FPT Industrial und Stanadyne sprechen über Innovationen bei Verbrennungsmotoren

Ein kürzlich abgehaltenes Webinar des Engine Technology Forum (ETF) befasste sich mit den verschiedenen Innovationen bei Verbrennungsmotoren, die sowohl die Motoreffizienz als auch die Emissionswerte verbessern. Branchenreferenten sprachen über Themen von Kraftstoffen bis hin zur Abgasnachbehandlung.

Ein erheblicher Teil des Webinars konzentrierte sich jedoch auf die technologischen Fortschritte bei den Verbrennungsmotoren selbst.

Den Auftakt dieses Webinarteils machte Ivan Tate, Leiter des technischen Zentrums beim Motoren- und Antriebshersteller FPT Industrial. Er stellte die Innovationen von FPT zur Verbesserung von Leistung, Kraftstoffverbrauch und Produktivität vor.

Tate bezeichnete den Verbrennungsmotor als „eine treibende Kraft für die kommenden Jahre“ und konzentrierte sich dabei insbesondere auf die 13-Liter-Motorenplattform XC13 von FPT, die für verschiedene Kraftstoffe konfiguriert werden kann. Dazu gehören Diesel und Erdgas, die beide im Mittelpunkt seiner Ausführungen standen.

Motorentwicklung

Tate diskutierte die Entwicklung des XC13, beginnend mit dem Cursor C13 im Jahr 1998.

Der XC13 von FPT Industrial wurde auf der IAA Transportation 2022 vorgestellt. (Foto: FPT Industrial)

„Als Motor für den Straßenverkehr konzipiert, haben wir Anfang der 2010er Jahre den Schritt in den Off-Highway-Bereich gewagt“, sagte er. „Die Leistung wurde durch die zweistufige Turboaufladung gesteigert. Dann begannen ab 2012 (2017) die drastischen Gesetzesänderungen. 2017 entwickelte sich der Motor zu Erdgasmotoren, und als Unternehmen erkannten wir die Entwicklungen. Beim Cursor X-Konzept (2018) legten wir großen Wert auf Nachhaltigkeit, Modularität und Flexibilität unserer Produkte. Und der XC13 ist hier die neue Generation.“

Eine allgemeine Innovation, für die sich FPT beim XC13 unabhängig von der Kraftstoffart entschied, war die Umstellung von Standardgussteilen für Zylinderblock und -kopf auf Vermiculargraphitguss (CGI).

„Dadurch können wir leichter und gleichzeitig steifer bauen“, sagte er. „Das trägt zu geringeren Emissionen und einem höheren Zylinderdruck bei.“

Durch die Verbesserungen von FPT konnte das Gewicht sowohl der Diesel- als auch der Erdgasmodelle im Vergleich zum C13-Motor um etwa 10 Prozent reduziert werden.

Reibungsreduzierung

FPT versuchte außerdem, die Reibung im XC13 durch die Verwendung neuer Materialien an den Pleuelstangen und -bolzen zu verringern – was Tate als eine Schlüsselentwicklung bezeichnete.

„Es scheint einfach“, sagte er. „Wir müssen die Lageroberfläche verbessern, die Materialien optimieren, die Oberfläche verkleinern und die Abstände anpassen, um die Reibung zu optimieren. Aber wir achten auch auf die Wartungsfreundlichkeit, also längere Wartungsintervalle und höhere Belastungen im Vergleich zu früheren Generationen. Daher mussten wir mit Schmierstoffherstellern zusammenarbeiten und viel an der Haltbarkeit arbeiten, um diese Vorteile zu nutzen und genau das zu erreichen, was wir brauchten.“

Weitere Verbesserungen im Ventiltriebsystem erhöhten die Bremsleistung bei der Dieselversion des XC13 um 29 Prozent und bei der Erdgasversion um mehr als 300 Prozent – jeweils im Vergleich zum Vorgänger C13.

„Dadurch verbessert sich zum Teil offensichtlich das Fahrverhalten, aber es nähert sich auch einigen anderen Emissionen an, die in das Emissionsspektrum eintreten“, sagte er und fügte hinzu, dass dazu Bremsstaub und Emissionen im Zusammenhang mit dem Verschleiß von Komponenten gehörten, die im Zuge der deutlich geringeren Verbrennungsemissionen aus dem Auspuff nun in den Emissionsdiagrammen auftauchen.

Hilfs- und Bedienelemente

Zwei weitere Verbesserungen, die in Kombination mit dem geringeren Motorgewicht zu Leistung und Kraftstoffverbrauch beigetragen haben, sind intelligente Zusatzaggregate und eine fortschrittliche Verbrennungssteuerung. Dabei handelt es sich um drehzahlvariable Öl- und Wasserpumpen, die entweder zweistufig oder vollvariabel sein können, so Tate. Steuerungsseitig verfügt der XC13 über eine fortschrittliche Verbrennungssteuerung und ein Wärmemanagement.

„Insbesondere beim Starten, bei kalten Bedingungen und in Übergangsphasen zeigen die Vorteile der Kraftstoffeinspritzung, die Möglichkeit, den Turboladergegendruck und den Abgasgegendruck zu steuern und dann die Einspritzmuster zu ändern, dass wir die Leistung steigern können, dabei aber auch die Emissions- und Kraftstoffverbrauchsziele einhalten können“, sagte er.

Im Vergleich zum C13 führten diese und weitere Verbesserungen beim XC13 zu einer Leistungssteigerung von über 2 Prozent und einem Drehmomentanstieg von über 12 Prozent bei der Dieselversion, bei gleichzeitiger Senkung des Kraftstoffverbrauchs um 7 Prozent. Beim Erdgasmodell stiegen Leistung und Drehmoment um über 9 bzw. über 10 Prozent, bei gleichzeitiger Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs um rund 8 Prozent.

