Motorisierung von Kompaktmaschinen trotz Stage V clever meistern

Wie immer gibt es zwei Seiten einer Medaille, so auch bei der neuen EU-Stage-V-Emissionsnorm. Gut ist diese Norm definitiv für Mensch und Umwelt. Die Herausforderungen zeigen sich aber sowohl in der Anwendung als auch in der Umsetzung.

Stage-V-Motoren über 19 Kilowatt sind deutlich teurer und brauchen erheblich mehr Platz. Grund dafür ist der aus technischer Sicht zwingend nötige Dieselpatikelfilter (DPF), ohne den die Emissionswerte in dieser Leistungsklasse nicht einzuhalten sind. Eine sinnvolle Alternative sind zukunftsweisende und kraftvolle Motoren mit einer Leistung knapp unter 19 Kilowatt, die ohne Dieselpartikelfilter sowohl die Einbaumaße als auch die Leistungsansprüche mit Stage V erfüllen.

Stage-V-Norm: wirtschaftliches Aus für viele Maschinen?

Vielen Maschinenherstellern bereitet die neue Emissionsnorm ernsthaftes Kopfzerbrechen. Eine Vielzahl an Kompaktmaschinen über 19 Kilowatt mit hydraulischem Antrieb kann nach der neuen Stage-V-Verordnung ab Januar 2019 nicht mehr gebaut und verkauft werden. Die Wertschöpfungskette ist unterbrochen, Investitionen scheinen verloren. Grund dafür ist, dass Stage-V-Motoren wesentlich komplexer aufgebaut und mit den nötigen Komponenten zur Abgasreinigung auch deutlich größer sind. In vielen Kompaktmaschinen ist jedoch kein Platz für einen größeren Motor und den zusätzlichen Dieselpartikelfilter. Eine weitere Problematik sind die zusätzlichen Kosten. Diese sind wegen der komplexen Abgassäuberung höher, was die Marge im Verkauf deutlich senkt. Zudem hat der Gesetzgeber bei der Definition der neuen Norm viele Hersteller von Kompaktmaschinen vor eine zusätzliche Herausforderung gestellt. Ein technisch für Stage V notwendiger Dieselpartikelfilter bei Motoren über 19 Kilowatt kann erst ab einer dauerhaften Abgastemperatur von 250 Grad regenerieren. Diese Temperaturen werden bei kurzen Betriebszyklen beispielsweise einer Hebebühne oder eines Staplers nur selten erreicht. Die Folge: Neben den realtiv hohen Kosten des DPF ist dessen Lebensdauer aufgrund zu niedriger Arbeitstemperaturen gering und er verschleißt schnell. Mit Maschinenstillstandzeiten oder erhöhten Wartungs- und Servicekosten ist zu rechnen.

Stage V durch Rightsizing erfüllt

Viele Kompaktmaschinen mit hydraulischem Antrieb wurden in der Vergangenheit mit überdimensionierten und aus heutiger Sicht veralteten Motoren zwischen 19 und 37 Kilowatt Leistung (bisherige Emissionsstufe EU Stage IIIA) ausgestattet, um das benötigte Drehmoment zu erreichen. Motoren ab 19 Kilowatt brauchen jedoch ab 2019 einen Dieselpartikelfilter zur Einhaltung der Stage-V-Norm und sind daher in vielen Fällen praktisch nicht mehr einsetzbar. Um trotz Stage-V-Norm die Investitionen der Maschinenhersteller in die Entwicklung, das Design und die Konstruktion der Kompaktmaschinen zu schützen und die Produkte weiterhin zu vernünfigen Kosten zu produzieren und zu verkaufen, bietet sich eine clevere Alternative. Basis der Lösung sind moderne Dieselmotoren unter 19 Kilowatt mit ausreichend hohem Drehmoment bei niedriger Drehzahl durch Common-Rail-Kraftstoffeinspritzung und Turbolader. Mit Hilfe moderner Technologie und dem Rightsizing-Prinzip wird die Leistung des Motors mit den Ansprüchen der Maschine ohne störenden Dieselpartikelfilter exakt aufeinander abgestimmt.

Für den Einsatz der etwas kleineren Motoren unter 19 Kilowatt sind nur geringfügige Anpassungen in den Spezifikationen der Maschinen nötig. 

Ein Beispiel: Ein Stapler hat ein Gewicht von 2.600 Kilogramm und ist bisher mit einem 23,6 Kilowatt Dieselmotor ausgerüstet. Damit fällt dieser Stapler ab 2019 unter die neue Abgasnorm und darf künftig ohne die Emissionsoptimierung mit Dieselpartikelfilter nicht mehr angeboten werden.

Die Spezifikationen im Fahrbetrieb liegen bei einer maximalen Geschwindigkeit von 5,5 Kilometern pro Stunde bei einer Steigung von 25 Prozent. Somit errechnet sich eine benötigte Leistung von 23,6 Kilowatt. Senkt man in den Spezifikationen die Geschwindigkeit auf 4,2 Kilometer pro Stunde und behält die Steigung bei, errechnet sich eine benötigte Leistung von 18 Kilowatt, was einen Motor unter 19 Kilowatt möglich macht. In der Praxis bedeutet die Senkung der Geschwindigkeit eine nahezu unmerkliche Verlangsamung um nur 30 Zentimeter, quasi eine Fußlänge, pro Sekunde.

