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MAN Engines

Von der Straße aufs Feld – Entwicklung des ersten tragenden 13L-Motors für Traktoren

Um ein über 500 PS starkes Aggregat zu entwerfen, das in einem leistungsstarken Standard-Großtraktor ohne Knicklenkung und bei Einhaltung der Abgasnormen Tier 4 final und EU Stufe IV zuverlässig seinen Dienst tut, haben die Ingenieure bei MAN das Lkw-Triebwerk D2676 als Basis herangezogen und an die Anforderungen in einem Traktor adaptiert. Das Ergebnis ist der erste tragende Motor für Traktoren mit 12,4 Litern Hubraum. Der Sechszylinder-Reihenmotor besitzt eine tragende Ölwanne und ein tragendes Schwungradgehäuse, die alle Belastungen aus dem Fahrwerk bei rahmenlosen Traktoren aufnehmen.

Damit die Anforderungen des Motors in einem Traktor erfüllt werden, mussten am Basismotor einige grundlegende Veränderungen vorgenommen werden. Statt mit einer zweistufigen Waste-Gate-Aufladung, wie auf der Straße beim Lkw-Motor, wurde für die Anwendung im Traktor ein Turbolader mit Variabler Turbinen-Geometrie (VTG) verbaut. Weitere Konzeptmerkmale sind die hohe Zünddruckfestigkeit durch Stahlkolben und eine verstärkte Ventilgruppe, eine Abgasrückführung und der leistungsstarke Anlasser für höhere Kaltstartstartanforderung mit schlepperseitigen Nebenaggregaten.

Die Abgasnachbehandlung (AGN) wurde für den Motor und für enge Bauräume am Traktor spezifisch mitentwickelt. Die Kernkomponenten dafür stammen aus dem modularen MAN-Baukasten für Abgasnachbehandlungssysteme und erfüllen gleichermaßen optimal Kunden- und Gesetzesanforderungen auch bei Traktoren.

Bild 2: Fendt 1000 Vario mit MAN-Motor D2676 LE5xx auf dem Feld. © Fendt

Forderungen an eine größere Produktivität auf dem Feld haben in den letzten Jahren zu höheren Traktorleistungen geführt. Mit dem Fendt 1000 Vario und dem MAN-Motor D2676 LE5xx setzt das Landtechnikunternehmen Fendt als Premium-Marke innerhalb des AGCO-Konzerns [1] eine neue Leistungsklasse für Standard-Großtraktoren (Abbildung 2).

In den letzten 20 Jahren stieg die Motorleistung bei Standard-Traktoren von rund 200 PS (147 kW) und nach jüngsten Entwicklungen bei mehreren Herstellern auf das hohe Niveau von ca. 400 PS (294 kW). Im Leistungssegment zwischen 400 und 500 PS (294 und 368 kW) ist derzeit fast kein Standard-Traktor auf dem Markt verfügbar. Den zweiten Bereich oberhalb von 500 PS (368 kW) decken Spezial-Traktoren wie Raupen-Traktoren und Zugmaschinen mit Knicklenkung ab. Ein Vorteil der Standard-Traktoren gegenüber den Spezial-Traktoren ist deren Manövrierfähigkeit. Ausschlaggebend dafür ist der Radeinschlag, der umso größer wird, je schmaler der Motor bzw. Rahmen ausfällt. Fendt verzichtete zugunsten des größeren Einschlagwinkels der Lenkräder auf die einfache Rahmenbauweise und entschied sich für die schmale Blockbauweise, auch tragende Struktur genannt. Aufgrund dieser Anforderungen entwickelte MAN einen schmalen tragenden 12,4 L-Motor in den vier Leistungsklassen 400 PS, 440 PS, 480 PS und 520 PS (294 kW, 323 kW, 353 kW und 383 kW).

Abbildung 3: Gegenüberstellung MAN-Motor D2676 für Lkw und Traktor.

