Es steht jedem frei, negativ oder destruktiv zu denken: Dieselmotoren sind schlecht, schaden Umwelt und menschlicher Gesundheit. Daher sollten Dieselmotoren schnellstmöglich verbannt und durch umweltfreundlichere Antriebe ersetzt werden. Zu solchen unrealistischen, fast an Panik grenzenden Denkweisen tendieren heute sogar manche weltfremden Politiker. Man kann aber auch konstruktiv denken, und dies ebenso zum Wohle aller: Dieselmotoren sind unentbehrlich und nützlich. Machen wir sie doch „sauberer“, reinigen wir doch ihre Abgase effizienter als je zuvor. Genau so denken derzeit emsige Konstrukteure bei allen namhaften Motorenbauern.

Verschwindend klein sind die im Abgas verbleibenden Schadstoffreste (horizontale Achse: Stickoxide NOx; vertikale Achse: Feinstaubpartikel). Was in den 20 Jahren seit 1996 für die Abgasreinigung erreicht wurde, ist enorm. Foto: Zeppelin
Verschwindend klein sind die im Abgas verbleibenden Schadstoffreste (horizontale Achse: Stickoxide NOx; vertikale Achse: Feinstaubpartikel). Was in den 20 Jahren seit 1996 für die Abgasreinigung erreicht wurde, ist enorm. Foto: Zeppelin

Caterpillar bildet bei diesem zukunftsgerichteten Denken keine Ausnahme, im Gegenteil. Die Konstrukteure des Unternehmens wissen nur zu genau, dass Dieselmotoren nach dem heutigen Stand der Technik in etlichen Bereichen noch für viele Jahrzehnte unersetzlich sind. Andererseits fallen Abgasemissionen bei Ausschreibungen nicht nur in Deutschland, sondern in ganz Europa, aber auch in Nordamerika und Japan immer stärker ins Gewicht.

Diesen widersprüchlichen Parametern – einerseits ungebremste Verbreitung von Dieselmotoren in der Baubranche und in vielen anderen Bereichen, andererseits wachsende Verantwortung gegenüber unserer Umwelt – stellt sich Caterpillar mit einem gewaltigen Aufwand. Denn das Unternehmen konstruiert und fertigt nicht nur die Motoren seiner Baumaschinen in Eigenregie, sondern dies auch in einer weitaus größeren Spannbreite als irgendwo sonst. Das Spektrum reicht von Zwergdieseln in Minibaggern bis hin zu Motorkolossen mit 2830 kW (3849 PS) Leistung in Muldenkippern. Hinzu kommen noch kräftigere Motoren für Lokomotiven- und Schiffsantriebe.

Zukünftig nun sollen Baumaschinen die „saubersten“ der Welt werden, ihre Abgase werden kaum noch spürbar sein. Im Sommer wurden die Eckpfeiler für die Emissionsbestimmungen der EU-Stufe V verabschiedet, die ab 2019 Gültigkeit erhalten wird. Das soll nicht nur strengere Grenzwerte für Feinstaub und Stickoxide beinhalten, sondern erstmals auch Grenzwerte der Partikelanzahlen. Eigentlich könnten wir stolz darauf sein, bald schon mit den umweltfreundlichsten Maschinen der Welt zu arbeiten, doch werden immer wieder zweifelnde oder kritische Stimmen laut, ob der Aufwand dazu gerechtfertigt ist.

Ein Riesenschritt in fünf Stufen

Was die Konstrukteure bislang zur Abgasreinigung der Dieselmotoren erzielt haben, ist ebenso enorm wie erstaunlich, ungeachtet aller Abgasskandale und geschönten Messwerte. Und auch ungeachtet der Zweifel – ob hinsichtlich befürchteter Verbrauchssteigerungen oder einer nicht ausreichend robusten Bauweise samt erhöhtem Wartungsaufwand – können sich die Resultate nun durchaus sehen lassen. Allein Caterpillar kann als einer der führenden Motorenhersteller der Welt inzwischen auf mehr als 223 000 ausgelieferte Motoren der Abgasstufen IIIB und IV (in den USA entspricht dies Tier 4 interim und Tier 4 final) zurückblicken. Gemeinsam absolvierten diese Motoren – immerhin fast eine Viertelmillion – bereits über 370 Millionen Betriebsstunden. Insgesamt sind die Resultate hinsichtlich Zuverlässigkeit und Kraftstoffeffizienz hervorragend und übertreffen oft die Erwartungen. Der Erfahrungsschatz, wie Abgase wirksam und mit robuster Technik zu säubern sind, ist gewaltig, denn Konstrukteure, die dazu die ersten Schritte einleiteten, gehen inzwischen in den Ruhestand. Schon seit 20 Jahren werden die Abgasemissionen schrittweise reduziert: Ab 1996 galten in den Vereinigten Staaten als erster Nation der Welt Grenzwerte für die Motoren von Baumaschinen. Nein, nicht, wie zu vermuten wäre, in Europa, sondern in Nordamerika erhielten damals mit CARB und EPA die weltweit strengsten Emissionsrichtlinien Gültigkeit.

