MAN Motor D1556LE5xx

MAN Truck & Bus SE – MAN Engines

Kompakt und leistungsstark: Der neue 9-Liter- Dieselmotor von MAN für Off-Highway-Anwendungen

MAN hat im Jahr 2019 einen neu entwickelten Motor mit 9 Liter Hubraum auf den Markt gebracht. Neben den klassischen Anwendungen für LKW und Bus wird zeitgleich die Industrievariante vorgestellt. Die Erstanwendung im Off-Highway Segment ist ein Einsatz des Motors im Ackerschlepper. Für diese Applikation wurden die SCR-only Verbrennung und die Abgasnachbehandlung komplett überarbeitet und angepasst. Ein großes Augenmerk lag auf dem Niederdrehzahlkonzept bei sehr guter Motordynamik. Bei der Erprobung wurde eine Vielzahl von Feldzyklen analysiert und das Prüfprogramm auf den harten Einsatz im Schlepper angepasst. Außerdem werden Aktivitäten und Ergebnisse zur Erfassung der „Real Driving Emission“ des Schleppers bei den unterschiedlichsten Anwendungen vorgestellt.

Vor einigen Jahren fiel der Startschuss zur Entwicklung der neuen Motorplattform D15. Diese schließt die Lücke zwischen der 7 und 12 Liter Hubraumklasse. Oberste Ziele bei der Entwicklung waren ein niedriges Leistungsgewicht und kompakte Abmessungen. Das Sechszylinderreihenaggregat leistet zwischen 205 und 324 kW (279 und 440 PS) und erzeugt in der leistungsstärksten Variante ein maximales Drehmoment von 1.970 Nm zwischen 1.150 und 1.300 min-1 (siehe Abb. 1, links). Damit überzeugt der MAN D1556 bereits bei kleinen Drehzahlen mit einem großen Drehmoment und ist gleichzeitig mit einem Trockengewicht von nur 860 kg der leichteste Off-Road-Motor seiner Hubraumklasse.

In seiner ersten Anwendung als Industriemotor wird er in einem Schlepper eingesetzt. Hier leistet der neue D1556-Motor aufgrund von Bauraumbeschränkungen und der hohen Auslastung maximal 305 kW. Um den weltweiten Markt bedienen zu können wurde der Motor für die Emissionsstufen EU Stufe V, EPA Tier4final und nach EU Stufe IIIa für „Low Regulated Countries“ zertifiziert.

Die folgende Abbildung zeigt den aktuellen Stand der Leistungskurve im Traktor. Im Wettbewerbsvergleich (siehe Abb. 1, rechts) wird deutlich, dass gerade beim max. Drehmoment der D15 eine Spitzenposition einnimmt.

Abb. 1 Leistungskurve, sowie spezifische Leistung / effektiver Mitteldruck

Weiterhin wurde ein großes Augenmerk auf die Modularität des 9-Liter- Motorbaukastens gelegt. Die folgende Abbildung zeigt die verschiedenen Varianten im LKW, Bus, sowie als CNG- und Schlepper-Motor.

Abb. 2 CAD- Darstellung des D15 als Truck-, CNG/Bus- und Schlepper-Variante

Die Versionen unterscheiden sich z.B. durch Lüfteranbauten und Riementrieben über Zylinderkopfhauben und Ölwannen aus Kunststoff und Aluminium bis hin zu Abgasturboladern mit Wastegate oder VTG. Der E1856 als Erdgasvariante verfügt im Gegensatz zu seinem Dieselpendant über eine gekühlte Abgasrückführung (AGR). Die Bus-Version kann optional mit einem Kurbelwellen-Starter-Generator geliefert werden.

Im Folgenden wird detailliert auf die Entwicklung (technische Daten siehe folgende Tabelle) und Integration des D15 in den Schlepper eingegangen.

