Tula Tech behebt Ineffizienzen bei Diesel- und Elektrofahrzeugen und -geräten

Die Betriebszyklen von Nutzfahrzeugen und -geräten variieren je nach Anwendung stark. Daher können Maschinen in bestimmten Betriebssituationen unabhängig von ihrer Antriebsquelle – ob Verbrennungsmotor, Elektro- oder Hybridantrieb – Effizienzverluste erleiden.

„Wenn sowohl Elektromaschinen als auch Verbrennungsmotoren unter geringer Last laufen, was sehr häufig der Fall ist, sind diese Betriebspunkte mit geringer Last relativ ineffizient“, sagte John Fuerst, Präsident und CEO von Tula Technology .

Tulas Mission ist es, diese Herausforderungen zu meistern. Das Unternehmen bietet Steuerungen zur Optimierung von Antriebseffizienz und Emissionen im Mobilitätsbereich. Laut Fuerst wurde Tula 2008 gegründet, um sein Konzept der dynamischen Zündabschaltung (DSF) – die Zylinderabschaltung (CDA) auf Zylinderbasis – weiterzuentwickeln. Kürzlich hat das Unternehmen eine ähnliche Lösung für Elektrofahrzeuge implementiert: den dynamischen Motorantrieb (DMD).

DSF für Diesel

CDA ist alles andere als eine neue Technologie. Während die Geschichte moderner Varianten bis in die Mitte der 1970er Jahre und zur Ölkrise zurückreicht, wurde in einem Artikel der Dayton Daily News aus Ohio vom Februar 2018 das Sturtevant-Automobil von 1905 als erstes mit CDA bezeichnet. Der Fahrer konnte drei der sechs Zylinder des Motors manuell abschalten.

Liebherr und Tula untersuchten die Auswirkungen von DSF auf schwere Off-Highway-Geräte mit dem 13,6-Liter-Motor D966 von Liebherr. (Foto: Liebherr)

Viele CDA-Ansätze tendieren dazu, Zylinder zur Deaktivierung zu gruppieren. Tulas DSF verfolgt jedoch einen anderen Ansatz: die Deaktivierung einzelner Zylinder.

„Dynamisches Skip-Fire-System sagt: „OK, ich schalte alle Zylinder bei Bedarf einzeln ab und nutze nur so viele Zylinderereignisse, wie nötig sind, um das vom Fahrer geforderte Drehmoment zu liefern“, sagte Fürst. Es handelt sich um einen patentierten Ansatz, der eine Kombination aus Hard- und Software erfordert.

Während sich CDA bei Personenkraftwagen eher auf den Kraftstoffverbrauch konzentriert, liegt der Vorteil bei Dieselmotoren für Nutzfahrzeuge in der Reduzierung der Emissionen.

„Bei Dieselanwendungen bietet die dynamische Zündunterbrechung im Wesentlichen eine Strategie zur Reduzierung von NOx (Stickoxiden) und bringt zudem einen geringfügigen Vorteil hinsichtlich der Kraftstoffeinsparung mit sich“, sagte Fuerst.

Im Jahr 2021 berichtete Power Progress über eine Studie von Tula und Cummins, die einen Rückgang der NOx-Emissionen des Cummins X15-Dieselmotors bei geringer Last um 74 Prozent zeigte. Es war das erste Mal, dass Tulas Technologie bei einem Dieselmotor zum Einsatz kam. Die Kohlendioxid-Emissionen (CO2) wurden entsprechend reduziert, und der Kraftstoffverbrauch verbesserte sich um 5 Prozent.

Damals erklärte Fürst, dass die Aufrechterhaltung der Abgastemperatur für die NOx-Nachbehandlung oft eine Herausforderung sei. Durch die Abschaltung der Zylinder wird überschüssige Luft reduziert, wodurch weniger Abgas gekühlt werden muss. Das Ergebnis ist wärmere Abgasluft für eine effizientere selektive katalytische Reduktion (SCR), was zu einer deutlichen NOx-Reduktion führt.

Tula hat sich 2022 außerdem mit Liebherr zusammengeschlossen, um die Auswirkungen von DSF auf schwere Off-Highway-Geräte zu untersuchen. Mit dem 13,6-Liter-Motor D966 von Liebherr ergab die Studie eine NOx-Reduzierung von 41 Prozent und einen CO2-Rückgang von 9,5 Prozent.

