Diesel, Brennstoffzelle, Hybrid und präventive Diagnose - so macht Bosch Baumaschinen effizienter und sauberer

Bagger, Kipplaster oder Traktor - Bau- und Landmaschinen müssen zur Erfüllung von Normen wie Tier 4 Final (USA) oder Stage V (Europa) in den nächsten Jahren nochmals sauberer werden. Bosch bietet vielfältige Lösungen, um sowohl die Betriebskosten als auch die Emissionen von Off-Highway-Anwendungen deutlich zu senken. Dafür entwickelt das Technologie- und Dienstleistungsunternehmen einerseits etablierte Dieselsysteme weiter und arbeitet gleichzeitig an wegweisender Elektrifizierungs- und Brennstoffzellentechnik. Bosch stellt innovative Lösungen für Nutzfahrzeuge auf der Fachmesse „bauma" am 11. bis 17. April 2016 in München vor. Ein Überblick über das Portfolio von Bosch.

Hybridisierung und Brennstoffzelle: Die Zukunft des Off-Highway-Antriebs

E-Drive für Off-Highway-Anwendungen: Nicht nur die Zukunft des Autos, auch die der Off-Highway-Anwendungen könnte elektrisch sein. Damit können Emissionsgrenzen erreicht werden und gleichzeitig reduziert beispielsweise eine elektrisch angetriebene Maschine den Lärm auf einer Baustelle deutlich. Bosch bietet verschiedene Komponenten für einen elektrischen Antrieb und kombiniert den Elektromotor SMG180/120 und den Inverter INVCON 2.3 aus der erprobten Großserientechnik aus dem Auto mit einem eigens entwickelten Reduziergetriebe EDT180 zur Antriebsübersetzung sowie einer speziellen Software zu einem Antriebs-Komplettsystem für Off-Highway-Anwendung. Dabei ist der Elektroantrieb besonders leistungsfähig - für Beschleunigungs- oder Boostphasen kann der Antrieb eine Spitzenleistung von bis zu 90 Kilowatt erzeugen. Das System eignet sich in Kombination mit einem elektrischen Energiespeicher zur Elektrifizierung von verschiedenen Anwendungen im Off-Highway-Markt, auch abseits des reinen Traktionsantriebs. Dabei ist sowohl ein drehzahl- als auch ein drehmomentengeregelter Betrieb möglich. Eine Kopplung mit weiteren Einheiten wie Verbrennungsmotor oder anderen Getrieben, zum Beispiel Achs- oder Kettengetrieben, macht das System universell einsetzbar. Insbesondere die Darstellung eines seriellen Hybrids auf Basis von hydrostatischen Systemen ist aufgrund ähnlicher Bauraum- und Schnittstellenanforderungen mit geringem Aufwand möglich.

Rekuperierender Hybridbagger: Hybride gewinnen in Zukunft deutlich an Gewicht. Denn Bosch bringt die elektrischen Antriebe in den Off-Highway-Bereich. Ein Anwendungsbeispiel sind robuste Systeme, die Energie aus dem Abbremsen der Rotationsbewegung rückgewinnen. Auf Baustellen könnten also in Zukunft rekuperierende Hybridbagger eingesetzt werden. Auch ein Downsizing und Downspeeding von Motoren ist mit der neuen Technologie möglich. Damit sind bis zu 40 Prozent Spritersparnis denkbar. Die Hybridisierung schwerer Nutzfahrzeuge steigert die Wirtschaftlichkeit also deutlich. Denn Kraftstoff ist der größte Kostenblock beim Einsatz von schweren Maschinen. Gleichzeitig unterstützt die neue Hybrid-Technik zukünftige Emissions-Grenzwerte: Durch den geringen Kraftstoffverbrauch wird auch der CO2-Ausstoß gesenkt. Dabei ist der neue Antrieb gewohnt kraftvoll: Die Dauerleistung der elektrischen Maschine liegt bei 65 Kilowatt. Kurzfristig kann die Leistung auch auf bis zu 120 Kilowatt steigen, wobei ein maximales Drehmoment von 1 000 Newtonmeter erreicht wird.