Technische Daten Traktormotor

Motortyp D1556LE5xx
Abgasstatus EU Stufe V, US EPA Tier4f, Downgrade UN-ECE
R96, H (konform mit EU Stufe IIIA)
Zylinderzahl / Anordnung /
Ventile pro Zylinder
6 / Reihe / 4
Bohrung / Hub [mm] 115 / 145
Hubraum [cm³] 9,0
Verdichtung [-] 20:1
Einspritz- / Zünddruck [bar] 2500 / 230
Gewicht (trocken) [kg] ca. 860 (ohne AGN) ca. 960 (mit AGN)
Nennleistung [kW] bei Drehzahl [1/min] 217 239 261 283 305
Max. Drehmoment [Nm] 1550 1650 1750 1850 1970
bei Drehzahl [1/min] 1100 -
1300
1100 -
1350
1100 -
1400
1150 -
1400
1200 -
1350

SCR-Only Konzept

Die Emissionsanforderungen der EU-StufeV und EPA-T4F werden mit SCR-Only Technologie, d.h. ohne den Einsatz einer externen Abgasrückführung (AGR) erfüllt. Neben den mechanischen Vorteilen, wie Gewichtsersparnis, reduzierte Komplexität des Systems und einer Entlastung des Kühlsystems, ergeben sich auch erhebliche Vorteile für die Verbrennungsauslegung. Das SCR-Only Konzept ermöglicht es die Verbrennung wirkungsgradoptimiert und somit auf bestmöglichen Kraftstoffverbrauch einzustellen. Durch den optimalen Brennverlauf liegen die Partikelemissionen auf einem äußerst niedrigen Niveau, was sich positiv auf die Partikelfilterstandzeiten auswirkt und den Rußeintrag ins Öl minimiert. Neben den Vorteilen der hohen Verbrauchseffizienz und des niedrigen Partikelaustoßes bringt eine hocheffiziente Verbrennung physikalisch bedingt hohe NOx-Rohemissionen mit sich. Diesem Problem wurde durch eine angepasste und speziell auf niedrige Stickoxidemissionen ausgelegte Brennraumgeometrie entgegengewirkt (siehe Kapitel 2.2). Im Zusammenspiel mit einer optimierten AdBlue-Dosierstrategie und einer Hochleistungs-SCR-Anlage ist es MAN dadurch gelungen Bestwerte im Kraftstoffverbrauch mit niedrigem AdBlue-Verbrauch zu kombinieren.


Abb. 3 Flammenfront, Brennraumtemperaturen und NOx-Emissionen im Brennraum jeweils bei 5%, 50% und 90% Verbrennungsfortschritt

Brennraum

Es wurden umfangreiche Untersuchungen zum Brennraumdesign durchgeführt. Sowohl simulativ als auch am Verbrennungsprüfstand wurde eine Vielzahl unterschiedlicher Kolbenmuldengeometrien in Kombination mit verschiedenen Einspritzdüsenvarianten untersucht. Das Ergebnis ist eine komplett neu gestaltete Kolbenmulde, welche optimal auf das SCR-Only-Konzept abgestimmt ist und sowohl niedrige Kraftstoffverbräuche als auch niedrige Rohemissionen ermöglicht.

Die Kolbenmulde wurde so ausgeführt, dass die Flamme gezielt auf die Kolbenkante, den sogenannten Strahlteiler, gelenkt wird. Dadurch spaltet sich die Flamme in zwei Bereiche auf. Der untere Anteil der Flamme wird in der Kolbenmulde umgelenkt und läuft am Kolben entlang Richtung Kolbenmitte. Der obere Anteil der Flamme wird zuerst über eine Schräge weiter in Richtung Kopf geleitet, um sich anschließend mittels einer Stufe weiter radial ausbreiten zu können. Dies führt an der Schräge zu einer Verzögerung der Verbrennung, so dass die Spitzentemperaturen abgesenkt und dadurch die NOX-Emissionen verringert werden (siehe Abb. 3).


