung 1993 an Bosch verkauft zu haben - nicht nur wegen des Prestiges. Mit Case, New Holland (CNH Industrial) aber auch Iveco sowie Iveco Astra spielt der Fiat-Konzern im Baumaschinen- und Kommunalfahrzeuggeschäft sehr stark mit. Ein Großteil der Motorenproduktion von FPT geht jedoch an externe Kunden. Die Motoren der Cursor-Baureihen (8,7 und 12,9 sowie 16 Liter Hubraum) mit Leistungen zwischen 175 und 500 KW werden dort eingesetzt, wo hohe Leistungen bei kompakten Abmessungen, ein besonders gutes Lastansprechverhalten sowie niedrigsten Kraftstoffverbrauch gefragt sind. Hohe Zuverlässigkeit, lange Wartungsintervalle bei niedrigen Betriebskosten sollen ebenfalls gegeben sein.

Nach Ansicht der Italiener verringert der Einsatz eines AGR-Systems zwar die Stickoxid- (NOx-) Emissionen in der Brennkammer durch die Abgasrückführung, allerdings erhöht sich dadurch der Rußpartikelanteil. Diese erhöhten Rußpartikelemission des Motors machen eine Zwangsregeneration des eingebauten Dieselpartikelfilters (DPF) notwendig. Aus diesem Grund arbeiten die Italiener bei verschiedenen Dieselmotoren entweder nur mit einem SCR-System oder mit einem SCR-System plus passivem Partikelfilter (beispielsweise einem Nebenstrom-Tiefenfilter vom Typ PM-Metalit von Emitec, Lohmar). Die verbleibenden Rußpartikel werden im passiven DPF und die NOx im SCR-System verringert, während sich Kraftstoffverbrauch, Leistung und Zuverlässigkeit dadurch verbessern. Die sogenannte HI-eSCR-Technologie  (steht für High Efficiency Selective Catalytic Reduction) kann nach Herstellerangaben die NOX-Emissionen um mehr als 95% verringern; marktüblich sind nach FPT-Aussagen 80 bis 85 %. Inklusive den Iveco-Lkw-Motoren gemäß Euro VI sind seit 2005 damit schon mehr als 400.000 Motoren ausgestattet; ausreichende Erfahrungen also gegeben.

Viele extrem motornahe Komponenten wie beispielsweise die Vor-Turbolader-Katalysatoren haben die Abgasspezialisten aus dem Rheinland bereits entwickelt und zum Einsatz gebracht. Hierzu kann auch die aktuelle Entwicklung für die neuen 4-Zylindermotoren vom Typ F5 3,4 Liter Hubraum (86 kW) von Fiat Powertrain (FPT) zählen. Um die Grenzwerte nach US Tier 4 final sicher zu erfüllen, wurde ein motornah angeordneter Partikelfilter vom Typ PM-Metalit eingesetzt. Dieser kontinuierlich regenerierende DPF weist eine besonders hohe Betriebssicherheit aus, welche vor allem bei Baumaschinen und Traktoren gefragt ist. Die Motorsteuerung reagiert auf die Betriebsweise und stellt eine optimale Funktion des Motors mit niedrigsten Emissionen unter allen, auch den extremst denkbaren, Betriebsparametern sicher. Das Filter baut sehr kompakt und kann daher unmittelbar am Motor angeflanscht werden. Es ist wartungsfrei und benötigt keine Zwangsregeneration. Die hohe Filterwirkung wird auch nach langen Betriebszeiten noch erreicht. Eine pfiffige Abgasreinigungslösung, welche vor allem für Bau- und Kommunalmaschinen, bei denen kein zweiter Betriebsstoff (AdBlue) verwendet werden soll, bestens geeignet ist.

