ANTRIEBE
MTU-Motoren der Baureihe 4000 erfüllen EPA Tier 4 final ohne Abgasnachbehandlung
Seit der Markteinführung im Jahr 1996 haben die Motoren der Baureihe 4000 weltweit über mehrere Millionen Betriebsstunden ihre Zuverlässigkeit in den Anwendungen Bahn, Bergbau, Marine, Stromerzeugung sowie Öl und Gas unter Beweis gestellt. Um künftig noch emissionsärmere Motoren anbieten zu können, hat MTU die Baureihe 4000 grundlegend überarbeitet. Der Fokus bei der Entwicklung des neuen Baumusters 05 in den Zylindervarianten 12V, 16V und 20V lag insbesondere auf den Anwendungen Bergbau sowie Öl und Gas. Mit dem, über die Baureihen 1600, 2000 und 4000 einheitlichen, technischen Konzept zur Schadstoffreduzierung kommen die Motoren – in dieser Leistungsklasse einmalig – komplett ohne Abgasnachbehandlung aus.
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AUTOREN
Dipl.-Ing. Steffen Harscher ist Projektleiter Entwicklung BR4000-04 und -05 bei der MTU Friedrichshafen GmbH.
Dipl.-Ing. Jens Schneemann ist Leiter Entwicklung BR4000 bei der MTU Friedrichshafen GmbH.
Dipl.-Ing. Tobias Weiß ist Teamleiter Motorversuch BR4000-04 und -05 bei der MTU Friedrichshafen GmbH.
Dipl.-Ing. Christian Wolf ist Teamleiter Motorkalibrierung bei der MTU Friedrichshafen GmbH.
HERAUSFORDERUNG TIER 4 FINAL
Anfang 2015 trat in den USA die Abgasnorm EPA Tier 4 final in Kraft. Für Motoren mit einer Leistung größer 560 kW sind künftig die NOx-Emissionen auf einen maximalen Wert von 3,5 g/kWh und Partikelemissionen auf 0,04 g/kWh begrenzt. Dies entspricht im Vergleich zur Abgasnorm EPA Tier 2 einer Reduzierung der Schadstoffemissionen um nahezu 50 % bei den NOx-Werten beziehungsweise um 80 % bei den Partikelemissionen, BILD 1. Zu Beginn der Entwicklungsphase kristallisierte sich im intensiven Dialog mit den OEMs aus der Bergbauindustrie heraus, dass bei Baggern, MuldenkipOktober 2015
pern und Radladern neben einem geringen Kraftstoffverbrauch und einer hohen Zuverlässigkeit auch dem Leistungsgewicht und den Motordimensionen ein besonders hoher Stellenwert beigemessen wird. Ein niedriges Leistungsgewicht bedeutet mehr Nutzlast und ermöglicht damit einen wirtschaftlicheren Betrieb. Gleichzeitig erlauben nahezu gleichbleibende Motorabmessungen die einfache, schnelle und kostengünstige Remotorisierung bestehender Fahrzeuge. In der Öl- und Gasindustrie, in der die Motoren in ähnlicher Konfiguration als Pumpenantrieb Einsatz finden, besteht zusätzlich die Forderung, heiße Oberflächen von abgasführenden Bauteilen auf ein Minimum zu reduzieren, um einer Entzündung brennbarer Gase im Falle einer Gasexposition von vornherein aus dem Weg zu gehen. Obwohl MTU bereits seit vielen Jahren über die notwendige Expertise im Bereich Abgasnachbehandlung verfügt, wurde bewusst die Entscheidung für ein Motorkonzept getroffen, bei dem die Schadstoffreduzierung auf rein innermotorischen Maßnahmen beruht. Die Forderungen nach geringem Gewicht und kleinen Abmaßen des Gesamtsystems einerseits und die Limitierung heißer Oberflächen andererseits, lassen sich nur mit einem Motor ohne Abgasnachbehandlung in idealer Weise realisieren. Der Verzicht auf eine Abgasnachbehandlung bietet den Betreibern weitere Vorteile. Im Gegensatz zu Rußpartikeln bleiben Ascherückstände auch nach der thermischen Regeneration in den Keramiken von Dieselpartikelfiltern zurück und führen sukzessive zu einem Anstieg des Abgasgegendrucks und somit zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch. Da die Asche hauptsächlich als Verbrennungsendprodukt des Motoröls entsteht, werden hochpreisige aschearme LowSAPS-Öle vorgeschrieben. Motoren mit einer SCR-Anlage (Selective Catalytic Reduction) benötigen für den Betrieb einen zusätzlichen Betriebsstoff in Form einer Harnstoff-WasserLösung inklusive der dazugehörigen Harnstoff-Infrastruktur, BILD 2. Darüber hinaus stellt das Handling dieser Harnstoff-Wasser-Lösung mit seiner hohen Reinheitsanforderung in der rauen Minen-Umgebung bei Temperaturen von -40 bis +55 °C für den Betreiber eine große Herausforderung dar.
