Kompakt und leistungsstark: Der 9-Liter- Dieselmotor von MAN für Off-Highway-Anwendungen
Weiterhin wurde ein großes Augenmerk auf die Modularität des 9-Liter- Motorbaukastens gelegt. Die folgende Abbildung zeigt die verschiedenen Varianten im LKW, Bus, sowie als CNG- und Schlepper-Motor.
Die Versionen unterscheiden sich z.B. durch Lüfteranbauten und Riementrieben über Zylinderkopfhauben und Ölwannen aus Kunststoff und Aluminium bis hin zu Abgasturboladern mit Wastegate oder VTG. Der E1856 als Erdgasvariante verfügt im Gegensatz zu seinem Dieselpendant über eine gekühlte Abgasrückführung (AGR). Die Bus-Version kann optional mit einem Kurbelwellen-Starter-Generator geliefert werden.
Im Folgenden wird detailliert auf die Entwicklung (technische Daten siehe folgende Tabelle) und Integration des D1556 in den Schlepper eingegangen.
SCR-Katalysator
Bei der Abgasverrohrung bzw. Harnstoffaufbereitung mussten ebenfalls die Abmessungen des Vorgängermodells übernommen werden.
Der SCR war bereits in der Vorgängerversion des Fahrzeugs in 13“, dem größten kommerziell verfügbaren Standarddurchmesser für Cordieritsubstrate, ausgeführt. Lediglich in der Verlängerung der SCR-Substrate konnte den höheren Anforderungen an Abgasmassenstrom und NOX-Umsatz Rechnung getragen werden. Die Strömungsgleichverteilung auf dem SCR-Einlass musste auf einen Uniformity Index von mindestens 0,98 gesteigert werden. Um die Anforderungen bezüglich Gleichverteilung und Abgasgegendruck zu erreichen, wurden diverse Optimierungsschleifen per Simulation bei unterschiedlichen Betriebspunkten gerechnet. Die Zielvariante wurde im Rahmen der Validierung am Heißgasprüfstand hinsichtlich Strömungs- und NH3-Gleichverteilung überprüft und die Simulationsergebnisse bestätigt.
Die Abgasnachbehandlung wurde im Motorenwerk Nürnberg einer gezielten Schwachlasterprobung unterzogen. Für diese Zwecke wurde ein Schlepper von der internen Logistik betrieben. Die Zugmaschine wurde mit einem Datenlogger ausgerüstet. In regelmäßigen Abständen wurde die Ablagerungsneigung des AdBlue®-Mischers mittels Endoskop überprüft (siehe Abb. 6) sowie die Beladung des DPF durch Auswiegen ermittelt.
Abbildung 7 zeigt anschaulich die schwache Auslastung des Pendelverkehrs. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse konnte die Applikation entsprechend angepasst werden. Die örtliche Nähe des Versuchsfahrzeugs zur Entwicklungsabteilung erleichtert diese Arbeiten außerordentlich.
Dauererprobung
Auch bei der Dauererprobung kann und wird auf die Erprobung des Triebwerks im Lkw und Bus zurückgegriffen. Insgesamt sammelte der neue D1556-Motor über 200.000 Stunden an den unterschiedlichsten Prüfständen. Davon fielen ca. 10% auf die Offroad-Applikation (siehe Abb. 8).
Einen wichtigen Eckpfeiler in der Validierung stellt auch die Erprobung im Fahrzeug dar. Eine vergleichbare Anzahl an Erprobungsstunden sammelt der Motor auch im Traktor. Dafür wurden im Laufe der Entwicklung über 20 Schlepper unter härtesten Bedingungen validiert (siehe Abb. 9).
Bei der Wahl des richtigen Dauerlaufprogramms erfolgte im Vorfeld ein Abgleich zwischen real gemessenen Feldzyklen und den internen Dauerlaufzyklen.
Bei der Erstellung des Prüfprogramms wurden gezielt reale Anwendungsfälle untersucht und hinsichtlich unterschiedlicher Kriterien bewertet.
Bei der Auslegung wurden u.a. die folgenden Kriterien zur Bewertung herangezogen:
- Arbeit über Laufzeit (Durchschnittliche Motorauslastung)
- Mittlere Drehzahl (Anzahl Lastspiele)
- Thermo-Mechanische Schädigung am Beispiel Abgaskrümmer
- Schaltzyklen der mechatronischen Komponenten
In Abbildung 10 werden die gemessenen Feldzyklen den Prüflaufzyklen gegenübergestellt.
