Brücke zu Alternativen: Ermöglichung alternativer Kraftstofflösungen als Brücke zu einem emissionsfreien Markt

Jacobs feiert bald seinen 60. Geburtstag - ein Grund für uns, darüber nachzudenken, wie wir bis hier gekommen sind und wohin wir gehen wollen.

Im Jahr 1930 wäre Clessie Cummins während eines Zeitfahrens von Küste zu Küste fast ums Leben gekommen. Als er den Cajon Pass hinunter nach San Bernardino fuhr, geriet sein Lkw außer Kontrolle. Clessie schwor sich damals, einen Weg zu finden, um einen Dieselmotor als effektiven Fahrzeugverzögerer einzusetzen. Dieses Erlebnis brachte Clessie dazu, die erste Motorbremse für einen Dieselmotor - die „Jake Brake" - zu erfinden. Heute scheint es, dass die Welt ein neues schwer kontrollierbares Problem hat: Fahrzeug-Emissionen.

Im Dezember 2020 kündigten Europas größte Lkw-Hersteller an, den Verkauf von Dieselmotoren bis 2040 zu beenden - ein Jahrzehnt früher als geplant. Daimler, Scania, MAN, Volvo, DAF, Iveco und Ford werden sich auf die Entwicklung von Wasserstoff, Batterietechnologien und sauberen Kraftstoffen konzentrieren.

Vor neunzig Jahren setzte Clessie Cummins sich für Diesel ein, weil dieser Kraftstoff effizienter als Benzin war. Jetzt ist Jacobs gefordert, die Effizienz des Diesels weiter zu steigern und den Einsatz alternativer Kraftstofftechnologien für eine emissionsfreie Zukunft zu ermöglichen.

Das Jacobs-Team hat daran gearbeitet, die Lücken zu schließen und unterstützt OEMs dabei, alternative Kraftstoffe als Brücke auf dem Weg zu einem emissionsfreien Markt einzusetzen. Dazu gehören komprimiertes Erdgas (CNG), Flüssig-Erdgas (LNG) und Wasserstoff-Technologien. Es gibt keinen Zauberknopf. Es wird eine Reihe von Zwischenschritten und die pragmatische Nutzung unserer derzeitigen Ressourcen erfordern, um letztlich eine vollständige Elektrifizierung zu erreichen.

Den Erdgasmotor weiterentwickeln

Einige OEM haben auf Erdgasmotoren umgestellt, um Emissionen zu reduzieren, die Umweltvorschriften einzuhalten und gleichzeitig die benötigte Leistung zu erzielen. Jacobs Motorbremsen sind in Erdgasmotoren auf der ganzen Welt zu finden. Ein Beispiel ist der Cummins ISX12 G-Motor, der seit 2013 die Jake Brake® nutzt, um die Lebensdauer der Bremsbeläge zu verlängern, die Fahrkontrolle zu erhöhen und um Fahrzeuge wie den Cascadia® Natural Gas sicher zu verlangsamen.

Bei Erdgasmotoren gibt es einige technische Herausforderungen, an deren Lösung Jacobs arbeitet. Eine davon ist die Leistung der Motorbremse. Bei der Umstellung von Diesel auf Erdgas wird das Kompressionsverhältnis des Motors erheblich reduziert und der Turbo wird häufig verkleinert, um ein niedrigeres Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu beherbergen, das für die stöchiometrische Verbrennung erforderlich ist.

Die Kombination dieser beiden Änderungen kann die Motorbremsleistung um bis zu 25 % beeinträchtigen. Und das wirkt sich negativ auf die Fähigkeit des Fahrzeugs aus, die Geschwindigkeit beim Bergabfahren konstant zu halten, ohne die Radbremsen zu nutzen. Der vermehrte Einsatz der Radbremsen kann zu Bremsfading und erhöhtem Bremsenverschleiß führen. In einigen Märkten wie Europa, China und Indien könnte dies dazu führen, dass die Fahrzeuge die Anforderungen der Verordnung E13C für zusätzliche Verzögerungen nicht erfüllen, und deshalb das zulässige Fahrzeuggesamtgewicht reduziert werden muss.

Doch dafür gibt es Lösungen. Das HPD (High Power Density) Motorbremssystem von Jacobs erhöht die Gesamtverzögerungsleistung des Fahrzeugs und reduziert die Abhängigkeit von den Radbremsen. HPD erreicht die Verzögerungsleistung von Dieselmotoren oder übertrifft sie sogar, was eine erhöhte Sicherheit und Produktivität ermöglicht.

„Durch die Verwendung der 1,5-Takt-HPD-Technologie konnten wir bei der Erdgasanwendung eine bessere Bremsleistung erzielen als bei der ursprünglichen Dieselanwendung.“ − Gabe Roberts, Director of Product Development

Erfahren Sie mehr über HPD und wie es die Motorbremsleistung bei Gasfahrzeugen verbessern kann.

