Wie erreicht die Industrie eine Reduzierung der Motoremissionen?

Es gibt drei grundlegende Strategien, um die Emissionen von Dieselmotoren zu reduzieren. Erstens besteht die Möglichkeit, einen der kohlenstoffarmen Kraftstoffe auszuwählen, die derzeit auf den Markt kommen. Von hydriertem Pflanzenöl (HVO) bis hin zu Biodiesel reduzieren diese zwar nicht wirklich die Abgasemissionen, führen aber zu einer CO2-Reduktion, da beim Anbau der Biomasse, aus der letztlich das endgültige Kraftstoffprodukt hergestellt wird, ein Teil des Kohlenstoffs aus der Atmosphäre entfernt wird.

Die zweite Möglichkeit besteht in der Aufrüstung der Abgasnachbehandlungssysteme (EATS). Von der Harnstoff-/Diesel-Abgasflüssigkeitseinspritzung (weithin als AdBlue vermarktet), die schädliche Emissionen in Stickstoff und Wasser zerlegt, bis hin zu Partikelabscheidungs-/regenerativen Verbrennungssystemen kann Hardware mit verbesserter Leistung den Gesamtausstoß senken und so dazu beitragen, strenge Vorschriften einzuhalten.

Drittens gibt es Änderungen am Motor selbst. Von der Elektrifizierung von Komponenten, die die Motorlast und den Kraftstoffverbrauch reduzieren, bis hin zu besseren Einspritzstrategien und verbesserten Motormanagementsystemen können diese Aktualisierungen zu geringeren Emissionen führen, manchmal mit dem zusätzlichen Vorteil eines verbesserten Kraftstoffverbrauchs und einer längeren Betriebszeit oder Maschinenverfügbarkeit.

Kohlenstoffarmer Kraftstoff

Das Potenzial zur Emissionsreduzierung durch kohlenstoffarme und -freie Kraftstoffe ist so groß, dass HVO vom Schwestermagazin Power Progress International zum Newsmaker des Jahres 2023 gewählt wurde. Diese „alternativen“ Kraftstoffe reichen von flüssigen Kraftstoffen bis hin zu gasförmigen Produkten wie Biomethan.

Allerdings ist es HVO, manchmal auch als grüner oder erneuerbarer Diesel bezeichnet, der das größte Potenzial zur Reduzierung der Endemissionen bietet.

Der Motorenhersteller Cummins beschreibt HVO als „dieselähnlichen Kraftstoff, der ohne fossile Ressourcen durch die Verarbeitung erneuerbarer Abfalllipide hergestellt werden kann“. Der entstehende paraffinische Kraftstoff setzt bei der Verbrennung zwar CO2 frei, kann aber aufgrund des beim Anbau der Ausgangsbiomasse aus der Atmosphäre absorbierten Kohlendioxids eine Gesamtreduzierung der Emissionen um 90 % bewirken. Der Kraftstoff erzeugt außerdem weniger NOx und Partikel.

Wie andere OEMs hat Kohler alle Motoren für HVO freigegeben, darunter auch diesen Dieselmotor

Obwohl HVO eine vergleichsweise neue Alternative zu sein scheint, veröffentlichten Neste Oils und SAE International bereits 2008 ein Whitepaper, in dem die Leistung von reinem HVO mit einer Mischung aus 30 % HVO und 70 % Diesel sowie schwefelfreiem Dieselkraftstoff nach EN 590 verglichen wurde. Das Ergebnis war, dass der 100 % HVO-Kraftstoff bei Verwendung der Standard-Einspritzzeitpunkte 6 % weniger NOx-Emissionen und 35 % weniger Rauch (sprich: „Partikel“) erzeugte als Diesel allein.

Es gibt jedoch auch Schattenseiten. In einem Bericht des Vertragsunternehmens Balfour Beatty wurde darauf hingewiesen, dass es „ernste Probleme“ mit HVO gebe, die angegangen werden müssten. Dabei wurden Probleme bei der Rückverfolgbarkeit von Beschaffung, Transport und Produktionsmethoden hervorgehoben, die sich alle auf die Behauptungen zur CO2-Reduzierung auswirken könnten.