LPG-Direkteinspritzung

Srinu Gunturu, Chefingenieur des Kraftstoffsystemunternehmens Stanadyne, diskutierte Innovationen bei Propan-betriebenen Verbrennungsmotoren – insbesondere die Direkteinspritzung von Flüssiggas (LPG).

Die Einspritzdüse und Pumpe von Stanadyne fördert Flüssiggas mithilfe des von Katech entwickelten Dampfblasen-Hemmsystems. (Foto: Stanadyne)

„Wir glauben, dass es eine großartige Alternative sein wird“, sagte er, „und dass es auch die Effizienz der derzeit auf dem Markt erhältlichen Flüssigpropan-Kraftstoffsysteme steigern wird.“

Gunturu nannte als Vorteile von Flüssiggas eine verbesserte Motoreffizienz und Emissionswerte.

„Die Oktanzahl liegt bei 105, und durch den Einsatz eines Dreiwegekatalysators können wir die Emissionen wahrscheinlich noch weiter senken – und das kostengünstiger als mit Diesel-Nachrüstsystemen“, sagte er. „Und dank des Flüssigpropans erreichen wir nahezu null Feinstaubemissionen.“

Gunturu verwies auf die Arbeit, die Stanadyne zusammen mit Katech Engineering und dem Propane Education & Research Council (PERC) geleistet hat, um die LPG-Direkteinspritzung auf den Markt zu bringen.

Behebung von Dampfblasen

„Wir haben ein System auf einer GM-Plattform entwickelt, dem L8T-Motor, ohne größere Änderungen an einem Benzinmotor vorzunehmen – wir haben ihn direkt auf Flüssigpropan umgestellt“, sagte er. „Wir konnten einige kleinere Änderungen an Software und Hardware vornehmen und Dampfblasenhemmer in das System integrieren, um den Betrieb des Motors mit Flüssigpropan zu ermöglichen.“

Beim Betrieb des Motors mit Flüssiggas musste Stanadyne vor allem die Dampfblasenbildung überwinden.

„Das größte Hindernis war der Brennstoff“, sagte Gunturu. „Propan wird bei Umgebungsdruck gasförmig und verdampft im System.“

Gunturu sagte, dass an der Propanpumpe und dem Injektor Änderungen vorgenommen wurden, um das Dampfblasenproblem zu beheben.

„Wir haben unsere Pumpe und das System so konstruiert, dass die Dampfblasenbildung im Flüssigpropan vermieden wird“, sagte er. „Für die Förderung der Hochdruckpumpe, damit die Pumpe nicht blockiert und bei höherem Druck arbeitet, entsteht keine Dampfblasenbildung. Außerdem habe ich ein Druckentlastungssystem für den Fall entwickelt, dass sich Dampf in der Schiene bildet. Das hilft, den Dampf zu beseitigen, abzulassen und wieder am Chassis zu befestigen.“

Die Einspritzdüsen seien außerdem so konzipiert, dass sie einen höheren Durchfluss erreichen, fügte Gunturu hinzu, um die Verbrennung des Flüssiggases im Zylinder zu verbessern.

Vergleichbar mit Benzin

Der General Motors L8T 6.6L GDI-Testmotor wurde mit Stanadyne-Komponenten modernisiert und mit LPG-Direkteinspritzung betrieben. (Foto: Stanadyne)

Laut Gunturu war die Leistung des L8T-Motors mit Flüssiggas vergleichbar mit der des Benzinmotors. Im Bereich von 3000 bis 3500 U/min lag die Motorleistung etwas über der des Benzinmotors.

Stanadyne führte Prüfstandstests durch, um sicherzustellen, dass der Betrieb des Motors mit Flüssiggas weder den Motor noch die Zylinderköpfe oder andere mechanische Komponenten beschädigt oder zerstört.

„Wir haben weder Anzeichen von anormalem mechanischen Verschleiß noch von Ventilsitzrückgang festgestellt – auch keine Probleme mit den Kraftstoffpumpen oder Einspritzdüsen“, sagte Gunturu und fügte hinzu, dass dies nach über 16 Millionen Zyklen der Einspritzdüsen und über 50 Millionen Hüben der Kraftstoffpumpe der Fall sei. „Und das nicht nur im Dauerbetrieb. Wir haben transiente Zyklen mit verschiedenen Start-Stopp-Bedingungen, Kaltstartbedingungen sowie Geschwindigkeitstests mit 88 bis 105 km/h durchgeführt, um zu sehen, ob diese Technologie die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Motors sowie der Komponenten des Kraftstoffsystems beeinträchtigt.“

Zukunftspläne

Stanadyne prüft, ob die Technologie sowohl erneuerbare Dimethylether-Mischungen (rDME) als auch erneuerbares Propan nutzen kann.

Gunturu fügte hinzu, dass Stanadyne plant, einen GM-Truck mit einem 5,3-Liter-V8-Motor auf Flüssiggasbetrieb umzurüsten.

„Wir planen, die umfassenden Emissionstests der EPA abzuschließen, um nachzuweisen, dass es einen messbaren CO2-Vorteil gibt und dass es auch zu erheblichen Emissionsreduzierungen kommt. Das sind die nächsten Schritte, um das Ganze auf die nächste Marktebene zu bringen.“

FPT Industrial stellt den N67 Hythane-Motor vor. Der neue Prototyp ist eine „Brückenlösung“ zum reinen Wasserstoff-Verbrennungsmotor.

Diese Kraftstoffpumpe schützt Dieselmotoren. Das Kraftstoffpumpen-Kit bietet eine Lösung und stellt die neue Strategie von Stanadyne dar.