Zylinderabschalttechnologie von Jacobs Vehicle Systems senkt Kraftstoffverbrauch um 25 % und verbessert Abgasnachbe­handlung

18. Juni 2020
Jacobs Vehicle Systems – Technologie für die Deaktivierung von Zylindern

Eine neue Studie, die von Cummins und Tula Technology im April 2020 auf dem Wiener Motorensymposium vorgestellt wurde, belegt eindrucksvoll dass die CDA-Zylinderabschalt­technologie von Jacobs den Kraftstoffverbrauch und die Auspuffemissionen von Heavy-Duty-Dieselmotoren deutlich senkt. Die CDA-Technologie stellt einen Durchbruch dar, weil sich die beiden Ziele - geringere Emissionen und höhere Kraftstoffeffizienz - bisher gegen­seitig ausschlossen. Alternative Technologien zur Senkung der Emissionen durch Erhöhung der Nachbehandlungstemperaturen gingen bisher in der Regel mit höherem Kraftstoffverbrauch einher.

 

BLOOMFIELD, CT, USA – Die Zylinderdeaktivierungstechnologie (Cylinder Deactivation Technology - CDA) von Jacobs Vehicle Systems® hat bei kürzlich durchgeführten unabhängigen Studien erhebliche leistungssteigernde Vorteile gezeigt. Die Tests wurden an einer neuen Motorengeneration durchgeführt, die sich derzeit in der Entwicklung befindet. Diese neuen Dieselmotoren wurden so konzipiert, dass sie die künftigen Richtlinien der U.S. Environmental Protection Agency (EPA) Phase 2 Greenhouse Gas Emisisons (GHG) erfüllen, die für zwischen 2021 und 2027 hergestellte Heavy-Duty-Dieselmotoren, gelten werden.

 

Jacobs Vehicle Systems, führender Hersteller von Verzögerungssystemen und Ventilsteuerungstechnologien für Heavy-Duty-Diesel- und Gasmotoren, ist derzeit an zahlreichen CDA-Entwicklungs- und Demonstrationsprojekten für Nutzfahrzeugantriebe weltweit beteiligt.

 

Bereits im vergangenen Jahr wurden unabhängige Motorentests mit einem Navistar-Motor durchgeführt1. Nun hat der Motorenhersteller Cummins in Zusammenarbeit mit Tula Technology, einem Softwareunternehmen mit Sitz in Kalifornien, weitere Tests mit der Jacobs Zylinderdeaktivierungs-Hardware ausgeführt. Diese Tests ergaben eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs bei Aufrechterhaltung der Nachbehandlungstemperaturen sowie eine Verringerung der Stickoxid-(NOx) und CO2-Emissionen gemäß den Richtlinien der EPA GHG Phase 2, des CARB HD Omnibus Standards sowie der EPA Clean Trucks Initiative.

CDA Pushrod SystemCDA Bridge on Valve„Um das Öffnen der Ein- und Auslassventile zu unterbinden, nutzt CDA Zylinderabschalt­mechanismen im Ventiltrieb, die ursprünglich für die High Power Density Motorbremse (HPD) entwickelt wurden. Bei Motoren mit obenliegender Nockenwelle ist der hydraulisch betätigte Mechanismus für CDA in ein System klappbarer Ventilbrücken integriert. Bei Motoren mit zentral im Motorraum gelegener Nockenwelle (Cam-in-Block-Design) ist er in eine Anordnung mit klappbaren Stößelstangen integriert", erklärt Robb Janak, Direktor für neue Technologien bei Jacobs. „Wird zugleich die Einspritzung in ausgewählte Zylinder ausgeschaltet, kann jede gewünschte Kombination von Zylindern deaktiviert werden". CDA reduziert Emissionen durch höhere Abgastemperaturen in den Arbeitszylindern. Hierdurch können im Schwachlastbetrieb die Nachbehandlungstemperaturen aufrechterhalten werden. CDA beschleunigt außerdem das Aufwärmen des Nachbehandlungssystems nach dem Motorstart und verzögert die Abkühlung beim kraftstoffsparenden, antriebsfreien Ausrollen.

 

Tula und Cummins veröffentlichten im April 2020 auf dem Wiener Motorensymposium neueste Testergebnisse, die zeigen, dass die Zylinderabschalttechnologie von Jacobs in Kombination mit der Dynamic Skip Fire (DSF) Software von Tula die Steuerung des Verbrennungszyklus verbessert bei gleichzeitiger Optimierung der Abgastemperaturen und des CO2-Ausstoßes. Mit Hilfe von festen Kontrollpunkten wurde die Korrelation zwischen Zylinderanzahl und Performance sowie von Emissionsgrenzwerten bei Zündvorgängen festgestellt, um den optimalen Nutzen der Zylinderabschalttechnologie zu ermitteln. Die Studie zeigt: Bei einer Drehzahl von 1000 U/min erzielt ein Dieselmotor mit DSF eine Erhöhung der Abgastemperatur um fast 100⁰ C und eine 25 %ige Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs“. 2

 

Verschiedene Prüfzyklen wurden mittels Simulation durchlaufen, darunter das FTP (Federal Test Procedure) und der Low Load Candidate 7 (LLC7), ein Prüfverfahren, das zusammen mit den neuen CARB-Vorschriften zur Messung und Steuerung von Schadstoffen im Schwachlastbetrieb eingeführt werden soll. Beim Einsatz von DSF und CDA in diesen Simulationen wurde festgestellt, dass der Ausstoß von Stickoxid um 45 % reduziert und CO2 um 1,5 % gegenüber der Basislinie im FTP-Prüfzyklus verbessert wurde.  Der LLC7-Prüfzyklus ergab mit DSF eine Stickoxid-Senkung um 66 % und eine CO2-Redzierung um 3,7 % gegenüber der Basislinie2. Im Vergleich dazu erzielten die schon veröffentlichten Navistar-Motorentests eine achtprozentige Senkung der Stickoxide und eine sechsprozentige Minderung der CO2-Emissionen in einem Hochleistungs-Prüfzyklus nach FTP (Federal Test Procedure) sowie eine 77 %ige Stickoxid- und eine 12 %ige CO2-Senkung während des LLC7-Testzyklus bei einer 3-Zylinder-Deaktivierung1.

 

Die Navistar-Tests im vergangenen Jahr waren mit finanzieller Förderung der US Environmental Protection Agency an einem mit CDA ausgestatteten 13 Liter Navistar-Motor durchgeführt worden. Die Testergebnisse wurden im Februar 2020 in Atlanta während der Jahrestagung des American Trucking Associations' Technology & Maintenance Council bekannt gegeben.

 

„Die CDA-Technologie von Jacobs wurde in den letzten zehn Jahren insbesondere für den Schwerlastverkehr entwickelt", erklärt Robb 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."

Quellenangaben:

1: Matheaus, A., Singh, J., Sanchez, L., Evans, D. et al., "Evaluation of Cylinder Deactivation on a Class 8 Truck over Light Load Cycles," SAE Technical Paper 2020-01-0800, 2020, https://doi.org/10.4271/2020-01-0800
2: Farrell , L., Frazier, T., Younkins, M., & Fuerst, J. (2020, April 24). Diesel Dynamic Skip Fire (dDSF) Simultaneous CO2 and NOx Reduction. Fortschritt-Berichte VDI - 41. International Vienna Motor Symposium, 813(12), 1-976, ISBN: 978-3-18-381312-4.