Zwar steigt die Produktion von HVO – die Gesamtproduktion soll in ganz Europa bis 2030 zehn Millionen Tonnen erreichen – doch dürfte dies noch immer nicht ausreichen, um fossilen Diesel vollständig zu ersetzen. Engpässe im Vertriebsnetz werden die Verfügbarkeit zusätzlich verschärfen.

Abgasnachbehandlungssysteme

Mitte 2023 veröffentlichte Eminox, ein Entwickler und Hersteller von Emissionsnachbehandlungssystemen (EATS), ein Whitepaper, in dem untersucht wird, wie sich die Einführung der Emissionsvorschriften Euro 7/Stufe 6 auf verschiedene Branchen und ihre Netto-Null-Kohlenstoffziele auswirken könnte.

Um EATS so zu gestalten, dass es diese Bestimmungen erfüllt, verwendet das Unternehmen einen „Werkzeugkasten zur Emissionsreduzierung“, der eine Reihe von Misch- und Dosiertechnologien umfasst, die alle unter den Begriff der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) fallen.

Anthony Greatwood, globaler Produktmanager bei Eminox, sagte, dass die Einhaltung der Euro-7-Norm für On-Highway-Motoren und der Stufe-6-Norm für Off-Highway-Motoren durch die Berücksichtigung von zwei Schlüsselbereichen erreicht werden könne: Kaltstartemissionen und Partikelkontrolle.

Edelstahlgehäuse für eines der größten EATS-Systeme von Eminox

Laufräder der Turboeinheit bereit für die Endmontage bei Cummins

Bei Kaltstarts werden derzeit zwei Hauptlösungen untersucht. Dazu gehört die Zugabe einer doppelten Dosis Diesel Exhaust Fluid zum Abgasstrom sowie ein elektrisch beheizter Katalysator zur Leistungssteigerung, bevor die Motortemperaturen ansteigen.

Die Nachrüstung dieser Systeme bringt jedoch auch Probleme mit sich. Der Platzbedarf im Fahrzeug muss untersucht werden, um festzustellen, ob die entsprechende Hardware unter Berücksichtigung des Gewichts untergebracht werden kann. Wenn Abgasnachbehandlungssysteme hinzugefügt werden, ohne die Auswirkungen auf den Motor zu berücksichtigen, können Gegendruck und erhöhte Belastung die Situation letztlich verschlimmern.

„Je mehr Abgasnachbehandlung und Einschränkungen Sie einem Motor auferlegen, desto weniger können Sie seine Effizienz steigern. Sie belasten den Motor zusätzlich, um die zur Kontrolle der Emissionen erforderliche Leistung zu erzeugen“, sagte Greatwood.

Er erklärt, dass die beste Lösung erreicht werden könnte, wenn der Abgasnachbehandlungsspezialist vom ersten Tag an in die Motorentwicklung einbezogen würde. Dies würde die Entwicklung des effizientesten Systems unterstützen und jegliche Kompromisse hinsichtlich Emissionsreduzierung oder Leistungsabgabe reduzieren.

Dies lässt darauf schließen, dass die Entwicklung einer Aufrüstung eines vorhandenen Abgasnachbehandlungssystems schwierig und die Implementierung teuer sein könnte. Diese Aspekte müssen mit den Kosten für den Austausch der Ausrüstung durch neue Hardware abgewogen werden.

Motorhardware

Neben kohlenstoffarmen Kraftstoffen und Abgasnachbehandlungsstrategien besteht ein weiterer Weg zur Emissionsreduzierung bei Dieselmotoren in der Verbesserung der Leistung der zugehörigen Hardware und der Software, die das Motorsteuergerät steuert.

