Jacobs hebt Zylinderdeaktivierung und aktive Dekompressionstechnologie hervor

Das Demonstrationsfahrzeug von Jacobs Vehicle Systems bietet Flotten, Fahrern, Branchenverbänden und Erstausrüstern die Möglichkeit, den Wert und die Leistungsmerkmale von zwei der neuesten Ventiltriebtechnologien von Jacobs – der Zylinderdeaktivierung (CDA) und der aktiven Dekompressionstechnologie (ADT) – aus erster Hand zu erleben. .

Laut Jacobs wird der speziell angefertigte International LT625-Traktor mit einem A26-Dieselmotor in den kommenden Monaten einer Vielzahl realer Fahrsituationen ausgesetzt, um die Kraftstoffeinsparung, die Emissionsreduzierung, die erhöhte Bremsleistung und das verbesserte Fahrverhalten vollständig zu überprüfen Vorteile von CDA und ADT.

Die aktive Dekompressionstechnologie von Jacobs ermöglicht es schweren Nutzfahrzeugen, von einem Motor-Stopp-Start-System zu profitieren, um Motorrütteln sowohl beim Starten als auch beim Abstellen zu vermeiden, erklärte das Unternehmen. ADT verbessert auch den Kaltstart des Motors, reduziert die Belastung und den Verschleiß der Motorkomponenten beim Start und beschleunigt den Start. In Hybridfahrzeugen ermöglicht ADT einen schnelleren Übergang von einem Elektromotor zu einem Verbrennungsmotor.

Obwohl die Start-Stopp-Motortechnologie bei Automobilherstellern weit verbreitet ist, ist sie bei schweren Nutzfahrzeugen weniger verbreitet. Dies ist größtenteils auf die Kosten für zusätzliche Technologien zurückzuführen, die erforderlich sind, um den erhöhten Verschleiß des Anlassers, des Zahnkranzes und der Batterie zu verringern. Die Active Decompression Technology von Jacobs reduziert diese Probleme erheblich.

ADT verringert das Ausmaß der Motorerschütterungen beim Abschalten um 90 Prozent, so das Unternehmen. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass Fahrer, die über Nacht in der Kabine schlafen, nicht gestört werden, wenn der Motor automatisch gestartet und gestoppt wird, um die Batterieladung aufrechtzuerhalten.

Beim Anlassen wird der Motor in einem dekomprimierten Zustand gehalten, der das Anlassdrehmoment um 40 Prozent verringert und es dem Motor ermöglicht, bis zum Doppelten seiner normalen Drehzahl zu drehen, was für einen sanfteren Start, ein schnelleres Ansaugen des Kraftstoffsystems und einen geringeren Verschleiß am Anlasserzahnrad sorgt. Schwungrad und andere Komponenten. Dies kann auch die Verwendung kleinerer und leichterer Batterien, Kabel und Starter ermöglichen.

Durch die Möglichkeit, den Motor im dekomprimierten Zustand durchzudrehen, verbessert ADT laut Jacobs das Starten bei kalten Temperaturen weiter, indem es dem Motor ermöglicht, seine kritische Kompressionszündungsgeschwindigkeit zu erreichen. In Kombination mit zusätzlichen Lufteinlassheizungen ermöglicht ADT das Vorwärmen der Motorzylinder, ohne dass der Motor durch die Kompression belastet wird, was besonders nützlich ist, wenn Minustemperaturen den Ladezustand der Batterie verringern. Wenn eine hohe Anlassgeschwindigkeit erreicht ist, wird die Motorkompression wieder aktiviert und die Kraftstoffzufuhr beginnt.

ADT kann auf mehreren Engine-Plattformen integriert werden.

Die Zylinderdeaktivierung von Jacobs ist eine modulare Ventilbetätigungstechnologie, die die Kraftstoffeffizienz verbessert, indem sie einen Sechszylindermotor in einen Vierzylindermotor oder weniger umwandelt und so den Gesamtkraftstoffverbrauch um bis zu 25 Prozent senkt, so das Unternehmen. Der CDA von Jacobs reduziert die Emissionen, indem er höhere Abgas- und Nachbehandlungstemperaturen bei geringer Last und beim Start erreicht.

