Die HELM-Motoren von Cummins unterstützen alternative Kraftstoffe

Cummins X15N für den nordamerikanischen Markt (Foto: Cummins)

Motorenhersteller erforschen weiterhin das Potenzial verschiedener alternativer Kraftstoffe mit der Absicht, den Kunden einen geringeren Kraftstoffverbrauch, weniger Emissionen und niedrigere Gesamtbetriebskosten zu bieten.

Trotz seines Potenzials hat Wasserstoff seine anfänglichen Versprechen als direkter Ersatz für Diesel teilweise eingebüßt. Einfach ausgedrückt: Wasserstoff ist immer noch teuer, ebenso wie die Entwicklung der Technologie zur Nutzung des Kraftstoffs. Die begrenzte Verfügbarkeit stellt ein weiteres Problem dar.

Aufgrund dieser Faktoren konzentrieren sich einige Unternehmen mittlerweile auf Erdgas (Methan), entweder als CNG oder LNG oder als Biomethan (auch Biogas, erneuerbares Erdgas oder RNG genannt). Wie bei Wasserstoff können Motoren mit Biomethan die CO2-Emissionen gemessen von der Quelle bis zum Rad um fast 100 % senken.

Auf die Frage nach der Marktlage für alternative Kraftstoffe antwortet William Lamb, Leiter Plattformstrategie im Motorengeschäft von Cummins, dass das Interesse an Erdgas als Kraftstoff definitiv wieder zunimmt. „Zumindest aus europäischer und britischer Sicht ist das Interesse an Erdgas gestiegen; auch in China war es in den letzten Jahren stark. Weltweit beobachten wir in verschiedenen Regionen unterschiedliche Trends, abhängig von der Primärenergiegewinnung und den lokalen Emissionsvorschriften.“

William Lamb, Cummins

Während Erdgas bereits einige Aufmerksamkeit erlangt hat, sei das Interesse an Biogas noch größer, sagt Lamb. Lamb führt dies auf eine Reihe von Faktoren zurück, darunter das Potenzial für geringere Betriebskosten bei der Verwendung gasförmiger Brennstoffe und die Notwendigkeit, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren, um die gesetzlichen Vorschriften einzuhalten.

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Um sein Motorenangebot und die Varianten innerhalb der Modellreihen zu optimieren, hat Cummins die HELM-Plattformen eingeführt. Die Modelle jeder Plattform basieren auf dem Motorblock, wobei jede Variante mit Zylinderköpfen und Einspritzsystemen für einen bestimmten Kraftstofftyp ausgestattet ist. HELM-Modelle werden üblicherweise als Dieselvariante eingeführt, umfassen aber auch Erdgas- und Wasserstoffvarianten, wobei sich letztere noch in der Entwicklung befinden.

Auf die Frage, ob die treibende Kraft hinter der Einführung der HELM-Motoren darin bestand, den Kunden zu helfen, die Motoremissionen zu senken, oder ihnen eine Option für die Nutzung aller Kraftstoffe zu bieten, gibt Lamb eine zweifache Antwort.

Diesel wird in den meisten Märkten noch einige Jahre verfügbar sein, in einigen Regionen sogar länger. Wir haben in neue Plattformen investiert, um den Kraftstoffverbrauch zu senken, die Leistungsdichte zu erhöhen und den parasitären Leistungsverlust zu reduzieren. Mit älteren Plattformen war dies nicht möglich, daher war dies ein motivierender Faktor für die HELM-Produkte.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass wir die Motoren so konstruieren konnten, dass sie sich ohne Kompromisse sowohl für Kraftstoffe mit Kompressionszündung als auch mit Fremdzündung eignen. Mit einigen Modifikationen könnte man einen herkömmlichen Dieselmotor mit Erdgas betreiben, aber das wäre ein Kompromiss in Bezug auf Leistung und Effizienz.“

Wie die meisten Motorenhersteller nutzt auch Cummins die Fremdzündung für Erdgas. Laut Lamb bietet die Kompressionszündung zwar Vorteile bei der Verwendung von gasförmigem Kraftstoff, bringt aber auch Nachteile mit sich, wie beispielsweise die Notwendigkeit komplexer Abgasnachbehandlungssysteme.

Motorauswahl

Laut Lamb stößt Cummins aufgrund einer Reihe von Vorteilen weiterhin auf großes Interesse an seinen HELM-Motoren.

„Kunden betrachten dies aus unterschiedlichen Blickwinkeln, aber unabhängig von der Kraftstoffart wissen sie, dass es möglich ist, einen Dieselmotor oder einen Erdgasmotor im selben Raum und mit denselben Schnittstellen einzubauen. Wenn Sie einen HELM-Dieselmotor für einen Markt und einen Erdgasmotor für einen anderen installieren, können Sie mit sehr geringen Änderungen an der Maschine zwei Varianten unterstützen.

Cummins X10 Euro 7-fähiger Motor (Foto: Cummins)

Da beide Modelle dieselbe Plattform nutzen, sind die Motoren bei beiden Varianten bereits auf das jeweilige Fahrzeug oder die jeweilige Maschine abgestimmt. Alles ist integriert und arbeitet optimal mit dem Getriebe und anderen Subsystemen zusammen. Grundsätzlich gibt es keine Kompromisse. Egal, ob Sie sich für das Diesel- oder das Erdgasmodell entscheiden, Sie erhalten den besten verfügbaren Motor – und sind sogar für den Einsatz von Wasserstoff vorbereitet, sobald dieser verfügbar ist.