Als Basis wurde das ausgereifte und erprobte Lkw-Triebwerk D2676 Euro 6 herangezogen und an die Anforderungen in einem Traktor adaptiert bzw. überarbeitet (Abbildung 3). Mit dem Einsatz des D2676 in Offroad-Anwendungen stellt MAN die Robustheit der Triebwerkskomponenten auch für die schwere Bodenbearbeitung unter Beweis. Tabelle 1 gibt eine Zusammenstellung wesentlicher Kennwerte des neuen Offroad-Motors D2676 LE5xx.

Mehr über den D2676 für die Landtechnik

D2676 LE5xx
Bauart 6-Zylinder-Reihenmotor
Hubvolumen [L] 12,4
Bohrung [mm] 126
Hub [mm] 166
Emissionsstufe US Tier 4 final, EU Stufe IV
Aufladung Einstufig mit VTG-Lader
Leistung [PS] 517 (EU) / 509 (US)
Max. Drehzahl in Applikation Traktor [1/min.] 1.700
Max. Drehzahl im Motorbremsbetrieb [1/min.] 2.400
Max. Drehmoment [Nm] 2.420
Max. Drehmoment im Drehzahlbereich [1/min.] 1.100-1.500
Drehmomentanstieg [%] 13

Nutzfahrzeugspezifische Auslegung

Abbildung 4: Normierter Kraftstoffverbrauch beim D2676 LE5xx in Prozent.

Um das D2676-Triebwerk beim Traktor anzuwenden, sind sowohl eine hohe Leistung bei Nenndrehzahl bei der bestmöglichen Kraftstoffeffizienz (Bereich 1 in Abbildung 4) als auch ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen erforderlich. Zur Realisierung des schlepperspezifischen Momentverlaufs beim D26-Motor mit Abgasrückführung standen zwei Lösungen zur Diskussion:

- Eine Überarbeitung der zweistufigen Aufladung des Lkw-Motors Euro 6.

- Ein neuer Turbolader mit Variabler Turbinen-Geometrie.

Im Vergleich zur zweistufigen Aufladung besitzt die VTG-Aufladung beim Traktor-Motor eine Vielzahl von Vorteilen. Zum einen hat das Ladeluftsystem eine einfachere Verrohrung und der VTG-Turbolader selbst zeichnet sich durch seine äußerst kompakte Bauweise aus. Zum anderen ist die VTG-Technologie durch den Entfall eines Zwischenkühlers deutlich robuster für Offroad-Ansprüche.

Die VTG-Technologie bietet ein optimales dynamisches Ansprechverhalten in allen Drehzahlbereichen. Im Speziellen wurde das Ansprechverhalten für das Zuschalten der schweren Zapfwellengeräte optimiert (Bereich 2 in Abbildung 4). Der Kraftstoffverbrauch ist aufgrund des kurzzeitigen Aufhaltens während des Schaltvorganges in diesem Bereich sekundär.

Durch die neu entwickelten Schutzfunktionen wird der Motor bis zu einer Höhe von 3.000 Metern ohne Leistungsreduktion betrieben.

Bei landwirtschaftlichen Transporten stehen Traktoren mit einer max. Fahrgeschwindigkeit von 60 km/h, ausgestattet mit einer Abgasbremsklappe, in der Konkurrenz zu Lkws. Durch Verwendung der VTG-Technologie mit Schiebering wird die Bremsleistung, im Vergleich zur Schleppleistung, ohne den Einsatz zusätzlicher Systeme wie Bremsklappe oder Ventilbremse, verdoppelt.

Traktorenspezifische Auslegung

Die Lastkollektive des Lkws und des Traktors sind grundverschieden. Während der Motor im Straßenverkehr größtenteils im unteren Drehzahlbereich bei mittlerer Belastung läuft wird der Traktor primär bei höheren Arbeitsdrehzahlen gedrückt an der Volllast betrieben. Der Volllastanteil kann je nach Einsatzart bis zu 90 Prozent betragen. Um diesen erhöhten Beanspruchungen Rechnung zu tragen, ist der D2676 LE5xx für den Offroad Einsatz, im Gegensatz zum Motor für den Onroad Einsatz, mit Stahlkolben ausgestattet, die sich bereits in verschiedenen Euro 5 Anwendungen bewährt haben.