Im Wesentlichen leitet ein Turbolader unter Druck stehende Motorabgase in die Brennkammer. Durch diese Erhöhung des Luftvolumens kann proportional mehr Kraftstoff in die Kammer eingespritzt werden, was zu einer Steigerung der Motorleistung führt. Während frühe Turbolader unter Verzögerungen litten, liefern moderne Turbolader gleichmäßige Leistung, verbessern die Ladedruckabgabe und reduzieren die Emissionen.

Cummins ist der einzige Motorenhersteller, der seine eigenen Turbolader entwickelt und herstellt. Die unter der Marke Holset vertriebenen Turbolader sind für leichte, mittlere und schwere Anwendungen konzipiert. Viele Produkte weisen spezielle Anpassungen auf, die zur Leistungssteigerung erforderlich sind.

Die neuesten Versionen bieten einen großen Durchflussbereich, der einen höheren Ladedruck bei niedrigeren Motordrehzahlen ermöglicht, während die VG-Technologie die Abgasrückführung auf kurzen Wegen unterstützt, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern und die NOx-Werte zu senken.

Cummins produziert auch Wastegate-Turboeinheiten. Das Wastegate steuert die Menge und den Zeitpunkt der Freisetzung überschüssiger Abgase mithilfe pneumatisch oder elektronisch gesteuerter Konfigurationen. Die Wastegate-Technologie kann verhindern, dass der Turbo zu schnell dreht, und den Überdruck des Motors reduzieren. Die Funktion soll eine Effizienzsteigerung von 3 % bringen und gleichzeitig mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen kompatibel sein.

Biodiesel ist bei Kälte leistungsfähiger als fossiler Diesel

„Der Schwerpunkt liegt auf der Reduzierung des CO2-Ausstoßes bei Diesel- bis hin zu Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieben. Daran arbeiten wir seit etwa zwei Jahren und wollen diese Technologie beschleunigen“, sagte Brett Fathauer, Executive Director für Forschung und Entwicklung bei Cummins Turbo Technology.

„Wir untersuchen Luftbehandlungstechnologien, darunter Kompressoren, Turbinen und Effizienzsteigerungen, zusammen mit Upgrades für E-Maschinen und Entwicklungen, die auf Hybrid- und Brennstoffzellenantriebe anwendbar sind.“

Mithilfe numerischer Strömungsmechanik zur Erforschung der physikalischen Dynamik können Turboeinheiten der nächsten Generation die Vorteile „gepulster“ Energie und neu gestalteter Verkleidungsschnittstellen nutzen. Diese sollen die Interaktion zwischen Luftstrom und Turbinen optimieren und den Strom effizient in die Brennkammer leiten, um optimale Leistungsniveaus zu liefern.

Kraftstoffeinspritzung

An anderer Stelle im Motor bietet das Kraftstoffeinspritzsystem weiteres Potenzial zur Emissionsreduzierung. Das Common-Rail-Einspritzsystem CRSN von Bosch wurde für den Einsatz in Baumaschinen und industriellen Off-Highway-Anwendungen entwickelt. Die CRSN-Technologie ist für Motoren mit bis zu acht Zylindern, einem Hubraum zwischen vier und 17 Litern und einer Leistung von bis zu 1000 kW vorgesehen und kann skalierbare Kraftstoffförderdrücke liefern.

CRIN-Magnetventile sind der Schlüssel zur Leistung des CRSN-Systems. Die Hochdruckventile arbeiten mit bis zu 2.500 bar und können Kraftstoff in mikroskopisch kleine Tröpfchen zerstäuben. Dies sorgt für eine sauberere Verbrennung, was zu geringeren CO2-Emissionen, weniger Partikeln und einem verbesserten Kraftstoffverbrauch führt. Mithilfe von Informationen aus der ECU ermöglicht das CRSN-System den Einspritzdüsen, nur so viel Kraftstoff zu liefern, wie für die Betriebslast/-situation erforderlich ist.

