Nichts als heisse Luft?Wie geht’s weiter mit den Abgasgrenzwerten?

die EU-RL 2004/26 EG (Abgasgrenzwerte für Motoren in mobilen Arbeitsmaschinen im Über- und Untertage-Einsatz) festgelegt.

Über die vorgenannten Regelungen hinaus, kann die nationale Abgasgesetzgebung ver-schärfte Auflagen in Bereichen verfügen, die sie mit Blick auf den Arbeits- und Ge-sundheitsschutz für besonders wichtig hält. Beispiele hierfür sind in Deutschland das Bundesimmissionsschutzgesetz, die TA-Luft für den stationären Motorbetrieb, die auf der Gefahrstoff-Verordnung beruhende Richtlinie TRGS 900 sowie die TRGS 554 als Richtlinie für Diesel-getriebene Maschinen in geschlossenen Arbeitsräumen, sowie die MAK-Liste.

Zurzeit wird durch die EU-Kommission an einer Überarbeitung der existierenden NRMM- (Non-Road-Mobile-Machinery) Emissions-gesetzgebung gearbeitet. Entsprechend der bisherigen Bezeichnungen wird dieser Schritt wahrscheinlich „Stufe V“ heißen. Grenzwer-te der beabsichtigten Stufe V sind bisher nicht bekannt, aber einige Motorenherstel-ler gehen davon aus, dass man sich an den Grenzwerten der Nutzfahrzeugemissions-gesetzgebung EURO 6 orientieren wird.

Dr. Dirk Bergmann, Leiter der FPT Motoren-forschung AG, formuliert es so: “Da der Ent-stehungsprozess einer neuen EU-Direktive beziehungsweise EU-Regulierung sehr lang-wierig ist und dabei verschiedene Instituti-onen durchlaufen werden, rechne ich frü-hestens in 2015 mit einer finalen und ver-öffentlichten Version. Diese lange Dauer ist insbesondere der im nächsten Jahr anste-

die auch künftig die Attraktivität des Die-selmotors erhalten.

Rußpartikel und Stickoxide sind die beiden Sorgenkinder des Dieselmotors. Sie gemeinsam unter einen Hut zu bringen, fällt nicht leicht. Senkt man die Verbren-nungstemperatur ab, dann sinkt der Stickox -idausstoß zwar, die Partikel - unverbrannte Kohlenstoffe mit angelagerten Kohlenwas-serstoffen beispielsweise - nehmen zu. Um-gekehrt gibt es bei hohen Temperaturen einen niedrigen Partikel- und einen hohen NOx-Ausstoß. Parallel zu diesem Zielkonflikt verhält sich auch die Verbrauchsproblema-tik: Bei hohen Verbrennungstemperaturen wird zwar ein hoher Wirkungsgrad und somit ein günstiger Verbrauch erzielt, der NOx-Ausstoß ist aber hoch - und umgekehrt. Um den NOx-Ausstoß zu senken, wird der Kraftstoff in kurzer Zeit mit sehr hohem Druck eingespritzt. Dies geht jedoch nicht ohne Geräuschentwicklung. Neben einem relativ hohen Energieverbrauch besteht al-so eine weitere Problematik in dem Zielkon-flikt zwischen Geräuschentwicklung und NOx-Ausstoß. Durch den, bei den abgesenk-ten Abgasgrenzwerten schlechteren Wir-kungsgrad, aufgrund der niedrigeren Tempe-ratur, steigt der Kraftstoffverbrauch - wenn dies nicht durch andere Maßnahmen mög-lichst ausgeglichen würde.

Die Abgasgrenzwert-regelungen

Weltweit existieren Vorschriften, welche die gas- und partikelförmigen Emissionen des Dieselmotors schrittweise drastisch einschrän-ken. Die wesentlichen Abgas-Grenzwerte für Dieselmotoren sind in Europa je nach Ein-satzbereich in der EU-Richtlinie 91/542 (Ab-gasgrenzwerte für Busse, Nutzfahrzeuge) und in der EU-RL 97/68 EG, geändert durch

Die globale Dieselmotorenentwicklung ist seit Jahren bei Motoren, die als Antriebe von Geräten dienen, ausschließlich von den Abgasgesetzgebungen bestimmt. Auf der anderen Seite sind die Forderungen der Bau-maschinenindustrie an die Motorenherstel-ler äußerst vielfältig.