Um den erhöhten Wärmeeintrag auszugleichen, wurde die Kühlung des Kolbenbodens und der Ringpartie durch entsprechende Anpassungen an den Ölspritzdüsen und am Ölkreislauf optimiert. In umfangreichen Funktions- und Dauerläufen wurden das Kolbenringpaket und die Zylinderlaufbuchse mit Plateauhonung hinsichtlich geringem Ölverbrauch und Dauerhaltbarkeit komplett neu entwickelt.

Unter tragender Struktur werden Motoren verstanden, die als tragendes Teil einen Bestandteil des Fahrzeuggestells bilden. Damit dient der Motor nicht nur als Hauptantrieb des Fahrzeugs, sondern hat gleichzeitig die wichtige Funktion dem Fahrzeug-Fahrgestell die benötigte Steifigkeit zu verleihen (Abbildung 5a).

Vor dem Hintergrund des Offroad-Einsatzes sind für die strukturmechanische Auslegung des tragenden Motors vor allem drei Belastungsfälle relevant. Am Beispiel eines Belastungsfalles, der durch die Überfahrt einer Böschung mit einem Vorderrad verursacht wird (Abbildung 5b), wird die „Torsion“ der tragenden Struktur und ihre Auswirkung auf die Motorkomponenten erläutert. Bei diesem Belastungsfall sind drei Aspekte in der strukturmechanischen Auslegung der tragenden Motorkomponenten zu beachten:

Abbildung 5: Die tragende Motorstruktur als Bestandteil des Fahrzeuggestells (a) steht auch vor der Herausforderung mechanischer Belastungen wie z.B. Torsion (b).

a) Voraussetzung für eine weitere Auslegung der tragenden Teile ist die in der Fachwelt übliche Methode einer numerischen Strukturfestigkeitsanalyse unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Identifikation und Bewertung von strukturellen Schwachstellen [3].

b) Darüber hinaus muss im Ackerschlepper die tragende Ölwanne einer zusätzlichen fundamentalen Funktion gerecht werden: der Aufnahme von mechanischen Belastungen aus dem Fahrwerk. Eine weitere Aufgabe ist eine ausreichende Steifigkeit der tragenden Ölwanne darzustellen, um minimale Deformation ins Kurbelgehäuse zu übertragen. Die Restdeformation darf die Laufbuchsen und Lagergassen nur im zulässigen Maße beeinflussen. Folglich muss die Ölwanne ausreichend biege- und torsionssteif gestaltet sein, um die Triebwerksmechanik gegen Verformungen zu schützen. Abbildung 6a stellt die entwickelte Ölwanne mit neuartigen Quertraversen dar. Als Werkstoff für geringe Verformung wurde GJS-400 mit einem hohen Elastizitätsmodul gewählt. Das größte Widerstandsmoment gegen Torsion bei minimalem Materialeinsatz wird durch die Rohr-Form erreicht, die eine Topologie-Optimierung mittels FEM ergab. Diese Rohr-Form wird am Kurbelgehäuse-Flansch jedoch durch die Pleuelgeigen unterbrochen (Abbildung 6b). Die dadurch auftretende strukturelle Schwäche muss konstruktiv ausgeglichen werden, um weiterhin ein größtmögliches Widerstandsmoment zu realisieren. Dafür wurde die unterbrochene Komponente, die zum Widerstandsmoment beiträgt, senkrecht angeordnet. Im Vergleich zu Ölwannen nach dem heutigen Stand der Technik wird bei dieser Konstruktion der Quertraversen als U-Form ein höheres Widerstandsmoment und somit eine größere Ölwannensteifigkeit erreicht.