Beim CDA von Jacobs werden die Zylinderdeaktivierungsmechanismen, die ursprünglich für die High Power Density (HPD)-Motorbremse des Unternehmens entwickelt wurden, im Ventiltrieb verwendet, um das Öffnen der Einlass- und Auslassventile zu deaktivieren.

Der hydraulisch aktivierte Mechanismus ist in ein zusammenklappbares Ventilbrückensystem für Motoren mit obenliegender Nockenwelle oder in ein zusammenklappbares Stößelstangensystem für Nockenblockmotoren integriert. In Kombination mit der deaktivierten Einspritzung in ausgewählten Zylindern können bei Bedarf mehrere Zylinder deaktiviert werden. Die deaktivierten Zylinder wirken als Gasfeder und geben die komprimierte Energie der Luft an die Kurbel zurück. Dadurch könne bei geringer Motorlast mit abgeschalteten drei von sechs Zylindern der Kraftstoffverbrauch um bis zu 20 Prozent gesenkt werden, erklärte Jacobs.

Der CDA von Jacobs reduziert Emissionen, indem er höhere Nachbehandlungstemperaturen im Abgas erreicht, wodurch die optimale Effizienz des SCR-Systems aufrechterhalten wird, selbst wenn der Motor im Leerlauf oder bei niedriger Last läuft. CDA ermöglicht außerdem ein schnelleres Aufwärmen des Nachbehandlungssystems nach dem Motorstart und minimiert die Abkühlung der Nachbehandlung während des Leerlaufs. Bei geringer Last werden Temperaturerhöhungen von 100–200 °C erreicht, um die SCR-Temperatur von 250 °C aufrechtzuerhalten, die für eine optimale NOx-Umwandlung erforderlich ist.

In einem Niedriglastzyklus verzeichnete ein Lkw der Klasse 8, der mit dem CDA von Jacobs und einem SCR-System (Selective Catalytic Reduction) ausgestattet war, eine Reduzierung der NOx-Emissionen um 77 Prozent und eine Reduzierung der CO2-Emissionen um 12 Prozent.

CDA reduziert außerdem die Reibung der Nockenwelle, verringert die Pumpverluste bei Teillastbedingungen und kann die Verwendung der Einlassdrossel reduzieren oder ganz darauf verzichten, was insgesamt zu einer Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs führt und gleichzeitig die Abgastemperaturen erhöht, so das Unternehmen. CDA kann auch die Häufigkeit und Dauer aktiver DPF-Regenerationsereignisse verringern.

CDA von Jacobs, seine High Power Density-Motorbremse und andere Ventilbetätigungstechnologien sind modular aufgebaut und können einzeln oder zusammen in einen Motor integriert werden. CDA trägt dazu bei, sowohl nordamerikanische als auch europäische Vorschriften mit derselben globalen Motorenplattform zu erfüllen.

CDA wird seit Jahrzehnten in Personenkraftwagen eingesetzt, ist jedoch im Lkw-Bereich relativ neu. Die 2018 angekündigte CDA-Hardware von Jacobs wurde bisher auf mehr als 20 verschiedenen Schwerlast-Motorplattformen demonstriert, die Zwei- bis 15-Liter-Motoren abdecken, sowie bei 10 verschiedenen Schwerlast-Lkw-Straßentests in Nordamerika, Europa und China , Japan, Korea und Indien. Es wurde mehr als 27.000 Stunden und mehr als 200.000 Meilen Haltbarkeitstests unterzogen. Es wurden mehr als 8 Milliarden Testzyklen an CDA-Komponenten und über 470 Millionen Zyklen an Ermüdungs- und Überlasttests durchgeführt.

Die CDA-Technologie von Jacobs ist auch im Super Truck II-Programm des US-Energieministeriums enthalten, einer Initiative zur Entwicklung und Demonstration kostengünstiger Technologien, die die Frachteffizienz von Lastkraftwagen der Klasse 8 mehr als verdoppeln.