1997 folgte eine europäische Vorschrift für Baumaschinenmotoren, zunächst nur im Leistungsbereich 130 bis 560 kW, die für viele Motoren erst ab 2001 gültig wurde. Die daraufhin definierten Abgasstufen II und IIIA (in den USA Tier 2 und Tier 3) erzeugten noch kein nennenswertes Echo, konnten sie doch von den Konstrukteuren durch geschickte Maßnahmen im Motorinneren und in den Brennräumen umgesetzt werden. Alles anders wurde aber ab 2012 mit der EUStufe IIIB (Tier 4 interim): Nun sollte eine bedeutende Reduzierung der Stickoxide um 50 Prozent und des Feinstaub-Partikelausstoßes um sogar 90 Prozent realisiert werden. Damit es aus den Auspuffrohren nicht mehr rauchte, ließen jetzt die Ingenieure ihre Köpfe rauchen, denn neue Technologien mussten ersonnen werden.

Plötzlich geisterten viele Abkürzungen wie SCR, DPF und AGR durch die Branche, und Begriffe wie „selektive katalytische Reduktion“ klangen eher nach unbeliebtem Chemieunterricht als nach zuverlässiger Baumaschinentechnik. In der Tat waren die sich abzeichnenden Veränderungen enorm, denn nie zuvor mussten so gravierende Änderungen in der Motorentechnik vorgenommen werden. Die erste Baumaschine mit der neuen Abgastechnologie, die der Branche präsentiert wurde, war zur bauma 2010 der Prototyp des 36-Tonnen-Baggers Cat 336E. Die EU-Stufe IIIB stellte den bisher größten und bedeutendsten Schritt zur Schadstoffminderung dar.

Abgasweg bei Cat Motoren der Stufe IV: Zunächst erfolgt im DOC die Reduzierung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff, dann im DPF die Oxidation der Dieselpartikel (beide rechts). Im Mischrohr werden nun DEF eingespritzt und die Abgase vermischt (Mitte), gefolgt von SCR (links) zur chemischen Umwandlung der Stickoxide zu unschädlichem Stickstoff und Wasser. Nach AMOX zur Geruchsneutralisierung geht es ins Endrohr. Foto: Zeppelin
Abgasweg bei Cat Motoren der Stufe IV: Zunächst erfolgt im DOC die Reduzierung von Kohlenmonoxid und
Wasserstoff, dann im DPF die Oxidation der Dieselpartikel (beide rechts). Im Mischrohr werden nun DEF eingespritzt
und die Abgase vermischt (Mitte), gefolgt von SCR (links) zur chemischen Umwandlung der Stickoxide
zu unschädlichem Stickstoff und Wasser. Nach AMOX zur Geruchsneutralisierung geht es ins Endrohr. Foto: Zeppelin

Doch es ging weiter: Ab 2014 trat EU-Stufe IV (Tier 4 final) in Kraft, die eine weitere erhebliche Reduzierung der Stickoxide beinhaltete, also eine neue Herausforderung für die Konstrukteure von Dieselmotoren. Aber Hürden können auch Chancen mit sich bringen: Jetzt waren die umfangreichen Systeme zur Abgasreinigung nicht mehr innerhalb des Motorblocks oder in Zylinder-Brennräumen unterzubringen, sondern mussten in der Peripherie des Motors angeordnet werden. Genau dies zauberte ein freudiges Lächeln auf die Gesichter vieler Konstrukteure.

Die neue Freiheit im Motor

Die Abgase mussten von nun an außerhalb des Motors gereinigt werden. Mit anderen Worten: Die Motorenbauer durften im Motorinneren wieder mehr das tun, was ihnen vorschwebte. Sie mussten sich demzufolge nicht mehr sklavisch wie noch bei den Vorgaben von EU-Stufe II oder IIIA an minimale Emissionswerte halten, sondern konnten die Cat Motoren wieder verbrauchsoptimierter entwickeln, auch hinsichtlich hoher Drehmomente bei niedrigen Drehzahlen. Wohin führte das? Es zeigt sich, dass die „sauberen“ Dieselmotoren keineswegs nur eine lästige Kopfgeburt umweltfanatischer EU-Politiker sind. Bei den Motoren der Stufe IV, die alternativlos über SCR (selektive katalytische Reduktion) und Harnstoff-Einspritzung (AdBlue, Z-Blue) verfügen, sind die Motorenkonstrukteure nun wieder freier in ihren Gestaltungsmöglichkeiten.

