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Abgastechnologie bei Non-Road- Fahrzeugen – wer bietet was?

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Maschine und Technik
Caterpillars neuer Kettenbagger 336E
gemäß zukünftiger EU-Stufe IIIB/ US
Tier 4.
Foto: Zeppelin Power Systems
Abgastechnologie bei Non-RoadFahrzeugen – wer bietet was?
Non-Road-Fahrzeuge in der Pflicht: Seit Anfang des Jahres gelten in der Europäischen Union verschärfte Abgasvorschriften für
neue Motoren in Fahrzeugen, die in Kiesgruben und Steinbrüchen unterwegs sind. Unser Autor vermittelt einen Überblick
über die Strategien der Motoren- und Baumaschinenhersteller,
um den neuen Anforderungen gerecht zu werden.
NNN Nachdem sich die Abgasgrenzwerte
für Pkw und Lkw schon seit Jahren auf
niedrigem Niveau befinden, werden diese auch bei Non-Road-Fahrzeugen inzwischen stetig reduziert. Je nach Motorgröße
reicht das Spektrum der Abgastechnik von
innermotorischen Lösungen über Partikelfilter bis hin zu SCR-Systemen. Besonders
aufwändig wird es, wenn 2014 die Euro
Stufe IV kommt.
Gilt derzeit für die verschiedenen
Motor-Leistungsklassen
überwiegend
die Euro Stufe IIIA, müssen Motoren für
Non-Road-Fahrzeuge mit Leistungen von
130 bis 560 kW bereits seit Beginn dieses
Jahres die Euro Stufe IIIB erfüllen. Diese
EU-Richtlinie halbiert im Vergleich zur
Euro Stufe IIIA die Grenzwerte bei den
32
Steinbruch und Sandgrube 2/2011
Stickoxiden (nunmehr 2 g/kWh) und reduziert die Partikelgrenzwerte von 0,2
auf immerhin 0,025 g/kWh. Das ist auch
angebracht, denn Non-Road-Fahrzeuge
tragen zu rund 50 % an dem vom Verkehr
verursachten Rußpartikel-Feinstaub bei.
Warum Motoren mit Leistungen über 560
kW nicht reglementiert werden, weiß allein der Gesetzgeber. Anders in den USA,
wo derzeit die Tier 4 interim aktuell ist,
bei der auch solche großen Motoren mit
(allerdings etwas lascheren) Grenzwerten
bedacht wurden.
Interessant ist auch der neue Prüfzyklus NRTC (Non-Road Transient Cycle).
Dieser gilt für alle Baumaschinen sowie
andere Fahrzeuge, die abseits der Straßen
unterwegs sind wie Forst- und Landma-
schinen mit Verbrennungsmotor. Hierbei
handelt es sich um einen dynamischen
Abgastest. Er dauert 20 Min. und hat eine
„Kalt“-Gewichtung von 5 % sowie eine
„Warm“-Gewichtung von 95 %. NRTC gilt
für die USA im Rahmen von Tier 4 zur
Messung der Partikel- und gasförmigen
Emissionen. In der EU ist dieser ab den
Abgasstufen IIIB und IV verbindlich.
Vor allem zur Erfüllung der Abgasgrenzwerte gemäß Euro Stufe IIIB und vor allem
Euro Stufe IV werden wohl überwiegend
SCR-Systeme, also die Technik der Selectiven Catalytischen Reduction eingesetzt,
denn mit ihrer Hilfe kann der Kraftstoffverbrauch um bis zu 15 % gesenkt werden.
Durch Neueinstellung der Motorkennlinien innerhalb der Motorsteuerung lässt
sich dieses erzielen, denn die dadurch
erzeugten höheren Stickoxidanteile bei
magerem Motorbetrieb vermag das SCRSystem effektiv zu reduzieren. Zahlreiche
Praxisbeispiele haben gezeigt, dass sich
die Mehrinvestition in neueste Abgastechnologie dadurch nach spätesten zwei Jahren voll amortisiert hat und der Unternehmer danach sogar Geld verdient, dank des
sehr viel niedrigeren Kraftstoffverbrauchs
seiner neuen Arbeitsmaschine.
Da sich die Grenzwerte für Stickoxide,
Kohlenmonoxide sowie Rußpartikel zwi-
Großvolumiger Dieselmotor von MTU: Rund
16 l Hubraum, mit Leistungen bis 480 kW
unterschreitet die Abgasvorschriften EU IIIA
und US Tier 3.
