Definiere einen Grenzwert und man wird ihn erreichen: Dieselmotoren und die NOx Emissionen

by Paul Balzer on 2. Mai 2014

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Wieder eine polemische Überschrift, aber so muss man das wohl machen.  Die Süddeutsche titelt „Die Mär vom sauberen Diesel“ und weiter:

Eine aktuelle Studie entlarvt neue, angeblich schadstoffarme Dieselmotoren als Dreckschleudern. Sie stoßen mehr Stickoxide aus als erlaubt.

Wie, was? Sie stoßen mehr Stickoxide aus als erlaubt? Was ist denn erlaubt? Das findet man in den Abgasnormen ganz klar definiert. Ein Dieselfahrzeug mit EU6 Norm darf 80mg NOx (Stickoxide) pro Kilometer ausstoßen. Dieser Ausstoß wird mit einem standardisierten Testverfahren für alle Hersteller gleich ermittelt, damit es an verschiedenen Orten mit verschiedenen Prüfständen und von verschiedenen Menschen nachvollziehbar wiederholt werden kann.

Wo liegt also das Problem?

Zielkonflikt bei der Motorenapplikation

Die Physik macht einem Wunsch manchmal einen Strich durch die Rechnung. Ideal wäre natürlich, würde ein Auto gar nichts verbrauchen, hätte unbegrenztes Drehmoment und zusätzlich keine Emissionen. Konkret sehen die Zwangsbedingungen bei der Motorapplikation aber so aus:

Zielkonflikt-Dieselmotor

Das magische Dreieck der Dieselmotoren-Applikation: Man kann sich in einer Ecke positionieren, aber dann vernachlässigt man die anderen beiden Ecken

Effizienz

Der Käufer möchte im Prospekt oder bei der Probefahrt 5.2L/100km lesen (unter 150g CO2/km), dabei 630Nm Drehmoment ab 1500U/min haben und 250km/h Höchstgeschwindigkeit wären auch nicht schlecht. Komfort, Sicherheit, Assistenzsysteme, Design, alles inklusive! Kein Problem, ist machbar.

Nun kommt aber das Thema Mensch & Umwelt hinzu und der Motorapplikateur ist gezwungen etwas von seinem Effizienzkuchen abzugeben. In den Abgasnormen ist das Thema Ruß klar limitiert, schließlich zählt er zu den toxischen Emissionen, die im Verdacht stehen Krebs auszulösen.

Ruß

Ruß entsteht bei einem Dieselmotor vor allem, wenn das lokale Verbrennungsluftverhältnis zwischen Diesel und Luft nahe an 1:14.5 gerät. Da der moderne Dieselmotor keine homogene Gemischbildung sondern Direkteinspritzung nutzt, geschieht dies eigentlich immer, wenn Last angefordert wird, d.h. Diesel in den Brennraum eingespritzt wird. Der Dieselmotor ist qualitätsgeregelt, d.h. im Leerlauf wird sehr wenig Diesel eingespritzt (hohes Luftverhältnis). Bei Volllast gilt es, innerhalb kürzester Zeit das eingespritzte Volumen Diesel auf das Volumen Luft im Brennraum gleichmäßig zu verteilen.

Veranschaulichung der Problematik der Gemischbildung bei einem Dieselmotor [Quelle: Lehrbrief Verbrennungsmotoren, Prof. Dr.-Ing. E. W. Bach, HTW Dresden]

Veranschaulichung der Problematik der Gemischbildung bei einem Dieselmotor [Quelle: Lehrbrief Verbrennungsmotoren, Prof. Dr.-Ing. E. W. Bach, HTW Dresden]

Dies gelingt trotz Hochdruckeinspritzung und allen innermotorischen Maßnahmen bis heute nicht perfekt: Ruß entsteht.