Elektrifizierter Gepäckschlepper: Ein innerhalb des öffentlich geförderten Projektes „Innovative Regenerative On-Board-Energiewandler" (InnoROBE) aufgebauter elektrifizierter Gepäckschlepper fährt nun mit einer Brennstoffzelle als Range-Extender. Bosch Engineering liefert mit der „Fuel Cell Control Unit" (FCCU) eine Schlüsselkomponente des Brennstoffzellensystems. Diese steuert das Gesamtsystem mit einer integrierten Wasserstoff-, Luft- und Kühlmittelregelung. Innerhalb des Projektes übernahm Bosch Engineering zudem weitere Aufgaben. Die Entwickler aus Abstatt legten das Brennstoffzellensystem aus, um die Dimensionen der Komponenten zu bestimmen. Dafür analysierten sie Fahrzeugeinsatz, Betriebsdauer, Betankung und zahlreiche weitere Anforderungen, um anschließend Parameter wie die Batteriegröße, Leistung des Brennstoffzellenantriebs sowie die Dimensionen des Wasserstofftanks zu bestimmen. Sie bauten das Gesamtsystem auf und optimierten das Zusammenspiel der Komponenten samt Steuerung und Regelung. Für ihre Tests nutzten die Entwickler ein eigenes Brennstoffzellenlabor sowie einen Prüfstand für ein 20-Kilowatt-Brennstoffzellensystem.

Fuel Cell Control Unit: Gerade in Fabrikhallen ist die lokal emissionsfreie Mobilität schon heute Realität - egal ob es um Gabelstapler oder Kleinstbagger geht. Entsprechend ist an vielen Stellen schon eine Infrastruktur vorhanden: Wasserstofftankstellen gibt es an Flughäfen und anderen privaten Firmengeländen bereits häufiger. Für lokal emissionsfreie Baumaschinen bietet Bosch Engineering eine Schlüsseltechnologie für den Brennstoffzellenantrieb - die „Fuel Cell

Control Unit" (FCCU). Diese Komponente ist die Schaltzentrale für Brennstoffzellenanwendungen im Off-Highway-Bereich. Sie basiert auf serienerprobter Automobiltechnik und steuert das Gesamtsystem mit einer integrierten Wasserstoff-, Luft- und Kühlmittelregelung. Die FCCU steuert im Wasserstoffpfad das Tankabsperrventil, den Druckregler und das Entlüftungsventil. Die Wasserstoffrezirkulation kann sowohl passiv als auch aktiv ausgeführt sein. Auf Wunsch übernimmt die Bosch-Komponente auch die Kommunikation mit einer Tankstelle. Im Luftpfad stellt das Steuergerät mit einem elektrischen Verdichter den Luftmassenstrom ein. Der Druck ist über eine Drossel wählbar. Die optimale Betriebsfeuchtigkeit für die Membran stellt die FCCU über einen Befeuchterbypass ein. Ein weiterer Vorteil für die Hersteller ist, dass sich das Steuergerät besonders leicht in ein Brennstoffzellensystem mittels einer Vielzahl an analogen und digitalen Schnittstellen integrieren lässt.

Reduzierte Betriebskosten: Diesel-Lösungen für Bau- und Landmaschinen

Einspritzsysteme: Bosch bietet Dieseleinspritzausrüstungen von Pkw über Medium-Duty und Heavy-Duty Off-Highway bis zu Großdiesel-Anwendungen an. Das Portfolio reicht von Systemen für die kleineren OHW-Motoren (zum Beispiel für 3- und 4-Zylinder bis 130 Kilowatt) über Medium-Duty und Heavy-Duty-Anwendungen (zum Beispiel für 6-Zylinder bis 560 Kilowatt) - auch mit CNG - bis zu Großdiesel-Anwendungen (mit mehr als 560 Kilowatt). Komplettiert wird das Portfolio durch ein neues Gas-Einblasventil für Großmotoren.

Systemkompetenz: Darüber hinaus verfügt Bosch auch im Off-Highway-Bereich über eine umfangreiche Systemkompetenz, die neben Einspritztechnologie auch Motorsteuerung, Sensorik und Abgasnachbehandlung umfasst. Das elektronische Motorsteuergerät übernimmt das Motormanagement und bildet die zentrale Steuereinheit des Einspritzsystems für große Motoren. Es ist die Kommunikationsschnittstelle zwischen der übergeordneten Bedieneinheit und dem Motor, verarbeitet die Systeminformationen und steuert die unterschiedlichen Funktionsgruppen (Kraftstoffversorgung, Luftsteuerung, Kraftstoffeinspritzung, Nachbehandlung). Präzise und aktuelle Daten aus dem Abgastrakt sind die Grundlage für die sämtlichen Funktionen - von der Gemischbildung bis zur Abgasnachbehandlung. Dafür werden spezielle Sensoren entwickelt. Vor allem nach Verschärfung der Emissionsgesetzgebung sind Sensoren ein entscheidendes Element einer effizienten Abgasnachbehandlung.

