Eaton beschreitet neue Wege in der Emissionstechnologie

Eaton und BAE Systems haben einen integrierten Elektroantrieb für mittelschwere und schwere Lkw getestet. (Foto: BAE Systems)

Die Eaton Corporation verfügt über ein umfangreiches Produktportfolio, das praktisch jede Energieanwendung abdeckt, von Energiespeichersystemen bis hin zu Notstromversorgungen und Fahrzeugantrieben.

„Eaton ist überzeugt, dass Regierungen konkrete Umweltziele festlegen sollten.“ Dr. Mihai Dorobantu, Eaton Corporation. (Foto: Eaton)

In einem aktuellen Interview mit PPI erklärte Dr. Mihai Dorobantu, Leiter für Advanced Technology bei Eaton, dass sich nahezu alle Programme seiner Abteilung in den letzten 15 Jahren mit der Reduzierung von Motoremissionen befassten. Der Schwerpunkt lag dabei auf CO2- und NOx-Emissionen, um die Auswirkungen dieser Treibhausgase auf Klima und Luftqualität zu verringern.

„Es ist kein Zufall, dass wir plötzlich mit diesen Emissionslösungen aufgetaucht sind“, sagte Dorobantu. „Wenn man zu Beginn des Prozesses Maßnahmen zur Emissionsreduzierung ergreift, ist es 15 Jahre später keine große Überraschung, dass wir über ein solches Technologieportfolio verfügen, Produkte mit diesen integrierten Technologien, die die Motoremissionen senken sollen.“

Egal ob Pkw oder Nutzfahrzeuge: Eaton bietet eine Komplettlösung zur Emissionsreduzierung. Bei Pkw sollen die neuesten Ergänzungen des Sortiments die Entwicklung sowohl von Hybrid- als auch von reinen Elektroantrieben unterstützen.

Bei Nutzfahrzeugen konzentrierte sich das Programm zur Emissionsreduzierung auf Dieselmotoren mit innerer Verbrennung (IC) und die Verbesserung bestehender Technologien.

Dorobantu: „Im konventionellen Dieselbereich gab es eine Reihe von Technologien, die gleichzeitig CO2 und NOx angehen wollten. Dabei gibt es jedoch einen Kompromiss. Wer weniger NOx möchte, läuft heißer, produziert aber mehr CO2. Umgekehrt kann man effizienter fahren und weniger CO2 produzieren, aber das erzeugt mehr NOx.“

Auch eine Zylinderabschaltung (CDA) kann zur Reduzierung der Motoremissionen beitragen. (Foto: Eaton)

Um dieses Paradigma zu durchbrechen, hat Eaton kürzlich eigenständige Heizeinheiten für Abgasnachbehandlungssysteme eingeführt. Die Heizgeräte bringen den Katalysatorteil des Systems schnell auf Temperatur (bei noch kaltem Motor), wodurch das System Stickoxide im Abgasstrom effizienter verarbeiten und reduzieren kann.

„Dieses System hilft, die bekannten Kaltstartprobleme von Dieselmotoren zu lösen, die die höchsten Schadstoffemissionen verursachen“, erklärte Dorobantu. „Und es ist äußerst sparsam, da es das Bordnetz schonend nutzt, anstatt zusätzlichen Kraftstoff zu verbrauchen.“

Das System soll zunächst den neuen NOx-Vorschriften in Kalifornien Rechnung tragen, die für Schwerlast-Lkw des Modelljahres 2024 eine Reduzierung um 75 % vorschreiben. Bis 2027 soll diese Reduzierung auf 90 % steigen.

Dorobantu sagte, die Entwicklung des Katalysatorheizgeräts habe bereits 2017 begonnen, also lange vor der Veröffentlichung der Richtlinien für extrem niedrige NOx-Emissionen. „Wir haben erkannt, wohin sich die Gesellschaft entwickelt, und hatten daher eine gute Vorstellung davon, was erforderlich sein würde“, fügte er hinzu.

Ventilbetätigung

Dorobantu erklärte weiter, dass Eaton zwar bereits über eine Reihe von Technologien zur Reduzierung der CO2-Emissionen von Dieselmotoren verfüge, dass aber in Kürze eine Produkt-Toolbox der nächsten Generation auf den Markt komme, die die damit verbundenen Treibhausgasemissionen weiter reduzieren werde.