Im Jahr 2019 ging Jacobs eine Zusammenarbeit mit dem Verbrennungssteuerungsunternehmen Tula Technology Inc. ein. Die beiden Unternehmen arbeiten eng zusammen, um die Dynamic Skip Fire (DSF)-Steuerungstechnologie von Tula mit der CDA von Jacobs zu kombinieren, bei der DSF das Motorzylinder-Abschaltmanagement von Jacobs optimiert um die Drehmomentanforderungen bestmöglich zu erfüllen und Vibrationen zu eliminieren.

Unabhängige Labortests haben gezeigt, dass die CDA-Hardware von Jacobs und die DSF von Tula in Kombination größere Emissionsreduzierungen erzielen. Mit DSF hat Tula ein stufenloses Steuersystem für die Zylinderabschaltung entwickelt, das fortschrittliche digitale Signalverarbeitung und Software mit hochentwickelten Motorsteuerungsalgorithmen integriert, die den Einsatz von CDA in einem größeren Drehzahl- und Drehmomentbereich als herkömmliche CDA ermöglichen.

Tula DSF trifft dynamische Zündentscheidungen auf der Grundlage des angeforderten Drehmoments und wählt dann selektiv aus, welche Zylinder aktiv oder deaktiviert sind, um die Leistungsanforderung zu erfüllen. Wenn mehr Drehmoment erforderlich ist, erhöht sich die Zünddichte, und wenn weniger Drehmoment erforderlich ist, verringert sich die Zünddichte. Der Steueralgorithmus erzeugt effektiv einen Motor mit optimalem Hubraum für das erforderliche Drehmoment.

Das Steuerungssystem von Tula sorgt außerdem dafür, dass Geräusche, Vibrationen und Härte auf Produktionsniveau liegen. Durch die Möglichkeit, auszuwählen, welche Zylinder in jedem Motorzyklus gezündet werden, und durch die Berücksichtigung der Frequenzen und Amplituden der durch Zylinderkombinationen erzeugten Vibrationen bestimmt der Steueralgorithmus die Zündsequenzen der Zylinder, die einen reibungslosen Betrieb und reduzierte Kosten für den Fahrer gewährleisten Benzinpumpe.

In den anerkannten Heavy Duty Federal Test Procedure (FTP)-Testzyklen, einschließlich des Low Load Cycle (LLC), steigert CDA nachweislich den Kraftstoffverbrauch und reduziert die Abgasemissionen in Hochleistungsdieselmotoren. Diese Vorteile wurden von einem international bekannten Drittlabor unabhängig gemessen und quantifiziert und werden weiterhin durch Jacobs‘ eigene Tests im Fahrzeug bestätigt, die derzeit durchgeführt werden, berichtete Jacobs.

Im Februar 2020 veröffentlichte Jacobs Einzelheiten zu Prüfstandstests mit einem international bekannten Drittlabor, das von der US-Umweltschutzbehörde (EPA) finanziert wurde, um die Kraftstoffeinsparungen und Emissionsvorteile von CDA zu quantifizieren. Die Tests, die an einem 13-Liter-Navistar-Motor mit CDA durchgeführt wurden, bestätigten Jacobs' eigene umfangreiche Testergebnisse. In einer festen Dreizylinder-Deaktivierungskonfiguration – das heißt, der Motor konnte mit sechs, drei oder null Zylindern arbeiten – wurde der Kraftstoffverbrauch im Heißzyklus (FTP), der das Aufwärmen des Motors umfasst, um fünf Prozent gegenüber dem Basiswert verbessert den Niedriglastzyklus, während gleichzeitig die Abgastemperaturen erhöht und die Abkühlung des SCR-Systems begrenzt werden.

Um die Leistungsfähigkeit des CDA-Systems zu demonstrieren, wurde der vorgeschlagene CARB-Low-Load-Zyklus evaluiert. Es wurde festgestellt, dass CDA die Abgastemperaturen erhöht, um die Effizienz des SCR-Systems zu verbessern, sodass die NOx-Emissionen am Auspuff um 86 Prozent und der CO2- und Kraftstoffverbrauch um 12 Prozent reduziert wurden.

Im April 2020 enthüllte ein zweites technisches Papier, das auf dem Wiener Symposium vorgestellt wurde, Einzelheiten des CDA-Systems von Jacobs, das mit der DSF-Technologie von Tula an einem Cummins-X15-Motor arbeitet, der unter stationären Mapping-Bedingungen und im Null- bis Sechszylinderbetrieb weitere Verbesserungen gezeigt.

