NOx-Emissionen im Straßenverkehr 01.06.2017, 00:00 Uhr

Der Weg zum sauberen Dieselmotor

Zusammenfassung Der Beitrag zeigt die Entwicklung der Feinstaub- und Stickoxid-Immissionen am Beispiel Nordrhein-Westfalens über die letzten Jahre und stellt den Bezug zu den Emissionsgrenzwerten für Dieselfahrzeuge her. Während die Rußemissionen von Dieselmotoren durch die Partikelfiltertechnologie auf ein Minimum reduziert werden konnten, so besteht für die Reduktion der Stickoxide (NOx) weiterer Bedarf für den konsequenten Einsatz besonders wirksamer Technologien. Insbesondere die NOx-Emissionen im realen Straßenverkehr, also außerhalb für die Zertifizierungszyklen definierter Betriebs- und Umgebungsbedingungen, müssen deutlich abgesenkt werden. Durch die Einführung der Euro-6d-Emissionsgesetzgebung, die unter anderem die Einhaltung der Grenzwerte im realen Verkehr durch Fahrzeugtests im Straßenverkehr vorsieht, wird dies sichergestellt. Die Kombination innermotorischer Maßnahmen und hocheffizienter Abgasnachbehandlung bietet das Potenzial zur sicheren Einhaltung der Emissionsgrenzen. Ein wachsender Grad an Elektrifizierung sowie die Verwendung intelligenter Regelungsalgorithmen sind weitere Maßnahmen zur Emissionsreduzierung, insbesondere im Transientbetrieb.

Quelle: PantherMedia/sanpom

Quelle: PantherMedia/sanpom

1 Einleitung

Am 23. Februar 1893 erhielt Rudolf Diesel seine Patenturkunde für den Vorläufer des heutigen Dieselmotors. Am 17. Februar 1894 lief der erste Prototyp aus eigener Kraft.

1936 wurden auf der Berliner Automobilausstellung die beiden ersten deutschen Serien-Pkw mit Dieselmotor vorgestellt: der Mercedes-Benz 260D und der Hanomag Rekord. Der Motor war besonders robust und hatte eine vergleichsweise hohe Effizienz und einen niedrigen Verbrauch. Insbesondere die deutsche Automobilindustrie (Hersteller und Zulieferer) hat stark auf diesen Motor gesetzt und durch intensive und zunehmende Entwicklungsarbeit einen Spitzenplatz in der Welt erreicht.

Besonders der neu entwickelte Direkteinspritzer hat in den 1990er-Jahren den Anteil der Diesel-Pkw bei den verkauften Neuwagen in Deutschland von etwa 15 auf etwa 50 % erhöht; Westeuropa zog nach. Weltweit nimmt der Dieselanteil zu. Die deutsche Automobilindustrie profitiert von ihren Aufwendungen für diesen Antrieb.

Dieser Erfolg des Diesels im Markt ist eine Folge stetiger Verbesserungen bei Verbrauch, Emissionen, Agilität und Komfort. Bei den hohen Entwicklungsaufwänden der Autoindustrie und der Forschung sind weitere Verbesserungen zu erwarten. Auch mit Blick auf die CO2-Reduktion in der Neufahrzeugflotte spielt der Diesel eine sehr wichtige Rolle.

Aktuell steht der Diesel in der Kritik. Unzulässige Manipulationen wurden aufgedeckt, führen zu Prozessen, Anschuldigungen, Strafzahlungen in Milliardenhöhe und extrem hohen Aufwendungen, um die Manipulationen zu beseitigen.

Im Fahrwasser dieser unzulässigen Vergehen und ihrer Bewältigung sind auch die Unterschiede zwischen den Ergebnissen der Emissionsmessungen auf dem Prüfstand einerseits und im Feld andererseits wieder besonders in den Fokus einer kritischen öffentlichen Diskussion geraten. Dieses Thema ist nicht neu, erhält aber eine besondere Dynamik, weil in der Europäischen Union der Gesetzgeber seit Jahren ohnehin nach einer verhältnismäßigen Lösung sucht. Dabei wird für die anstehenden Entscheidungen von vielen Seiten starker Druck aufgebaut.