Kompakte Industriedieselmotoren mit hoher Leistung müssen zu jeder Zeit und an jedem Ort zuverlässig und unterbrechungsfrei be-reitstehen. Gleichzeitig rücken Umwelt- und Klimaschutz bei der Energieerzeugung im-mer stärker in den Vordergrund. Hier ste-hen Energie sparen, und damit auch eine Beteiligung an der Reduzierung von CO2, sowie die Erfüllung der globalen Abgasge-setzgebungen im Vordergrund.

Ein weiterer Aspekt ist die Ablösung von fossilen Energieträgern durch erneuerbare Energiequellen, welche als Lösungsansätze ganz oben auf der Prioritätenliste stehen. Bei der Verbrennung des als Kraftstoff ver-wendeten reinen Pflanzenöls wird – im Ge-gensatz zu fossilen Energieträgern – eine CO2-neutrale Energieerzeugung erreicht. Die Freisetzung weiterer klimaschädlicher Abgase wird vermieden, beziehungsweise deutlich reduziert.

Leider gibt es ein „Alle-Probleme-Lösendes” Antriebsaggregat zur Zeit noch nicht. Deswegen bleibt der uns bekannte Diesel-motor auch künftig als die wirtschaftlichste und umweltfreundlichste Antriebsquelle für Fahrzeuge und Baumaschinen im weites-ten Sinn sicherlich noch etliche Jahre erhal-ten. Neben der robusten und zuverlässigen Motorenkonstruktion liegt das vor allem an der hohen Wirtschaftlichkeit und dem günstigen Emissionsverhalten. Die stetige Weiterentwicklung der Motortechnik zeigt darüberhinaus Verbesserungspotenziale,

Roland Schmidt-Cornehl, Vertriebslei-ter bei ScanDiesel GmbH.

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henden Europawahl geschuldet. Basierend auf diesen Zeitrahmen ist dann mit einem In-

krafttreten dieser möglichen „Stufe V“ im Jahre 2020 (± 1 Jahr) zu rechnen. Es ist somit festzuhalten, es wird sehr wahrscheinlich eine neue EU Stufe V geben, wobei deren genauer Inhalt momentan reine Spekulation ist“.

Dr. Dirk Bergmann, Leiter der FPT Motorenforschung AG.

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Weiterentwicklungen bei den Motorenbauern

Um die jetzigen und künftigen weiter verschärften Abgasgrenz-werte für den Einsatz in mobilen Arbeitsmaschinen für den glo-balen Markt erfüllen zu können, haben die internationalen Moto-renhersteller ihre ureigenen Technikstrategien entwickelt. Je nach Anwendungssegment und Leistungsklasse sind nicht nur die Kun-denanforderungen und die Abgas-Grenzwerte unterschiedlich, sondern auch die optimalen technischen Lösungen.

Bei allen Motorenherstellern steht das Einspritzsystem und das Ab-gasnachbehandlungssystem im besonderen Fokus: Ein exakt einge-stellter Spritzbeginn, genau gefertigte Einspritzdüsen und präzise zumessende Einspritzpumpen senken den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen ebenso, wie auch modifizierte Verbrennungsräume, eine präzisere Einspritzstrahlgeometrie, ein immer höherer Ein-spritzdruck sowie die Absenkung der Betriebsdrehzahl. Dies lässt sich aber nur noch mit einer elektronisch geregelten Dieseleinsprit-zung verwirklichen.

Die Bestrebungen der Entwicklungsingenieure bei den Motoren-herstellern gehen daher auch genau in diese Richtung. Die Diesel-motoren, die die EU- sowie US-Abgasgrenzwerte der Stufe IV/Tier 4 bereits erfüllen, verfügen fast ausschließlich über elektronische Regel- und Kontrolleinrichtungen. Diese ECU (Electro-nic Control Unit = elektronische Steuerung), die mit der Maschinenelektronik gekop-pelt ist, gibt nur die Leistung/Drehzahl frei, die im Moment von der Arbeitshydraulik von dem Antriebsmotor abverlangt wird.