Kaltstartlösungen

Es lohnt sich, diese Berichterstattung über Technologien zur Reduzierung der Dieselmotoremissionen durch Einzelheiten zu dem abzurunden, was heute als Hauptursache für die Motorverschmutzung gilt – Kaltstarts. Ein 2023 von der School of Mechanical Engineering der Nantong University in China veröffentlichtes Whitepaper befasste sich mit den grundlegenden Problemen im Zusammenhang mit Kaltstarts und Strategien zur Reduzierung der damit verbundenen Emissionen.

Dem Material zufolge ist unvollständige Verbrennung unvermeidbar, wenn sowohl die Lufttemperatur als auch die Motortemperatur niedrig sind. Im Wesentlichen ist die Zerstäubung des Kraftstoffs bei kalten Bedingungen erheblich schwieriger, was zu unvollständiger Verbrennung führt. Emissionssteigerungen werden auch der Reibung zwischen Motorkomponenten zugeschrieben, wobei der damit verbundene Verschleiß zu einem Anstieg aller Schadstoffarten beiträgt. Im Bericht zitierte Daten zeigten, dass die NOx-Emissionen von schweren Dieselmotoren bei Kaltstartbedingungen um 40 bis 90 Prozent steigen könnten.

In dem Artikel wird berichtet, dass Biodiesel die CO2-Emissionen beim Kaltstart deutlich senken kann, obwohl die hohe Sauerstoffkonzentration im Kraftstoff kaum zu einer Änderung der NOx- und Kohlenwasserstoffwerte führt. Allerdings sinkt die Produktion dieser und anderer Schadstoffe bei Verwendung von Biodiesel viel schneller als bei Verwendung fossiler Brennstoffe.

Die Beimischung von Ethanol zum Biodiesel soll den NOx- und Kohlenwasserstoffgehalt senken, der niedrige Cetanzahl des Ethanols kann jedoch zu einem Anstieg des Kohlendioxidausstoßes führen.

Die beste Methode zur Reduzierung der Dieselmotoremissionen bei Kaltstarts ist das Erwärmen der Baugruppe. Bei kleinen und mittelgroßen Motoren werden Glühkerzen als Zusatzgerät zur Verbesserung der Kaltstartleistung eingesetzt. Durch ihre Verwendung können die CO2-, NOx- und Kohlenwasserstoffemissionen reduziert werden, wobei die Partikelbildung nur geringfügig zunimmt.

Zusammenfassend kamen die Autoren des Berichts zu dem Schluss, dass eine Kombination aus Biodiesel, Abgasnachbehandlungssystem, optimierter Kraftstoffeinspritzung und Ansaugheizung erforderlich sei, um die maximalen Emissionsreduzierungen eines Dieselmotors bei niedrigen Temperaturen zu erreichen.

Zwar ist eine Lösung vorhanden, doch um die potenziellen Vorteile zu erzielen, müssten alle diese Elemente verfügbar bzw. eingebaut sein.

Zukunftssichere Stromversorgungslösung

Im September 2023 hielt Perkins Engines in Großbritannien die Pressevorstellung seines neuen Motors der Serie 2600 ab. Der 13-Liter-Motor (auch bekannt als 2606) wurde erstmals Anfang des Jahres auf der ConExpo gezeigt und bietet die gleiche Leistung wie ein 15- oder 18-Liter-Modell, jedoch mit kleinerem Platzbedarf und geringeren Emissionen.

Der Motor leistet zwischen 340 und 515 kW und ist dabei etwa 20 % leichter als ein größeres Äquivalent. Darüber hinaus erreicht der Motor einen Kraftstoffverbrauch von nur 185 g/kWh und unterstützt Drop-in-Ersatzkraftstoffe wie HVO und Biodiesel, um den damit verbundenen CO2-Fußabdruck drastisch zu reduzieren.

Der Motor erfüllt zwar alle aktuellen Emissionsvorschriften, wurde jedoch so konzipiert, dass er Konfigurationen unterstützt, die Anpassungen zur Einhaltung aller zukünftigen Standards in den USA und der EU ermöglichen.