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Weniger Emissionen unter Hochleistung

Neue Technologien und Kraftstoffe für schadstoffarme Motoren mobiler Arbeitsmaschinen

Die gesetzlichen Hürden, die Motoren für den Einsatz im Off-Highway-Bereich zu nehmen haben, sind höher denn je. Wie lässt sich der weltweit steigende Bedarf an mobilen Arbeitsmaschinen mit künftigen Emissionszielen in Einklang bringen? Die Motorenhersteller lösen ihre Umweltversprechen ein und positionieren sich als ökologisch orientierte Technologieanbieter. Um die Effizienz weiter zu steigern, kombinieren sie ihre emissionsarmen Verbrennungsmotoren mit elektronischen Antriebskomponenten. Aber auch alternative Kraftstoffe aus erneuerbaren Energien, sogenannte eFuels, rücken stärker ins Blickfeld der Ingenieure.

Modernste Einspritzverfahren und bis ins Detail optimierte Verbrennungsprozesse sorgen bei mobilen Arbeitsmaschinen mittlerweile für Abgaswerte, die die Luft auch im Bergbau unter Tage nicht mehr als nötig belasten. Präzise Daten aus dem Abgastrakt sind dabei die Grundlage für die Regelung wichtiger Motorfunktionen – von der Gemischbildung bis zur Abgasnachbehandlung. Großmotoren haben vor allem im Hinblick auf Einspritzdruck und optimierte Aufladung in den vergangenen Jahren immer weitere Effizienz-Optimierungen erfahren. Doch das allein reicht nicht mehr, denn mit in Kraft treten der Stage-V-Abgasnorm im Jahr 2019 ist der Einsatz eines Dieselpartikelfilters in Europa in vielen mobilen Arbeitsmaschinen unausweichlich geworden. Denn anders als bei den vorangegangenen Normen, bei denen es vorwiegend um die Reglementierung von Kohlenmonoxid, Stickoxid, Kohlenwasserstoff und Feinstaub ging, beinhaltet die Stufe V einen Grenzwert für die Partikelanzahl, der bei 1012 Partikeln pro Kilowattstunde liegt.

Zuletzt wurde die neue Abgasstufe Anfang 2020 in der Leistungsklasse von 56 Kilowatt bis 130 Kilowatt eingeführt, was bei vielen kleiner dimensionierten Land- und Baumaschinen die Grenzwerte für den Ausstoß von Dieselpartikeln verschärft hat. Die jüngste Generation der Dieselmotoren setzt deshalb auf eine intelligente und vollumfängliche Abgasnachbehandlung, bestehend aus Dieseloxidationskatalysator, Dieselpartikelfilter und SCR-Katalysator. Bei alledem kommt auch die Leistung nicht zu kurz: Die Motoren sind für den anspruchsvollen Dauereinsatz mobiler Arbeitsmaschinen konstruiert und entwickeln auch bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment – unabhängig von hohen Temperaturen, Staub oder Nässe. Auch für die Nachrüstung von Bestandsmotoren finden sich Lösungen, die sich in ihrer Partikelminderungskapazität auf die jeweiligen spezifischen Bedürfnisse anpassen lassen.

Wege zum sauberen Diesel

Der Betrieb eines Dieselpartikelfilters erfordert entsprechendes Know-how seitens der Hersteller, denn je nachdem in welcher Anwendung er zum Einsatz kommt, müssen unterschiedliche Lastprofile berücksichtigt werden. Passive Filter basieren meist auf porösen, keramischen Wandstromfiltern, die der thermischen und mechanischen Belastung im Dauerbetrieb standhalten. Ihre passive Regeneration, bei der die Beladung des Filters durch die Temperatur des Abgases verbrannt wird, erfolgt unbemerkt im Hintergrund. Läuft die Maschine eine längere Zeit im Leerlauf oder wird mit einer geringen Last betrieben, erhöht die Motorsteuerung in Abhängigkeit der Beladungsgrenze die Abgastemperatur durch gezielte Eingriffe in den Einspritzprozess und die Luftzuführung des Motors, sodass eine Regeneration der Abgasreinigung sichergestellt ist.

Eine weitere Lösung für Anwendungen mit hohem Niederlastanteil und niedrigen Abgastemperaturen sind aktive Filter mit intelligentem Thermomanagement. Diese filtern die Schadstoffpartikel aus den Abgasen heraus und erzeugen die für den Rußabbrand erforderliche Temperatur aus eigener Kraft – unabhängig davon, ob sich der Motor im Leerlauf befindet oder auf Hochtouren läuft. Die Temperaturen werden dabei im Abgasstrang so gesteuert, dass an den entscheidenden Stellen jederzeit die optimalen Konditionen für die Abgasreinigung herrschen und sensible Bauteile vor Wärmeeintrag geschützt werden. Ist die Motorbelastung über längere Zeit niedrig, können darüber hinaus drehzahlvariable Viskolüfterkupplungen das schnellere Aufheizen der Abgas- und Motortemperatur unterstützen.