INNERMOTORISCHE MASSNAHMEN
Zur innermotorischen Schadstoffreduzierung sind die in BILD 3 aufgeführten Schlüsseltechnologien in die Weiterentwicklung des Motors eingeflossen [1]. Als Basis dient die bekannte V-Motor-Familie der BR4000 mit 90° Bankwinkel in der sogenannten Langhub-Ausführung. Diese zeichnet sich durch einen Bohrungsdurchmesser von 170 mm und einem Hub von 210 mm aus, womit sich ein Hubraum von 4,77 l pro Zylinder ergibt. Die Zylindervarianten 12, 16 und 20V decken damit ein Leistungsspektrum von 1150 bis 3000 kW ab. Generell wird die Bildung von Stickoxiden durch hohe Temperaturen im Brennraum begünstigt. Um diesem Effekt entgegen zu wirken, sind die Steuerzeiten der Ventile angepasst. Beim sogenannten Miller-Brennverfahren schließen die beiden Einlassventile früher vor dem unteren Totpunkt und führen durch eine Expansionsphase zu einer Verbrennung auf einem niedrigeren Temperaturniveau. Wichtigste Maßnahme zur Stickoxidreduzierung ist die Abgasrückführung (AGR), bei der ein Teil des Abgases abgekühlt und anschließend der Verbrennungsluft vor Zylinder wieder zugemischt wird. Der erhöhte Anteil inerten Gases in der Verbrennungsluft führt zu einer verzögerten Verbrennung und somit zu tieferen Temperaturen. Um trotz Miller-Verbrennung und AGR ausreichend Luftmasse in den Brennraum einbringen zu können, bedarf es einer Anhebung des Ladedrucks mittels zweistufiger Aufladung. Betrachtet man wiederum die Partikelemissionen, so besteht ein Zielkonflikt mit den Maßnahmen zur Stickoxidverminderung, da Rußpartikel bei abnehmender Temperatur langsamer oxidieren. Die Lösung für dieses Problem liegt im partikeloptimierten Brennverfahren mit neu entwickelter Kolbenmuldenform in Kombination mit dem ebenfalls neu entwickelten Einspritzsystem. Dank der hohen Einspritzdrücke von bis zu 2500 bar wird der Kraftstoff extrem fein zerstäubt. Im perfekten Zusammenspiel zwischen der Düsenform des Injektors, der Gestaltung der Kolbenmulde und dem vom Motormanagementsystem vorgegebenen Einspritzverlauf gelingt es, den Brennstrahl zielgerichtet auf die Kante der sogenannten Stufenmulde zu lenken.
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MTU Engines Series 4000 Fulfil EPA Tier 4 Final without Exhaust Gas Aftertreatment Since market introduction in 1996, Series 4000 engines have consistently demonstrated their reliability over several million hours of operation in rail, mining, marine, power generation and oil and gas applications throughout the world. To ensure it can offer engines with even lower emissions in future, MTU has comprehensively reworked its Series 4000 units. Development of the new 12V, 16V and 20V configurations of its Model Type 05 units focused in particular on applications in the mining and oil and gas sectors. Utilising a unified technological concept for pollutant reduction, the company’s Series 1600, 2000 and 4000 engines operate without the need for any exhaust aftertreatment – a unique achievement in this performance class.
CHALLENGE TIER 4 FINAL
U.S. Environmental Protection Agency (EPA) Tier 4 final exhaust regulations came into effect at the start of 2015. In the future, engines producing more than 560 kW will be limited to maximum NOx emissions of 3.5 g/kWh and particulate emissions of 0.04 g/kWh. This equates to pollutant reductions of almost 50 % for NOx emissions and 80 % for particulate emissions as compared with EPA Tier 2 exhaust gas specifications, FIGURE 1. At the start of the development phase, intensive discussions with OEMs from the mining sector highlighted power-toweight ratio and engine dimensions as particularly critical factors alongside low fuel consumption and high levels of reliability for excavators, dump trucks and wheel loaders. Low power-to-weight characteristics mean a higher payload and, consequently, more economical operation. At the same time, largely consistent engine dimensions make it simpler, faster and cheaper to repower existing vehicles. In the oil and gas industry where these engines are used in similar configurations to drive pumps, there is an additional need to keep hot surfaces of exhaust components to a minimum in order to avoid any danger of ignition in case of a gas exposition. Although MTU has many years of exhaust aftertreatment expertise, a deliberate decision was chosen in favour of an engine concept which relies purely on in-engine technology for exhaust emission reduction. The need to keep
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engine weight and dimensions down whilst also minimising hot surfaces can be most effectively achieved with an engine which operates without exhaust aftertreatment. Dispensing with exhaust aftertreatment technology also has other advantages for operators. Unlike soot particles, ash residue remains in the ceramic elements of diesel particulate filters after thermal regeneration. This causes an increase in exhaust back-pressure and negatively influences fuel consumption efficiency. As the ash is primarily the end product of engine oil combustion, high-cost, low SAPS oils have to be used. Engines with SCR (selective catalytic reduction) technology also need an additional operating fluid in the form of an aqueous urea solution which in turn requires the appropriate infrastructure to utilise it, FIGURE 2. In addition, handling this aqueous urea solution and maintaining the high levels of purity demanded in a harsh mining environment with temperatures ranging from -40 to +55 °C pose significant challenges for operators. IN-ENGINE MEASURES