Die Belastung durch Partikel aus dem Dieselmotor für die menschliche Gesundheit stand viele Jahre im Zentrum der Forderungen zu Verbesserungen. Dieses Thema ist seit über zehn Jahren gelöst durch den Einbau von Partikel­filtern [1]. Zunehmend haben aber die Stickoxide (NO und NO2) die Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Für deren Reduzierung ist bei Dieselmotoren eine besonders aufwendige Abgasreinigung erforderlich. Dieselfahrzeuge nach dem aktuell gültigen Euro-6-Standard haben auch im realen Fahrbetrieb deutlich geringere Stickoxidemissionen als die entsprechenden Vorgängerfahrzeuge. Die Stickoxidemissionen liegen allerdings – bis auf wenige Ausnahmen – noch deutlich über dem Niveau der Benzinfahrzeuge. Es gibt aber bereits heute Dieselfahrzeuge im Markt, die auch im realen Fahrbetrieb vergleichbare Stickoxidemissionen aufweisen wie Benzinfahrzeuge. Aufgrund der veränderten regulatorischen Randbedingungen wird dies mittelfristig auch für alle Dieselneufahrzeuge der Fall sein.

Umweltpolitische Vorgaben für den Jahresmittelwert für Stickstoffdioxid werden an manchen verkehrsnahen Messstellen (Hot Spots) nicht eingehalten. Mehrere Maßnahmen, z. B. die Blaue Plakette, werden diskutiert und gefordert, um schnellstmöglich die Belastung zu senken und die entsprechenden Immissionsgrenzwerte (oder Luftqualitätswerte) einzuhalten.

Fach- und Beratungsgremien bewerten die gesundheitliche Bedeutung dieser Schadstoffe, so z. B. der Ausschuss für Gefahrstoffe (AGS) des Bundesministeriums für Arbeit und Soziales für NO, NO2 und Dieselmotoremissionen (DME). Einen Beitrag hierüber plant die Kommission Reinhaltung der Luft in dieser Zeitschrift für Herbst 2017.

2 Einfluss von Emissionsminderungen im Verkehr auf die Ergebnisse von Immissionsmessungen

Die Berechnung der Auswirkung einer emissionsmindernden Maßnahme auf die Immission in der Umgebung ist außerordentlich komplex, da hierzu die wetterabhängigen Transport- und Umwandlungsprozesse in der Atmosphäre modelliert werden müssen. Diese Berechnungen sind jedoch nicht Gegenstand dieser Arbeit.

Stattdessen wird hier abgeschätzt, welche Emissionsreduktionen durch die gesetzlichen Grenzwerte für Neufahrzeuge erwartet werden können und ob daraus auch entsprechende Immissionsreduktionen resultieren.

Die Betrachtung wird zur Vereinfachung auf den Beitrag von Pkw, Lkw und Bussen beschränkt. Dazu wird die erwartete Emissionsreduktion relativ zu einem Startwert von 1997 dargestellt im Vergleich zur Entwicklung der ebenfalls auf 1997 normierten Immissionen.

Bei der Betrachtung der Auswirkung von Luftschadstoffen im Dieselabgas wurde bisher meist die als PM10 gemessene Feinstaub­immission herangezogen. Entsprechend ihrer Herkunft und mit Berücksichtigung der medizinischen Wirkung der Feinstaubemission [2] werden die Inhaltsstoffe des Feinstaubs in wasserlösliche und wasserunlös­liche Komponenten sowie in Komponenten organischen mineralischen Ursprungs unterteilt. Die Tabelle zeigt die mittlere Zusammensetzung von Feinstaub in Städten.

Mittlere Feinstaubzusammensetzung aus zehn Großstädten in Deutschland [3].

Mittlere Feinstaubzusammensetzung aus zehn Großstädten in Deutschland [3].

Dieser Feinstaub enthält neben Ruß vor allem mineralische Stäube und wasserlös­liche Ammoniumverbindungen sowie organische Stäube aus natürlichen Quellen. Da die orga­nischen Stäube bei höherer Temperatur (bis 600 °C) weitgehend zersetzbar sind, lassen sie sich vom eigentlichen Ruß unterscheiden. Beispielhaft wurde die Feinstaub­immission durch das Landesamt für Natur-, Umwelt- und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen (LANUV) im Zeitraum von 2000 bis 2015 an jährlich mehr als 100 Proben aus der verkehrsreichen Corneliusstraße in Düsseldorf untersucht (Bild 1).