Kraftstoffe für in die klimaneutrale Mobilität

Die Technologieanbieter entwickeln nicht nur die klassischen Verbrennungsmotoren und elektrischen Antriebe konsequent weiter, sondern setzen parallel dazu auf den Einsatz synthetischer Kraftstoffe aus erneuerbaren Energien, sogenannter eFuels. Denn in einem Punkt sind sich die Experten aus der Off-Highway-Branche einig: Der Übergang zu CO2-neutralen Antrieben erfordert mittelfristig den Ausstieg aus der Nutzung fossiler Brennstoffe. Das Ziel der Ingenieure und Techniker: Die Großmotoren zur Senkung der Treibhausgasemissionen zunehmend auf den Betrieb mit synthetischen Kraftstoffen umstellen, die praktisch rußfrei verbrennen. Wasserstoff und Methanol gelten hier als aussichtsreiche Kandidaten, unterscheiden sich jedoch in ihren Eigenschaften teilweise deutlich von Erdgas und Diesel.

Warum das so ist, weiß Mike Bunce, Forschungsleiter bei Mahle Powertrain US. „Die Verwendung von Wasserstoff als Verbrennungskraftstoff hat das Potenzial, viele Schwerlast- und Off-Road-Sektoren schnell zu dekarbonisieren“, bestätigt er. Als Kraftstoff ist Wasserstoff ideal geeignet für hohe Lastzyklen mit plötzlichen Lastsprüngen, doch es gibt eine Herausforderung: Er ist anfällig für eine anormale Verbrennung, die zu Klopfen und Vorzündungen führt. Dies erfordert in der Regel eine ineffiziente Verringerung des Verdichtungsverhältnisses im Motor. Eine Alternative sieht Bunce darin, die Verbrennungstemperaturen durch ein höheres Luftverhältnis zu senken. Um dies zu erreichen, wurde die ursprünglich für Benzinanwendungen entwickelte Vorkammerzündungstechnologie angepasst: Die modifizierte Vorkammer im Zylinderkopf enthält eine Zündkerze, die das Gemisch zündet. Das entstehende Gasplasma wird durch kleine Öffnungen in die Hauptbrennkammer gepresst, um das Verbrennungsgemisch schnell und gleichmäßig zu zünden. Gemeinsam mit Liebherr Machines Bulle SA gelang es, die Technologie auf die Liebherr Off-Highway-Motoren H966 und H964 zuzuschneiden, was zu einer Verbesserung bei Verbrennungsgeschwindigkeit, Leistung und Emissionen führt. „Darüber hinaus wird die Technologie die Hardware-Architektur der Motoren vereinfachen“, erklärt Bunce.

Vorreiter für eine grünere Off-Highway-Mobilität

Technologieoffenheit ist in diesem Zusammenhang eines der wichtigsten Schlagworte auf dem Messegelände in Hannover. Das Verbundprojekt "Closed Carbon Cycle Mobility – Klimaneutrale Kraftstoffe für den Verkehr der Zukunft" (C³-Mobility)" unterstreicht diesen Ansatz, der von den Herstellern auf der Suche nach Kraftstoffen für eine "grünere" Mobilität präferiert wird. Das Vorhaben wurde im Rahmen der Initiative "Energiewende im Verkehr: Sektorkopplung durch die Nutzung strombasierter Kraftstoffe" vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. Als einer von 30 Partnern hatte Liebherr seine Kompetenz im Bereich Einspritztechnik in das Konsortium eingebracht. Mittels Untersuchungen von Dual-Fuel-Brennverfahren sowie Hochdruckkammerversuchen wurde der Einsatz synthetischer Kraftstoffe in Heavy-Duty- und Großmotoren getestet. Die Ergebnisse zeigen ein großes Potential im Off-Highway-Bereich für die Kraftstoffe Oxymethylenether (OME)3-5,1-Oktanol sowie Methanol. Als Zündkraftstoff in Dual-Fuel-Anwendungen verspricht OME3-5 auch Verbesserungen im Vergleich zu fossilem Diesel. Die Erkenntnisse nutzt Liebherr für das bereits gestartete Forschungsprojekt "Methanolstandard", an dem sich auch Caterpillar beteiligt.

All dies zeigt: Technisch ist es schon heute möglich, synthetische Kraftstoffe für mobile Arbeitsmaschinen herzustellen. Wenn der Strom, der dafür zum Einsatz kommt, regenerativ gewonnen wird, sind diese klimaneutral. Anders als bei Biokraftstoffen stellt sich bei ihnen zudem nicht die Abwägung zwischen "Tank und Teller". Auch erste Wasserstoffmotoren, wie der sechszylindrige TCG 7.8 H2 von Deutz, sind reif für den Markt. Doch bei aller technischen Machbarkeit: Damit sich die synthetischen Kraftstoffe in den Off-Highway-Sektoren durchsetzen, sind noch große Anstrengungen notwendig.