The key pollutant reduction technologies illustrated in FIGURE 3 were integrated during ongoing development of the engine [1]. The basic technology is provided by the long-stroke version of the well-known V-configuration Series 4000 engine family with a 90° cylinder bank angle. This unit has a 170 mm bore diameter and a 210 mm stroke, producing a capacity of 4.77 l per cylinder. The 12,
16 and 20V configurations cover a performance range from 1150 to 3000 kW. In general, high combustion chamber temperatures promote the formation of nitrogen oxides and valve timing was therefore modified to counter this. With the Miller combustion process, the two inlet valves close earlier before bottom dead centre so that the expansion phase results in combustion at a lower temperature level. Exhaust gas recirculation (EGR) further reduces nitrogen oxides by cooling some of the exhaust gas and routing it back into the combustion air upstream of the cylinder. The increased inert gas content in the combustion air retards combustion and thus achieves lower temperatures. To ensure that sufficient air reaches the combustion chamber despite the Miller process and EGR,
AUTHORS Dipl.-Ing. Steffen Harscher is Project Leader Development S4000-04 and -05 at the MTU Friedrichshafen GmbH (Germany). Dipl.-Ing. Jens Schneemann is Director Development S4000 at the MTU Friedrichshafen GmbH (Germany). Dipl.-Ing. Tobias Weiß is Senior Manager Engine Testing S4000-04 and -05 at the MTU Friedrichshafen GmbH (Germany). Dipl.-Ing. Christian Wolf is Senior Manager Engine Calibration at the MTU Friedrichshafen GmbH (Germany). October 2015
Dabei fungiert diese als Strahlteiler und erzeugt eine noch homogenere Durchmischung mit der Verbrennungsluft, wodurch letztlich bereits der Entstehung von Rußpartikeln entgegengewirkt wird. Auch was das Thema CO2-Ausstoß betrifft, leistet MTU einen signifikanten Beitrag in Sachen Umweltschutz. Die Anhebung des Spitzendrucks im Zylinder auf deutlich über 200 bar in Verbindung mit der zweistufigen Aufladung erlaubt gleichzeitig höhere Zylinderleistungen und Vorteile hinsichtlich des Wirkungsgrads und damit des Kraftstoffverbrauchs. Als Konsequenz können nun Leistungsvarianten, die bisher mit einem 16V-Tier-2-Motor abgedeckt wurden, teilweise mit 12V-Tier-4-Motor dargestellt werden (Downsizing). Für den Motorbetreiber ergibt sich damit eine Kraftstoffverbrauchseinsparung von circa 3 % bei gleicher Motorleistung und annähernd gleichem Wärmeeintrag in die Rückkühlanlage trotz AGR. Dieser Aspekt ist insofern von
besonderem Interesse, da die Lebenszykluskosten nur zu einem geringen Anteil aus den Anschaffungs- und War-
tungskosten, aber zu etwa 90 % aus dem Kraftstoffverbrauch resultieren [2]. Strukturmechanische Verbesserungen
BILD 1 Reduzierung der Emissionsgrenzen seit US EPA Tier 1 sowie US EPA Tier 4 C1-Zyklus für Offhighway-Motoren größer 560 kW (© MTU Friedrichshafen) FIGURE 1 Reduction of emission limits since US EPA Tier 1 and US EPA Tier 4 C1 cycle for off-highway engines larger 560 kW (© MTU Friedrichshafen)
BILD 2 Vergleich des Integrationsaufwands für Motoren mit und ohne Abgasnachbehandlung(© MTU Friedrichshafen) FIGURE 2 Comparison of integration requirements for engines with and without exhaust aftertreatment (© MTU Friedrichshafen) Oktober 2015
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charge-pressure is increased by means of two-stage turbocharging. Here, however, a conflict of aims arises between measures designed to cut particulate emissions and technologies for reducing nitrogen oxides because soot particles oxidise more slowly as temperatures fall. The solution to this problem is provided by a particulate-optimised combustion process which utilises a newly developed piston bowl form in conjunction with an equally innovative injection system. High injection pressures of up to 2500 bar achieve extremely fine fuel spray and thanks to perfect interplay between the shape of the injector nozzle, the contours of the piston bowl and the injection sequence as determined by the engine management system, the combustion jet is directed precisely onto the edge of the ‘stepped’ piston bowl. This splits the jet stream facilitating an even more homogeneous mixture of fuel and combustion air and countering the formation of soot particles from the outset. MTU’s contribution to environmental protection in the area of CO2 emissions is no less significant. In combination with the two-stage turbocharging system, the increase in peak cylinder pressure to well over 200 bar simultaneously increases cylinder power and enhances efficiency which improves fuel consumption. In consequence, some applications which previously required a 16V Tier 2 engine can now be realised with a 12V Tier 4 unit (down-sizing). For engine operators, this means fuel savings of around 3 % with the same engine power and virtually the same thermal input into the recooling system despite EGR. This benefit is particularly significant in view of the fact that procurement and maintenance costs make up only a small proportion of overall life-cycle expenditure whilst fuel accounts for around 90 % of life-cycle costs [2]. Structural-mechanical improvements in combustion chamber configuration and in the crankcase also mean that component life remains unchanged despite the increase in cylinder pressures. COMPACT TWO -STAGE TURBOCHARGING