Off-Highway-Anwendungen bis 130 Kilowatt: Vorzugsweise kommen hier die CRS2-OHW Common-Rail-Systeme zum Einsatz. Basierend auf der On-Highway-Technologie berücksichtigten die Entwickler hierfür die speziellen Anforderungen eines Off-Highway-Einsatzes, wie zum Beispiel den hohen Volllastanteil und die größeren Einspritzmengen. Das System ist dank der Off-Road-Ausrichtung besonders robust, effizient und leistungsstark. Beispielhaft zeigen dies die leistungsfähigen Injektoren der zweiten Generation: Sie haben ein druckausgeglichenes Magnetventil und bieten den Motorenentwicklern einen hohen Freiheitsgrad bei der Gestaltung des Einspritzverlaufs. In einem engen Zeitfenster werden bis zu acht Einzeleinspritzungen pro Arbeitstakt abgedeckt. Die Fähigkeit zur Mehrfacheinspritzung trägt dazu bei, den Kraftstoffverbrauch und damit den CO2-Ausstoß sowie Schadstoff- und Geräuschemissionen des Triebwerks zu reduzieren.

Medium-Duty und Heavy-Duty Off-Highway-Anwendungen bis 560 Kilowatt: Die CRSN3-Systeme ab 2 000 bar erreichen durch ihr neues Injektorkonzept einen höheren Systemwirkungsgrad und damit einen geringeren Kraftstoffverbrauch. Im Inneren des Injektors sind die Teile bis hin zum Steuerventil mit dem Raildruck beaufschlagt. Dadurch wird eine Leckage zwischen Nieder- und Hochdruckbereich vermieden. Lediglich während der Ansteuerung des Magneten wird über das Kugelventil eine geringe Steuermenge in den Kraftstoffrücklauf geleitet. Um in diesem druckausgeglichenen Injektor-Innenraum das Öffnen und Schließen der Düsennadel zu ermöglichen, ist diese hydraulisch an die Druckstange gekoppelt. Optimierte Injektorkennlinien ermöglichen mittels softwareseitigen Lernfunktionen Mengenkorrekturen über die Lebensdauer hinweg. Damit werden alterungsbedingte Veränderungen in der Einspritzung weitgehend ausgeglichen. Für verschiedene Motorgrößen und Systemkonfigurationen gibt es drei Typen von Hochdruckpumpen. Für Medium-Duty-Anwendungen bis zu 2 500 bar Systemdruck ist die Hochdruckpumpe CP4 geeignet. Die Anforderungen im Heavy-Duty-Betrieb bis zu einem Druck von 2 500 bar erfüllt die auf Reihenpumpentechnik basierende CPN5. Mit diesen Systemen lassen sich neben den Emissionszielen auch Verbrauchsvorteile von etwa einem Prozent erreichen.

Modulares Common-Rail-System für Großdiesel über 560 Kilowatt: Bosch hat die passende Kraftstoffeinspritzung ? egal ob es sich um Bagger-, Schiffs- und Lokomotivantriebe oder stationäre Generatoren handelt. Das MCRS ist ein modular aufgebautes Common-Rail-System mit integriertem Hochdruckspeicher. Es ermöglicht eine signifikante Kraftstoffersparnis gegenüber mechanischer Einspritzausrüstung und kann somit die Betriebskosten von Maschinen deutlich senken. Zur Hochdruckerzeugung wird die elektronisch geregelte und ölgeschmierte Reihenkolben-Hochdruckpumpe vom Typ CP9.1 eingesetzt. Mit einem Injektor vom Typ CRIN-LE erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum. Die spezielle Auslegung mit Hochdruckspeichern in der Pumpe und in den Injektoren erlaubt ein flexibles Motordesign, minimiert Drucküberschwinger und gewährleistet einen konstant hohen Einspritzdruck an der Düse, auch bei Mehrfacheinspritzungen. Das Einspritzsystem lässt sich an unterschiedliche Motorengrößen und -leistungen anpassen. Größe und Leistungsbereich der Pumpen und Injektoren sind variabel. Die Skalierung der Hochdruckpumpe erfolgt über die Anzahl der Pumpenelemente, beim Injektor sind unterschiedliche Düsendurchflüsse verfügbar. Das System ist in zwei Druckstufen, 1 600 bar oder 2 200 bar, verfügbar.Für derivative Systeme (Basis CV-Motoren) mit Zylinderleistungen bis circa 130 Kilowatt und einer Zylinderzahl oberhalb sechs sind Kombinationen aus CRIN-Injektoren und CP9.1 Pumpen möglich.