In der Mailänder Studie wurde zum Vergleich mit einem Dieselmotor mit Partikelfilter mal Zigarettenrauch als Referenz gewählt, um einen Eindruck über die Mengen zu bekommen:

Ergebnis des Mailänder Feinstaubexperiments mit Partikeln der Größe 10µm und 2.5µm

Ergebnis des Mailänder Feinstaubexperiments mit Partikeln der Größe 10µm und 2.5µm, bei welchem ein Dieselmotor mit Partikelfilter 30min im Leerlauf laufen gelassen wurde vs. 3 Zigaretten

Fazit:

NOx

Stickoxide entstehen als Produkte von unerwünschten Nebenreaktionen bei der Verbrennung. Hier ist vor allem das NO (>90%) zu nennen, gefolgt von NO2 (ca. 5%). Diese entstehen im verbrannten Teil des Arbeitsmediums vor allem bei hohen Temperaturen, geringem Verbrennungsluftverhältnis und „langer Verweildauer“ von Stickstoff-Atomen bei hohen Temperaturen  (exponentiell mit Temperatur, zunehmend bei über 2000 Kelvin).

Allerdings sollte man auch hier die Kirche im Dorf lassen, denn alle limitierten Schadstoffe in Summe machen bei Volllast 2% des Abgases aus. Mehr in: Verbrennung von Kraftstoff und Luft.

Mittlere Zusammensetzung der Abgase eines Dieselmotors Quelle: Skript zur Vorlesung "Verbrennungsmotoren" von Prof. G. Zikoridse, HTW Dresden

Mittlere Zusammensetzung der Abgase eines Dieselmotors
Quelle: Skript zur Vorlesung „Verbrennungsmotoren“ von Prof. G. Zikoridse, HTW Dresden

Verbrennungsmotoren laufen genau genommen nur in genau einem Punkt optimal. Das heißt der Motor müsste bei konstanter Drehzahl und Last betrieben werden, dann kann er optimal eingestellt werden. Dies ist aber in der Realität nicht gegeben. Daher muss es ein standardisiertes Testverfahren geben, bei dem die Abgase getestet (gemessen) werden.

Prüfverfahren

Das Hauptaugenmerk liegt auf dem Prüfverfahren, welches offensichtlich die Realität nicht so ganz gut abbildet.

„Bei ihrer Untersuchung, im Auftrag des niederländischen Umweltministeriums fanden die TNO-Ingenieure heraus, dass die neuen Euro-6-Dieselmodelle auf der Straße nicht 80, sondern zwischen 500 und 800 Milligramm Stickoxide emittieren.“ – Süddeutsche.de

Das Prüfverfahren ist eine starr vorgegebene Fahrt auf einem Rollenleistungsprüfstand (NEFZ), welches moderne Fahrzeuge vor keine großen motorischen Herausforderungen stellt. Sowohl die geforderte Beschleunigung als auch die Höchstgeschwindigkeiten werden vom Motor mit einem Lächeln absolviert.

Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverlauf für NEFZ nach Richtlinie 91/441/EWG des Rates vom 26. Juni 1991 zur Änderung der Richtlinie 70/220/EWG zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über Maßnahmen gegen die Verunreinigung der Luft durch Emissionen von Kraftfahrzeugen. Europäische Union. Abgerufen am 28. Dezember 2013, [Quelle: Labor Kfz-Technik- Prüf-/Messtechnik, Prof. Dr.-Ing. N. Brückner, HTW Dresden]

Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverlauf für NEFZ nach Richtlinie 91/441/EWG des Rates vom 26. Juni 1991 zur Änderung der Richtlinie 70/220/EWG zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über Maßnahmen gegen die Verunreinigung der Luft durch Emissionen von Kraftfahrzeugen. Europäische Union. Abgerufen am 28. Dezember 2013, [Quelle: Labor Kfz-Technik- Prüf-/Messtechnik, Prof. Dr.-Ing. N. Brückner, HTW Dresden]

Die Stickoxidemissionen eines modernen Dieselmotors können dem nachfolgenden Kennfeld entnommen werden:

Stickoxidemission nach Drehzahl und Drehmoment

Stickoxidemission nach Drehzahl und Drehmoment

Es wird auf einen Blick klar, weshalb gerade im NEFZ, wo nur geringe Anforderungen an den Motor gestellt werden (geringes Drehmoment), auch wenig NOx Emissionen zu messen sind. Die physikalischen Gegebenheiten, also hohe Last > hohe Temperatur zur Entstehung von NOx, sind einfach nicht gegeben.

