Einsparungen durch Zylinderabschaltung

Demo-Truck von Cummins Valvetrain Technologies für reale CDA-Tests (Foto: Cummins)

Verzögerungen beim Ausbau der Ladeinfrastruktur in wichtigen Märkten und hohe Preise für batteriebetriebene Elektrofahrzeuge führen dazu, dass viele Lkw-Betreiber so lange wie möglich auf Dieselantrieb setzen werden.

Das heißt aber nicht, dass die OEMs die Forschung und Entwicklung im Antriebsbereich einschränken können. Ganz im Gegenteil. Die bevorstehenden Umweltgesetze in Nordamerika (EPA 27) und Europa (Euro 7) zwingen die Motorenentwickler, härter denn je an der Effizienzsteigerung zu arbeiten.

Ausgehend von einem Basiswert aus dem Jahr 2019 verlangt die EU bis 2030 eine Reduzierung des CO2-Ausstoßes von Fahrzeugen um 45 %. Bis 2035 soll dieser Wert auf 56 % und bis 2040 auf 90 % steigen. Dabei kommt das theoretische Messinstrument VECTO zum Einsatz, das zur Berechnung der CO2-Emissionen Faktoren wie Aerodynamik und Rollwiderstand sowie Kraftstoffverbrauch und Abgasausstoß berücksichtigt.

Bei der Entwicklung neuer Strategien müssen Motorenentwickler die NOx-Emissionen gegen Kraftstoffeffizienz, CO2- und Partikelemissionen abwägen. Die Entwicklung der SCR-Technologie für Hochleistungsdieselmotoren hat dazu geführt, dass die NOx-Produktion im Brennraum weniger problematisch ist. Gleichzeitig ist die Aufrechterhaltung der Effizienz des SCR-Systems unter verschiedenen Betriebsbedingungen durch Betriebstests und niedrigere Zielvorgaben wichtiger geworden.

Lösungsbeschaffung

Hersteller streben nun nach Möglichkeiten, den Kraftstoffverbrauch in allen Fahrzeugbereichen schrittweise zu senken. Bei batterieelektrischen Modellen tragen geringere Roll- und Luftwiderstandskräfte dazu bei, die Reichweite mit einer Akkuladung zu erhöhen, ohne dass zusätzliche Batterien erforderlich sind. Bei Dieselmotoren setzen Konstrukteure verstärkt auf Lösungen von Drittanbietern.

Hier geht es darum, die Wirksamkeit dieser Technologien zu testen. Machen sie einen ausreichenden Unterschied, um die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte zu unterstützen, oder bieten sie dem Endverbraucher eine Senkung der Betriebskosten?

Robb Janak, Cummins Valvetrain Technologies

Theoretische Arbeiten und Labortests können den Nutzen einer vorgeschlagenen Änderung nur begrenzt beurteilen, insbesondere bei Drittanbietern. Lkw-Hersteller und ihre Kunden wünschen sich einen überprüfbaren Nachweis dafür, dass ein Produkt sinnvolle Verbesserungen in der Arbeitsumgebung ermöglicht.

Das Problem besteht darin, dass Tests unter realen Bedingungen unweigerlich durch externe Variablen beeinträchtigt werden, die Leistungsverbesserungen übertreiben oder verschleiern können. Wetter und Verkehrsdichte sind zwei offensichtliche Probleme, und selbst der menschliche Faktor im Fahrerverhalten ist schwer zu kontrollieren. Daher müssen Tests immer noch nachweisbare und wiederholbare Verbesserungen erkennen, die sich von anderen externen Faktoren abheben.

Tech-Funktion

Dies war die Herausforderung für Cummins Valvetrain Technology bei der Überprüfung der Leistungsfähigkeit seiner Jacobs Cylinder Deactivation (CDA)-Technologie auf der Straße, einer Technologie, die das Potenzial hat, den Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen zu senken und gleichzeitig die Effizienz von NOx-SCR-Steuersystemen bei geringerer Motorlast zu verbessern.

Die Theorie hinter CDA ist einfach. Lkw sind meist für die anstehende Arbeit überdimensioniert. Beispielsweise benötigt ein Sechszylinder-Kipper mit 500 PS die volle Leistung, um eine volle Ladung auf einer Steinbruchstraße zu transportieren, aber möglicherweise nur die Hälfte, wenn er leer zurückfährt. Das Ausschalten eines, zweier oder dreier Zylinder kann den Kraftstoffverbrauch bei geringer Beladung senken, ohne die Produktivität zu beeinträchtigen.

Jacobs‘ System nutzt Ventilsteuerungstechnologie, um ausgewählte Zylinder bei geringer Motorlast automatisch abzuschalten. Dazu bleiben die Einlass- und Auslassventile während des gesamten Viertaktzyklus geschlossen und die Einspritzdüsen werden deaktiviert. Dies reduziert den Kraftstoffverbrauch und die parasitären Pumpverluste, die durch unnötiges Füllen, Komprimieren und Entleeren der deaktivierten Zylinder entstehen.

Jacobs CDA und 1,5-Takt-High-Power-Density-Version der Jake Brake-Kompressions-Motorbremse (Foto: Cummins)

Wenn eine zusätzliche Motorbremsung erforderlich ist, werden dieselben Komponenten, die die Zylinder deaktivieren, für die Fahrzeugverzögerung umfunktioniert. Dazu wird die neueste 1,5-Takt-High-Power-Density-Version der Jake Brake-Kompressions-Motorbremse verwendet.