Foto: Tognum / MTU Friedrichshafen
schen den diversen Leistungsklassen und
vor allem hinsichtlich der verschiedenen
EU-Stufen teils stark unterscheiden, setzen die Hersteller derzeit noch verschiedene Abgaslösungen für ihre jeweiligen
Motoren ein.
J
Deutz setzt auf den
Dvert-Systembaukasten
Die Deutz AG, Köln, stellt überwiegend
Dieselmotoren für Non-Road-Fahrzeuge
her. Schon vor einigen Jahren haben sich
die Kölner den Deutz Dvert-Systembaukasten ausgedacht. Dvert steht für „Deutz
Variable Emissions-Reduktions-Technologie“ und soll aussagen, dass für jeden
Motortyp nur so viel Technologie wie nötig
und nicht so viel wie möglich eingesetzt
werden soll. Die einzelnen Komponenten
reichen dabei von der Kraftstoffeinspritzung, der Motor- und Maschinenregelung übers Verbrennungsmanagement
bis hin zur Abgasrückführung (AGR),
dem Dieselpartikelfilter (DPF) sowie der
SCR-Technik. Der Kunde kann bei einem
bestimmten Motortyp dabei nicht nur die
Standardvariante ordern, sondern auf
Wunsch auch die Optionen zu einer wei-
teren, freiwilligen Abgasreduzierung. Das
hängt in erster Linie sicherlich davon ab,
wie lange das Fahrzeug auf dem Markt
bleiben soll. Welcher Fahrzeughersteller
will schon gerne im nächsten Jahr bereits
seinen Motorraum umkonstruieren.
Anhand der neuen 4-Zylinder-Reihenmotoren vom Typ TCD 3.6 L4, den die
Rheinländer erstmals auf der Bauma
2010 in München präsentierten, soll
dieses Prinzip näher erläutert werden.
Der Turbomotor TCD 3.6 L4 liefert je nach
Common-Rail-Einspritzdruck bei einer
Nenndrehzahl von 2 600 beziehungsweise 2 300 U/min eine Leistung von 55, 75
oder 95 kW sowie ein maximales Drehmoment von 330, 390 oder 480 Nm.
Die kleinere Ausführung ist serienmäßig lediglich mit einem Oxidationskatalysator ausgerüstet. Die beiden anderen
Standardausführungen werden mit einem
Partikeloxidationskatalysator ausgeliefert. Auf Wunsch kann der Kunde diese
Motoren wahlweise mit geschlossenem
DPF inklusive vorgeschaltetem Oxidationskatalysator und elektronischer
Drosselklappe bekommen. Der Oxidationskatalysator ist dabei unverzichtbar, will man eine Verstopfung des DPF
gerade bei niedertouriger Arbeitsweise
verhindern. Möchte der Kunde bereits
heute die EU-Emissionsstufen IV und
US-Emissionsstufe EPA Tier 4 final gültig ab 2014 erfüllen, wird zusätzlich ein
SCR-System als weiteres Modul aus dem
Dvert-Systembaukasten zur Emissionsreduzierung eingesetzt. Somit ist der Kunde
in der Lage, flexible und zukunftssichere
Abgaslösungen für die unterschiedlichen
Anforderungen zu schaffen.
Die wassergekühlten 4-Zylinder-Turbomotoren TCD 3.6 L4 mit ihren 3,6 l
Hubraum sind für kompakte Radlader, Teleskopstapler und andere mittelschwere
Bau- und Umschlagmaschinen geeignet.
Nach dem Abschluss eines neuen Vertrags
mit Volvo bleiben die Rheinländer auch in
Zukunft alleiniger Lieferant für alle mittelschweren Baumaschinen der Schweden.
Diese seit 1998 bestehende Kooperation
beinhaltet ebenso die Motorenentwicklung für Euro Stufe IV sowie US Tier 4
final. Zusammen mit dem Abgasspezialisten Eberspächer, Esslingen, und dem
führenden Automobilzulieferer Robert
Bosch hat Deutz zudem das Joint Venture
Extrem sauber dank SCRi: Caterpillar C18
Motor mit 705 PS.
Foto: Emitec, Lohmar
Bosch Emission Systems mitgegründet,
welches seit April 2010 am Start ist. Die
Abgasnachbehandlung nach dem Baukastenprinzip sowie komplette Systemlösungen für Bau- und Landmaschinen
sowie für Nutzfahrzeuge ist Ziel dieses
Joint Ventures.