Besonders saubere Reinigungsmaschinen

Die norddeutschen Hako-Werke setzen in ihren Reinigungsmaschinen sowie Kommunalfahrzeugen sehr gerne die italienischen Dieselmotoren ein. So erfüllt der neue Multicar M31 mit seinem FPT-Turbodiesel Großserienmotor die On-Road-Emissionsnorm Euro VI. Das SCRT Abgasreinigungssystem mit Katalysatoren und Partikelfilter sorgt für optimale Emissionsreduzierung ohne unangenehme Gerüche. Die Stickoxidemission wird um über 90 % reduziert, die Partikelemission um über 95 %.

Die Multicar Fumo-Baureihe ist mit einem 3-Liter Iveco F1C-Turbodieselmotor
bestückt, der 107 kW (145 PS) bei 3.500 U/min. leistet und über ein maximales Drehmoment von 320 Nm bei 1.400 U/min. verfügt. Die Multicar Fumo-Fahrzeuge erfüllen die On-Road-Abgasnorm Euro V und EEV mit Partikelfilter im geschlossenen System.

Die norddeutsche Hansa-Maschinenbau wiederum setzen neben den 4-Zylinder-Deutz-Motoren in ihren Kommunal- und Friedhofsbaggern APZ 531 / 531 H die leistungsstarken Iveco-Motoren mit 110 kW (150 PS) ein.

Nach Cummins (rund 1,2 Millionen Dieselmotoren pro Jahr) ist Isuzu mit 780.000 Motoren noch vor Yuchai (720.000) sowie FPT mit 670.000 Einheiten pro Jahr der zweitgrößte Dieselmotorenhersteller der Welt. Für die modernen Isuzu 4LE2-Motoren entwickelte Emitec einen hocheffektiven Dieseloxydationskatalysator (DOC), welcher die schädlichen Abgaskomponenten CO und HC bis nahe Null reduziert. Dank der turbulenzerzeugenden Metallfolienstruktur lassen sich selbst die Partikelemissionen so weit absenken, dass die Grenzwerte nach US Tier 4 final sicher eingehalten werden. Die Stickoxidlimits konnten durch innermotorische Maßnahmen wie Common Rail und einer fein abgestimmten Abgasrückführung (AGR) sicher eingehalten werden. Das DOC-System ist direkt in den Abgasschalldämpfer eingeschweißt. Es benötigt daher keinen weiteren Bauraum. Das Gewicht bleibt gering und die robusten Metallträger können direkt am Turboladeraustritt angeordnet werden. Die dünnen Metallfolien zeichnen sich durch einen sehr geringen Druckverlust aus, weshalb sich der Motor durch seinen niedrigen Verbrauch auszeichnet. Die Abgasreinigung arbeitet kontinuierlich, was besonders für kleinere Motoren eine optimale Lösung darstellt.

Ricardo ist ein britischer Ingenieur-Dienstleister mit rund 2.300 Mitarbeitern und einer deutschen Niederlassung in Schwäbisch-Gmünd. Neben der österreichischen AVL in Graz, der deutschen FEV in Aachen sowie dem US-amerikanischen Southwest Research Institut (SwRI) sind die Briten führend im Bereich Motoren- beziehungsweise der Antriebsentwicklung allgemein (inklusive Hybridtechnologie). Die Optimierung der Effizienz und Produktivität von Arbeitsmaschinen, deren Emissionsreduzierung sowie die Einhaltung der Abgasgrenzwerte für alle Märkte zu geringsten Kosten sind einige ihrer Tätigkeitsgebiete. Die Briten unterstützten unter anderem JCB, um den, nach ihren Aussagen, "saubersten Non-Road-Motor der Welt" zu entwickeln. Die neuen 4- und 6-Zylinder-Motoren von JCB vom Typ Ecomax 444 sind hinsichtlich Kosten und Leistungsfähigkeit nach deren Aussagen im Spitzenfeld der Konkurrenz angesiedelt. Die Leistungsbandbreite reicht von 55 bis zu 129 kW. Bezüglich Geräusch und Vibrationen sind sie "best in class" gemäß der Ricardo Datenbank und sie zeichnen sich zudem durch die niedrigsten Kosten für den Zylinderkopf in dieser Klasse aus. Das neue Motorenwerk von JCB in Derbyshire / England verfügt darüber hinaus über Kapazitäten für neue Motoren bis 300 kW.