Während die Vorteile des Systems auf dem Papier offensichtlich sind, ist ihre Quantifizierung deutlich schwieriger. Für die Tests entschied sich Cummins für den standardisierten Kraftstoffverbrauchstest J1321 der SAE (Society of Automotive Engineers) mit voll beladenen Lkw auf zwei Strecken – einer Autobahn- und einer Verteilerstrecke.

Das für die Tests verwendete Fahrzeug war eine International LT625 6x4-Sattelzugmaschine (Modelljahr 2018) mit einem 13-Liter-Navistar A26-Dieselmotor mit 450 PS und einem Eaton Endurant 12-Gang-Overdrive-AMT-Getriebe. Das zulässige Gesamtgewicht des Lkw betrug knapp 30.000 kg.

Im vierten Quartal 2023 wurden Tests über 19.000 Kilometer mit und ohne aktiviertem CDA durchgeführt. Das System ließ sich über einen Schalter am Armaturenbrett ein- und ausschalten. Der Lkw erreichte eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 88 km/h auf der Autobahn und 61 km/h auf der Verteilerstrecke.

Der Lkw wurde auf jeder Fahrt von einem vergleichbaren Kontrollfahrzeug begleitet, dessen Kraftstoffverbrauch ebenfalls aufgezeichnet wurde, um eine Grundlage für Abweichungen durch externe Faktoren zu schaffen. Auf jeder Route wurden Anhänger und Fahrer zwischen den beiden Lkw getauscht, um diese Variablen zu eliminieren.

Ergebnisübersicht

Die Ergebnisse dieses Tests im realen Straßenbetrieb folgten auf anfängliche Kraftstoffeinsparungen von bis zu 20 %, die bei einem Labortest eines Motors im Leerlauf auf dem Leistungsprüfstand festgestellt wurden. Im selben Labortest wurde mit einem Abgasnachbehandlungssystem gemäß EPA 2018 in einem Niedriglastzyklus eine Reduzierung der NOx-Emissionen um 77 % festgestellt.

Obwohl die NOx-Emissionen bei diesem jüngsten Straßentest nicht im Fokus standen, verfügten die Testfahrzeuge über die gleiche Kalibrierung wie bei der Prüfstandszertifizierung. Cummins erwartet, dass sich diese Ergebnisse für zukünftige Emissionsanforderungen, bei denen die Vorteile des CDA-Wärmemanagements genutzt werden, weiter verbessern werden.

Die Ergebnisse der Straßentests zeigten Kraftstoffeinsparungen von 2,76 % auf der Autobahn und 2,0 % im Verteilerverkehr. Dies zeigt, dass selbst diese Volllastfahrzyklen reale Einsparungen ermöglichen. Durch die Erhöhung der Anzahl der Betriebsmodi des CDA, wie beispielsweise 20 % Leerlauffahrzyklen, sollte der Kraftstoffverbrauch noch weiter gesenkt werden.

Cummins Valvetrain Technologies meldet Kraftstoffeinsparungen von 2,76 % durch weitere Straßentests seines Jacobs-Zylinderdeaktivierungssystems (Foto: Cummins)

CDA schaltet Zylinder ab, um dem aktuellen Drehmomentbedarf gerecht zu werden. Erwartungsgemäß weisen die aktiven Zylinder höhere Lasten und Temperaturen auf, während die inaktiven Zylinder geringere parasitäre Verluste aufweisen. Der reduzierte Luftstrom und das höhere Luft-Kraftstoff-Verhältnis in den verbleibenden aktiven Zylindern tragen dazu bei, die Abgastemperatur über dem kritischen Wert von 250 °C zu halten. Dies unterstützt die effiziente NOx-Umwandlung durch das selektive katalytische Reduktionsmodul und die kontinuierliche passive Regeneration des Abgas-Partikelfilters.

Bei Autobahntests ohne CDA fielen die Temperaturen in der SCR-Einheit des Lkws während mehr als 15 % der Fahrtzeit unter 250 °C. Bei kombinierter Nutzung von CDA und Jacobs Engine Brake sanken die SCR-Temperaturen jedoch nur während der geplanten Stopps und Anhängerwechsel unter 250 °C. Auf der Verteilerstrecke betrug die Durchschnittstemperatur der SCR-Einheit mit aktiviertem CDA 243 °C. Dies liegt 16 % über dem Wert ohne Zylinderabschaltung.

Die Gesamtzeit, in der der SCR unter 250ºC betrieben wurde, wurde um mehr als 21 % reduziert, während die SCR-Temperatur mit CDA nur in weniger als 2 % der Zeit unter 200ºC fiel, im Vergleich zu mehr als 10 % ohne CDA.

Diese Zahlen sind besonders wichtig, da Emissionstests und -überwachungen zunehmend auf „realen“ Arbeitszyklen und nicht mehr auf Laborergebnissen basieren.

Die CDA-Systeme von Jacobs werden mittlerweile in über 20 Entwicklungsprogrammen mit Motoren von 2,0 bis 16 Litern Hubraum eingesetzt. Einige dieser Programme befinden sich bereits in der Fahrzeugerprobung.