Einspritzsystem

Der Motor ist mit modernster Common Rail Einspritztechnik ausgerüstet. Die Injektoren verfügen über leckagefreie Steuerventile, welche im Vergleich zu konventionellen Injektoren mit Spaltleckage eine höhere hydraulische Effizienz aufweisen. Daraus ergibt sich eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um ca. 1 %. Die signifikant verbesserte Hydraulik erhöht zudem die Einspritzmengengenauigkeit. Auch

kleinste Pilotmengen können stabil über die gesamte Lebensdauer dargestellt werden, was sich positiv auf die Emissionen und das Verbrennungsgeräusch auswirkt. In Verbindung mit der neu designten Kolbenmuldengeometrie wird eine 12-Loch- Einspritzdüse verwendet. Der maximale Systemdruck beträgt 2200 bar.


Aufladung und Motordynamik

In Offroad-Anwendungen werden hohe Anforderungen an die Drehmomentcharakteristik und die Motordynamik gestellt. Die Einsatzprofile reichen vom leichten, semi-statischen Betrieb bei beispielsweise Mähdreschern bis hin zu schwerem Wechselbetrieb etwa bei Radladern. Entsprechend breitbandig sollen Drehmoment und Dynamik, auch unter verschiedenen klimatischen Bedingungen und in großer Höhe, zur Verfügung stehen. Mit dem verwendeten Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG) werden über den kompletten Kennfeldbereich hohe Luftmassen bereitgestellt. Bereits bei niedrigen Motordrehzahlen und kleinen Einspritzmengen wird ausreichend Ladedruck zur Verfügung gestellt um ein schnelles transientes Lastansprechverhalten zu gewährleisten. An einem hochdynamischen Motorprüfstand wurden Lastsprünge bei verschiedenen Motordrehzahlen gefahren und die relevanten Verbrennungsparameter in mehreren Optimierungsschleifen kalibriert. Das Ergebnis ist eine dynamische Leistungsentfaltung im gesamten Drehzahlband.

Abgasnachbehandlung

Für die Schlepperanwendung musste der verfügbare Bauraum des Vorgängermodells der Maschine eingehalten werden. Der Motor des Vorgängermodells war mit AGR ausgerüstet und hatte bei geringerem Hubraum ein deutlich niedrigeres max. Drehmoment. Das stellte die Entwicklung vor die Herausforderung zum einen die Strömungsgleichverteilung über den SCR zu verbessern, zum anderen die AdBlue Aufbereitung bei deutlich höheren Abgasmassenströmen zu höheren NOX Umsatzraten hin zu optimieren. Dabei musste zugleich dem Abgasgegendruck Rechnung getragen werden.


Partikelfilter

Die Geometrien von DOC und DPF waren durch die Größe der darüber liegenden Motorhaube gesetzt. Um die Aschereinigungsintervalle des DPF zu maximieren, wurde ein Substratdesign mit asymmetrischer Kanalgeometrie verwendet. Die Erkenntnisse der Feld- und Dauerlauferprobung ergeben ein Aschereinigungsintervall von mindestens 8000 Betriebsstunden. Die Rußbeladungen im DPF zeigten sich während der gesamten Erprobung stets als unkritisch. Bedingt durch das hohe NOX Rohemissionsniveau und dem entsprechend hohen NOX/Partikel Verhältnis ist es auch bei eher niedriglastigen Einsätzen meist nicht notwendig, den DPF zusätzlich zu einem festen Regenerationsintervall von 1000 h zu regenerieren. Um dennoch die Qualität des DPF Beladungsmodells zu validieren, wurde ein Fahrzeug in einer extrem

schwachlastigen Anwendung auf dem MAN Werksgelände getestet (siehe Kapitel 4.1). In dieser einseitigen und extrem schwachlastigen Verwendung der Maschine ergaben sich DPF Regenerationsintervalle von ca. 250 h.


Abb. 4 Varianten der Strömungsoptimierung

SCR-Katalysator

Bei der Abgasverrohrung bzw. Harnstoffaufbereitung mussten ebenfalls die Abmessungen des Vorgängermodells übernommen werden.

