Der Motor und das Biest - die Tier IV Norm in Dieselmotoren

[Bauforum24 1.124]

Dieselruß und Feinstaub gehören zu den zentralen Themen im Bereich der Motorenentwicklung in der Baumaschinenbranche. Nicht zuletzt wegen Arbeitsschutz und Gesundheit wird die Reduzierung und staatliche Normierung besonders von Umweltverbänden gefordert. Welche Vorgaben auf welche Art im Bereich der Neumotoren umgesetzt werden und was die neuen Normen für Baumaschinenhersteller bedeuten, hat Dipl. Ing. Holger Friedrich, Leiter des Trainingszentrums der Deutz AG Köln, auf dem Tag der Deutschen Baumaschinentechnik dem Fachpublikum vorgetragen. Dabei verriet Holger Friedrich auch, warum bei fast allen Herstellern die neuesten Motoren trotz höherer Abgasnormen einen geringeren Verbrauch haben.

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Um die Umsetzung der gesetzlichen Normen zu erläutern, geht Holger Friedrich in seinem Vortrag zunächst auf die Problematik der Abgasemissionen selbst ein. Dazu beschreibt er die Bestandteile dieser Emissionen eines Dieselmotors, welche in den US Tier und EU Stage Normen gesenkt werden sollen:

Holger Friedrich zu den Bestandteilen der Abgasemissionen

Besonders die Rußpartikel, welche der Ingenieur der Deutz AG in die verschiedenen Bestandteile Kohlenstoff, Asche, Öl, Kraftstoff, Sulfate und sonstige aufschlüsselt, hat der Gesetzgeber mit den US Tier/EU Stage Normen im Visier. Wie groß die Unterschiede der einzelnen gesetzlichen Normen seit 1999 aussehen, macht Holger Friedrich anhand einer Grafik deutlich:


Ein Vergleich: die Tier Normen seit 1999 bis 2015

Um einen Weg der Motorenindustrie zur Erfüllung dieser Normen zu beschreiben, zeigt der Deutz Ingenieur das Konzept des geschlossenen Dieselpartikelfilters, der mit einem Filter auf Basis von Platin und Palladium mit Oxidationsbeschichtung funktioniert, wodurch Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid herausgefiltert werden. Dadurch, so Friedrich weiter, kann die Partikelrate ?sogar auf Null" gesenkt werden. Durch die Kombination dieses Systems mit einem Diesel Oxidationskatalysator können neben Partikeln auch gasförmige Schadstoffe reduziert werden, erklärt Holger Friedrich. Auch die Zugabe von AdBlue und das Verbrennen von Kraftstoffresten im Abgas gehört zur Umsetzung der Emissionsverringerung bei Deutz.


Die Deutz Kombination aus Oxidationskatalysator und Dieselpartikelfilter im Tier IV Motor

Dass das theoretische Konzept der Abgasnachbehandlung die Ingenieure in der Praxis vor neue Herausforderungen stellt, macht Holger Friedrich am Tier 4-Motorenkonzept von Deutz deutlich. Das Volumen des Motors wächst durch neue Teile wie den Katalysator, Brenner, Partikelfilter, AdBlue Tank und die Pumpensysteme deutlich an.

Viele zusätzliche Bauteile sind für die Tier IV Norm notwendig

Der Einbau in Baumaschinen erfordert also mehr Platz und zusätzliche Technik bedeutet auch mehr Wartung. Diese sind aber laut Deutz ? abgesehen vom Filter selber ? auf Lebensdauer ausgelegt.

Die Serviceintervalle der Abgasnachbehandlungs-Systeme nach Angaben von Deutz

Mit dem Deutz Konzept zur Abgasnachbehandlung und Reduzierung der Schadstoffe seiner Dieselmotoren, erfüllt Deutz natürlich die gesetzlichen Tier IV Normen. Dass sich alle Hersteller dieser Umsetzung widmen und es ? wie beispielsweise beim Partikelfilter ? auch andere Lösungen mit spezifischen Vor- und Nachteilen gibt, soll an dieser Stelle nicht weiter im Blickpunkt stehen, auch wenn beispielsweise erst kürzlich der US Amerikanische Motorhersteller Kohler Engines einen Tier IV konformen Dieselmotor ganz ohne Partikelfilter präsentiert hatte. Ob dieses oder ein anderes Konzept die Zukunft der Motorenindustrie bestimmen wird, bleibt abzuwarten. Deutz jedenfalls geht bisher den Weg der Kombination der vorgestellten Systeme zur Abgasnachbehandlung. Die gesteigerte Umweltfreundlichkeit und vor allem die Reduzierung der Gesundheitschädlichkeit sind sicherlich im Sinne der Tier Erfinder. Das wachsende Volumen der Motoren und Karosserien - ein Folgeproblem der Tier Verordnungen - bringt aber umgekehrt den Nachteil der verschlechterten Sicht für den Baumaschinenführer und sollten in der Abgasdiskussion nicht fehlen.

Das Verbrauch-Wunder

Ein weiteres Thema welches nicht nur Fachleute erstaunt, sind aber die meist gesenkten Verbrauchswertangaben der Hersteller bei den neuen Tier IV Motoren. So wird fast immer von gleichzeitiger Leistungssteigerung und Emissionsreduktion in Kombination mit geringerem Verbrauch gesprochen. Wie Holger Friedrich seinem Publikum erklärt, bezieht sich diese Angabe nur auf den Vergleich zu den direkten Vorgängern, also den Tier III Motoren. Diese hatten durch die Abgasrückführung einen höheren Verbrauch als deren Vorgänger. ?Jetzt sind wir wieder besser als bei den Tier III Motoren. Aber es steht nirgends drin dass wir besser sind als, ich sag mal, ursprünglich".