An essential element of the unified engine concept, FIGURE 4, which extends across the entire range of cylinder configurations is the two-stage turbocharg-
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ing system which employs a total of three exhaust turbochargers (ETCs) – one high-pressure unit and two which function as a low-pressure stage. The exhaust line downstream of the cylinders routes the exhaust gas from the outside cylinders to the exhaust cross-over connection located at the middle of the cylinder bank and then from there to the high-pressure stage, FIGURE 5. After a relaxation of pressure in the turbine housing, the exhaust gas passes through a Y-shaped guide pipe for distribution to the two low-pressure turbines from where it leaves the engine in the direction of the vehicle-side exhaust silencer. The exhaust turbochargers were specially developed and manufactured for this engine by MTU Friedrichshafen and are flange-mounted on the ETC carriers via a water-cooled bearing housing. The ETC carriers also house the channels for routing cooling water, engine oil and combustion air. In each of the three turbochargers an identicaldesign turbine wheel converts the enthalpy from the exhaust gas into drive power for the titanium compressor wheel. A particular feature of the 20V engine is the diagonal turbine wheel (mixed flow design) which achieves high levels of turbine efficiency together with a low mass moment of inertia, creating benefits in terms of engine acceleration and turbine containment safety. Combustion air passes from the intake housing to the low-pressure compressors, FIGURE 6. To increase the levels of charging efficiency, after it has been compressed the air is routed to an interstage charge-air cooler before being compressed to more than 5 bar in the highpressure compressor. Before the combustion air is passed to the individual cylinders its temperature is reduced to below 70 °C in the main charge-air cooler. Both the interstage charge-air coolers and the main charge-air cooler are integrated in a separate low-temperature cooling circuit. THERMODYNAMIC DESIGN AND CALIBRATION
The two-stage turbocharging system extends performance possibilities by facilitating significantly wider characteristic engine maps which are unique in this performance class. The engine will generate mean pressures up to 20 bar
at speeds as low as 1300 rpm – a 30 % increase over its predecessor. Performance maps for excavator applications are designed for a constant rated power across the entire 1500 rpm to 1830 rpm range. With diesel-electric dump trucks, this can be used to exploit entirely fresh potential for consumption-optimised system calibration along the characteristic generator curve. For diesel-hydraulic excavators, it means that load step-ups from < 10 to > 90 % power can be implemented 50 % faster. The development process involved ground-breaking new approaches both to the software structure of MTU’s in-house engine management system and to engine calibration. To achieve the best possible engine characteristics, model-based calibration was conducted on a special-purpose virtual test stand developed by MTU before actual load cycle tests were run on the transient test stand. The two-stage turbocharging system also enhances performance under extreme operating conditions and despite the pressure drop of over 30 %, the engine is still capable of full-load operation at a working altitude of 3200 m. FIGURE 7 illustrates the spread of volumetric flow required from the low-pressure compressors by the turbocharging system at rated power under different working conditions. The operational point in the performance map of the lowpressure compressor approaches the surge limit at falling temperatures and during high-altitude operation turbocharger speed increases. CONTROL CONCEPT
A charge-air pressure control system provides the basis for ensuring that the engine receives the optimum cylinder ‘fill’ needed for compliance with all the relevant emission limits. The set-point targets required are generated from engine operating values (speed and torque) and from measurements of ambient working conditions (pressure, humidity and temperature of the intake air). The NOx controller, FIGURE 8, of the ECU9 engine management system uses the charge-pressure p5 and the angular position of the bypass flap for circumventing the high-pressure turbine to determine the required compression ratio for turbocharging. Control of the EGR rate, and thus the mixture quality, October 2015
des Brennraumverbands und des Kurbelgehäuses ermöglichen unveränderte Bauteillebensdauern bei gleichzeitig gesteigerten Zylinderdrücken. KOMPAKTE ZWEISTUFIGE AUFLADUNG