Hybridgeschichte

Schnittansicht eines 48-V-Mild-Hybridsystems für schwere Lkw (Bild: Eaton)

Im Jahr 2007 veranstaltete FedEx einen Wettbewerb, um das beste Hybridsystem für einen mittelschweren Lkw zu finden. Eaton gewann den Hauptpreis und entwickelte damit das erste Hybridsystem des Unternehmens für Nutzfahrzeuge.

„Damals war eine 4-kWh-Batterie eine große Batterie“, erklärte Mihai Dorobantu. „Sie war mit einem ebenso großen Motor gekoppelt. Wir gingen davon aus, dass die Batterien nach fünf oder sechs Jahren ausgetauscht werden müssten, aber diese Lkw [Baujahr 2007 bis 2014] sind immer noch auf der Straße.“

Dorobantu erklärte weiter, der Preis von 20.000 Dollar für das Batteriepaket sei für den Markt zu hoch, außer in China, wo es Subventionen für emissionsreduzierende Technologien gebe. Dies habe Eaton geholfen, die Entwicklung des Systems fortzusetzen und die Emissionsreduzierung weiter zu verbessern.

„Ein Hybridsystem ist ein komplettes Ökosystem aus Komponenten“, fügte er hinzu. „Selbst die Fahrweise und die richtige Abgastemperatur sind Teil einer erfolgreichen Hybridisierungsstrategie.“

Wir haben bereits viel Arbeit mit der Ventilsteuerung bei Benzinmotoren in Pkws geleistet, aber es hat ein Jahrzehnt gedauert, bis wir verstanden haben, wie sich diese Technologie für den Einsatz in großvolumigen Dieselmotoren adaptieren lässt. Der Zylinderdruck [im Pkw-Motor] ist deutlich niedriger, der Verbrennungszeitpunkt wird im Gegensatz zur Kompressionszündung präzise durch die Zündkerze gesteuert. Es gab also viele Unterschiede, die es zu berücksichtigen galt.

Dieselmotoren sind grundsätzlich bei einer bestimmten Drehzahl sehr effizient, außerhalb dieses engen Bereichs sinkt die Effizienz jedoch schnell. Eatons Ventilsteuerungstechnologie trägt dazu bei, diesen Bereich zu erweitern, indem sie den Verbrennungszyklus so modifiziert, dass er innerhalb des optimalen Wirkungsgradbereichs bleibt. Dazu gehören außerdem variable Ventilsteuerungen und weitere Funktionen, die zusammengenommen die Komplexität erheblich erhöhen.

„Das System beinhaltet Änderungen an Hard- und Software“, sagte Dorobantu. „Um die Ventilsteuerung anzupassen, muss man das Nockenprofil ändern können, aber die Software bestimmt den optimalen Zeitpunkt dafür. Man will die Effizienz steigern, aber nicht so weit, dass unnötige Stickoxide entstehen.“

Motorbremssysteme, in den USA als „Jake Brake“ und in Europa als Dekompressionsbremsen bekannt, sind ein weiteres Mittel zur Verbesserung der Dieselmotoreneffizienz. Während frühere Versionen eigenständige Komponenten waren, sieht Dorobantu die Kombination dieser Funktionen in einem einzigen Steuersystem mit dem Ziel, die Funktionalität zu verbessern und die Gesamtemissionen zu senken.

Hybrid-Comeback

Während die Hybridisierung ein bewährter Weg zur Reduzierung der Pkw-Emissionen ist, war die Technologie bei Nutzfahrzeugen weniger erfolgreich. Die Verbesserungen dieser Systeme sind jedoch so groß, dass OEMs wie Scania nun auch Hybrid-Schwerlastwagenmodelle anbieten.

Eaton E-Heizer für Abgasnachbehandlungssysteme. (Foto: Eaton)

Dorobantu erinnerte sich, dass Eaton um das Jahr 2000 mit der Entwicklung von Hybridsystemen begann. Später lief das Geschäft in den USA und Europa schleppend, doch in China gewann die Technologie deutlich an Bedeutung. Er sagt, dass die neueste Generation dieser Hybridtechnologie auch heute noch erhältlich sei.