Der SCR war bereits in der Vorgängerversion des Fahrzeugs in 13“, dem größten kommerziell verfügbaren Standarddurchmesser für Cordieritsubstrate, ausgeführt. Lediglich in der Verlängerung der SCR Substrate konnte den höheren Anforderungen an Abgasmassenstrom und NOX Umsatz Rechnung getragen werden. Die Strömungsgleichverteilung auf dem SCR Einlass musste auf einen Uniformity Index von mindestens 0,98 gesteigert werden. Um die Anforderungen bezüglich Gleichverteilung und Abgasgegendruck zu erreichen, wurden diverse Optimierungsschleifen per Simulation bei unterschiedlichen Betriebspunkten gerechnet. Die Zielvariante wurde im Rahmen der Validierung am Heißgasprüfstand hinsichtlich Strömungs- und NH3-Gleichverteilung überprüft und die Simulationsergebnisse bestätigt.

Funktionsprüfung

Die Funktionsprüfungen beschränken sich für die Anwendung im Traktor auf die Unterschiedsteile zu den On-Highway-Motoren. Detailliert abgeprüft wurde u.a. die Beanspruchung des Visco-Dämpfers, des Generators und des Luftpressers in der Wärmekammer. Hier werden die Bauteile unter realen Einbauverhältnissen und hohen Umgebungstemperaturen auf ihre Tauglichkeit überprüft. Am Klima-Rollenprüfstand im MAN Werk München wurden bei extrem kalten Temperaturen die

Kaltstartapplikation und die gesetzlichen Vorgaben für die Auftauzeiten des AdBlue Systems an zwei Schleppern überprüft und optimiert.

Abb. 5 Überprüfung der Randbedingungen am Bsp. Viscodämpfer, Kaltstart, Riementrieb

Die Abgasnachbehandlung wurde im Motorenwerk Nürnberg einer gezielten Schwachlasterprobung unterzogen. Für diese Zwecke wurde ein Schlepper von der internen Logistik betrieben. Die Zugmaschine wurde mit einem Datenlogger ausgerüstet. In regelmäßigen Abständen wurde die Ablagerungsneigung des AdBlue®- Mischers mittels Endoskop überprüft (siehe Abb. 6) sowie die Beladung des DPF durch Auswiegen ermittelt.

Abb. 6 Optimierung der Ablagerungen in der AdBlue Aufbereitung (Mischer)

Abb. 7 Schwachlasterprobung mit Hilfe der Werkslogistik

Abbildung 7 zeigt anschaulich die schwache Auslastung des Pendelverkehrs. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse konnte die Applikation entsprechend angepasst werden. Die örtliche Nähe des Versuchsfahrzeugs zur Entwicklungsabteilung erleichtert diese Arbeiten außerordentlich.


Dauererprobung

Abb. 8 Erprobungsumfang Prüfstand

Auch bei der Dauererprobung kann und wird auf die Erprobung des Triebwerks im LKW und Bus zurückgegriffen. Insgesamt sammelte der neue D15 Motor über 200.000 Stunden an den unterschiedlichsten Prüfständen. Davon fielen ca. 10% auf die Offroad Applikation (siehe Abb. 8).

Einen wichtigen Eckpfeiler in der Validierung stellt auch die Erprobung im Fahrzeug dar. Eine vergleichbare Anzahl an Erprobungsstunden sammelt der Motor auch im Traktor. Dafür wurden im Laufe der Entwicklung über 20 Schlepper unter härtesten Bedingungen validiert (siehe Abb. 9).

Bei der Wahl des richtigen Dauerlaufprogramms erfolgte im Vorfeld ein Abgleich zwischen real gemessenen Feldzyklen und den internen Dauerlaufzyklen.

Abb. 9 Erprobungsumfang Fahrzeug

Bei der Erstellung des Prüfprogramms wurden gezielt reale Anwendungsfälle untersucht und hinsichtlich unterschiedlicher Kriterien bewertet.