Jacobs HPD for Natural Gas

Start-Stopp für Hybridfahrzeuge

Eine andere Möglichkeit für OEMs, die Lücke zu künftigen Emissionsvorschriften zu schließen, ist die Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Bereits bekannte Funktionen wie die Start-Stopp-Funktion ermöglichen das Abschalten des Verbrennungsmotors während langer Leerlaufzeiten, an Ampeln usw. Dies ist für Pkw bereits üblich. Für die Nutzfahrzeugindustrie ist es jedoch ein großer Schritt, da dies bei häufiger Ausführung aufgrund der Motorgröße und Trägheit zu einer erhöhten Belastung der Startvorrichtungen führt.

Um dieses Haltbarkeitsproblem zu überwinden, hat Jacobs die Active Decompression Technology® (ADT) entwickelt. Wenn der Motor gestartet wird, aktiviert das Steuergerät automatisch die ADT-Komponente, um die Motorventile offen zu halten. Hierdurch wird der Motor im dekomprimierten Zustand gehalten, was das Anlassdrehmoment verringert und es dem Motor ermöglicht, mit höherer Geschwindigkeit zu drehen. Beim Abschalten aktiviert das Steuergerät die ADT-Komponente, um die Motorventile offen zu halten. Durch das Offenhalten der Ventile kann der Motor sanft auslaufen, ohne dass sich ein Ruckeln auf das Führerhaus überträgt.

Naheliegende Anwendungen sind mittelschwere Lastkraftwagen und Busse. Die Technologie kann aber auch für Motoren mit größerem Hubraum ausgelegt werden, was erhebliche Kraftstoffeinsparungen (und damit eine Reduzierung der Emissionen) ermöglicht. Ein weiterer Vorteil ist das sanfte Starten des Motors ohne übermäßiges Schütteln. Dies trägt zur Verbesserung der NVH-Eigenschaften (noise, vibration, harshness) des gesamten Fahrzeugs bei und erhöht den Fahrerkomfort.

Leistungsüberblick der ADT

Die Lebensdauer des Dieselmotors verlängern

Jacobs beschäftigt sich nur mit Motoren für alternative Kraftstoffe. Jacobs arbeitet auch daran, die Lebensdauer des Dieselmotors zu verlängern, indem wir kontinuierlich neue Wege zur Senkung von Emissionen und Kraftstoffverbrauch entwickeln.

Im Jahr 2018 testeten drei unabhängige Forschungseinrichtungen die Zylinderdeaktivierungstechnologie und die Technologie zur frühen Auslassventilöffnung (EEVO - Early Exhaust Valve Opening) von Jacobs. In allen Testzyklen zeigten sich Verbesserungen des bremsspezifischen Kraftstoffverbrauchs (BSFC) und der Nachbehandlungstemperatur. Die Tests zeigten ebenfalls signifikante NOx-Reduzierungen, insbesondere in den Schwachlastbereichen.

Heute kooperiert Jacobs mit Universitäten wie der Tula Technology und darüber hinaus arbeitet Jacobs mit an Super Truck Programmen von OEM und anderen, um den Nutzen der neuen Technologien zu bewerten.

Robb Janak, Director of New Technology, wird auf dem 8. International Engine congress die jüngsten Ergebnisse von CDA- und EEVO-Tests an einem US-amerikanischen Hochleistungsdieselmotor vorstellen.

International Engine Congress February 2021

Wasserstoff als alternativer Kraftstoff

Derzeit wird intensiv über den Einsatz von Wasserstoff als alternativem Kraftstoff diskutiert. Am bekanntesten ist die Anwendung von Wasserstoff in einer Brennstoffzellenumgebung: Der Wasserstoff wird im Fahrzeug verarbeitet, um eine elektrische Antriebseinheit anzutreiben. Ein weiterer Ansatzpunkt, den viele OEM heute untersuchen, ist der Einsatz von Wasserstoff als direkter Ersatz für Dieselkraftstoff unter Verwendung der vorhandenen Architektur von Verbrennungsmotoren.

Die Vorteile dieses Wegs sind weniger komplexe Systeme im Fahrzeug und eine Infrastruktur, die in kürzerer Zeit einfacher zu realisieren ist. Obwohl noch in den Kinderschuhen, arbeitet Jacobs daran, diese Alternative ebenfalls umzusetzen, direkt am Ventiltrieb. Dabei kommt Jacobs eine 60 Jahre lange Erfahrung mit seiner bewährten, langlebigen Ventiltriebtechnologie zugute.

Wasserstoff-LKW