Lamb weist darauf hin, dass der direkte Nutzen des HELM-Systems beim OEM liegt, da der Motor flexibel ist und seine Maschinen zukunftssicher macht. Für den Endkunden bedeutet es Zugang zur neuesten Motortechnologie, was zu einer Verbesserung der Gesamtbetriebskosten beiträgt.

Es sei möglich, dass einige OEMs ohne die HELM-Serie keine alternativen Kraftstofflösungen anbieten würden, sagt Lamb. Wenn die Motoren auf unterschiedlichen Plattformen basierten und separate Entwicklungsprogramme für die jeweilige Anwendung erforderlich wären, wäre es durchaus möglich, dass der Fahrzeug- oder Maschinenhersteller nur eine Dieselvariante anbieten würde.

Designdifferenzierung

Laut Lamb ist der Zylinderkopf das wichtigste Unterscheidungsmerkmal zwischen den für unterschiedliche Kraftstoffe ausgelegten Motoren. Bei der Dieselversion mit Kompressionszündung hat der Zylinderkopf eine flache Oberfläche. Die Ventile stehen senkrecht zum Brennraum, sind aber so konstruiert, dass sie einen starken Wirbel erzeugen, um Luft und Kraftstoff zu vermischen.

„Die Anordnung konzentriert den Dieselkraftstoff in Richtung der Mitte des Zylinderkopfs, was eine bessere Verbrennung bei Kompressionszündung unterstützt“, sagt Lamb.

Die Version mit Fremdzündung und Erdgas – Lamb weist darauf hin, dass dies unabhängig vom Einsatzzweck sowohl für Erdgas- als auch für Benzinmotoren typisch ist – verwendet ein Pultdach-Design mit einem Einspritzsystem. Dadurch entsteht ein starker Tumble, bei dem sich das Luft-Kraftstoff-Gemisch in einem Über-Über-Trommel-Muster statt in einem Wirbel bewegt.

Cummins EPA27 X15 Dieselmotor (Foto: Cummins)

„Das sind die beiden grundlegenden Unterschiede zwischen den Motoren, die aufgrund der architektonischen Einschränkungen der Designs viel einfacher zu beschreiben als zu entwickeln sind“, fügt er hinzu.

Während die Kanäle, die das Motoröl durch den Block transportieren, unabhängig vom Kraftstofftyp gleich sind, gilt dies nicht für die Haupteinheit. Diese unterliegt aufgrund der bei jedem Kraftstofftyp und Motordesign verwendeten Einlass- und Auslassventile sowie Nockenwellen spezifischen Anforderungen.

Während die Aussage, der Motorblock bleibe unabhängig vom Kraftstofftyp derselbe, als Marketing-Akzeptanz aufgefasst werden könnte, weist Lamb darauf hin, dass es beim Gießen keinen Unterschied zwischen den beiden Komponenten gibt – diese sind tatsächlich agnostisch. Es könnten zwar unterschiedliche Kolben und Pleuel verwendet werden, aber dies hängt eher vom Anwendungstyp (z. B. On- oder Off-Highway) als vom Kraftstoff ab.

Wesentliche Änderungen

In einigen Fällen wurden die Materialien geändert, um die Nutzung von Erdgas zu ermöglichen, sagt Lamb. In einem Fall wurden die Ventilsitze gehärtet, um vorzeitigem Verschleiß vorzubeugen. Der Grund dafür lag vor allem darin, dass der gasförmige Kraftstoff nicht über die Schmiereigenschaften von Dieselkraftstoff verfügt.

Aufgrund der höheren Temperaturen werden für den Turbolader außerdem andere Materialien verwendet, um seine Integrität zu wahren. „Die in den Erdgasmotoren verwendeten Einheiten haben ein anderes Turbinengehäuse aus Hochtemperaturgusseisen oder Ni-Resist-Eisenlegierungen“, sagt Lamb.

Er führt weiter aus, dass das Turbinenrad, das höheren thermischen Belastungen standhalten muss, aus Inconel, einer Superlegierung auf Nickelbasis, gefertigt ist. Das Kompressorgehäuse, das niedrigeren Temperaturen ausgesetzt ist, besteht aus einer Aluminiumgusslegierung, die eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit bietet.

Was die Abgasnachbehandlung betrifft, so verfügen Dieselvarianten über ein SCR/DPF-System. Erdgasvarianten hingegen sind laut Lamb etwas einfacher aufgebaut. „Diese nutzen einen Dreiwegekatalysator zur Beseitigung von Stickoxiden, Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid. Es handelt sich eher um ein passives System, das weder regeneriert noch Harnstoffzusätze benötigt.“

Er sagt, dass die NOx-Emissionen in den USA streng überwacht werden und dass die Erdgasmotoren mit diesem System die Vorschriften erfüllen. „Ottomotoren arbeiten mit einem niedrigeren Druck als Dieselmodelle und erzeugen daher keine hohen NOx-Werte“, erklärt er. Und das, obwohl sie bei einer höheren Gesamttemperatur laufen.