Fit für Tier 4 Final

Offroad Higway Motoren droht mit der Abgasnorm Tier 4 Final eine spürbare Verschlechterung bei der Lastannahme. Dass es nicht so weit kommen muss, wäre ein Verdienst von Diesel Hydraulic Control, gezeigt auf der Bauma in München.

Wie so oft fiel der Startschuss in den USA: Die Ursprünge der Abgasgesetzgebung gehen zurück auf die Mitte der 60er Jahre, als im US-Bundesstaat Kalifornien erstmals zulässige Grenzwerte für PKW definiert worden sind. Seither haben alle Industriestaaten Abgasgesetze eingeführt, die sowohl Grenzwerte für den Schadstoffausstoß bei den verschiedenen Otto- und Dieselmotoren festlegen, wie auch die dazu nötigen Prüfverfahren. Dabei sind die Grenzwerte für alle Fahrzeuge beziehungsweise Motoren bindend, die in den Verkehr gebracht werden. Das gilt unabhängig davon, wo sie produziert werden.

Vorreiter sind auch im Bereich der Off-Highway-Motoren bis heute die USA, wo diese Ohw-Motoren den mit der Zeit immer schärfer werdenden EPA-Standards Tier 1 bis 4 unterliegen (Anm.: Die Environmental Protection Agency EPA ist die US-Behörde für Umweltschutz). Und die Europäer schließen - wie die Japaner - mit entsprechenden Regelungen auf. In Europa wurde der Markt für Ohw-Motoren erstmals in der EU Non-Road Richtlinie 97/98 erfasst und 1999 mit der Stufe 1 konkretisiert.

Die für 2011 anstehende Einführung der Emissionsvorschriften gemäß Tier 4 Interim (EPA) bzw. Stufe III B (EU) stellt zweifelsohne den bislang größten und wichtigsten Schritt in Sachen Schadstoffregulierung dar. Verlangt werden eine 90-prozentige Reduzierung der Partikelbestandteile sowie eine Senkung des Stickoxidanteils (NOx) um 50 Prozent. Und das ist nicht einmal alles: Die „Tier 4 Final/Stufe IV“-Emissionsvorschriften, die bis 2014/2015 vollständig umgesetzt sein sollen, sehen eine weitere Reduzierung der Partikel- und NOx-Emissionen nahezu auf Null vor.

Schlechteres Lastannahmeverhalten bei Tier 4 Final

Was technisch sehr wohl machbar ist, kann andererseits nicht ohne Folgen bleiben. Auf Grund der gesetzlichen Anforderungen steigt zum einen die Komplexität der Systeme. Ferner macht die Erreichung der Tier 4 Emissionsstufen für Motoren mit Leistungen über 56 kW aller Voraussicht nach den Einsatz von Abgasnachbehandlungstechnologien erforderlich. Dabei sollte sich für den Realisierungserfolg der Tier 4 Emissionsstufen die perfekte Abstimmung von innermotorischen Maßnahmen und Abgasnachbehandlung aufeinander als entscheidend erweisen.

Bei all dem führen die neuen Emissionsrichtlinien für mobile Arbeitsmaschinen nach Final Tier 4 voraussichtlich zu einem deutlich schlechteren Lastannahmeverhalten der Dieselmotoren. Zusätzlich senken Hersteller von Baggern, Telehandlern und anderen mobilen Arbeitsmaschinen die Motordrehzahlen ab, um den Dieselverbrauch zu reduzieren. Die bislang eingesetzten Regelungsmechanismen für die Fahr- und Arbeitshydraulik können diese „Trägheit“ nicht kompensieren. Damit besteht das Risiko geringerer Produktivität.

Wird und muss das alles zwangsläufig so kommen? Eine interessante Antwort hierauf lässt sich bei Rexroth am Standort Elchingen finden.

Hier hat Rexroth gemeinsam mit Bosch das neue Verfahren Diesel Hydraulic Control, kurz DHC, entwickelt. Jürgen Alletsee, Leiter Vertrieb Anwendungszentren für mobile Arbeitsmaschinen, Elchingen, erklärt, was Sache ist: „Bisher verlangt die Fahr- und Arbeitshydraulik unterschiedliche Drehmomente bei verschiedensten Drehzahlen. Dabei spielt es kaum eine Rolle, ob sich das gesamte Antriebssystem in seinem Optimum befindet oder nicht.“