Bei der Auslegung wurden u.a. die folgenden Kriterien zur Bewertung herangezogen:

  • Arbeit über Laufzeit (Durchschnittliche Motorauslastung)
  • Mittlere Drehzahl (Anzahl Lastspiele)
  • Thermo-Mechanische Schädigung am Beispiel Abgaskrümmer
  • Schaltzyklen der mechatronischen Komponenten

Abb. 10 Gegenüberstellung Real- und Prüflaufzyklen

In Abbildung 10 werden die gemessenen Feldzyklen den Prüflaufzyklen gegenübergestellt.

Betrachtet man zunächst die Anzahl der Lastspiele sowie Motorauslastung über Laufzeit (z.B. 8.000 h) zeigt sich, dass es nahezu unmöglich ist diese innerhalb eines Dauerlaufs abzuprüfen. Im Gegensatz dazu gelingt es die thermomechanische Schädigung durch generische Zyklen hinreichend stark abzubilden. Im Gegensatz dazu wurden die Dauerlaufzyklen bzgl. der dynamischen Auslastung der Aktuatoren nicht optimiert, da diese durch Komponententests abgeprüft werden.

Gesetzliche Bestimmungen in der EU

Erstmalig sind zur Emissionsstufe EU Stufe V im Rechtskreis der europäischen Union verpflichtende Messungen von Emissionen an Verbrennungsmotoren an mobilen Maschinen und Geräten im reellen Einsatz durchzuführen. So müssen Motoren in der Leistungskategorie NRE-v-5 und NRE-v-6 hinsichtlich ihrer Endrohremissionen im reellen Einsatz vermessen werden. Der MAN-Motor D1556LE mit seiner Leistung von über 300kW fällt in die Kategorie NRE-v-6.


Anbau der Messtechnik an die Abgasnachbehandlung

Der MAN D1556LE besitzt eine modulare AGN bestehend aus DOC/DPF und SCR- Katalysator. Nach Abbau des Abgasendrohres wird auf den Ausgang des SCR- Katalysators das Messrohr der PEMS-Messtechnik (siehe Abb. 11) aufgebaut, worüber die Abgasentnahme über eine beheizte Leitung stattfindet und der Abgasvolumenstrom gemessen wird. Zusätzlich zu den Gasemissionen werden noch gemäß des gesetzlichen Rahmens Daten aus dem Motorsteuergerät aufgezeichnet und über die Messtechnik mit ausgegeben.

Abb. 11 PEMS-Messtechnik

Herausforderungen und Schwierigkeiten im Offroad-Einsatz

Anders als bei Messungen von PKWs oder LKWs bietet der Einsatz im Offroad- Bereich weitreichende Herausforderungen und Schwierigkeiten, auf die die mobile Abgasmesstechnik vorbereitet werden musste.

So musste das PEMS-System modular gestaltet werden, um individuell auf jede Maschine im Offroad-Bereich aufgebaut werden zu können. Gestaltet sich der Aufbau der Messtechnik bei Schleppern noch einfach, so musste bei der Vermessung von Mähdreschern erst zusätzlicher Bauraum im Rahmen der gesetzlichen maximalen Abmessungen eines Fahrzeuges geschaffen werden, um die mobile Messtechnik anbringen zu können.

Bei der Stromversorgung wurde bewusst auf die Versorgung durch das Fahrzeug oder ein Stromaggregat verzichtet, um weder in Berührung mit der gesetzlichen 1%-Regel zu kommen noch um Quereinflüsse auf die Emissionsmessung durch Abgase des Aggregates zu bekommen. Umgesetzt wurde die Stromversorgung über ein auf die Bedürfnisse der Messtechnik zugeschnittenes Akku-Pack, dass einen Messbetrieb von mindestens einen Tag gewährleistet und über Nacht wieder aufgeladen werden kann. Weitere Schwierigkeiten waren die Kapselung der Messtechnik um Einflüsse durch Staub (z.B. Ernte-Staub) oder Feuchtigkeit und Spritzwasser gänzlich ausschließen zu können. Zusätzlich wird für die Analyse der Abgasemissionen ein Messgerät eingesetzt, dass Umluft unabhängig über synthetische Luft misst. Eine Kühlung der Messtechnik musste auch vorgenommen werden, da vor allem bei Messungen im sommerlichen Ernteeinsatz die maximale Messgerätetemperatur von 40°C schnell überschritten werden kann.