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BILD 3 Innermotorische Emissionstechnologien (© MTU Friedrichshafen) FIGURE 3 In-engine emission technologies (© MTU Friedrichshafen)
THERMODYNAMISCHE AUSLEGUNG UND K ALIBRIERUNG
knapp 20 bar Mitteldruck und damit 30 % mehr als sein Vorgänger. Die Kennfelder für Baggeranwendungen sind mit einer konstanten Nennleistung über den gesamten Bereich von 1500 bis 1830/min abgestimmt. Für dieselelektrisch betriebene Muldenkipper kann dies genutzt werden, um gänzlich neue Potenziale für eine verbrauchsoptimale Systemabstim-
Die zweistufige Aufladung erweitert die Möglichkeiten hinsichtlich der Leistungsdarstellung in Form von deutlich breiteren und damit in dieser Leistungsklasse einzigartigen Motorkennfeldern. Bereits bei 1300/min liefert der Motor
LP stage LP CAC A1
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Air filter
A10
HP stage
1
EGR cooler
HP charge-air cooler
Ein wesentlicher Bestandteil des über alle Zylinderzahlen einheitlichen Motorkonzepts, BILD 4, ist die zweistufige Aufladung mit insgesamt drei Abgasturboladern (ATL), davon einem als Hochdruck- und zwei als Niederdruckstufe. Die Abgasleitung nach Zylinder führt das Abgas von den äußeren Zylindern zu der an der Bankmitte liegenden Abgasquerverbindung und von dort aus weiter in die Hochdruckstufe, BILD 5. Nach der Entspannung im Turbinengehäuse wird das Gas über ein Y-förmiges Leitrohr auf die beiden Niederdruckturbinen verteilt und verlässt von dort aus den Motor in Richtung fahrzeugseitigem Abgasschalldämpfer. Die von MTU speziell für diesen Motor entwickelten und gefertigten Abgasturbolader sind über ein wassergekühltes Lagergehäuse auf den ATLTrägern, die gleichzeitig Kanäle für die Medienführung von Kühlwasser, Motoröl und Verbrennungsluft beinhalten, angeflanscht. In jedem der drei Turbolader wandelt das baugleiche Turbinenrad die Enthalpie aus dem Abgas in Antriebsenergie für das Titanverdichterrad um. Als Besonderheit sind die Turbinenräder des 20V als Diagonalrad (Mixed Flow Design) mit hohem Turbinenwirkungsgrad und geringem Massenträgheitsmoment ausgeführt. Dies bietet Vorteile im Beschleunigungsverhalten des Motors und in der Containment-Absicherung der Turbine. Die Verbrennungsluft gelangt über die Ansauggehäuse zu den Niederdruckverdichtern, BILD 6. Zur Erhöhung der Aufladungswirkungsgrade wird die Luft nach der Komprimierung in einem Zwischenladeluftkühler heruntergekühlt und anschließend im Hochdruckverdichter auf über 5 bar verdichtet. Bevor die Verbrennungsluft den einzelnen Zylindern zugeführt wird, erfährt sie im Hauptladeluftkühler eine weitere Temperaturabsenkung auf unter 70 °C. Sowohl die Zwischenladeluftkühler als auch der Hauptladeluftkühler sind in einen separaten Niedertemperaturkühlkreislauf eingebunden.
Free end
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B1
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Donor-cylinder flap
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EGR-flap
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HP turbine-bypass flap
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Donor-cylinder
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B5
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B7
B8
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B10 LP CAC
Air filter LP stage
BILD 4 Aufladeschema des 20V4000-05 mit zweistufiger, geregelter Aufladung und Spenderzylinder-AGR (© MTU Friedrichshafen) FIGURE 4 Turbocharging system on the 20V4000-05 with two-stage, controlled turbocharging and EGR donor cylinders (© MTU Friedrichshafen)
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is based on comparison of the air ratio λ (determined by sensors and including correction for sensor scatter) with the setpoint target from the ECU. The amount of heat entering the re-cooling system under hot operating conditions is limited in line with EPA requirements by monitoring the high-temperature circuit and the maximum permissible EGR rate calculated from it. DONOR CYLINDER EXHAUST GAS RECIRCULATION
A pressure drop between the exhaust side and the air side is needed in order to allow exhaust gas to pass over to the air side. In conventional high-pressure EGR systems this is usually created using a charging system which permits accumulation. However, the gas exchange losses involved here tend to result in a lower engine power and higher fuel consumption. The pressure drop achievable with a high-pressure EGR system is reduced as engine power decreases and impedes recirculation at the lower end of the power range. In contrast, the donor cylinder EGR system employs an electrically actuated control flap in the exhaust line to achieve the required build-up in a limited number of cylinders only (in this case, all the A-bank cylinders) [3]. In this way, gas exchange in the remaining cylinders remains unaffected, allowing optimisation of the turbocharging system and higher levels of turbocharging efficiency. A second flap upstream of the EGR cooler makes it possible to regulate the exhaust recirculation rate between 0 and 50 % across the entire engine performance map. Heat transfer to the high-temperature cooling circuit begins as soon as exhaust gas enters the EGR cooler, FIGURE 9, and before it is subsequently injected into the combustion air system on both sides. The cooler was designed with the aim of accommodating the cooler cores in a compact, modular housing. Thanks to CFD-aided optimisation, it proved possible to achieve homogeneous and uniform distribution of exhaust gas throughout all six cooler cores. The heat exchangers themselves have a two-stage design with a hot and a cold side. Increased density on the cold side was compensated by means of an asymmetrical cross-sectional ratio between the hot and cold