„Wo die Hybridtechnologie in einigen Märkten zunächst nicht erfolgreich war, denke ich, dass neue, sehr strenge Emissionsstandards diese Systeme wieder ins Spiel bringen werden. Außerdem sind reine Batterie-Elektrofahrzeuge die einzige Alternative. Sie verwenden große, schwere Akkus, die die Ladekapazität reduzieren und sehr lange zum Aufladen brauchen.“

„Denken Sie darüber nach: Sie können drei Schwerlast-Lkw mit den Batterien zu einem einzigen reinen Elektro-Lkw hybridisieren. Das ist im Hinblick auf den Batteriematerialverbrauch also viel effizienter.“

Es ist jedoch wahrscheinlich, dass die Elektrifizierung von Nutzfahrzeugen im mittelschweren Segment kurzfristig stärker voranschreiten wird. Denn die bewährte Technologie aus Pkw kann nahezu unverändert übernommen werden, unterstützt durch die Lieferung von Komponenten von denselben Zulieferern.

Für Hybridfahrzeuge mit hohem Nutzwert wird – sofern kein elektrisches System für mittlere Nutzlasten verwendet wird – neue Hard- und Software von neuen Lieferanten benötigt. Die Entwicklung dieser Systeme wird einige Zeit in Anspruch nehmen.

„Ich denke, dass die batterieelektrische Lösung für mittelschwere Hybrid-Lkw weiterhin im Spiel bleiben wird“, sagte Dorobantu. „Mit nur einem Zehntel der Batteriepackgröße lässt sich der CO2-Ausstoß um 33 % reduzieren.“

Hybridisierung trägt zwar zur CO2-Reduzierung bei, spricht aber auch für den Einsatz dieser Systeme zur Reduzierung des NOx-Ausstoßes. Da Kaltstarts den größten Anteil an Schadstoffemissionen verursachen, ermöglicht ein Parallelhybridsystem das Fahren eines Lkw mit Elektroantrieb während der Aufwärmphase des Motors. Gleichzeitig katalysiert ein beheiztes Abgasnachbehandlungssystem die geringen NOx-Emissionen des Motors im Leerlauf.

Ziele erreichen

Während die Normen Tier 3 und Euro 6 im Großen und Ganzen ähnlich sind, werden bei den nächsten Emissionsnormen Abweichungen erwartet. So werden die USA eine Reduzierung der NOx-Emissionen um 90 % fordern, während die europäischen Normen lediglich eine Reduzierung um 50 % vorschreiben.

Effizienzpfad

Vierganggetriebe für elektrifizierte Schwerlastfahrzeuge. (Foto: Eaton)

Laut Mihai Dorobantu kann ein Ein-Gang-Getriebe eines elektrischen Antriebsstrangs bei einer Regeneration etwa 50 % der verfügbaren Energie erfolgreich aufnehmen. Ein Mehrganggetriebe kann diesen Anteil auf über 95 % steigern, da die Verfügbarkeit unterschiedlicher Gänge einen möglichst effizienten Regenerationsprozess unterstützt.

„Das entspricht einer Effizienzsteigerung von 20 % im gesamten Energiekreislauf“, erklärte er. „Das ist ideal für Stadtbusse und kommunale Fahrzeuge mit häufigen Stopps. Es unterstreicht eindrucksvoll, wie wichtig Effizienz für die Emissionsreduzierung ist. Schließlich wurde die Energie für dieses Elektrofahrzeug irgendwo erzeugt.“

Dies liege daran, so Dorobantu, dass der Schwertransport in den USA zwar weiterhin überwiegend mit Diesel betrieben werde, in Europa jedoch strenge CO2-Grenzwerte den Übergang zu emissionsfreien Transportlösungen wie reinem Elektro- und Wasserstoffantrieb unterstützen würden.

Ein weniger strenger NOx-Zielwert würde geringere Investitionen erfordern, um diesen Standard zu erreichen. Dadurch bliebe mehr Geld für Investitionen in emissionsfreie Technologien übrig. Für den europäischen Markt wäre das eine Win-Win-Situation.