Abb. 12 Anbau PEMS Messtechnik an der Fronthydraulik eines Schleppers

Abbildung 12 zeigt den Anbau der PEMS-Messtechnik an einen Schlepper in der Fronthydraulik bei dem alle zuvor erwähnten Punkte berücksichtigt wurden, um eine stabile Messung der Endrohremissionen möglich zu machen.

Zusätzlich wird das PEMS-Messrohr noch isoliert, um zu hohe Oberflächentemperaturen zu vermeiden und thermischen Vorfällen im Ernteeinsatz vorzubeugen.

Einer der größten Unterschiede zu Onroad-Anwendungen ist die Abhängigkeit von der Witterung und Erntefenstern. So können Schlepper ihre Arbeit im Ackerbau nur unter bestimmten Bedingungen und Mähdrescher nur während der Erntezeit in Europa durchführen. Dies hat zur Folge das teilweise nur kurze Zeitfenster zur Verfügung stehen, um die PEMS-Messungen durchzuführen.


Messungen und Ergebnisse

Die Länge der Messung variiert stark um die gesetzlich erforderliche Länge der 5 - 7- fachen Zyklusarbeit eines NRTC zu erreichen. So kann die Messung bei hochausgelasteten Arbeiten nur ca. 1 Stunde dauern, bei wiederum schwachlastigen Anwendungen bis zu 3,5 Stunden. Nachdem der Kaltstart noch kein fester Bestandteil der ISM-Messungen ist, können am Tag auch mehrere Messungen durchgeführt werden.

Im Rahmen der bereits durchgeführten ISM-Messungen an diversen Fahrzeugen bei verschiedensten Einsätzen hat sich gezeigt, dass abhängig von Auslastung und Einsatzart des Fahrzeuges eine große Varianz in den Ergebnissen über die ermittelten CF-Faktoren vorliegt. Es kann aber nachgewiesen werden, dass Ergebnisse vom Motorenprüfstand unter reellen Bedingungen im Einsatz reproduzierbar sind und bei hochausgelasteten Einsatzfällen wie Pflügen mit einem Schlepper auch CF-Faktoren kleiner 1 möglich sind.

Zusammenfassung

Der neue 9 Liter D15-Motor mit seinen kompakten Abmessungen und seinem hohen Drehmoment ergänzt das MAN Motoren-Portfolio perfekt. Mit den Zertifikaten für EU Stufe V, EPA Tier4f und „EU Stufe IIIa“ kann der weltweite Markt bedient werden. Das SCR-only Konzept gepaart mit modernster Common Rail Einspritztechnik und einer wirkungsgradoptimierten VTG-Aufladung stellt eine solide Ausgangsbasis für kommende Entwicklungen dar. Während der Erprobung konnte durch den Abgleich von realen Fahrzyklen und dem Dauerlaufprogramm der Validierungsumfang optimiert und das Verständnis für Bauteilbeanspruchung verbessert werden. Die gesetzlich vorgeschriebenen ISM-Messungen müssen erstmalig zur Emissionsstufe EU V durchgeführt werden. Abhängig von Auslastung und Einsatzart des Fahrzeugs zeigt sich eine hohe Varianz in den Ergebnissen. Die Ergebnisse vom Motorenprüfstand sind unter reellen Bedingungen reproduzierbar.

Autoren: Tobias Herrmann, Vanessa Simon, Markus Fuchs, Marc Winterhoff, Reinhard Lämmermann