Elektrifizierung angehen

Laut Fuerst erforderten die Veränderungen in der Branche, die sich zunehmend von der Verbrennungskraftmaschine hin zur Elektrifizierung bewegen, einen neuen Ansatz für die Technologie des Unternehmens.

„2018 erkannten wir, dass die Elektrifizierung und Elektrofahrzeuge im Allgemeinen eine Chance boten – eine ähnliche Strategie wie DSF für elektrische Antriebssysteme“, sagte er. Das Ergebnis war DMD, eine Methode, die die Effizienz von Elektrofahrzeugen um 0,5 bis 2 Prozent steigern könne.

Fuerst erklärte, dass die DMD-Technologie am besten funktioniert, wenn ein Fahrzeug zwischen Leerlauf und seinem maximalen Wirkungsgrad betrieben wird.

„Unsere Strategie besteht darin, nicht im Dauerbetrieb an diesem niedrigen Effizienzpunkt zu arbeiten, sondern die Effizienz pulsierend näher an den Spitzenwert heranzuführen“, sagte er. „Wir erreichen im Durchschnitt diesen niedrigeren Wirkungsgrad, aber mit pulsierenden Hocheffizienzphasen.“

Fuerst fuhr fort: „Im Wesentlichen verschiebt sich dadurch der [Spitzen-]Wirkungsgradpunkt nach unten und sorgt für eine höhere Effizienz bei niedrigeren Drehmomentanforderungen.“

DMD gilt auch für die Nutzbremsung, die laut Fuerst „auf dem Hin- und Rückweg Strom sparen kann, wie manche Leute sagen würden“.

Im Gegensatz zur Split-Fire-Technologie erfordert DMD keine Hardware.

„Die Strategie basiert rein auf Software“, sagte Fuerst. „Der gewährte Vorteil ist zwar geringer, aber gemessen am Nutzen pro ausgegebenem Dollar ist sie mit DSF sehr konkurrenzfähig.“

Das heißt jedoch nicht, dass die Vorteile von DMD nicht durch Hardwareanpassungen gesteigert werden können.

„Einige Hardwareänderungen machen DMD effektiver“, sagte Fuerst. „Derzeit halten wir es für den besten Marktansatz, zu sagen: Hier sind die Vorteile, wenn man keine Hardwareänderungen vornimmt, und mit einigen Hardwareänderungen kann man vielleicht noch etwas mehr erreichen.“

Ein einzigartiger Vorteil von DMD als reine Softwarelösung ist seine Flexibilität bei der Bereitstellung.

„Es handelt sich um reine Software, das heißt, man kann sie in ein bereits in Produktion befindliches Fahrzeug implementieren“, sagte Fuerst. „Es kann eine laufende Änderung sein. Wir haben bereits mit einigen Unternehmen darüber gesprochen, DMD als laufende Änderung in ein bestehendes Design zu implementieren. Das bedeutet, sie werden lediglich ändern, was sie in ihren Controller flashen.“

Kommerzielle Anwendungen

Fuerst sagte, dass der gewerbliche Lkw-Verkehr von Tulas Technologie profitieren könne, allerdings nicht unbedingt im Fernverkehr.

Dynamisches Zündaussetzer-System (DSF) ist in über 3 Millionen Fahrzeugen im Einsatz. (Foto: Tula Technology)

„Auch im Lkw-Verkehr gibt es Chancen, aber wahrscheinlich eher im mittelschweren Lieferverkehr, wo viel Leerfahrten anfallen“, sagte er.

Fürst fügte hinzu, dass neben Lieferfahrzeugen auch Anwendungen wie Zementlaster möglich seien, die leer zum Werk zurückkehren.

„Busse müssen zwar zügig von der Haltestelle abfahren, aber in der Mitte langsam dahinrollen – da bietet sich eine Chance“, fügte er hinzu. „Es ist, wie wir gerne sagen, sehr anwendungsspezifisch.“

Laut Fuerst besteht „kein Zweifel“, dass DMD auch für schwerere kommerzielle Anwendungen eingesetzt werden kann, es wird jedoch noch etwas Zeit in Anspruch nehmen.

„Wir haben über Nutzfahrzeuge diskutiert und Simulationen durchgeführt, die [OEMs] zu der Einschätzung veranlasst haben, dass DMD in Zukunft möglich ist“, sagte Fuerst. „Nutzfahrzeuge werden im Vergleich zu Pkws weiter entwickelt. Die Vorlaufzeit für Technologieänderungen ist etwas länger.“