Energieeffizienter, emissionsarmer Dieselmotor / 25.02.2015

Dieselmotoren für Industrie und Energiewirtschaft

Bei dem neu entwickelten Dieselmotor für Industrie und Energiewirtschaft wird das Common-Rail-System als Einspritzsystem eingesetzt. © Bosch
Gegenüberstellung der angestrebten und im Forschungsprojekt erreichten Effizienz- und Emissionswerte. © Motorenfabrik Hatz GmbH & Co. KG
Der energieeffiziente und emissionsarme Dieselmotor eignet sich für Industriemaschinen wie Gabelstapler, Hebebühnen, Holzhäcksler sowie für Blockheizkraftwerke. © Motorenfabrik Hatz GmbH & Co. KG
Der Motorensteckbrief zeigt die Kennwerte des neu entwickelten Motors. © Motorenfabrik Hatz GmbH & Co. KG

Die Motorenfabrik Hatz entwickelte einen sparsameren, kompakten Dieselmotor der Leistungsklasse bis 56 kW mit Common-Rail-Einspritzung. Eine Abgasrückführung reduziert die Emissionen von Stickoxiden, das neu entwickelte Brennverfahren die von Rußpartikeln. Das mit Partnern aus Industrie und Forschung erarbeitete Motorenkonzept ist Basis für eine neue Serie von wassergekühlten Dieselmotoren.

Die Motoren werden unter anderem in Holzhäckslern, Staplern, Elektroaggregaten, Radladern und -baggern eingesetzt. Außerdem ist eine Weiterentwicklung für Mini-Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen geplant. Für die Anwendung in Blockheizkraftwerken kann der Dieselmotor Brennstoffe unterschiedlicher Qualitäten nutzen, er kann für den Betrieb mit Biokraftstoffen optimiert werden.

Leichte und langlebige Industriedieselmotoren

Ziel des Projekts war, eine leichtere, effizientere und haltbarere Serie von Industriedieselmotoren zu entwickeln. Für eine bessere Ausnutzung des Brennstoffes und niedrigeren Schadstoffausstoß wird eine präzise elektronische Steuerung der Einspritzung eingesetzt. Um eine hohe Lebensdauer des Motors zu erreichen, änderten die Entwickler das Motordesign. Sie realisierten den Leichtbau aller Komponenten und reduzierten die Anzahl der einzelnen Bauteile um ein Viertel. Kraftstoffverbrauch und Kohlendioxidausstoß des Motors liegen je nach Leistung zwischen 10 und 44 Prozentpunkten unter denen bisheriger Modelle. Dafür mussten das Einspritzsystem, das Verbrennungsverfahren, die Abgasnachbehandlung sowie die elektronische Regelung angepasst werden.

Einspritzanlage optimiert Verbrennung

Als Kraftstoff-Einspritzung wählten die Forscher das bereits im Automobilsektor weit verbreitete Common-Rail-System, welches die Abgasemissionen senkt und gleichzeitig die Verbrennungseffizienz erhöht. Das Common-Rail-System ist auf einen Einspritzdruck von 1.800 bar ausgelegt. Durch diesen hohen Druck wird der Kraftstoff relativ fein und homogen verteilt und kann effizienter verbrannt werden. Dadurch entstehen weniger Rußpartikel. In Verbindung mit dem innovativen Abgasrückführungs-System und dem neuen Brennverfahren „intelligent Hatz Advanced Combustion System“ werden einerseits die Stickoxide und andererseits die Rußpartikel soweit vermieden, dass auf einen Dieselpartikelfilter verzichtet werden kann. Um eine Schädigung durch unterschiedliche Kraftstoffqualitäten zu vermeiden, werden wichtige Funktionsteile nur mit Beschichtung verwendet.

Die Ingenieure entwickelten eine dreistufige Einspritzung: Durch die kennfeldabhängige Voreinspritzung werden die Lärmemissionen reduziert. Die Nacheinspritzung senkt die Emissionen und Rußpartikelbildung. Eine geometrische Neugestaltung des Zylinderkolbens senkte den Schadstoffausstoß und den Kraftstoffverbrauch um 5 Prozentpunkte.