Natürlich wird Eaton in die Bereitstellung der zur Erreichung dieser Ziele erforderlichen Technologie investieren, doch Dorobantu sagte, das Unternehmen sei der Ansicht, dass die gezielte Reduzierung bestimmter Schadstoffe nicht mehr der richtige Weg sei.

Eaton ist überzeugt, dass Regierungen konkrete Umweltziele festlegen sollten. Hier sind die Klimaziele, hier die Luftqualitätsziele – und darauf aufbauend kann die Industrie die passende Lösung finden. Das liefert langfristige Ziele und schafft Zeit für Innovationen, Investitionen und die Markteinführung dieser Lösungen.

Dies untermauert die scheinbar agnostische Sichtweise von Eaton als Lösungsanbieter. Dorobantu wies darauf hin, dass Eaton kein konkretes Ziel in Bezug auf Elektrifizierung oder Hybridisierung verfolgt. Stattdessen beobachtet das Unternehmen die Marktentwicklung und die regulatorischen Rahmenbedingungen und versucht dann, die passende Technologie im Vorgriff auf diese Veränderungen zu entwickeln.

DC-DC-Wandler für den Antrieb elektrischer Fahrzeuge. (Foto: Eaton)

Ein Beispiel hierfür sind Mehrganggetriebe für Elektrofahrzeuge. Eaton war das erste Unternehmen, das diese Einheiten auf den Markt brachte. Dadurch konnten die Erstausrüster die Elektromotoren verkleinern und gleichzeitig das Drehmoment steigern.

Die Leistungssteigerung [eines Elektrofahrzeugs] ist einfach: Man muss lediglich eine höhere Spannung bereitstellen. Beim Drehmoment verhält es sich anders; normalerweise wären mehr Magnete und mehr Kupfer erforderlich. Das Getriebe trägt dazu bei, den Materialverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig Leistung bei hohen und niedrigen Geschwindigkeiten sowie eine bessere Regeneration zu gewährleisten. Das führt zu mehr Effizienz. Wir investieren in Leistungselektronik, Stromverteilung, die Sicherheit der Antriebsstränge beim Laden und die Entlüftung des Batteriepacks.

„All diese Technologien lassen sich übertragen und könnten für Schwerlasttransportlösungen wie Lkw und Busse angepasst werden.“

Zukunftstechnologie

Um einen Kompromiss zwischen CO2- und NOx-Emissionsreduzierung zu erzielen, führt die Motorturbine (über die Motorsteuerung und andere Steuerungen) das Abgas zurück in den Zylindereinlass, um den NOx-Ausstoß zu reduzieren. Dies erfordert eine Überdrosselung des Motors, was wiederum zu übermäßiger CO2-Erzeugung führt.

Eaton AGR-Pumpe. (Foto: Eaton)

Laut Dorobantu führt die Drosselung des Abgases zur Aufrechterhaltung des Drucks zu Pumpverlusten. Durch den Einsatz einer Abgasrückführungspumpe (AGR) in einem Stromkreis mit geringer Leistung kann die Drosselung des Motors entfallen, der Gasdruck aufrechterhalten und Pumpverluste praktisch eliminiert werden.

„Das ähnelt eher der Kompressortechnik“, erklärte er. „Es handelt sich um eine sehr präzise Gassteuerung, die die Entnahme genau der richtigen Gasmenge ermöglicht. Besonders effektiv ist es, wenn Abgas- und Ansaugdruck ähnlich sind – dann geschieht die Magie.“

Während ein Kompressor Druckverhältnisse von etwa 2,0 bis 3,0 liefert, verwendet die EGR-Pumpe eine kürzere Rotorbaugruppe, die einen Druck aufbaut, der nur geringfügig über dem Ansaugdruck liegt, also etwa 1,05 bis 1,5.

Die Verwendung der leistungsschwächeren Abgasrückführung führt nicht direkt zu einer verbesserten Effizienz, ermöglicht es dem Auspuff und der Turboturbine jedoch, zur Reduzierung von NOx beizutragen – und gleichzeitig mehr Leistung zu erzeugen, ohne dass dabei zu viel CO2 freigesetzt wird.

Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel erschien ursprünglich in der Oktober-Dezember-Ausgabe 2024 von Power Progress International.