Abbildung 6: Biegefeste und torsionssteife tragende Ölwanne mit neuartigen Quertraversen.

c) Neben strukturellen Schwachstellen und der Steifigkeit der Ölwanne sind die Relativbewegungen zwischen tragenden Bauteilen zu berücksichtigen, die durch die Verformung infolge der Torsion und weiterer Belastungsfälle entstehen. Als primäre Aufgabe, um die Dichtheit an den Fügestellen zu gewährleisten, müssen das „Klaffen“ (Abbildung 7) und „Rutschen“ minimiert werden.

Um diese Relativbewegung zu minimieren, besteht die Möglichkeit die Vorspannkraft der verschraubten Bauteile zu erhöhen. Das ist durch eine erhöhte Anzahl an Schrauben, einen größeren Schraubendurchmesser, eine höhere Schraubenfestigkeitsklasse sowie durch ein drehwinkelgesteuertes Anzugsverfahren zu erreichen. Beim D2676 LE5xx greifen alle der vier Maßnahmen in der Konstruktion und Fertigung.

Abbildung 7: Untersuchung des Klaffens an der kritischen Stelle. Darstellung zu Beginn der Steifigkeitsoptimierung der Tragstruktur.

Die Abbildung 8a stellt den Flansch zwischen der Ölwanne und dem Kurbelgehäuse dar. Im Lkw-Einsatz reicht es, wenn das Ölwannenjoch mit M8-Schrauben gehalten wird. Die Abbildung 8b zeigt die erhöhte Anzahl der Schrauben und geänderte Größe der Verschraubung für den tragenden Einsatz bei Traktoren. Diese Maßnahme bedingt eine Bearbeitungsvariante des Kurbelgehäuses auf Seiten der Ölwanne und des Schwungradgehäuses. Ein gemeinsames Rohteil des Kurbelgehäuses, jedoch zwei unterschiedliche mechanische Bearbeitungen erfüllen die unterschiedlichen Ansprüche in Onroad- und Offroad-Anwendungen. Die flexiblen Prozesse in der MAN-Fertigung ermöglichen eine kostenoptimierte Lösung für die zwei Varianten des Kurbelgehäuses als Baukastenprinzip.

Am Verwindungsprüfstand wurden die Relativbewegungen ebenfalls gemessen und untersucht. Eine abschließende Felderprobung bestätigte endgültig die Dichtheit an den Fügestellen der Tragstruktur.

Abbildung 8: Ölwannenflansch am Kurbelgehäuse.

Da die restliche Ölwannendeformation ins Kurbelgehäuse durchgeleitet wird, findet das Rutschen ebenfalls an der Dichtstelle Zylinderkopf – Laufbuchse statt. Bei der Auslegung der Lkw-Zylinderkopfdichtung wird überwiegend der Zünddruck berücksichtigt. Beim Traktor-Motor hingegen erfährt die Dichtung Zünddruck und Rutschen aufgrund von durchgeleiteten Deformationen aus dem Fahrwerk.

Aus diesem Grund ist auch an dieser Dichtstelle das primäre Ziel das Rutschen und den davon verursachten Verschleiß zu minimieren. Damit wird die Dichtheit garantiert, obwohl durch den Verbrennungsvorgang zusätzliche Verformungen entstehen. D. h. bei der Auslegung der Schraubenverbindung des Kurbelgehäuses wurde nach einem Kompromiss gesucht. Einerseits dürfen nicht zu große Vorspannkräfte der Ölwannenschrauben gewählt werden, um das Kurbelgehäuse nicht zu steif an die tordierende Ölwanne zu binden. Das würde die Deformationen aus der Ölwanne direkt und in vollem Maße ins Kurbelgehäuse übertragen. Andererseits dürfen die Verformungen nicht zu große relative Bewegungen hervorrufen, damit die Dichtheit an der Trennstelle Ölwanne – Kurbelgehäuse gewährleistet wird.