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sides. In addition, coolant distribution and speed were optimised in order to effectively prevent coolant boiling at the intake to the cooler cores. The cast components at the sides are provided with a settling chamber as well as water transitions to allow parallel flow through all the cooler cores. NEXT GENERATION OF COMMON RAIL INJECTION
A new fuel injection system capable of injection pressures up to 2500 bar, FIGURE 10, and developed jointly by MTU and its subsidiary L’Orange plays a significant role in reducing emissions. This latest engine generation is also the first to utilise new MTU Smart Injection technology which continuously monitors the common rail system. A highly dynamic pressure sensor in each injector measures pressure developments during injection. Injector tolerance and drift can be actively corrected as required on the basis of comparison with the target time-point for injection and the target injection quantity. Even with injectors with high runtimes, the system guarantees consistency of operating values such as engine power, consumption, peak pressure and, most importantly, stable exhaust emissions at the lowest possible level. Depending on engine load profiles, the system can significantly increase injector exchange intervals. Many less compressive improvements have also been incorporated in the fuel system in addition. One example involves optimised pre-injection technology that considerably reduces noise levels, in particular during lowload operation. The fuel filtration system has likewise been adapted to operate with the high injection pressures because at 2500 bar, even the smallest particles (< 4 µm) carry enough energy to cause unwanted wear in the highpressure system. Innovative filter materials consisting of a multi-layered compound of cellulose and synthetic fibreglass are capable of filtering out 99.99 % of these particles at each filtration stage. They also exhibit a high dirt absorption capacity and are significantly more resistant to engine vibration which could dislodge particles already filtered out and trapped. Several different, mutually coordinated filter stages also mean that
filter cartridges can achieve exchange intervals of up to 1000 h. SUMMARY
With a new generation of engines MTU’s engineers have succeeded in bridging the gap between the stringent exhaust standards demanded by EPA Tier 4 final and the enhancement of customer benefits in the form of low life-cycle costs, improved load-switching performance and virtually unchanged engine dimensions – without the need for additional exhaust aftertreatment. The decision to opt for purely in-engine, non-SCR technology to reduce emissions offers operators maximum flexibility for repowering whilst simultaneously simplifying infrastructure requirements by avoiding the need for aqueous urea. The technological advantages of the latest engines have been confirmed in comprehensive trials conducted under actual working conditions and therefore offer highest levels of engine availability. REFERENCES [1] Wintruff, I.; Bücheler, O.; Rall, H.; Zitzler, G.: Die neuen Bahnmotoren der MTU-Baureihe 4000 für die Emissionsstufe EU IIIB. In: MTZ 72 (2011), No. 5, pp. 374-379 [2] Dohle, U.: Als nächstes wird CO 2 im Fokus s tehen. In: MTZ 73 (2012), no. 12, pp. 940-943 [3] Mattes, P.; Remmels, W.; Sudmanns, H.: Untersuchungen zur Abgasrückführung am Hochleistungsdieselmotor. In: MTZ 60 (1999), No. 4, pp. 234-243
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mung auf der Generatorkennlinie zu erschließen. Für dieselhydraulisch betriebene Bagger kann damit eine um 50 % schnellere Lastaufschaltung von < 10 auf > 90 % Leistung erreicht werden. Hierzu wurden sowohl für die Softwarestruktur des MTU-eigenen Motormanagementsystems als auch in der Motorabstimmung neue Wege beschritten. Um die bestmögliche Motorcharakteristik darzustellen, erfolgte bereits vor der Erprobung realer Lastzyklen auf dem Transientprüfstand eine modellunterstützte Kalibrierung auf dem eigens von MTU entwickelten virtuellen Prüfstand. Auch unter extremen Randbedingungen profitiert der Motor von der zweistufig regelbaren Aufladung. Trotz des atmosphärischen Druckabfalls von über 30 % bei einer Einsatzhöhe von 3200 m bleibt der Motor volllastfähig. Am Beispiel des Nennleistungspunktes bei unterschiedlichen Einsatzrandbedingungen ist zu erkennen, welche Volumenstromspreizung das Aufladesystem von den Niederdruckverdichtern abverlangt. Bei sinkender Umgebungstemperatur verschiebt sich der Betriebspunkt im Niederdruckverdichter in Richtung der Pumpgrenze und beim Einsatz in großer Höhe in Richtung zunehmender Laderdrehzahl, BILD 7.
