10. Dezember 2009

Gross, schwer und stark

Nutzfahrzeuge und deren Motoren bieten – wie der Titel sagt – in vielen Bereichen Superlative an. Doch geht es in diesem Technikbereich nie nur um tolle Zahlen, sondern vor allem um ökonomisches Rechnen und Vergleichen. Kann der Verbrauch um nur ein Prozent vermindert werden, so kann ein Fahrzeughalter pro Jahr und Fahrzeug gegen 500 Franken einsparen. In diesem Sinn ist die Nutzfahrzeugtechnik natürlich gefordert und versucht in der Motorenentwicklung, trotz immer strenger werdender Abgasvorschriften, die spezifischen und die Streckenverbrauchszahlen zu senken.

Gross, schwer und stark

Lastwagen sind nicht nur äus­serlich wesentlich grösser als Personenwagen. Auch in vielen Motorenbereichen gibt es ausserordentliche Dimensionen.

VON ANDREAS LERCH

Im Vergleich zur Motorisierung von Personenwagen verbrauchen Nutzfahrzeugmotoren Unmengen mehr an Treibstoff. Dieser Vergleich der absoluten Verbrauchszahlen hinkt natürlich sehr. Das Sprichwort besagt, dass Äpfel nicht mit Birnen verglichen werden dürfen. Der Verbrauchsvergleich darf durchaus gemacht ­werden, auch darf dazu der Streckenverbrauch in Liter pro 100 Kilometer herangezogen werden. Nur muss die bewegte Fahrzeugmasse noch in die Vergleichsrechnung einfliessen.
So verbraucht ein Mittelklassewagen mit einer angenommenen Gesamtmasse von 1,2 t ca. 6 l/100 km; das ergibt pro «100 Tonnenkilometer» 5 Liter Verbrauch. Der Lastwagen ist mit angenommenen 30 t unterwegs und verbraucht 30 l/100 km. Pro 100 km und 1 Tonne fliesst da also nur gerade 1 Liter Diesel durch den Motor. Da könnte bereits von einem 1-Liter-Fahrzeug gesprochen werden.
Die andere Vergleichsmöglichkeit stellt natürlich der spezifische Verbrauch dar, also jener Verbrauch, welcher der Motor für die Abgabe von einer Kilowattstunde Energie verbraucht. Diese Angaben werden auf dem Motorenprüfstand gemessen und in g/kWh angegeben. Die spezifischen Verbrauchszahlen sieht man etwa in Volllastdiagrammen oder in den sogenannten Muscheldiagrammen. Auch hier liegt der schwere Nutzfahrzeugmotor gut 10 g/kWh unter dem Pw-Diesel und mehr als 20 g/kWh unter dem Pw-Benzinmotor.

Eigenschaften

Neben dem Verbrauch interessieren natürlich auch die in Bild 2 dargestellten Motoreigenschaften: Lebensdauer, Drehmoment, Leistung und das brauchbare Drehzahlband.
Da diese fünf Grössen eng miteinander verknüpft sind und voneinander abhängen, können sie nur schwer einzeln diskutiert werden.
Wie auch im Personenwagenbereich hat die Leistungsentfaltung der Lastwagentriebwerke bei den interessierten Leuten eine grosse Bedeutung. Da jedoch die Leistung als Produkt aus Drehmoment mal Drehzahl berechnet wird und das nutzbare Drehzahlband bei allen Nutzfahrzeugmotoren auf ca. 1000/min begrenzt ist, resultiert natürlich aus dem Leistungsvergleich von Nutzfahrzeugen (fast) ein Drehmomentvergleich.
Während die maximalen Drehmomente bis etwa 1400/min gehalten werden, können die maximalen Leistungen im Durchschnitt ab 1600/min abgerufen werden. Dabei liegen die Drehmomente als Zahlenwerte in Nm um den Faktor 6 und 7 über den maximalen Leistungswerten. So erreichen die 12.9-l-Cursor-13-Motoren von Iveco in der 300-kW-Ausführung 1900 Nm (1900 / 300 = 6.33). Der DXi-13-Motor von Renault erreicht 352 kW bzw. 2400 Nm, was einer Verhältniszahl von 6.8 entspricht.