Dieser Kompromiss für eine kontrollierte zulässige Relativbewegung der tragenden Teile wurde mit der Konstruktion beim D2676 LE5xx vollständig erfüllt.

Die Dichtheit der Zylinderkopfdichtung wurde nachgewiesen, indem der maximale Zünddruck durch das Ersatzmedium (das auf Zünddruckhöhe komprimierte Öl) auf einem Verwindungsprüfstand simuliert wurde. Bei der Torsion der tragenden Struktur wurde keine Leckage des Ersatzmediums festgestellt.

Genauso wichtig wie die Leistungsfähigkeit des Traktors ist in der Praxis auch seine Manövrierfähigkeit. Ausschlaggebend ist hier der Radeinschlag, der umso größer wird, je schmaler der Motor ausfällt. Trotz des großen Hubraums wurde durch die sehr schlanke Gestaltung des Motors D2676 LE5xx ein extremer Einschlagwinkel von 36 Grad an der Vorderachse ermöglicht (Abbildung 9). Gleichzeitig bietet der schmale Motor eine optimale Basis für eine schlanke Motorhaube, die optimale Sichtverhältnisse vom Fahrerplatz ermöglicht. Um dieser Forderung gerecht zu werden, wurden die Nebenaggregate, wie z. B. die Lichtmaschine, näher ans Kurbelgehäuse positioniert. Bei Verlegung der Rohrleitungen und des Kabelbaumes wurde darauf geachtet, dass die Leitungen nicht oberhalb der Aggregate, sondern entlang der Kurbelgehäusewand verlaufen.

Abbildung 9:Motor mit Abgasnachbehandlungssystem und Bewegungsraum des Rades infolge der Lenkung und Federung. Lenkwinkel des rechten Vorderrades mit der Zwillingsbereifung.

Die Forderung an einen kurzen Radstand und somit an einen optimalen Wendekreis mit dem 12,4 L-Motor führte kundenseitig zum Verzicht auf den saugenden Lüfter. Einerseits ermöglicht ein hydrostatischer Antrieb für den drückenden Lüfter das Kühlerpaket in der Nähe des Riementriebes zu setzen und somit den Radstand zu verkürzen. Andererseits erfordert diese Maßnahme eine robuste Leistungsabnahme am vorderen Kurbelwellenende für eine Hydraulikpumpe. Diese und die weiteren Maßnahmen beim Torsionsschwingungsdämpfer bedingen eine Neubalancierung des Triebwerkes bezüglich der Drehschwingungen. Infolge der Balancierung ergab sich ein weiteres Unterscheidungsmerkmal zum Lkw-Motor aus dieser Entwicklung. Das ist die Einführung des optimierten Dämpfers mit einer Trägheitsmasse für die Schwingungstilgung und eine neue robuste Nabe mit der Schnittstelle zum hydrostatischen Lüfterantrieb.

Abbildung 10: Sechszylindermotor MAN D2676 LE5xx mit modularer AGN für Fendt 1000 Vario.