J
Bei MTU sind bereits
Lösungen für 2014 in Sicht
MTU Friedrichshafen, vormals zum Daimler-Konzern gehörend, seit 2006 eine
AutomatikRückwand-Klappen
• für Muldenkipper aller Fabrikate
und Größen
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HF Hebetechnik-Fahrzeugbau GmbH
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Steinbruch und Sandgrube 2/2011
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Maschine und Technik
Tochter der ebenfalls in Friedrichshafen
ansässigen Tognum AG, stellt Motoren für
Non-Road-Anwendungen bis rund 3 000
kW her. Auf der Bauma-Fachmesse wurden erstmalig die zukünftigen Antriebe
im Leistungsbereich bis 730 kW für die
zukünftige US-Emissionsstufe EPA Tier 4
final (ab 2014) sowie die Motoren unter
560 kW für die Emissionsstufen EU Stufe
III B und EPA Tier 4 interim (ab 2011)
vorgestellt. Diese Motoren sind unter anderem in Baumaschinen wie Mobilkränen,
in Fahrzeugen im Untertagebergbau, in
Muldenkippern, Radladern oder Baggern
selbst in den größten Minen der Welt anzutreffen. „Wir können unseren Kunden
bereits heute schon die Lösungen für
2014 zeigen und werden die jeweiligen
Emissionsvorschriften sogar mit noch
niedrigerem Kraftstoffverbrauch erfüllen“, betonte auf der Bauma in München
im April 2010 Rainer Breidenbach, Tognum-Vorstand für den Geschäftsbereich
Engines.
Für die aktuelle EU Stufe III B und
EPA Tier 4 interim hat die Firma MTU die
Motoren im Leistungsbereich unter 560
kW mit einem speziellen SCR-Katalysator
ausgerüstet. Dieser soll den Fahrzeugherstellern die Möglichkeit eröffnen, eine
Umstellung ihrer Fahrzeuge und Geräte
auf die aktuelle Emissionsstufe mit geringst möglichem Aufwand vorzunehmen.
Dank der Magermischeinstellung, die bei
SCR vorzugsweise immer stattfindet,
konnte der Kraftstoffverbrauch nochmals
reduziert werden. Die Motoren der Baureihen 400, 500 und 900 im Leistungsbereich von 75 bis 480 kW basieren auf
Nutzfahrzeugmotoren von Mercedes-
Abgasvorschriften: EU-Non-Road-Richtlinie.
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Steinbruch und Sandgrube 2/2011
Kompaktes SCR- und DPF-System von Eberspächer.
Benz und werden von MTU gezielt für das
Non-Road-Anforderungsprofil ausgelegt.
J
Teure aber lohnenswerte
Entwicklungsinitiative bei Caterpillar
Den Systembaukasten im Kopf hatten auch
die Entwickler des weltweit größten Motoren- und Non-Road-Fahrzeugherstellers
Caterpillar - in Deutschland bekanntlich
von der Zeppelin Power Systems GmbH &
Co. KG, Hamburg, vertreten. Aus diesem
Grund nennen sie ihren AbgastechnikBaukasten Acert (Advanced Combustion
Emissions Reduction Technology).
Alle Produktentwicklungen, welche
die aktuellen Tier 4/Stufe IIIB repräsentieren, sollen laut Aussage von Caterpillar sogar die aufwändigste und teuerste
Entwicklungsinitiativen in der Geschichte des Unternehmens sein: „Von den 7,5
Mrd. US-Dollar, die unser Unternehmen
in den letzten sechs Jahren in Forschung
und Entwicklung investiert hat, ist ein
großer Teil in Tier 4 und
die damit verbundene
Lösung zur Reduktion
der
Abgasemissionen
bei gleichzeitiger Weiterentwicklung von Leistung und Langlebigkeit
der Motoren geflossen.“
Nun denn, wenigstens
kann die Motorentochter
Perkins auch von den
Cat-Entwicklungen profitieren. Bereits Anfang
2010 wurde in Illinois/
USA ein Prototyp des
neuen
Kettenbaggers
336E gezeigt, den es inzwischen als LN-Version
auch auf dem deutschen
Markt gibt. Alle anderen Maschinen der Leistungsklasse 130 bis
560 kW sollen dann bis
Ende 2011 von Zeppelin
auf den Markt gebracht
Bild: VDMA, Frankfurt
Bild: Eberspächer, Esslingen
werden. Sehr viel schneller sind die Amerikaner mit Bekanntgabe ihrer neuen
Preisstrategie. Um die hohen Kosten zu
decken, sollen die Preise für Produkte im
Leistungsbereich 130 bis 560 kW insgesamt um bis zu 12 % steigen. Die erste
Anhebung ist für Januar 2011 geplant und
soll ein Drittel der 12 % betragen.