BILD 5 Abgassystem mit AGR-Regelklappen und Bypass um die Hochdruckturbine (© MTU Friedrichshafen) FIGURE 5 Exhaust gas system with EGR control flaps and high-pressure turbine bypass (© MTU Friedrichshafen)
REGELKONZEPT
Basierend auf einer Ladedruckregelung erhält der Motor die zur Einhaltung der Emissionsgrenzen optimale Zylinderfüllung. Die Sollwertvorgabe wird aus den Motorbetriebswerten Drehzahl und Drehmoment sowie aus den gemessenen Umgebungsrandbedingungen Druck, Feuchte und Temperatur der Ansaugluft abgeleitet. Der in BILD 8 dargestellte NOxRegler des Motormanagementsystems ECU 9 (Engine Control Unit) stellt mit-
BILD 6 Fluiddynamisch optimiertes Verbrennungsluftsystem (© MTU Friedrichshafen) FIGURE 6 Fluid-dynamically optimised combustion air system (© MTU Friedrichshafen)
hilfe des Ladedrucks p5 und der Winkelstellung der Bypassklappe um die Hochdruckturbine das erforderliche Verdichtungsverhältnis der Aufladung ein. Die Regelung der AGR-Rate – und damit der Gemischgüte – beruht auf dem Abgleich des sensorisch ermittelten Luftverhält-
nisses λ (inklusive einer Fehlerkorrektur hinsichtlich Sensorstreuung) mit der Sollwertvorgabe aus der ECU. Eine Limitierung des Wärmeeintrags in die Rückkühlanlage bei heißen Umgebungsrandbedingungen geschieht EPA-konform durch Überwachung des Hochtempera-
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ANTRIEBE
turkreislaufs und der daraus berechneten maximal zulässigen AGR-Rate. SPENDERZYLINDERABGASRÜCKFÜHRUNG
Damit Abgas auf die Luftseite gelangen kann, muss ein Druckgefälle zwischen der Abgas- und Luftseite existieren. Bei der konventionellen Hochdruck-AGR wird dies in der Regel mithilfe einer zur Aufstauung geeigneten Aufladung hervorgerufen. Die hierbei entstehenden Ladungswechselverluste führen jedoch zu einer tendenziell geringeren Motorleistung und einem höheren Kraftstoffverbrauch. Das über eine HochdruckAGR darstellbare Druckgefälle sinkt mit fallender Motorleistung und verhindert die Rückführung im unteren Leistungsbereich. Im Gegensatz hierzu wird bei der Spenderzylinder-AGR nur ein Teil der Zylinder, in diesem Fall die komplette A-Bank des Motors, bei Bedarf mittels einer elektrisch betätigten Regelklappe in der Abgasleitung aufgestaut [3]. Der Ladungswechsel der übrigen Zylinder bleibt unbeeinflusst, wodurch sich die Aufladung auf höhere Turboladerwirkungsgrade optimieren lässt. Eine zweite Klappe vor dem AGR-Kühler ermöglicht es, die Abgasrückführrate über das komplette Motorkennfeld zwischen 0 und 50 % einzuregeln. Sobald das Abgas in den AGR-Kühler, BILD 9, gelangt, erfolgt die Wärmeabgabe in den Hochtemperaturkühlkreislauf, bevor es anschließend beidseitig in das Verbrennungsluftsystem eingedüst wird. Ziel bei der Auslegung des Kühlers war es, die Kühlerkerne in einem kompakten und modularen Gehäuse unterzubringen.