Spezifische Werte

Die hohen Leistungen und Drehmomente lassen in den Lastwagen richtige Renntriebwerke vermuten. Dem kann aber nicht so sein, da die Laufleistungen, welche diese Aggregate erreichen müssen, in Millionen Kilometern angegeben werden. Somit werden die beeindruckenden Performance-Angaben offensichtlich über ebenso grosse Hubräume erreicht. Dazu können die spezifischen Leistungen und die spezifischen Drehmomente ausgerechnet werden. Die aufgeladenen Dieselmotoren der Nutzfahrzeuge leisten pro Liter Hubraum bescheidene 25 bis 30 kW. Dafür erreichen sie 150 bis 200 Nm aus jedem Liter Hubraum. Diese Werte belegen deutlich, wo in der Motorenentwicklung der Nutzfahrzeugindustrie die Schwergewichte gelegt werden.
Die kleinen spezifischen Leistungswerte weisen natürlich hauptsächlich auf die geringen Drehzahlen hin. Da die Leistung aus dem Produkt aus Drehmoment und Drehzahl entsteht und die Motoren doch sehr hohe Drehmomentwerte aufweisen, liegt der Grund für die «kleinen» Leistungen in den niedrigen Drehzahlen. Diese werden unter anderem auch zur Steigerung der Lebensdauer und zur Zuverlässigkeit der Triebwerke niedrig gehalten.
Personenwagen- bzw. Benzinmotoren erreichen dank ihren hohen Drehzahlen auch mit bescheidenen Drehmomenten beeindruckende Leistungswerte. Im Exzess ist das bei Formel-1-Motoren zu beobachten. Bei über 18'000/min und dem Drehmoment eines 2-Liter-Personenwagen-Dieselmotors könnte eine Leistung von mehr als 550 kW aus einem Triebwerk herausgeholt werden.

Drehmomente

Im Hubraumvergleich werden die grösseren Drehmomente aus Langhubmotoren herausgeholt. Wenn bei gleichem Zylinderhubraum die Bohrung eines Zylinders kleiner ist als dessen Hub, hat die Flammenfront grundsätzlich einen kürzeren Weg, deshalb wird die Verbrennung inniger und vollständiger, zum zweiten ist die wärmeabstrahlende (Brennraum-) Oberfläche kleiner, daher geht weniger Wärmeenergie über die Brennraumwand ans Kühlwasser und zum dritten wird die Pleuelstange durch ihre gross gewählte Länge weniger ausgeschwenkt, was die Kraftübertragung auf die Kurbelwelle und die Umsetzung der Pleuelstangenkraft in ein Kurbelwellendrehmoment effizienter werden lässt.
Durch den längeren Hub muss natürlich die Drehzahl vermindert werden, damit die Kolbengeschwindigkeit nicht zu gross wird. Dadurch bleiben die Ventile länger offen und die Brennräume können besser mit Luft gefüllt werden. Auch der Verbrennung bleibt mehr Zeit, um das gesamte Luft-Treibstoff-Gemisch zu verbrennen.
Als optimale Verdichtungsverhältnisse zeigen sich heute ­Werte im Bereich zwischen 16 und 18:1. Durch die gesteigerte Verdichtungsarbeit nimmt der Wirkungsgrad darüber nur noch unwesentlich zu. Einzig die Spitzendrücke und damit die Bauteilebelastungen, die Geräuschemissionen und – durch die höheren örtlichen Temperaturen – die NOx-Emissionen würden zunehmen.

Richtwerte

Das Hub-Bohrungs-Verhältnis pendelt bei Nutzfahrzeugmotoren im Bereich von 1.2, das heisst, dass der Hub ungefähr 20 % grösser ist als der Bohrungsdurchmesser. Zusammen mit den maximalen Drehzahlen, welche unter 2500/min liegen, ergeben sich Kolbengeschwindigkeiten von ungefähr 10 m/s. Bei diesen Geschwindigkeiten können die Kräfte der relativ schweren Kolben mit den langen Schäften und dicken Kolbenböden aufgefangen werden, ohne die Lager stark zu belasten. Die maximalen Verbrennungsdrücke bewegen sich bei den Motoren der schweren Nutzfahrzeugklasse im Bereich um 200 bar und die Bestwerte der spezifischen Verbrauchszahlen um 190 g/kWh. Diese Werte können über den Heizwert des Treibstoffes in Wirkungsgradzahlen umgerechnet werden. Die Faustformel besagt, dass bei einem spezifischen Verbrauch von 200 g/kWh der Wirkungsgrad bei 40 % liegt. Moderne Nutzfahrzeugdieselmotoren haben diesen Wirkungsgrad in ihren besten Kennfeldpunkten überschritten und liegen bei gut 45 %. Personenwagen-Dieselmotoren «kratzen» gerade an der 40-%-Grenze und auch die Benzinmotoren nähern sich langsam.
Durch die kleineren Drehzahlbereiche und die dadurch konstanteren Strömungsverhältnisse der Gase sind die Muscheldiagrammflächen bei Nutzfahrzeugmotoren grösser, und in den Drehzahl- und Lastgrenzbereichen verschlechtern sich die Werte nicht in gleichem Masse wie bei Benzinmotoren.