Genauso gut kann die Steigung als variable Größe dienen. Derselbe Stapler erreicht bei einer 6,5 prozentigen Steigung eine maximale Geschwindigkeit von 20 Kilometern pro Stunde. Die errechnete Leistung beträgt 23 Kilowatt. Reduziert man die Steigung um 1,3 Prozent auf 5,2 Prozent, anders ausgedrückt um lediglich 0,8 Grad, ergibt sich eine benötigte Leistung von 18,4 Kilowatt. Da Stapler hauptsächlich auf relativ ebenem Boden zum Einsatz kommen, wird sich die marginale Senkung der Steigung im praktischen Betrieb kaum bemerkbar machen. Der Motor unter 19 Kilowatt ist sinnvoll.

Diese Kalkulationsbeispiele sind keine Einzelfälle und lassen sich sehr leicht auf andere Kompaktmaschinen und mit überschaubaren Kosten für die Einhaltung der Stage-V-Norm übertragen. Basis sind moderne Motoren unter 19 Kilowatt, wie beispielsweise der Hatz 3H50T. Dieser Motor ist speziell für niedrige Emissionen bei sehr hohem Drehmoment konstruiert. Erreicht wird dies, indem nicht nur State-of-the-Art-Technologie auf einen bereits existierenden Motoren aufgesetzt wird. Hatz ist neue Wege gegangen und hat seine H-Serie Motoren von Grund auf neu konstruiert. Als Resultat kann der Motor beispielsweise die Vorteile der Common-Rail-Einspritztechnologie komplett ausschöpfen, was mit einer älteren Motorentechnologie nicht möglich wäre.

Moderne Motoren mit Leistung, Kraft und Durchhaltevermögen

Neue Produktionsverfahren und Materialien sorgen bei den Hatz Motoren unter 19 Kilowatt für Standhaftigkeit auch bei hoher Belastung. Ein kleinerer Hubraum in Verbindung mit ausgereifter Turboladertechnologie und das hochwertigere und robustere Common-Rail-System von Bosch in der Off-Highway-Ausführung machen einen leistungsstarken Betrieb bereits bei niedrigen Drehzahlen möglich – und all das bei kompakter Bauform, mit einem Platzbedarf von nur einem viertel Kubikmeter. Gleichzeitig sinken Kraftstoffverbrauch und Verschleiß. Auch bei der Beschränkung der Emissionen nimmt Hatz eine Vorreiterrolle ein. Für das neue Motorenkonzept und den schadstoffarmen Betrieb der H-Serien Motoren war Hatz bereits 2015 unter den drei Finalisten des GreenTec Awards. Die Hatz H-Serie Motoren ohne Abgasnachbehandlung erreichen eine extrem niedrige Partikelmasse, die den Grenzwert sogar um das Zehnfache unterschreitet. Bei Stage V liegt dieser Wert bei 0,4 Gramm pro Kilowattstunde.

Im Gegensatz zu anderen am Markt verfügbaren Motoren dieser Klasse wird die volle Leistung von 18,4 Kilowatt des neuen Hatz Dreizylindermotors bereits bei 1350 Umdrehungen erreicht und hält diese über das Drehzahlband lange an. Auch, dass mehr als genügend Kraft vorhanden ist, beweist der aufgeladene Hatz Motor mit 1,5 Liter Hubraum eindrucksvoll. Ein sehr hohes Drehmoment von 130 Newtonmetern erreicht er bereits bei 1300 Umdrehungen, was in vielen Fällen sogar das Drehmoment von älteren Motoren der 19- bis 37-Kilowattklasse übertrifft. Damit lassen sich beispielsweise drehmomentintensive Hubleistungen problemlos meistern. Im Vergleich zu einer konventionellen Motorenlösung ohne Turbolader wird durch die niedrige Drehzahl des Hatz Motors die Geräuschemission um rund zwei Drittel reduziert. Mit diesen Werten ist der Hatz 3H50T kraftvoller, leiser und effizienter als alle anderen Dreizylindermotoren in der Leitungsklasse kleiner 19 Kilowatt.

Gesicherter Produktlebenszyklus auch mit Stage V

Moderne Motorentechnologie verlängert den Produktlebenszyklus vieler Kompaktmaschinen entscheidend. Durch kleine und in der Praxis nahezu unmerkliche Veränderungen in den Leistungsangaben der Maschinen ist ein Einsatz von Motoren mit einer Leistung unter 19 Kilowatt in vielen Anwendungsgebieten sinnvoll. Mit dem Hatz 3H50T sind Hersteller von Kompaktmaschinen in der Lage, Stage V intelligent umzusetzen und die bisherigen Investitionen in die Konstruktion ihrer Maschinen zu sichern.

Autor: Martin Hain, Produktmanager und Teamleiter Technischer Vertrieb bei Hatz