Weniger Emissionen: SCR-Katalysatoren (Selective Catalytic Reduction) zur NOx-Reduktion

Denoxtronic 2.2: Neben einer effizienteren Kraftstoffeinspritzung reduzieren insbesondere Systeme für die Abgasnachbehandlung die NOx-Emissionen. Gleichzeitig kann der Motor effizienter betrieben werden, was die Betriebskosten zusätzlich senkt. Die Denoxtronic 2.2 von Bosch ist eine effiziente Lösung, um Gesetzesnormen bis Tier 4 Final / Euro Stage 5 zu erreichen. Sie dient zur Einspritzung von AdBlue, einer Lösung von 32,5 Prozent Harnstoff in Wasser, in den Abgasstrom vor dem SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction). Im SCR-Katalysator reduziert das AdBlue anschließend die Stickoxide zu Wasser und Stickstoff. Verschiedene Spray-Formen ermöglichten in jeder Applikation eine besonders effiziente Einspritzung der Harnstoff-Wasser-Lösung. Das System kann durch einen flexiblen und modularen Aufbau unterschiedliche Einbauanforderungen erfüllen. Die Denoxtronic 2.2 wird deshalb seit 2009 mit Dosiermengen bis 12kg/h weltweit im On- und Off-Highway-Bereich mit großem Erfolg eingesetzt. Für Large-Engine- und Marine-Anwendungen kann ein modular erweiterbares Denoxtronic 2.2 System bis ca. 100 kg/h dargestellt werden.

Schlüsselfertiges Produkt: Bosch hat speziell für Abgassysteme bei Off-Highway-Fahrzeugen einen Baukasten entwickelt, dessen Komponenten an die Einbauverhältnisse in den unterschiedlichen Anwendungen angepasst werden können. Bereits seit der Einführung der Emissions-Stufe III B/Tier 4 interim im Jahr 2011 sind die Anforderungen nicht mehr nur durch innermotorische Maßnahmen zu realisieren. Dementsprechend wird eine komplexe Abgasnachbehandlung erforderlich. Bosch kann solche modernen Abgassysteme sogar als Retrofit-Lösung in gebrauchte Baumaschinen integrieren, wo diese vom Platz her nie vorgesehen waren. Dies spart Entwicklungs-, Werkzeug- und Validierungskosten. Bosch verbindet bei Nutzfahrzeugen und Baumaschinen die einzelnen Komponenten zu einem für die Anwendung optimierten System und überprüft dieses laufend mit neuesten Diagnosemethoden. Neben Abgasnachbehandlungs-Systemen mit höchster Effizienz ist es möglich, auch Baukastenmodule für Fahrzeuge mit bis zu 5 000 Kilowatt anzupassen. Hier wird die hunderttausendfach bewährte Denoxtronic 2.2 für den Einsatz in Großmotoren funktional erweitert.

Vernetzung: Diagnosebasierter Servicetermin reduziert Ausfallzeit

Präventive Diagnose: Ein Ausfall einer Off-Highway-Anwendung führt zu einem wirtschaftlichen Verlust. Um einen solchen Ausfall zu verhindern, entwickelt Bosch eine präventive Diagnose. Dabei könnten beispielsweise Betriebsdaten eines Diesel-Injektors während der gesamten Betriebszeit von einer Connectivity Control Unit (CCU) erfasst und in der Cloud internetbasiert überwacht werden. Zeigen die Daten einen drohenden Ausfall an, grenzen Softwaremodule den Ausfallzeitpunkt ein, für den sich ein Servicetermin rechtzeitig einplanen lässt. So könnte ein Ausfall der Off-Highway-Anwendung verhindert und gleichzeitig Geld gespart werden.