Betrachtet man zunächst die Anzahl der Lastspiele sowie Motorauslastung über Laufzeit (z.B. 8.000 h) zeigt sich, dass es nahezu unmöglich ist, diese innerhalb eines Dauerlaufs abzuprüfen. Im Gegensatz dazu gelingt es die thermomechanische Schädigung durch generische Zyklen hinreichend stark abzubilden. Im Gegensatz dazu wurden die Dauerlaufzyklen bzgl. der dynamischen Auslastung der Aktuatoren nicht optimiert, da diese durch Komponententests abgeprüft werden.
Herausforderungen und Schwierigkeiten im Offroad-Einsatz
Anders als bei Messungen von Pkws oder Lkws bietet der Einsatz im Offroad-Bereich weitreichende Herausforderungen und Schwierigkeiten, auf die die mobile Abgasmesstechnik vorbereitet werden musste.
So musste das PEMS-System modular gestaltet werden, um individuell auf jede Maschine im Offroad-Bereich aufgebaut werden zu können. Gestaltet sich der Aufbau der Messtechnik bei Schleppern noch einfach, so musste bei der Vermessung von Mähdreschern erst zusätzlicher Bauraum im Rahmen der gesetzlichen maximalen Abmessungen eines Fahrzeuges geschaffen werden, um die mobile Messtechnik anbringen zu können.
Bei der Stromversorgung wurde bewusst auf die Versorgung durch das Fahrzeug oder ein Stromaggregat verzichtet, um weder in Berührung mit der gesetzlichen 1%-Regel zu kommen noch um Quereinflüsse auf die Emissionsmessung durch Abgase des Aggregates zu bekommen. Umgesetzt wurde die Stromversorgung über ein auf die Bedürfnisse der Messtechnik zugeschnittenes Akku-Pack, dass einen Messbetrieb von mindestens einen Tag gewährleistet und über Nacht wieder aufgeladen werden kann. Weitere Schwierigkeiten waren die Kapselung der Messtechnik um Einflüsse durch Staub (z.B. Ernte-Staub) oder Feuchtigkeit und Spritzwasser gänzlich ausschließen zu können. Zusätzlich wird für die Analyse der Abgasemissionen ein Messgerät eingesetzt, dass Umluft unabhängig über synthetische Luft misst. Eine Kühlung der Messtechnik musste auch vorgenommen werden, da vor allem bei Messungen im sommerlichen Ernteeinsatz die maximale Messgerätetemperatur von 40°C schnell überschritten werden kann.
Abbildung 12 zeigt den Anbau der PEMS-Messtechnik an einen Schlepper in der Fronthydraulik bei dem alle zuvor erwähnten Punkte berücksichtigt wurden, um eine stabile Messung der Endrohremissionen möglich zu machen.
Zusätzlich wird das PEMS-Messrohr noch isoliert, um zu hohe Oberflächentemperaturen zu vermeiden und thermischen Vorfällen im Ernteeinsatz vorzubeugen.
Einer der größten Unterschiede zu Onroad-Anwendungen ist die Abhängigkeit von der Witterung und Erntefenstern. So können Schlepper ihre Arbeit im Ackerbau nur unter bestimmten Bedingungen und Mähdrescher nur während der Erntezeit in Europa durchführen. Dies hat zur Folge das teilweise nur kurze Zeitfenster zur Verfügung stehen, um die PEMS-Messungen durchzuführen.
Messungen und Ergebnisse
Die Länge der Messung variiert stark um die gesetzlich erforderliche Länge der fünf- bis sieben-fachen Zyklusarbeit eines NRTC zu erreichen. So kann die Messung bei hochausgelasteten Arbeiten nur ca. eine Stunde dauern, bei wiederum schwachlastigen Anwendungen bis zu 3,5 Stunden. Nachdem der Kaltstart noch kein fester Bestandteil der ISM-Messungen ist, können am Tag auch mehrere Messungen durchgeführt werden.
Im Rahmen der bereits durchgeführten ISM-Messungen an diversen Fahrzeugen bei verschiedensten Einsätzen hat sich gezeigt, dass abhängig von Auslastung und Einsatzart des Fahrzeuges eine große Varianz in den Ergebnissen über die ermittelten CF-Faktoren vorliegt. Es kann aber nachgewiesen werden, dass Ergebnisse vom Motorenprüfstand unter reellen Bedingungen im Einsatz reproduzierbar sind und bei hochausgelasteten Einsatzfällen wie Pflügen mit einem Schlepper auch CF-Faktoren <1 möglich sind.