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[SirDigger 2.061]

Ein weiteres Thema welches nicht nur Fachleute erstaunt, sind aber die meist gesenkten Verbrauchswertangaben der Hersteller bei den neuen Tier IV Motoren. So wird fast immer von gleichzeitiger Leistungssteigerung und Emissionsreduktion in Kombination mit geringerem Verbrauch gesprochen. Wie Holger Friedrich seinem Publikum erklärt, bezieht sich diese Angabe nur auf den Vergleich zu den direkten Vorgängern, also den Tier III Motoren. Diese hatten durch die Abgasrückführung einen höheren Verbrauch als deren Vorgänger. „Jetzt sind wir wieder besser als bei den Tier III Motoren. Aber es steht nirgends drin dass wir besser sind als, ich sag mal, ursprünglich".

Für diese ehrliche Aussage

[Waldschrat 0]

Bleibt auch abzuwarten,wann AdBlue mit einbezogen wird.Dann wird ja auch weniger Diesel verbraucht werden,was man werbewirksam verkaufen kann.Dass gleichzeitig auch der Harnstoff verbraucht wird,das wird dann nicht erwähnt.

Das Problem der fehlenden Rundumsicht wird seit einiger Zeit von BG und Gewerkschaft IG-BAU angegangen. Kameras und Displays werden aktuell schon in Baumaschinen eingesetzt.Das dürfte gern richtig Fuß fassen.Wer einmal richtig mit einem Kamerabestückten Gerät gearbeitet hat,fühlt sich auf anderen Maschinen deutlich unwohler beim beispielsweise Zurücksetzen

[Baumaschinendoktor 20]

CAT verbaut Motoren mit CEGR (gekühlte Abgasrückführung) mit DPF (Dieselpartikelfilter) zur Erreichung der Tier 4interim (Stufe 3b) Norm.

Es müssen also jetzt die PM (Rußpartikel) und die NOx (Stickoxide) auf einen gewissen Grenzwert gebracht werden. Im Vergleich zur vorhergehenden Tier 3 Norm ist hier ein Quantensprung zu machen.
Nun ist es so, das jede Veränderung am Motor immer eine Wechelwirkung auf die beiden Kenngrößen (PM und NOx) hat.
Hohe Verbrennungstemperaturen bewirken eine geringen PM Ausstoß, aber hohe NOx.
Reduziert man die Verbrennungstemperatur wird der NOx Ausstoß reduziert, allerdings steigt dann der PM Ausstoß.

Zweiten Weg geht CAT. Bedeutet es wird eine recht hohe Menge Abgas zurückgeführt. Natürlich muss diese auch gekühlt werden. Wenn also das EGR-Ventil öffnet und ca. 25% des Abgasstromes wieder über den Kühler zur erneuten Verbrennung zugeführt wird, bricht dem Turbolader auch der Ladedruck weg. Um weiter die notwendige Leistung abrufen zu können muss also ein Turbolader mit veränderbarer Geometrie, oder eben 2 Turbolader eingesetz werden.

Dieses System verlangt eine enorme Kühlleistung, auch ein Grund weshalb die Maschinen die sich der CEGR Technik bedienen diese unschönen "Buckelärsche" bekommen. Die Kühler brauchen Platz. Zudem entsteht im Regernerationsbetrieb ( 1-2 mal täglich für bis zu 20 minuten) durch Einspritzen von Diesel in den DPF eine norme Hitze (bis zu 700°C am Austrittsrohr) während der DPF ausgebrannt wird.
Oelasche kann nicht regeneriert werden, da muss der Rußfilter in einem Brennreaktor regeneriert werden, oder auch nach 2-6 Jahren erneuert werden (hängst stark von den Einsatzbedingungen ab)

Abgasrückführung zieht den Wirkungsgrad des Motors nach unten. Der damit verbundene Leistungsverlust wird durch noch größeren Hubraum und höheren Kraftstoffverbrauch ausgeglichen werden.

Übrigens schonmal an überlegt wie ein Bagger im Wald arbeiten soll der 700°C heiße Abgase ausstoßt??

Die andere Möglichkeit heißt SCR-Technik, bei der die Verbrennungstemperatur sohoch ist, das nur ein geringer PM Ausstoß entsteht und die NOx durch Zugabe von DEF (Diesel Emission Fluid) bekannt unter AdBlue in CO² und H²O gespaltet wird.
Für den Wirkungsgrad, die Motorlebensdauerund den Kraftstoffverbrauch die elegantere Lösung!

Wer Bedarf hat noch mehr darüber zu fachsimpeln kann sich gern bei mir melden. bearbeitet 3. Januar 2012 von Baumaschinendoktor

[Kevin Müller 59]

Kann es sein das es unter der Haube Brutal Heiss wird ?
Was wen es ein Hydraulik Lek gibt ,entzündet sich das aufgrund der Hohem Temperaturen ?
Wen da hinten etwas kaputt geht wird die Reperatur wohl erst am nächsten Tag machbar sein ?
Wie lange müssen die Turbos im Stand laufen bevor man den Motor abstellen darf ?