Bild 1. Feinstaub-Immission an verkehrsreicher städtischer Straße [4]; Ruß als Elemental Carbon (EC); Düsseldorf, Corneliusstraße; OC: organic carbon. Quelle: FEV Europe GmbH

Bild 1. Feinstaub-Immission an verkehrsreicher städtischer Straße [4]; Ruß als Elemental Carbon (EC); Düsseldorf, Corneliusstraße; OC: organic carbon.

Foto: FEV Europe GmbH

Die hohe Anzahl an Proben gibt dem aus diesen Untersuchungen abgeleiteten Trend eine große statistische Relevanz, auch wenn sich die absoluten Mengen im Vergleich zu anderen Orten unterscheiden mögen. Der Bezug der gemessenen Immission zur Emissionsquelle des Straßenverkehrs ist an dieser Stelle aufgrund der geringen Anzahl weiterer Quellen aus Industrie oder aus Heizungen gegeben.

Die insgesamt abgeschiedene Feinstaubmenge im Zeitraum von 2000 bis 2015 nimmt um ca. 40 % von etwa 45 auf 25 mg/m³ ab. Aus diesen Proben wurde der Anteil an orga­nischem (OC) und elementarem (EC) Kohlenstoff gemessen.

Generell wird gezeigt, dass der auf die verkehrsbedingte Rußemission rückführbare Anteil des Feinstaubs an EC kleiner als 20 % der gesammelten Feinstaubmenge ist. Unabhängig von der Frage der Schädlichkeit von Rußpar­tikeln ist hiermit gezeigt, dass eine Verknüpfung der Feinstaubbelastung mit der Rußemission aus dem Straßenverkehr nicht sinnvoll ist. Die relative Abnahme der Ruß­immission übersteigt die Abnahme der Feinstaubimmission deutlich. Die als EC bestimmte Rußimmission nahm im gleichen Zeitraum von 2000 bis 2015 um 70 % von 7,5 auf 2,3 g/m³ ab. Andere Feinstaubemissionen des Straßenverkehrs, wie Abrieb von Straße, Reifen und Bremsen sowie Aufwirbelung, sind nicht spezifisch den Dieselfahrzeugen zuzuordnen.

Neben der Feinstaubimmission wurde auch die NOx-Immission in mehr als 20 Städten im Ruhrgebiet und Rheinland abseits der Hauptverkehrsstraßen untersucht. Diese Werte wurden mit den Messungen an verkehrs­reichen Straßen sowie mit Messungen in höhergelegenen Waldgebieten verglichen (Bilder 2 und 3).

Bild 2. NOx-Immissionsmessung in Ortschaften an Rhein und Ruhr [4]; Mittelwert von 23 Orten; Wald: Eifel und Rothaargebirge. Quelle: FEV Europe GmbH

Bild 2. NOx-Immissionsmessung in Ortschaften an Rhein und Ruhr [4]; Mittelwert von 23 Orten; Wald: Eifel und Rothaargebirge.

Foto: FEV Europe GmbH

Bild 3. NOx-Immissionsmessung an innerstädtischen Hauptstraßen [4]; A: Essen-Ost, Steeler Straße; B: Düsseldorf, Corneliusstraße; Aachen, Wilhelmstraße; Essen, Gladbecker Straße. Quelle: FEV Europe GmbH

Bild 3. NOx-Immissionsmessung an innerstädtischen Hauptstraßen [4]; A: Essen-Ost, Steeler Straße; B: Düsseldorf, Corneliusstraße; Aachen, Wilhelmstraße; Essen, Gladbecker Straße.

Foto: FEV Europe GmbH

Es ist auffällig, dass die Abnahme der NOx-Immission (Summe von NO und NO2) im Zeitraum von 2000 bis 2015 deutlich geringer ausfällt als die Abnahme der als EC gemessenen Rußimmission. In den Wohngebieten nimmt sie um etwa 25 % von 45 auf 35 μg/m³ ab. Dabei beträgt die Abnahme der wesent­lichen Schadstoffkomponente NO2 sogar nur 15 %. An sehr verkehrsreichen Standorten wurden etwa 110 μg/m³ gemessen, und eine signifikante Abnahme deutet sich erst seit 2008 an. Verglichen damit hat sich die NOx-Immission in den Waldgebieten auf niedrigem Niveau von 14 auf 6 μg/m³ in etwa halbiert. Dort besteht sie beinahe ausschließlich aus NO2, da während des Transports der Schadstoffe offensichtlich genügend Zeit für die fotochemische Um­wandlung zur Verfügung stand.