J
Auch Motorenhersteller John Deere
spielt im Baumaschinensektor mit
Den Landmaschinenhersteller John Deere,
Bruchsal, dürfte jedem bekannt sein.
Doch nur wenige wissen, dass die John
Deere Power Systems, in Saran/Frankreich, als Non-Road-Motorenhersteller eine wesentliche Rolle im Baumaschinensektor im Leistungsbereich von 36 bis 448
kW einnimmt. Seit 1949 wurden mehr als
5 Mio. Dieselmotoren entwickelt, gefertigt
und an mehr als 700 OEM-Kunden auf der
ganzen Welt geliefert.
So hatten die Franzosen als erster Motorenhersteller die Vorteile der gekühlten
Abgasrückführung (AGR) sowie Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) für
Non-Road-Anwendungen genutzt und
diese Technologien bereits für die Emissionsvorschriften gemäß Stufe IIIA/Tier
3 eingeführt. Mit ihren Stufe IIIB/Tier 4
Interim-Motoren in der Klasse ab 56 kW
und darüber wollen die Franzosen dank
gekühlter Abgasrückführung und VGTTechnologien, den Kraftstoffverbrauch
auf dem gleich guten Niveau halten,
wie bisher. Diese Motoren arbeiten nach
Firmenangaben effizient auch mit ultraschwefelarmen Dieselkraftstoff sowie mit
Biodieselmischungen und bieten ebenso
die Flexibilität bei der Wahl des Brennstoffes. Bewusst wurde auf den Einbau von
SCR-Systemen verzichtet. Die Kosten der
zum SCR-Betrieb notwendigen Harnstofflösung AdBlue inklusive der notwendigen
Infrastuktur entfällt damit. Allerdings verschenkt man dabei den zusätzlichen bis
zu 15-prozentigen Kraftstoffverbrauchsvorteil. Nach Ansicht von Marketingleiter
John Piasecki soll „die gekühlte
Abgasrückführung unseren Kunden den besten Wert für Interim
Tier 4/Stufe III B bieten.“ John
Deere Power Systems setzt somit
auf AGR plus Partikelfilter. Dies
hat auch Einbauvorteile, denn
diese Motoren benötigen nicht
mehr Bauraum als die älteren
Varianten.
J
Emitec bietet Lösung
des „Bauraumproblems“
Das Bauraumproblem lässt
sich allerdings einfach lösen,
wenn man die SCRi-Systeme
der Emitec, einem der größten
Hersteller von Metall-Katalysatorträgern aus Lohmar, einsetzt.
Schon zur Agritechnica Ende
2009 präsentierten die Rheinländer einen Traktor vom Typ Same Deutz Fahr Agrotron 610 mit
SCR-System und integriertem
Partikelfilter, welches sehr wohl
unter die Motorhaube passte.
Sehr viel Platz war dort vorher
allerdings nicht vorhanden. Der
Grund für diesen Sys-temvorteil
Platz ist unter der kleinsten Haube:
SCRi-System von Emitec im Same
Deutz Fahr Agrotron 610.
Foto: Autor
liegt im Aufbau des SCRi begründet. Die Harnstoff-Flüssigkeit wird nämlich direkt auf
den PM-Rußfilter eindosiert. Die
Turbulenz erzeugenden, speziellen Metallfolienstrukturen des
Nebenstromfilters (grobzellige
Metalit-MX-Mischerstrukturen)
sorgen für eine optimale Verteilung des flüssigen Harnstoffes.
In den anschließenden SCRNOx-Reduktionsstufen ermöglicht das LS-Profil (Wellfolien mit
longitudinalen Strukturen) der
Metall-Katalysatoren eine bessere chemische Umsetzung an
der aktiven, nur mit Washcoat
beschichteten Oberfläche durch
erheblich verbesserten Stofftransport. Die perforierten Glattlagen (PE) der zweiten Kat-Stufe
unterstützen diesen Prozess aktiv und lassen zusätzlich einen
Konzentrationsausgleich
zwischen den einzelnen Strömungskanälen im Metallträger zu. Die
in ungünstigen Betriebszuständen möglichen Ammoniak-Emissionen können durch Einsatz von
kurzen Sperrkat-Scheiben sicher
verhindert werden.
Das SCRi-System der Rheinländer kommt ohne ständige
Regenerationsintervalle
bei
der Rußfilterung aus und ist
damit ideal für alle Non-RoadFahrzeuge mit ihren doch stark
schwankenden Arbeitszyklen beziehungsweise bei häufigen Arbeits-/ Fahrzyklen mit niedrigen
Drehzahlen. Aufgrund seines
einfachen Systemaufbaus (ein
Eingriff in die Motorsteuerung
ist nicht erforderlich) eignet sich
SCRi ebenso zur Nachrüstung.