In dem Papier heißt es: „Bei 1.000 U/min zeigt Diesel-DSF einen Anstieg der Abgastemperatur um fast 100 °C, während gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch um 25 Prozent gesenkt wird.“ Es wurde festgestellt, dass im Hot-FTP-Zyklus NOx um 45 Prozent reduziert und CO2 um 1,5 Prozent gegenüber dem Ausgangswert verbessert wurde. Während des LLC7-Zyklus wurde der NOx-Ausstoß um 66 Prozent und der CO2-Ausstoß um 3,7 Prozent mit DSF im Vergleich zum Basismotor reduziert.

Jacobs führt derzeit in Zusammenarbeit mit Tula DSF in seinem Demo-Truck Navistar LT625, der mit einem Navistar-13-Liter-Motor ausgestattet ist, umfangreiche fahrzeuginterne, reale Tests von CDA durch.

Testergebnisse zeigen, wann und wie lange CDA im kraftstoffsparenden Deaktivierungsmodus aktiv ist und in welchem ​​Ausmaß die Temperaturen ansteigen. DSF erweist sich als sehr aktiv bei der Maximierung des Betriebsbereichs von CDA. Im unbeladenen Stadtrundfahrtzyklus von Jacobs war CDA in 49 Prozent der Fälle aktiv. Das Aufwärmen des Motors dauerte halb so lange wie bei einem Lkw ohne CDA-Ausstattung, und die durchschnittliche SCR-Auslasstemperatur stieg um 21,5 °C.

Selbst im Autobahntestzyklus von Jacobs mit Anhänger war CDA in 22 Prozent der Fälle aktiv. Im Leerlauf mit null aktivierten Zylindern wurde ein Anstieg der minimalen Autobahntemperatur um 107 °C erreicht, während es zu keinem Abfall in den Wärmemanagementmodus kam. Ingenieure haben keine großen Schwankungen der Nachbehandlungstemperaturen beim Übergang von Volllast zu Niedriglast beobachtet.

Jacobs und Tula führen die Prüfstandstests ihrer Technologien parallel zu Tests in der realen Welt fort, sowohl für Tests mit fester Geschwindigkeit als auch für Lasttests auf einem kompletten Emissionsprüfstand am Navistar 13-Liter-Motor. Während die Ergebnisse der „Transient FTP“-Tests noch ausstehen, zeigen die „Steady State“-Ergebnisse eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs bei Lasten von 400 NM oder weniger, mit Kraftstoffeinsparungen von bis zu 25 Prozent bei den niedrigsten Lasten.

Im Warmlauf-Verbrennungsmodus bietet CDA mit DSF Kraftstoffeinsparungen von bis zu 20 Prozent Kraftstoff und bis zu 300–350 NM. Der Temperaturanstieg durch Verbrennung im Warmlaufmodus und CDA kann 240 °C überschreiten.

ClearFlame Engine Technologies – ein wachsendes Start-up-Unternehmen, das sich auf eine neue Motormodifikationstechnologie konzentriert, die die einfache Integration von kohlenstoffarmen und CO2-negativen Kraftstoffen in bestehende Plattformen für Dieselmotoren für schwere Nutzfahrzeuge ermöglicht – hat sich mit Jacobs zusammengetan, um CDA in seinen Motor zu integrieren .

Durch den Einsatz dekarbonisierter flüssiger Kraftstoffe wie Ethanol und E-Methanol reduziert die Motormodifikationstechnologie von ClearFlame die Treibhausgasemissionen, Partikel und Smog erheblich und trägt so dazu bei, strenge Emissionsvorschriften einzuhalten und gleichzeitig die Gesamtkosten der Motorsysteme zu senken. Es bietet die gleiche Leistung, Effizienz und Robustheit wie Dieselmotoren, macht aber kostspielige Nachbehandlungslösungen überflüssig.

Die höheren Temperaturen seien notwendig, um schädliche Emissionen zu begrenzen, die andernfalls durch die Abgasnachbehandlungssysteme eines Verbrennungsmotors bei kühlerem Fahrzeugbetrieb in die Umwelt gelangen würden.