Abgasrückführung reduziert Stickoxide und Rußpartikel

Statt einer aufwendigen Abgasnachbehandlung mittels Filter und Oxidationskatalysator verwenden die Entwickler eine innermotorische Lösung, durch die die Bildung von Rußpartikeln verhindert wird.

Mit einer kontrollierten Beimischung von gekühlten Abgasen im Brennraum senkten sie den Sauerstoffgehalt. Dadurch konnten sie die Bildung von Stickoxiden um bis zu 11% und von Rußpartikeln bis zu 73% unter die zulässigen Grenzwerte senken. Die Abgasrückführung hat das grundsätzliche Dilemma, dass Verbrennungsbedingungen im Dieselmotor, die sich günstig auf die Minderung der Stickoxide (NOX) auswirken, die Emission von Rußpartikeln und den Kraftstoffverbrauch erhöhen. Im Forschungsprojekt entschied sich der Motorenhersteller dafür, sich auf die Vermeidung von Rußpartikeln zu konzentrieren und die Stickoxid-Werte knapp unterhalb des zulässigen Grenzwertes zu halten.

Eine weitere Herausforderung für das Forschungsprojekt ist die elektronische Regelung des Einspritzsystems. Bei Personenkraftwagen und Nutzfahrzeugen wird dies zwar standardmäßig genutzt, bei Industriedieselmotoren in der Leistungsklasse bis 56 kW wurde bisher jedoch eine mechanische Regelung bevorzugt. Dies liegt an der hohen Sensibilität bezüglich Kosten, Praktikabilität und Zuverlässigkeit: Die Elektronik muss bei Industriedieselmotoren unter ungünstigen Bedingungen, wie Hitze, Kälte, Schmutz oder Luftfeuchtigkeit, zuverlässig funktionieren. Es sind viele Sensoren und elektrische Stellglieder für diese Regelung nötig. Das Steuergerät muss sowohl bei 12 als auch 24 Volt betrieben werden können.

Konsequenter Leichtbau senkt Kosten

Da es viele verschiedene Anwendungen für Industriedieselmotoren gibt, zum Beispiel als Generator oder als Baugerät, entwickelten die Ingenieure Lösungen für repräsentative Muster- und Basisanwendungen. Die Elektronik sollte dabei sowohl die notwendigen Funktionalitäten abdecken, aber auch ohne spezielle Schulung leicht zu bedienen sein.

Das Designprinzip des Leichtbaus leitete die Entwickler bei der Konstruktion des Motors. Sie senkten das Gewicht des gesamten Motors um 90 kg gegenüber vergleichbarer Motoren und um 160 kg gegenüber einem konventionellen Hatz-Motor. Insgesamt konnte rund ein Viertel der Bauteile und Komponenten eingespart werden.

Der Motor konnte nach Angaben der Konstrukteure steif genug ausgelegt werden, um 10.000 Betriebsstunden in Volllast zu bestehen – das bedeutet eine Verdopplung der Lebensdauer.

Am optimalen Betriebspunkt hat der Industriedieselmotor einen spezifischen Verbrauch von 212 g/kWh. Im relevanten Drehzahlbereich zwischen 1.000 und 2.800 Umdrehungen pro Minute und einem Drehmoment zwischen 100 und 250 Nm liegt der Dieselverbrauch zwischen 212 und 240 g/kWh.

Mehr zum Projekt

Entwicklung eines neuartigen Motorenkonzepts für Industriedieselmotoren mit Leichtbau und erstmals elektronischer Steuerung

Abschlussbericht ist erhältlich als externer Download von der TIB Hannover.

Projektbeteiligte:

Projektdurchführung
Motorenfabrik Hatz GmbH & Co. KG

Einbindung des Common Rail Systems
Robert Bosch GmbH

Vorstudie Common Rail System
Technische Universität München, LVK

Verfahrenssimulationen
DERC GmbH

Elektronische Regelung
Die Ideenfabrik GmbH

Optimierung des Kurbelgehäuses
Technische Universität Graz

Berechnungen Kurbelwelle und -gehäuse
Prisma Engineering GmbH

Rapid Protoyping der Gussteile
ACTech GmbH

Förderkennzeichen:
0327462A

Laufzeit:
2008-2013

Weitere Informationen

BINE-Projektinfo 06/2014
(PDF, 4 Seiten, 0,8 MB)

Infotipps

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Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.