stoffverbrauchs arbeiten. Neben einem nied-rigeren CO2-Ausstoss bedeutet geringerer Kraftstoffverbrauch vor allem für den Kun-den geringere Betriebskosten (TOC - total cost of ownership). Auf der Motorenseite zielen wir daher auf eine weitere Steige-rung des thermischen Wirkungsgrads. Von heute 46 % versprechen wir uns bis 2020 eine Steigerung auf über 55 %. Im Wesent-lichen wollen wir dieses durch Maßnahmen zur bedarfsgerechten Ansteuerung der Ne-benaggregate, zur Reduktion der Reibung im Motor, zur Verbesserung der Aufladung und zur Optimierung des Brennverfahrens erreichen. Wobei uns bewusst ist, dass alle diese Maßnahmen zusammen nur etwa die Hälfte der angestrebten Wirkungsgrad-steigerung erbringen werden. Die zweite Hälfte peilen wir mit der Nutzung der Ab-gaswärmeenergie an. Hierbei denken wir konkret über Lösungen wie Turbocompound und Rankine-Prozess nach“.

0,4 Gramm Stickoxide und 0,01 Gramm Rußpartikel pro Kilowattstunde. Nach dem heutigen Stand der Technik geht das dann nicht mehr ohne spezielle Partikelfilter.

„Der flächendeckende Einsatz von Partikel-filtern in NRMM-Anwendungen bedeutet noch einigen Entwicklungsaufwand (Bau-raum, Maschinenrichtlinie, sichere Regene-ration, ...). Somit wird sicherlich die Einfüh-rung des Partikelfilters im Zusammenhang mit verschärften Grenzwerten emissions-seitig die Hauptzielrichtung der nächsten Jahre darstellen“, so Dirk Bergmann.

Im technisch sinnvollen Rahmen lassen sich die Abgase darüber hinaus kaum noch re-duzieren. Deshalb kommt parallel die CO2-Diskussion auf.

Dr. Bergmann: „Parallel werden wir aber auch verstärkt an der Reduktion des Kraft-

Dirk Bergmann: „Durchaus wahrscheinlich ist, dass mit dieser weiter verschärften EU Stufe V die Partikelemissionen weiter ein-geschränkt werden und ich daher von der (politisch und gesellschaftlich gewollten) Not-wendigkeit eines Partikelfilters ausgehe“.

Diese Ansicht vertritt auch Roland Schmidt-Cornehl, Vertriebsleiter bei der in Bremen angesiedelten ScanDiesel, die in ihrem Pro-duktportfolio mehrere Motorenmarken füh-ren. „Zumindest bei den Industriediesel-Mo-toren der Firmen JCB und SiSu wird man sich auf Abgasnachbehandlungssysteme wie zum Beispiel Partikelfilter und / oder SCR-Anlagen konzentrieren. Schon heute (Stufe IV) haben die JCB-Motoren im Leis-tungsbereich bis 129 kW nur ein auf SCR basiertes Abgasnachbehandlungssystem.“

Dann wird es vor allem um die Feinstpartikel gehen. Bisher wird im Rahmen der Emissi-onsgesetzgebung die Partikelmasse limi-tiert. Weil aber insbesondere allerfeinste Partikel im Verdacht stehen, ernsthafte ge-sundheitliche Schäden in der Lunge hervor-zurufen, wird es wie in der LKW-EURO 6, auch bei der Off-Road-Abgasstufe V mög-licherweise einen Partikel-Anzahlgrenzwert geben. Und diese Grenzwerte haben’s in sich:

Intensive Nutzung des Prüfstands bei FPT.

stoffverbrauchs arbeiten. Neben einem nied-rigeren CO -Ausstoss bedeutet geringerer

0,4 Gramm Stickoxide und 0,01 Gramm 0,4 Gramm Stickoxide und 0,01 Gramm Rußpartikel pro Kilowattstunde. Nach dem Rußpartikel pro Kilowattstunde. Nach dem

Übersicht Abgasgrenzwerte Entwicklung bis hin zu möglicher Stufe V.