Eine Möglichkeit wäre, das Testprozedere zu verändern.

Novellierung für realere Bedingungen

Der Vergleich zwischen NEFZ und einer realen Fahrt zeigt deutlich, dass es nicht unbedingt realitätsnah ist, was dort geprüft wird:

Vergleich zwischen NEFZ und realem Fahrprofil  [Quelle: Labor Kfz-Technik- Prüf-/Messtechnik, Prof. Dr.-Ing. N. Brückner, HTW Dresden]

Vergleich zwischen NEFZ und realem Fahrprofil [Quelle: Labor Kfz-Technik- Prüf-/Messtechnik, Prof. Dr.-Ing. N. Brückner, HTW Dresden]

Prof. Brückner formuliert den Nachteil der realen Messfahrt ganz konkret: „Kaum verallgemeinerungsfähig.“
Denn: Was ist eine „normale Fahrt“?

Es ist für den Laien vielleicht schwer vorstellbar, aber so eine weltweite Harmonisierung ist ein gigantischer Akt, der eben Jahrzehnte dauert. Um einen Einblick zu erlangen, kann sich der interessierte Leser entsprechende zusammenfassende Folien vom Abgasspezialisten AVL List GmbH ansehen.

Darin ist der vorgeschlagene WLTP (World Light vehicle Test Procedure) Zyklus zu sehen:

World Light vehicle Test Procedure [Quelle: K. Engeljehringer, Präsentation Overview and Trends in Worldwide Emission Legislations – AVL List GmbH]

World Light vehicle Test Procedure [Quelle: K. Engeljehringer, Präsentation Overview and Trends in Worldwide Emission Legislations – AVL List GmbH]

Dieser würde die Lastanforderungen an den Motor in Bereiche verschieben, in denen mit alltäglicheren Emissionen zu rechnen ist. Und dann?

Harnstoff gegen NOx

Fahrzeughersteller können die Physik auch nicht aushebeln, sie sind also gezwungen zusätzliche Systeme mit im Fahrzeug mitzunehmen, welche dem Motor nachgelagert die Stickoxide umwandeln. Die innermotorischen Maßnahmen sind ausgeschöpft.

Funktionsprinzip eines SCR Systems [Quelle: Vorlesung Abgasnachbehandlung, Prof. Dr.-Ing. G. Zikoridse, HTW Dresden]

Funktionsprinzip eines SCR Systems [Quelle: Vorlesung Abgasnachbehandlung, Prof. Dr.-Ing. G. Zikoridse, HTW Dresden]

Ein System ist die selektive katalytische Reaktion (SCR), bei welcher aus wässriger Harnstofflösung (z.B. AdBlue) gasförmiges Ammoniak erzeugt wird, welches das NOx umwandelt (reduziert). Dabei wird vorher oft noch ein NOx Speicherkat eingebaut, der das NOx sammelt und dann durch vermehrtes Einspritzen von Diesel (so genannte „Fettphase“) ein konzentriertes „reduzieren“ des gespeicherten NOx veranlasst.

Hinzu kommt eine regelungstechnisch anspruchsvolle Abgasrückführung, welche die Temperatur senken soll und entsprechende Luftverhältnisse einstellt.

Außerdem sind Temperaturen notwendig, welche oft bei reinem städtischen Verkehr nicht erreicht werden können. Hört sich aufwendig an, ist es auch.

Das Resultat – womit wir wieder beim 1. Bild wären – ist ein erhöhter Kraftstoffverbrauch:

„Aufwendige Abgastechnik des nach Euro 6 zertifierten Diesels […], der zur Minderung der Stickoxide ein kleines Chemielabor mit sich herumfährt. Allerdings kostet der 211 PS starke Bluetec derzeit 4.105 Euro mehr als der Mercedes E 300 CDI, in dem der gleiche, nach Euro 5 eingestufte Dreiliter-Sechszylinder 231 PS leistet und im Normwert einen Liter/100 km weniger verbraucht.“ – AutoMotorSport: Mercedes E 350 Bluetec T-Modell Dauertest

Fazit

Natürlich ist die Abgasnachbehandlung ein riesen Betätigungsfeld für die Automobilhersteller und ohne die gesetzlichen Anforderungen wären die auch nicht so motiviert am Thema „Ruß“ und „NOx“ so viel zu optimieren, doch irgendwann sind eben die Grenzen der Physik erreicht. Wenn der Kunde bereit ist weniger performante Motoren zu akzeptieren, die aber auch noch teurer und fehleranfälliger sind, dann wäre dem Fahrzeughersteller geholfen. Sind die Kunden aber im Allgemeinen nicht.