Die hohe Effizienz der Dieselmotoren ist auch durch ihre
niedrigen Arbeitstemperaturen
bedingt, denn ihre Verlustwärme
ist damit sehr viel geringer. Niedrige Arbeitstemperaturen um
230 °C oder sogar weniger, die
vor allem im Niederlastbetrieb
teilweise unter jenen für die Katalyse mindestens notwendigen
Temperaturen liegen, schaffen
jedoch erhebliche Probleme
bei der Abgasnachbehandlung.
In ungünstigen Fällen könnte
der Einsatz von elektrisch beheizten Katalysatoren (E-Kats)
für Abhilfe sorgen. Emitec verfügt dank zwei erfolgreicher Serieneinsätze über ausreichende
Erfahrungen in der Großserie.
Beheizte Metall-Katalysatoren
sorgen nicht nur für eine Erhöhung der Arbeitstemperatur um
bis zu 100 °C, sondern durch
die Einspritzung der AdBlueHarnstofflösung auf den heißen
E-Kat wird eine nochmals verbesserte Verdampfung erzielt.
(Dipl.-Ing. Robert Ruthenberg)
MMM
! SUSA Wegweiser
www.deutz.de
www. www.mtu-online.com
www.zeppelin-cat.de
www.deere.de
www.emitec.com
Powered by Mercedes-Benz: Bell-Dumper erfüllen zukünftige Abgasvorschriften mit bewährter Motoren-Technologie.
Foto: Bell Equipment; MTU
SCR-Emissionstechnologie
eingeführt
Unerwartet groß war das Kundeninteresse an der Präsentation
der SCR-Emissionstechnologie,
die Bell gemeinsam mit seinem
Motoren-Lieferanten MTU offensiv in den Stand-Mittelpunkt der
letztjährigen Bauma stellte. Was
seinerzeit noch wie Zukunftsmusik klang, ist nun nach Inkrafttreten der EU Stufe 3b Stand der
Dinge. Alle in Deutschland gefertigten Bell-Fahrzeuge werden
ab 2011 mit der Technologie
ausgerüstet.
Die SCR-Technologie (Selektive katalytische Reduktion),
ermöglicht eine Einhaltung der
Stickoxid- und RußpartikelGrenzwerte, gewährleistet dabei
jedoch höchste Produktivität
und Lebensdauer für den Kunden. Das SCR-Verfahren basiert
auf der Verwendung eines
Nachbehandlungs-Additivs allgemein bekannt als AdBlue.
Es besteht aus einer ungiftigen
Harnstoff/Wasserlösung, die in
einem speziellen Tank mitgeführt wird. In den Abgasstrom
eingespritzt, reagiert der Stoff
mit den Abgasen im SCR-Katalysator. Diese Reaktion setzt
Stickstoff und Wasserdampf
frei, beides natürliche Bestandteile unserer Atmosphäre. In
den Bell-Knicklenker-Modellen
werden weiterhin MercedesBenz-Motoren der Baureihen
500 und 900 verbaut, deren
hohe Leistungsausbeute bei
niedrigem Kraftstoffverbrauch
allgemein anerkannt ist.
Mercedes-Benz nutzt das Verfahren seit Jahren in seinen
Straßen-Nutzfahrzeugen.
Zu den Vorteilen, die das
SCR-Verfahren bietet, zählen
ein zu 5 % geringerer Kraftstoffverbrauch mit entsprechend geringerem CO2-Ausstoß, die volle
Verträglichkeit mit Bio-Diesel,
eine gesteigerte Motorleistung
und sehr geringer Wartungsbedarf. Da das Verfahren im
Straßentransport eingeführt ist
und mit SCR ausgerüstete Lkw
bereits über 1 Mio. km zurückgelegt haben, besteht eine entsprechend dichte Versorgungsinfrastruktur.
Die Abgasvorschriften der
Stufe 4 werden in Europa 2014
in Kraft treten. Dann müssen
alle Schwerfahrzeug-Hersteller
die höheren Grenzwerte für
Rußpartikel und Stickoxide
einhalten. Der Lösungsansatz
von Bell Equipment erfüllt laut
Unternehmensabgaben die neuen Vorschriften und gleichzeitig
alle Kundenanforderungen an
höchste betriebliche Effizienz,
Zuverlässigkeit und Standfestigkeit durch den Einsatz bewährter
Motorentechnologie.
! SUSA Wegweiser
www.bellequipment.de
Steinbruch und Sandgrube 2/2011
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