DHC dagegen versetzt den Maschinennutzer in die Lage, dieses Gesamtoptimum zu berücksichtigen. Kernstück dabei ist die intelligente Kommunikation zwischen Dieselmotor und Hydraulik. Jürgen Alletsee verdeutlicht: „Die Maschine lässt sich dann beispielsweise mit einer geringeren Drehzahl betreiben, die Geräuschentwicklung geht zurück, ebenso der Treibstoffverbrauch. Der Komfort steigt, die Betriebskosten sinken.“ Und was ist mit der gewohnten Dynamik und Spritzigkeit mobiler Arbeitsmaschinen, nachdem sie auf die Erfüllung der ab 2014 geltenden drakonischen Emissionsrichtlinien getrimmt wurden? Martin Sykora vom Technischen Vertrieb und Produktmanagement Mobilelektronik bei Rexroth versichert: „Das schaffen wir. Mit Diesel Hydraulic Control sind wir in der Lage, eine optimale Systemdynamik mit Final Tier 4 Dieselmotoren zu realisieren.“

Erreicht wird das Ziel der gewohnt hohen Dynamik der Fahr- und Arbeitshydraulik mobiler Arbeitsmaschinen auch bei abgesenkten Dieselmotordrehzahlen und für Final Tier 4 Motoren mit Hilfe der elektronischen Bodas Systemlösung Diesel Hydraulic Control von Rexroth. Dahinter steht eine neue Steuerungsstrategie, die auch bei an und für sich verschlechtertem Lastannahmeverhalten und abgesenkten Drehzahlen die gewohnte Spritzigkeit der Fahr- und Arbeitshydraulik erhält. Der Bodas Systembaukasten bietet alle Komponenten für ein komplettes elektro-hydraulisches Antriebssystem für mobile Arbeitsmaschinen aus einer Hand.

Das System DHC ändert die klassische Wirkungskette und meldet zu erwartende Lastanforderungen der Fahr- und Arbeitshydraulik vorab an den Dieselmotor. Dies erfolgt über aufeinander abgestimmte Steuergeräte von Bosch für die Motorsteuerung und von Rexroth für die Fahr- und Arbeitshydraulik, die ein gemeinsames, spezielles Kennfeld verwenden. Dieses sog. DHC-System-Kennfeld stellt die fahrzeugspezifischen Abhängigkeiten von Drehzahl, Wirkungsgrad und Drehmoment dar.

Das innovative System ermittelt zyklisch die Anforderungen der Fahr- und Arbeitshydraulik und berechnet daraus dynamisch die optimalen Betriebspunkte für Dieselmotor und Hyd­raulikkomponenten über das DHC-System-Kennfeld. In der Praxis übermittelt beispielsweise der Joystick für die Arbeitshydraulik bevorstehende Arbeitanforderungen direkt an das DHC, das diese Anforderung an die Dieselmotorsteuerung übergibt. Dadurch gewinnt der Motor Zeit, sich auf die anstehende mechanische Last vorzubereiten.

Bis zu 20 Prozent Kraftstoffeinsparung gemessen

Da der Dieselmotor über die DHC-Vorgaben immer nur so viel Leistung bereit stellt wie die mobile Arbeitsmaschine aktuell benötigt, sinkt der Dieselverbrauch im Vergleich zu aktuellen Werten. Die in ersten Fahrversuchen erzielten Kraftstoffeinsparungen betragen gemäß Angaben von Rexroth „bis zu 20 Prozent“ in Verbindung mit der Absenkung der Dieseldrehzahlen. Weitere Folge ist: Die Total Costs of Ownership für die Betreiber reduzieren sich nachhaltig bei gewohnt hoher Dynamik der Fahr- und Arbeitshydraulik.

Der Clou bei der Entwicklung des DHC aber liegt für Martin Sykora - der auch vermerkt, dass die Kommunikation zwischen Diesel und Hydraulik mittels CAN-Bus geschieht! - in der „Kombination des umfangreichen Wissens von Rexroth auf dem Gebiet der Hydraulik und von Bosch in Punkto Motormanagement“. Zugleich denkt der Rexroth Produktmanager für Mobilelektronik schon an den nächsten Schritt.

„Durch die Kommunikation per CAN bei Diesel Hydraulic Control eröffnen sich weitere Optionen für zusätzliche Energieersparnis“, erklärt Martin Sykora im Vorfeld der Fachmesse Bauma 2010 und deutet ergänzend die zu erwartende Stoßrichtung an: „Wie wäre es zum Beispiel mit der Realisierung einer Start-Stopp-Funktion oder mit einer Verbrauchsanzeige in Echtzeit in der Arbeitsmaschine?“ Oder anders ausgedrückt: Machbar ist vieles – und in Zukunft auch mit Tier 4 Final Dieselmotoren.

Kontakt: bauma 2010, Halle A4, Stand 317/510.W

www.boschrexroth.com