Somit bleibt ein moderner Motor immer im Spannungsfeld zwischen Kundenanforderung, Politik, Umwelt und Kosten.

Titelbild unter CC-BY-SA Lizenz von flickr.com „Exhaust“ von k.landerholm

5 Comments

    1. Hallo Berthold, der Artikel ist vom Mai 2014. Das war lange vor dem (öffentlichen) Bekanntwerden des (von den Medien genannten) VW-Skandals. Meiner Meinung nach ist es kein VW-Skandal, denn es betrifft alle modernen Diesel. Alle Motoren die in der gleichen Literleistung & Verbrauch & Abgasnorm mitspielen, können physikalisch gesehen, die Grenzwerte fast unmöglich erreichen.
      Es sei denn sie sind klar definiert. Der Gesetzgeber hat diese klar definiert und auch die Messmethode klar definiert.
      Deshalb habe ich diesen Beitrag geschrieben.
      „Definiere einen Grenzwert und man wird ihn erreichen.“
      Man müsste eben einfach die Messmethode anpassen, doch das ist politisch nicht gewollt, weil es dann wieder Autos mit 2.0L Diesel und 110PS und hohem Verbrauch geben wird. Damit kann die Flottenemission nicht eingehalten werden und die deutschen Premiumhersteller könnten keine 335d, C63AMG oder RS6 mehr verkaufen.
      Das will wohl keiner!
      Demnach muss man einen Kompromiss finden, welcher lautet, dass es strenge Abgasnormen gibt, diese unter bestimmten Bedingungen eingehalten werden müssen, aber dann zu sehr im Detail drauf achten möchte auch niemand. „Die werden das schon irgendwie hin bekommen.“
      Von Studien bzw. statistischen Hochrechnungen, wieviel Tote es wegen der NOx Dieselproblematik gibt, halte ich überhaupt nichts. Das ist Kaffeesatzleserei und je nachdem wer rechnet, kommt auf bestimmte Zahlen. Wussten sie, dass die 8 größten Containerschiffe der Welt mehr Emissionen in die Luft pusten als ALLE Autos der Welt zusammen? Unglaublich, oder? Ja, so ist das mit den Zahlen. Je nachdem wer sie für sich nutzen möchte, findet geeignet krass klingende Vergleiche.
      Genauso sehe ich das mit den Toten durch Umweltverschmutzung durch die Diesel PKW.

  1. Sehr geehrter Herr Balzer,

    neben dem Diesel-NOx-Skandal läuft ja die Diskussion um die NO2-Überschreitungen in Innenstädten. Weil die Moorlast im Innenstadtbereich niedrig ist, dürfte ein NOx-Wert von 1.000 mg/kWh kaum überschritten werden. Als Rohemission im Stadtverkehr könnten das 250 mg NOx je km werden. Mit wieviel AdBlue ist das sicher unterhalb den Grenzwert (also zB auf 50 mg NOx je km zu bringen?

    Im Internet las ich „Ein Liter Adblue neutralisiert NOx über 1.000 km Fahrt, wenn der Rohwert 480 mg/km beträgt. Für meine Stadtverkehrs-Annahme 200 mg/km wären das weniger als ei halber Liter AdBlue je 1.000 km.

    Die Kostenseite wäre vernachlässigbar: Der Diesel ist auch mit 25 Cents mehr je 1.000 km FAhrt immer noch kostengünstiger als jeder Benziner.

    Deutlich höher ist der AdBlue-Verbrauch, wenn auch bei 160 km/h Autobahnfahrt der Grenzwert von 80 mg/km eingehalten werden sollte, dann nennen die Kennwerte 4.000 mg NOx je kWh, und die Last liegt bei 80 PS.

    Freundlichen Gruss
    Rudolf Petersen

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