SCR-Abgasnachbehandlungssysteme sind bei MAN in vielen Onroad-Nutz-fahrzeugapplikationen seit Euro 5 erfolgreich im Einsatz. Die meist kubische Bauform der rahmenfesten Lkw-AGN ist jedoch zur Integration in vielen Nonroad-Anwendungen ungünstig oder nicht möglich. Die Hauptherausforderung für eine flexible Offroad-Abgasnachbehandlung bestand darin, in kleinstem Bauraum, ein System von Eingangs- und Ausgangskammern bereitzustellen, das in verschiedenen Offroad- und Marine-Anwendungen flexible Bauraumlösungen darstellen kann, dabei jedoch so ausgelegt ist, dass ein hohes Motorleistungsspektrum abgedeckt wird. Damit verbunden war die Anforderung, in einem weit gesteckten Dosiermengenbereich der wässrigen Harnstofflösung diese auf kürzester Strecke so aufzubereiten, dass Ablagerungen in hohem Maße verhindert werden. Eine weitere Voraussetzung das Volumen der Abgasnachbehandlung gering ausführen zu können, war die Optimierung des SCR-Katalysators bezüglich der katalytischen Aktivität und Gleichverteilung des Reduktionsmittels auf dem SCR-Substrat in der Eingangskammer [4]. Die Lösung ist eine modulare AGN sowohl für V-Motoren wie auch für hier beschriebene Reihenmotoren mit Single-EDC. Die Abbildung 10 zeigt die Flexibilität des modularen AGN-Baukastens in der Anordnung in engen Bauräumen am Traktor. Mit geringer Anzahl der traktorspezifischen Bauteile wurden die Kernkomponenten aus dem AGN-Baukasten optimal, entsprechend den Kunden- bzw. Gesetzanforderungen (wie z. B. Sichtverhältnisse am Fahrerplatz und maximal zulässige Fahrzeugbreite) angeordnet.

Mehr über die modulare Abgasnachbehandlung

Zusammenfassung und Ausblick

Der Fendt 1000 Vario setzt neue Maßstäbe bei Standard-Traktoren und eröffnet eine neue Leistungsklasse zwischen 400 und 500 PS (294 und 368 kW). MAN entwickelte für die hohen Ansprüche einen tragenden Motor in der 13 L-Klasse, der hohe Leistungsfähigkeit mit extremer Manövrierfähigkeit des Traktors vereint. Basis für die landtechnischen Adaptionen und Überarbeitungen bildet das bestehende Lkw-Triebwerk D2676 Euro 6. Zur Realisierung der traktorspezifischen Anforderungen wie hohe Leistung bei Nenndrehzahl mit bestmöglicher Kraftstoffeffizienz sowie hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen hat sich die Aufladung mit Variabler Turbinen-Geometrie als beste Lösung herausgestellt. Durch die Einführung und Beherrschung der Variablen Turbinen-Geometrie anhand des Motors D2676 LE5xx schafft MAN die Basis für eine flexible Leistungseinstellung in den verschiedensten Offroad-Anwendungen.

Die AGN-Kernkomponenten für den D2676 LE5xx stammen aus dem modularen MAN-Baukasten. Die zukünftige EU Stufe V wird außerdem eine Reduzierung des Feinstaubs auf ein Maß fordern, das den Einsatz eines Rußpartikelfilters unumgänglich macht. Derzeit laufen die Untersuchungen bei MAN bezüglich der zukünftigen Anordnung von AGN-Komponenten am Traktor sowie bezüglich der Endemissionen.

Mit dem Einsatz einer biegefesten und torsionssteifen Ölwanne erreicht MAN die gestellte Anforderung an das robuste Schlüsselbauteil in der Tragstruktur und erzielt aufgrund der kompakten Bauweise des Motors beim Fendt 1000 Vario einen extremen Einschlagwinkel der Lenkräder von 36 Grad. MAN besitzt eine jahrzehntelange Erfahrung in der Konstruktion von Motoren mit Tragstruktur, die aktuell im Fendt 1000 Vario ihre Vollendung findet.

Mit dem D2676 LE5xx steigt MAN wieder ins Motorgeschäft bei Großtraktoren ein und damit gleich in die völlig neue Leistungsliga bei tragenden Motoren.


Quellenverzeichnis

[1] Wikipedia: Fendt (Marke). https://de.wikipedia.org/wiki/Fendt (01.10.2015)

[2]Quelle: Fendt

[3] Gebhard, C.: Praxisbuch. FEM mit ANSYS Workbench. Einführung in die lineare und nichtlineare Mechanik. Carl Hanser Verlag München. 2011

[4] Arnold, F.; Gail, K.; Haberland, J.; Rauth, S.: Anpassung des Offroad-Motors MAN D2862 an Tier 4 final. In: ATZ offhighway, Oktober 2015. Springerverlag