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Zusammenfassung

Die Anforderungen an zukünftige moderne Dieselmotoren bezüg-lich Leistung, Drehmoment und Laufruhe bei gleichzeitig sinkendem Verbrauch und Abgasemissionen (Stufe V) nehmen weiter zu. Damit rücken Hochdruck-Einspritzsysteme mit elektronischer Steuerung noch mehr in den Mittelpunkt. Gegenüber konventionellen Einspritz -systemen ergeben sich wesentliche Vorteile. Die hohen Einspritzdrücke führen zu einer feineren Zerstäubung des Kraftstoffs im Brennraum und damit zu einer schnelleren und besseren Verbrennung. Dadurch steigt die Zylinderleistung bei sinkenden Anteilen von unverbrann-ten Bestandteilen im Abgas. Der steigende Wirkungsgrad führt zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch. Die durch die elektronische Steuerung gewonnenen Freiheitsgrade gestatten eine fast beliebige Formung des Einspritzverlaufs. Mit der gewonnenen Möglichkeit von Vor- oder Mehrfacheinspritzungen lassen sich die Geräuschemissio-nen erheblich verringern. Nacheinspritzungen führen zu einer Abnahme der Stickoxidkonzentrationen im Abgas. Ein für alle Betriebszustän-de einstellbares Optimum des Einspritzverlaufs ist damit möglich.

Aber irgendwo ist ein Ende der Fahnenstange absehbar und die Physik lässt sich nicht mehr überlisten: jetzt müssen die Abgase durch eine SCR-Anlage und möglicherweise durch Partikelfilter auf-bereitet werden.

Autor: Peter Pospiech, TechTex-Verlag

Bilder: FPT, ScanDiesel, Peter Pospiech, POW

Doppelte Produktionslinien verschärfen Wettbewerb

Von der Abgasgesetzgebung Stufe IV / TIER 4 und der zu erwar-tenden Stufe V besonders betroffen sind vor allem die Baumaschi-nenhersteller die ihre Produkte nicht nur in Europa und den USA, sondern auch in anderen Ländern verkaufen. Da dort Abgasgrenz-werte nicht oder nur in wesentlich abgeschwächter Form gelten, es den zum Betrieb der Maschinen nötigen schwefelarmen bezie-hungsweise schwefelfreien Dieselkraftstoff nicht gibt, und sicher auch niemand bereit ist die höheren Preise zu zahlen, müssen sie in ihren Werken jetzt zwei Varianten ein und derselben Maschinen bauen: Eine für den europäischen und US-amerikanischen Markt und eine für den Rest der Welt.

Dass das mit weiteren erheblichen Mehrkosten verbunden sei, liegt nach Ansicht des VDMA, der die Interessen der deutschen Bau- und Baustoffmaschinenhersteller vertritt, auf der Hand. Die Indus-trie habe erhebliche Lasten auf sich genommen und damit ihren Beitrag zum Erhalt der Umwelt geleistet.

Allerdings machten Emissionen vor den Grenzen nicht halt. Es gelte deshalb verstärkt, auch andere Nationen in die Gesetzgebung einzu -beziehen. Außerdem gibt der VDMA zu bedenken, dass ein be-trächtlicher Teil der Maschinen in extrem kleinen Stückzahlen auf den Markt komme. Ob sich der Aufwand, gemessen am Nutzen in diesen Fällen immer lohne, daran habe man schon seine berech-tigten Zweifel.

Nutzniesser dieser Situation sind Motoren- und Gerätehersteller aus so genannten Drittländern, die mit ihren bestehenden bezie-hungsweise nicht existierenden Grenzwertregelungen Dieselmoto-ren und Baumaschinen zu niedrigeren Herstellungskosten in Länder mit ebenso nicht existierenden Abgasgrenzwertregelungen ver-kaufen.

Preissteigerungen sind unvermeidlich

Egal für welchen Weg sich die Hersteller auch entscheiden, eines scheint gewiss: die Preise werden steigen. So ist nach Einschätzung der AVL GmbH in Graz, davon auszugehen, dass sich die Kosten für Motor und Abgasnachbehandlung der Stufe IIIB und IV durch Maßnahmen möglicherweise verdoppeln werden - und mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit wird es weitere Kosten-steigerung für die Stufe V geben. Unterm Strich müssen die Moto-renhersteller die Vor- und Nachteile der technischen Lösungen so abwiegen, dass nicht unbedingt das in der Anschaffung preiswer-teste, sondern das über den gesamten Lebenszyklus kostengüns-tigste Konzept gefunden wird.

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