BILD 8 Regelungskonzept für die Motorserie BR4000-05 (© MTU Friedrichshafen) FIGURE 8 Control concept for engine series 4000-05 (© MTU Friedrichshafen)
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BILD 7 Einfluss der Einsatzhöhe und Umgebungstemperatur auf den Betriebspunkt im Niederdruckverdichter bei Nennleistung (3000 kW bei 1800/min) (© MTU Friedrichshafen) FIGURE 7 Influence of working altitude and ambient temperature on the low-pressure compressors at rated power (3000 kW at 1800 rpm) (© MTU Friedrichshafen)
Dank CFD-gestützter Optimierungen ist es gelungen, eine homogene Abgasgleichverteilung über alle sechs Kühlerkerne zu erhalten. Die Wärmetauscher selbst sind zweistufig mit einer Heiß- und Kaltseite aufgebaut. Dem Dichtezuwachs auf der Kaltseite wurde durch ein asymmetrisches Querschnittsverhältnis zwischen Heißund Kaltseite Rechnung getragen. Um Kühlmittelsieden am Eintritt der Kühlerkerne effektiv zu verhindern, galt es zusätzlich, die Kühlmittelverteilung und -geschwindigkeit zu optimieren. Die seitlichen Gussbauteile verfügen über einen
Beruhigungsraum sowie über Wasserdurchtritte zur parallelen Durchflutung aller Kühlerkerne. COMMON-RAIL-EINSPRITZUNG DER NÄCHSTEN GENERATION
Einen wesentlichen Anteil zur Schadstoffminimierung trägt das neue, gemeinsam mit der MTU-Tochterfirma L’Orange entwickelte Kraftstoffeinspritzsystem mit bis zu 2500 bar Einspritzdruck bei, BILD 10. Erstmals kommt mit dieser Motorgeneration die neue Technologie MTU Smart
ziell im niedrigen Lastbereich. Auch die Kraftstofffiltrierung ist an die hohen Einspritzdrücke angepasst, denn bereits kleinste Partikel im Größenbereich < 4 µm besitzen bei 2500 bar genug Energie, um einen unerwünschten Verschleiß im Hochdrucksystem hervorzurufen. Neuartige Filtermedien aus einem mehrlagigen Verbund von Zellulose und synthetischen Glasfasermedien sind in der Lage diese Partikel mit einer Abscheiderate von 99,99 % je Filterstufe herauszufiltern. Sie weisen darüber hinaus eine hohe Schmutzaufnahmekapazität auf und sind deutlich resistenter gegenüber Motorvibrationen, welche die bereits eingelagerten Partikel wieder austragen könnten. Mehrere aufeinander abgestimmte Filterstufen lassen dennoch für die Filterkartuschen Tauschintervalle von bis zu 1000 h zu. BILD 9 Fluiddynamisch optimierte Abgas- und Kühlwasserführung im AGR-Kühler (© MTU Friedrichshafen) FIGURE 9 Fluid-dynamically optimised exhaust and coolant routing in the EGR cooler (© MTU Friedrichshafen)
Injection zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um ein System, das kontinuierlich die Common-Rail-Einspritzung überwacht. Ein hochdynamischer Drucksensor in jedem Injektor misst den Druckverlauf während der Einspritzung. Über den Abgleich mit Solleinspritzzeitpunkt und -menge können Injektortoleranzen und -drifts bei Bedarf aktiv korrigiert werden. Dies gewährleistet selbst bei fortgeschrittener Injektorlaufzeit konstante Betriebs-
werte wie Motorleistung, Verbrauch, Spitzendruck und vor allem stabile Abgasemissionen auf niedrigstem Niveau. In Abhängigkeit der Motorlastprofile lassen sich damit signifikant längere Injektortauschintervalle erreichen. Zusätzlich sind viele Detailverbesserungen in das Kraftstoffsystem eingeflossen. So kommt es zum Beispiel dank optimierter Voreinspritzung zu einem deutlich niedrigeren Geräuschpegel spe-
ZUSAMMENFASSUNG
Mit der neuen Motorgeneration ist es den MTU-Ingenieuren gelungen, den Spagat zwischen Einhaltung der strengen Abgasnormen EPA Tier 4 final auf der einen und einem gesteigerten Kundennutzen in Form von niedrigen Life-Cycle-Kosten, einem besseren Lastaufschaltverhalten sowie nahezu unveränderten Motorabmessungen ohne zusätzliche Abgasnachbehandlung auf der anderen Seite zu meistern. Die Entscheidung für eine rein innermotorische Schadstoffreduzierung ohne SCR bietet den Betreibern maximale Flexibilität bei der Remotorisierung und ermöglicht weiterhin eine einfache Infrastruktur ohne Harnstoff-WasserLösung. Die verbesserten technischen Eigenschaften haben sich bereits während ausgiebiger Tests im realen Einsatz bewährt und gewährleisten somit eine ebenso hohe Verfügbarkeit der Motoren wie die Vorgängerbaumuster. LITERATURHINWEISE [1] Wintruff, I.; Bücheler, O.; Rall, H.; Zitzler, G.: Die neuen Bahnmotoren der MTU-Baureihe 4000 für die Emissionsstufe EU IIIB. In: MTZ 72 (2011), Nr. 5, S. 374-379 [2] Dohle, U.: Als nächstes wird CO 2 im Fokus stehen. In: MTZ 73 (2012), Nr. 12, S. 940-943 [3] Mattes, P.; Remmels, W.; Sudmanns, H.: Untersuchungen zur Abgasrückführung am Hochleistungsdieselmotor. In: MTZ 60 (1999), Nr. 4, S. 234-243
BILD 10 Common-Rail-Kraftstoffsystem mit bis zu 2500 bar Einspritzdruck (© MTU Friedrichshafen) FIGURE 10 Common rail fuel system with up to 2500 bar injection pressure (© MTU Friedrichshafen) Oktober 2015
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