Aufbau

Die einzelnen Bauteile von Nutzfahrzeugmotoren unterscheiden sich zum Teil sehr von jenen aus Personenwagenmotoren. Dies ist einerseits auf die höheren Belastungen und zum zweiten auf die geforderte Lebensdauer zurückzuführen. Bei schweren Nutzfahrzeugen spricht man bei der B10-Lebensdauer von 1'200'000 km. B10 bedeutet, dass bei dieser Laufstrecke erst für 10 % aller Motoren eine Grundüberholung oder ein Austauschmotor erforderlich waren. Auf die verlangten langen Wartungsintervalle wird mit grossen Öl- und Wassermengen eingegangen. Mercedes-Benz spricht bei einem DD15 Reihen-Sechszylinder-Motor von einem Ölkreislaufvolumen von 12.7 Litern und einem Ölinhalt von 45 l. Damit kann die Ölbelastung, der Verbrauch der Additive, aber auch die Öltemperatur exakt überprüft und in einem engen Regelbereich gehalten werden. Daneben wird das Öl auch in Haupt- und Nebenstromkreisen, z.T. mit Schleuderfiltern, gefiltert und damit von Verunreinigungen befreit. Die Volumen der Kühlung liegen in ähnlichen Bereichen. ­Renault füllt 44 Liter Kühlflüssigkeit in den DXi 13-Motor.
Die Motorgehäuse werden in den meisten Fällen aus Grauguss gefertigt, und auch die Zylinderköpfe oder die Einzelzylinderköpfe sind aus Gusseisen. Durch die Materialeinheit dehnen sich Zylinderblock und -kopf ähnlich aus, und die dazwischen liegende Zylinderkopfdichtung wird weniger belastet, wodurch sich ihre Lebensdauer erhöht. Durch die grossen Ölmengen werden auch die Ölwannen sehr voluminös, dadurch scheinen gerade die 6-Zylinder-Reihenmotoren ziemlich hoch. Bei den V8-Motoren fällt das weniger auf. Da sich die Zylindervolumina bei den schweren Lastwagen um 2 Liter Hubraum pro Zylinder eingependelt haben (Personenwagenmotoren liegen bei 0.3 bis 0.5 l Hubraum pro Zylinder), werden Motoren ab 10 Litern vor allem als Reihensechszylinder gebaut und erst ab 13 bis 14 Liter Hubraum kommen meistens V8-Triebwerke zum Zug.

Kurbeltrieb

Der gesamte Kurbeltrieb ist zur Aufnahme der hohen Verbrennungsdrücke entsprechend stark gebaut. Im Bild 5 fällt auf, dass der linke Lastwagenkolben neben dem dicken Kolbenboden über eine extrem grosse Kolbenbolzenbohrung verfügt. Das vermindert die Flächenpressung auf die Oberfläche des Kolbenbolzens. Das Gleiche gilt für die Pleuel- und Hauptlager. Grosse Durchmesser sind gefragt, damit der Ölfilm bestehen kann. Dadurch werden aber die Pleuelfüsse breiter als die Bohrungen der Zylinder. Um die Kolben und Pleuelstangen trotzdem in Richtung Zylinderkopf ausbauen zu können, sind die Pleuelfüs­se bei Lastwagen in der Regel schräg geteilt.

Weitere Entwicklungen

Verschiedene Systeme sind angedacht oder stehen vor dem Serienstart. Das Ziel der Industrie sind 20% Verbrauchseinsparungen bis ins Jahr 2020.
Renault stellt in einem Forschungsfahrzeug verschiedene Massnahmen vor: So läuft beispielsweise die Wasserpumpe mit zwei Geschwindigkeiten. Der Wasserdurchsatz im Kühlkreislauf ist geregelt und läuft nur bei Bedarf mit voller Leistung. Die Ölpumpe weist im Gegenzug ein veränderbares Verdrängungsvolumen auf und kann so volumengeregelt werden. Der Luftkompressor wird mit einer Kupplung ausgerüstet, damit nach Erreichen des Maximaldruckes der Antrieb zum Kompressor mittels Lamellenkupplungen ausgeschaltet werden kann. Um die Reibungsverluste im Motor zu vermindern, haben die Ingenieure gar die Betriebstemperatur gesteigert.
Bosch stellt sich vor, dass durch Erhöhung des Einspritzdruckes auf ca. 2500 bar die SCR-Systeme zur NOx-Nachbehandlung auch in Zukunft klein und schlank gehalten werden können.
Daneben stellt Mahle gebaute Stahlkolben für Nutzfahrzeuge vor, welche höhere Anforderungen bezüglich Zünddrücken, Temperaturbeständigkeit und Ölverbrauch erfüllen. Bei Grossmotoren hat sich diese verschraubte Kolbenkonstruktion bewährt und durchgesetzt, da sie eine vergrösserte Kühlungsfläche aufweist. In Versuchen wurden Absenkungen der Muldenrandtemperaturen von 70° C gemessen.
Auch über Hybrid wird im Nutzfahrzeugbereich nachgedacht. Da stellt sich momentan noch die entscheidende Frage, ob sich der Weg auch in Richtung Verbrennungsmotor und Elektromotor oder aber Verbrennungsmotor und Hydromotor ebnen wird.

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