Doosan sowie deren Tochter Bobcat arbeiten ebenfalls mit Ricardo eng zusammen. Die von der Doosan Infracore Engine Business Group gebauten Motoren ohne DPF sind seit 2015 in verschiedenen Bobcat-Maschinen anzutreffen. Die Motoren werden in Bobcat-Ladern der Plattformen 500 bis 800 verbaut. Es gibt dann drei Motormodelle zwischen 37 kW (51 PS) bis 74 kW (100 PS) mit Hubräumen von 1,8, 2,4 und 3,4 Litern. Bobcat hat sich für Motoren ohne DPF entschieden, da sie die langfristigen Kosten für Stufe IIIB-/Stufe IV-konforme Ersatzteile und Wartungsmaßnahmen minimieren. Motoren ohne DPF sind einfacher aufgebaut, benötigen einen geringeren Platz und sind weniger anfällig für thermische Schäden (dies betrifft nur die Keramik-DPF). Zudem haben sie einen geringeren Wartungsaufwand und einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch. Je nach Motorgröße lässt sich unter Umständen auch hinsichtlich der kommenden EU-Abgasstufe V auf einen Partikelfilter ganz verzichten. Zwingend vorgeschrieben sind die DPFs nämlich nicht.

Keine Kommunaltechnik ohne Unimog

Oder anders ausgedrückt (frei nach Loriot): Ein Leben am Bauhof ist ohne Unimog möglich, aber eigentlich sinnlos. Rundum verbessert, sind die neuen hochgeländefähigen Unimogs von Mercedes-Benz unterwegs. Bei den Modellen U 4023 und U 5023 kommt der neue drehmomentstarke BlueEfficiency Power BlueTec Euro-VI-Motor, ein Vierzylinder (Typ OM 934) mit einem Hubraum von 5,1 Liter, einer Leistung von 170 kW (231 PS) und einem Drehmoment von 900 Nm zum Einsatz. Im Vergleich zu den bisherigen Motoren nach der Lkw-Abgasnorm Euro-V konnten die Stickoxid- sowie die Rußemissionen beim neuen um 90 % gesenkt werden.

Das Unimog Getriebe wurde optimiert und leistungsgesteigert, so dass die Schaltzeiten bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer nunmehr kürzer sind. Wie bisher stehen acht Vorwärts- und sechs Rückwärtsgänge zur Verfügung. Zudem gibt es auf Wunsch eine spezielle Geländegruppe für Offroadeinsätze im Geschwindigkeitsbereich zwischen 2,5 und 35 km/h. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Typen liegt in den Achslasten und dem Gesamtgewicht. Beim U 4023 beträgt letzteres maximal 10,3, beim U 5023 sind es maximal 14,5 Tonnen. Beide Typen verfügen über den gleichen Radstand von 3.850 mm. Nach wir vor werden diese Unimogs als Spezialfahrzeuge oder Zugfahrzeug im Kommunal- aber auch im Forstbereich sehr gerne eingesetzt. Die modernen Motoren lassen sich zukünftigen Abgasnormen einfach anpassen, so der Hersteller.

Herstellerübersicht / Internetadressen:

www.bobcat.com

www.deutz-stagev.com/de/

www.doosaninfracore.com

www.emitec.com

www.fptindustrial.com

www.jcb.com

www.neuerunimog.com

www.rrpowersystems.com

www.terex.com

www.ricardo.com

Infos zu den aktuellen und zukünftigen Abgasgrenzwerten bietet der VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau): http://www.vdma.org

Text: Robert Ruthenberg - Redaktion Bauhof-online.de
Bilder: Robert Ruthenberg, MTU, Friedrichshafen, Emitec, Lohmar, VDMA, Frankfurt

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