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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Dieser energieeffiziente und emissionsarme Dieselmotor eignet sich für Industriemaschinen wie Gabelstapler, Hebebühnen, Holzhäcksler und auch für Blockheizkraftwerke.
© Motorenfabrik Hatz GmbH & Co. KG
Dieselmotoren für Industrie und Energiewirtschaft
Projektinfo 06/2014

Das Ventil (oben rechts in schwarz) sitzt in der Mitte der Kühlstrecke.
© Motorenfabrik Hatz GmbH & Co. KG

Die Entwickler konstruierten den Motor kompakter und gewichtssparend.
© Motorenfabrik Hatz GmbH & Co. KG
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Langlebiger Dieselmotor mit elektronischer Steuerung

Die Motorenfabrik Hatz entwickelte einen Dieselmotor der Leistungsklasse bis 56 kW mit Common-Rail-Einspritzung. In Kombination mit einem kompakteren Design reduzierte der niederbayerische Maschinenbauer den Verbrauch deutlich. Durch eine Abgasrückführung senkte er außerdem die Emissionen von Stickoxiden und durch das vollständig neu entwickelte Brennverfahren die Rußpartikel. Das im Forschungsprojekt entwickelte Motorenkonzept ist Basis für eine neue Serie von wassergekühlten Dieselmotoren. Der Industriedieselmotor ist für den Einbau in Maschinen wie Gabelstapler, Hebebühnen und Blockheizkraftwerke geeignet.

Das Forschungsprojekt begann mit dem Ziel, eine leichtere, effizientere und haltbarere Serie von Industriedieselmotoren zu entwickeln. Um eine bessere Ausnutzung des Brennstoffes zu gewährleisten und damit den Schadstoffausstoß zu senken, wird eine präzise elektronische Steuerung der Einspritzung eingesetzt. Diese Technik stand jedoch von Beginn an im Spannungsfeld, einen robusten Motor mit langen Wartungsintervallen zu bauen, dessen Lebensdauer sich im Vergleich zum Vorgängermodell verdoppelt.

Im Ergebnis erreichte der Maschinenbauer die hohe Lebensdauer des Motors durch eine Umgestaltung des Motordesigns mit einer konsequenten Einbindung des neuen Einspritzsystems. Dafür mussten das Verbrennungsverfahren, die Abgasnachbehandlung sowie die elektronische Regelung angepasst werden. Als Designansatz verfolgte die Motorenfabrik Hatz den Leichtbau aller Komponenten und reduzierte die Anzahl der einzelnen Bauteile um ein Viertel. Somit liegen der Kraftstoffverbrauch und Kohlendioxidausstoß des entwickelten Motors je nach Leistung zwischen 10 und 44 Prozentpunkten unter denen bisheriger Modelle.

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Als Kraftstoff-Einspritzung wählten die Forscher das bereits im Automobilsektor weit verbreitete Common-Rail-System, welches die Abgasemissionen senkt und gleichzeitig die Verbrennungseffizienz erhöht. Hierbei werden Druckerzeugung und Einspritzung entkoppelt. Der Einspritzdruck wird weitgehend unabhängig von der Motorendrehzahl und der Einspritzmenge geregelt. Nur eine Hochdruckpumpe erzeugt den Druck. Das System erlaubt eine flexible Einspritzung mit einer Unterteilung in Vor-, Hauptund Nacheinspritzung. Allerdings ist dieses System relativ komplex aufgebaut und stellt hohe Anforderungen an alle Komponenten. Aus diesem Grund übernahmen die Entwickler nicht einfach die Technik der für Pkw oder Lkw entwickelten Common-Rail-Einspritzsysteme. Vor allem die Qualität der verwendeten Kraftstoffe ist in dem breiten Anwendungsbereich des Industriedieselmotors sehr unterschiedlich. Auch die Anforderung an die Lebensdauer, von über 10.000 Betriebsstunden, ist hoch. Zudem ließen sich höhere Kosten für den Motor nicht am Markt durchsetzen.

Hoher Druck reduziert Rußpartikel

Die Motorenfabrik Hatz arbeitet mit dem Automobilzulieferer Bosch zusammen, der ein Common-Rail-System für Industriedieselmotoren entwickelte. Auch die Injektoren, Hochdruck-Einspritzpumpen, das Steuergerät, den Rail, die Sensorik und die Antriebselemente (Aktuatorik) liefert Bosch.

Das Common-Rail-System ist auf einen Einspritzdruck von 1.800 bar ausgelegt. Durch diesen hohen Druck wird der Kraftstoff relativ fein und homogen verteilt und kann effizienter verbrannt werden. Dadurch entstehen weniger Rußpartikel. In Verbindung mit dem innovativen Abgasrückführungs-System und dem neuen Brennverfahren „intelligent Hatz Advanced Combustion System“ (iHACS) werden einerseits die Stickoxide und andererseits die Rußpartikel soweit vermieden, dass auf einen Dieselpartikelfilter verzichtet werden kann. Um eine Schädigung durch unterschiedliche Kraftstoffqualitäten zu vermeiden, werden wichtige Funktionsteile nur mit Beschichtung verwendet.

Um die Einspritzung optimal auf den eingesetzten Turbomotor abzustimmen, entwickelten die Ingenieure eine dreistufige Einspritzung. Durch die kennfeldabhängige Voreinspritzung werden die Lärmemissionen reduziert. Die Nacheinspritzung senkt die Emissionen und Rußpartikelbildung. Eine geometrische Neugestaltung des Zylinderkolbens senkte den Schadstoffausstoß und den Kraftstoffverbrauch um 5 Prozentpunkte. Da bei einer einstufigen Öl-Abscheidung Probleme durch Öl-Nebelreste in der Kurbelgehäuselüftung und im Ansaugtrakt auftraten, konstruierte der Motorenhersteller ein dreistufiges Öl-Abscheidesystem. Es besteht aus einem Vorabscheider im Zylinder-Kopfdeckel, einem Labyrinthabscheider im Kurbelgehäuse und einem Feinabscheider. Dadurch kann verhindert werden, dass Öl-Nebel die Turbinenschaufel schädigen und unnötige Emissionen entstehen.

Projektinfo 06/2014:
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Merkzettel

Adressen

Einbindung des Common Rail Systems und Unterstützung bei der Verbrennungsentwicklung
Robert Bosch GmbH

Vorstudie zu Low Cost Common Rail System
TU München, LVK

Verfahrenssimulationen
DERC GmbH

Szenarien für die elektronische Regelung
DIF GmbH

Optimierung des Kurbelgehäuses
TU Graz, IVT

Finite-Elemente-Berechnungen der Kurbelwelle und des Kurbelgehäuses
Prisma Engineering Maschinen- und Motorentechnik GmbH

Rapid Protoyping der Gussteile
ACTech GmbH

Service

BINE-Projektinfo 06/2014
(PDF, 4 Seiten, 0,8 MB)

Links

EnEff:Industrie
Weblink zum Portal mit Nachrichten und Berichten aus der Forschung für die energieeffiziente Industrie

Infotipps

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Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.