Bei den früheren Abgasstufen lag der Fokus der Motorenbauer auf der Minimierung von Stickoxiden durch reduzierte Verbrennungstemperaturen, was meist durch Abgasrückführung erzielt wurde. Dagegen arbeiten die neuen Motoren mit höheren Drücken und Temperaturen, um bei niedrigen Drehzahlen eine möglichst hohe Leistungsausbeute realisieren zu können. Die Stickoxidemissionen werden dabei durch das SCR-System fast gegen Null gefahren. Zum Vergleich: Bei Stufe I waren es 1996 noch 9,2 g/kWh NOx, bei Stufe IV sind es nur 0,4 g/kWh – das entspricht einer schier unglaublichen Verminderung um 96 Prozent. „Hut ab“ also vor den Konstrukteuren, die den Negativdenkern Wege und Perspektiven für die Zukunft aufzeigen. Die neue Abgasstufe kommt auch Cat Baumaschinen zugute: Durch die eigene Motorenfertigung können die Ingenieure die Abgastechnologie ihrer Motoren, ob klein oder groß, maßgeschneidert den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Baumaschinengattung anpassen. Spürbar wird dies sowohl beim Fahren als auch bei der täglichen Arbeit. Die dank der Verbesserung im „Innenleben“ sehr drehmomentstarken Motoren verbrauchen aufgrund ihrer durchweg hohen thermischen Wirkungsgrade deutlich weniger Kraftstoff als ihre Vorgänger.

Die Bestrebungen, Emissionen zu senken, konzentrieren sich bei Caterpillar nicht nur auf Motoren. Da im Unternehmen auch Antriebe wie das leistungsverzweigte Getriebe für Radlader entwickelt werden, lassen sich die Baugruppen passend aufeinander abstimmen. Foto: Cohrs
Die Bestrebungen, Emissionen zu senken, konzentrieren sich bei Caterpillar nicht nur auf Motoren. Da im Unternehmen auch Antriebe wie das leistungsverzweigte Getriebe für Radlader entwickelt werden, lassen sich die Baugruppen passend aufeinander abstimmen. Foto: Cohrs

Stufe V – und kein Ende?

Mit Stufe-IV-Motoren rollen bereits viele Cat Maschinen an. Bei den meisten gehören DPF und SCR zum Serienstandard. Die Motoren basieren auf dem von Caterpillar vor 15 Jahren entwickelten, rund um den Globus zigtausendfach bewährten Acert-Konzept (Advanced Combustion Emissions Reduction Technology, zu deutsch fortschrittliche Technologie zur Reduzierung von Verbrennungs-Emissionen). Dadurch wurden schon 2001 die Abgasemissionen um beachtliche 50 Prozent reduziert. Acert vereint integrierte Motorelektronik, Brennraum- und Einspritzregelung, Kraftstoffsysteme sowie diverse Maßnahmen zur Minderung der Abgasemissionen.

Dank Acert können Cat Motoren sowohl vergangene als auch kommende Emissionsvorgaben mit geringerem Aufwand als der Wettbewerb erfüllen. Nach Stufe IV soll nun ab 2019 die noch strengere Stufe V gelten. Motorenhersteller wie Caterpillar richten sich bereits darauf ein, zumal Stufe V ein breiteres Motorenspektrum betreffen wird. Stufe V wird auch die Leistungsklassen von weniger als 19 kW und mehr als 560 kW umfassen, die von den Abgasregelungen bislang ausgenommen waren. Allerdings wird eine lange Übergangsfrist gewährt. Um die Vorgaben einhalten zu können, werden alle verfügbaren Technologien wie AGR, DPF und SCR zu kombinieren sein. Schon heute fordern immer mehr Großstädte zur Senkung der Feinstaub- und Stickoxid-Belastung bei Ausschreibungen Baumaschinen mit Partikelfiltern. Die Deutsche Bahn sieht vor, einen 2014 in Kraft getretenen Stufenplan bis 2019 auf innerstädtische Bahnbaustellen auszuweiten, wo dann nur noch Baumaschinen mit Rußpartikelfilter eingesetzt werden dürfen. Immer häufiger müssen Bauunternehmen schon genau angeben, welches Konzept genutzt wird, um bei den eingesetzten Maschinen die Abgasemissionen zu reduzieren. Der Trend ist demnach unverkennbar. So bietet Zeppelin für alle Cat Maschinen bereits die Nachrüstung mit Filtertechnologie an.

Interessante Perspektiven für die Zukunft der Antriebstechnik offenbart ein Blick in die Vergangenheit. Schon 2002 erklärte Peter Voûte, damals bei Cat Manager für schwere Baumaschinen: „In den letzten 200 Jahren versechsfachte sich die Weltbevölkerung auf sechs Milliarden Menschen; seit 1960 verdoppelte sie sich mit drei Milliarden. Reduzierung der Umweltbelastungen und Minimierung des Treibhauseffektes sind die großen Herausforderungen der Zukunft. Die Lösung dieser Aufgaben erhält bei Caterpillar inzwischen höchste Priorität. Wir möchten dabei nicht einfach den Richtlinien folgen, sondern mit richtungsweisender Technik die Zukunft mitgestalten.“

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