Schwere Diesel: Bis zu 25 Prozent weniger Verbrauch mit CDA

Weniger Emissionen und Treibstoffverbrauch bei gleichzeitig möglichst hoher Kraftstoffeffizienz waren bisher kaum zu vereinbaren. Wollte man die Emissionen durch Erhöhung der Nachbehandlungstemperaturen senken, so kam es in der Regel auch zu einem höheren Kraftstoffverbrauch. Ein im Frühjahr 2020 durchgeführter Test mit der Zylinderdeaktivierungstechnologie (Cylinder Deactivation Technology – CDA) von Jacobs Vehicle Systems an neuen Dieselmotoren führte nun zu deutlich leistungssteigernden Ergebnissen, wie das Unternehmen berichtet.

Die getesteten Motoren gehörten zu den neueren, konzipiert gemäß der künftigen Richtlinien der Environmental Protection Agency (EPA) Phase 2 Greenhouse Gas Emissions (GHG), die für zwischen 2021 und 2027 gefertigte Heavy-Duty-Dieselmotoren gelten sollen. Jacobs Vehicle Systems stellt Verzögerungssysteme und Ventilsteuerungstechnologien für Heavy-Duty-Diesel und Gasmotoren her und arbeitet weltweit an CDA-Projekten für Nutzfahrzeugantriebe.

Tests der Zylinderaktivierungs-Hardware, durchgeführt vom US-amerikanischen Motorenhersteller Cummins in Zusammenarbeit mit dem kalifornischen Softwareunternehmen Tula Technology erreichten bereits im vergangenen Jahr mit einem 13 Liter Navistar-Motor unter anderem niedrigere Werte beim Kraftstoffverbrauch sowie der Stickoxid- (Nox)- und CO2-Emissionen, gemessen an den Richtlinien der EPA GHG Pase 2, des CARB HD Omnibus Standards sowie der EPA Clean Trucks Initiative.

Die CDA verhindert das Öffnen der Ein- und Auslassventile mit Hilfe von ursprünglich für die High Power Density Motorbremse (HPD) entwickelten Zylinderabschaltmechanismen im Ventiltrieb. Dabei befindet sich der Mechanismus für die CDA bei Motoren mit obenliegender Nockenwelle in einem System klappbarer Ventilbrücken. Bei Motoren mit einer zentral im Motorraum gelegenenen Nockenwelle (Cam-in-Block-Design) befindet sich diese in einer Anordnung mit klappbaren Stößelstangen. Mit dem System können einzelne Zylinder gezielt gesteuert werden. Robb Janak, Direktor für neue Technologien bei Jacobs, erklärt:

„Wird zugleich die Einspritzung in ausgewählte Zylinder ausgeschaltet, kann jede gewünschte Kombination von Zylindern deaktiviert werden.“

CDA würde Emissionen durch höhere Abgastemperaturen in den Arbeitszylindern reduzieren, was dazu führe, dass im Schwachlastbetrieb die Nachbehandlungstemperaturen beibehalten würden. Zudem beschleunige CDA das Aufwärmen des Nachbehandlungssystems nach dem Motorstart und verzögere die Abkühlung beim „kraftstoffsparenden, antriebsfreien Ausrollen.“

Neuere Tests hätten nun ergeben, dass die Technologie in Kombination mit der Dynamic Skip Fire (DSF) Software von Tula zusätzlich den Verbrennungszyklus verbessere und gleichzeitig die Abgastemperaturen und den CO2-Ausstoss optimiere. So lasse sich bei einer Drehzahl von 1000 Umdrehungen pro Minute bei einem Dieselmotor mit DSF sowohl eine Erhöhung der Abgastemperatur auf nahezu 100 Grad Celsius wie auch eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs um 25 Prozent erreichen.

Weitere Prüfverfahren wurden als Simulation durchgeführt. So hätte sich zum Beispiel beim Testsystem FTP (Federal Test Procedure) mit DSF und CDA eine Reduktion des Stickoxid-Ausstoßes um 45 Prozent und von CO2 um 1,5 Prozent gegenüber der Basislinie ergeben, beim Prüfverfahren LLC7 (Low Load Candidate 7), das künftig zur Messung und Steuerung von Schadstoffen im Schwachlastbetrieb gemeinsam mit den neuen CARB-Vorschriften eingeführt werden soll, würden mit DSF die Stickoxide um 66 Prozent, die CO2-Emissionen um 3,7 Prozent verringert.

Die CDA-Technologie hat Jacobs in den vergangenen zehn Jahren speziell für den Schwerlastverkehr bis zur Marktreife entwickelt. Die Auswirkungen auf Verkehr und Emissionen bleiben nun abzuwarten, so Janak:

„Die Ventilbrücke im CDA-System ist ein wesentlicher Teil unserer High Power Density (HPD) Motorbremse. Jacobs hat beide Technologien, HPD und CDA, bei denen unser einzigartiger Deaktivierungsmechanismus zum Einsatz kommt, auf mehr als 15 verschiedenen Hochleistungsmotorplattformen sowie acht verschiedenen Hochleistungs-Lkw-Straßentests unter Beweis gestellt. Beide Technologien sind bereit für den Markt, und wir sind sehr gespannt darauf, wie sie das Fahrverhalten, die Emissionen und den Kraftstoffverbrauch verbessern werden.“

Jacobs Vehicle Systems hat seinen Hauptsitz im US-amerikanischen Bloomfield im Bundesstaat Connecticut und verfügt dort über nahezu 25.000 Quadratmaeter Design-, Test- und Fertigungseinrichtungen. Weitere Standorte befinden sich in Europa, Japan und Indien, außerdem Werke in China und im tschechischen Brünn. Das Unternehmen produziert unter anderem die Motorbremse Jake Brake für Hersteller schwerer und mittelschwerer Dieselmotoren und ist eigenen Angaben zufolge weltweit führender Hersteller von Fahrzeug-Bremssystemen und Ventilsteuerungstechnologien.