Die Entwicklung der Grenzwerte für Emissionen von Pkw und Nutzfahrzeugen (Bild 4) lässt eine erheblich stärkere Reduktion der Schadstoffimmission erwarten.

Bild 4. Entwicklung der Grenzwerte für Partikelmasse und NOx [5; 6]; normiert auf die Grenzwerte aus EU 1 von 1992. Quelle: FEV Europe GmbH

Bild 4. Entwicklung der Grenzwerte für Partikelmasse und NOx [5; 6]; normiert auf die Grenzwerte aus EU 1 von 1992.

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Diese tritt allerdings erst mit Verzögerung in Abhängigkeit von der Lebensdauer der genutzten Fahrzeuge ein.

Zur Veranschaulichung dieser Entwicklung wurde die Anzahl aller angemeldeten Diesel-Pkw sowie aller Lkw und Busse [7; 8] mit den Emissionsgrenzwerten für NOx multipliziert, für den Zeitraum 1997 bis 2015 aufgetragen und bis zum Jahr 2020 extrapoliert (Bild 5).

Bild 5. Entwicklung der NOx-Emissionen unter der Annahme, die für den Neuen Europäischen Fahr­zyklus (NEDC) gültigen Grenzwerte wären auch im realen Fahrbetrieb gefordert. Beitrag der Pkw-Emissionsklassen zur gesamten NOx-Emission; normiert auf die Emission, die sich ergäbe, wenn zum Zeitpunkt der Einführung der EU-2-Norm 1997 alle Fahrzeuge die EU-1-Norm erfüllt hätten. Quelle: FEV Europe GmbH

Bild 5. Entwicklung der NOx-Emissionen unter der Annahme, die für den Neuen Europäischen Fahr­zyklus (NEDC) gültigen Grenzwerte wären auch im realen Fahrbetrieb gefordert. Beitrag der Pkw-Emissionsklassen zur gesamten NOx-Emission; normiert auf die Emission, die sich ergäbe, wenn zum Zeitpunkt der Einführung der EU-2-Norm 1997 alle Fahrzeuge die EU-1-Norm erfüllt hätten.

Foto: FEV Europe GmbH

Diese Darstellung wurde normiert auf die Emission, die sich ergibt, wenn 1997 – zum Zeitpunkt der Einführung der Abgasnorm Euro 2 (EU 2) – bereits alle Fahrzeuge die EU-1-Norm erfüllt hätten. Wird unterstellt, dass sich die Nutzungsweise der Fahrzeuge in dem dargestellten Zeitraum nicht wesentlich geändert hat, dann lässt sich daraus der erwartete Trend für den Beitrag jeder Emissionsklasse zur Reduktion der Emission aller Fahrzeuge ablesen. Der so bestimmte Trend fällt geringer aus, als es aus der ersten Betrachtung der gesetz­lichen Grenzwerte erwartet werden konnte, da sich die Anzahl der angemeldeten Diesel-Pkw während des Untersuchungszeitraums nahezu verdreifacht hat.

Ebenso wurde die Partikelemission (PM) für die Summe der Pkw aus den jeweiligen Emissionsklassen dargestellt (Bild 6).

Bild 6. Beitrag der Pkw-Emissionsklassen zur gesamten PM-Emission; normiert auf die Emission, die sich ergäbe, wenn zum Zeitpunkt der Einführung der EU-2-Norm 1997 alle Fahrzeuge die EU-1-Norm erfüllt hätten. Quelle: FEV Europe GmbH

Bild 6. Beitrag der Pkw-Emissionsklassen zur gesamten PM-Emission; normiert auf die Emission, die sich ergäbe, wenn zum Zeitpunkt der Einführung der EU-2-Norm 1997 alle Fahrzeuge die EU-1-Norm erfüllt hätten.

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Die Kurve für die Emission aller EU-1-Fahrzeuge hat aufgrund der Normierung auf die EU-1- Emission die gleiche Form wie in Bild 5 für die NOx-Emissionen. Die Partikelemission eines Dieselmotors besteht im Wesent­lichen aus Ruß mit seiner charakteristischen schwarzen Farbe und daran angelagerten Kohlenwasserstoffen. Die Verfügbarkeit des geschlossenen Wandstromfilters mit sehr hohem Abscheidewirkungsgrad für den Ruß ermöglichte eine schnellere Reduktion der Grenzwerte verglichen mit den Grenzwerten der NOx-Emission (Bild 4). Dies zeigt sich in der geringen Partikelemission der Emissionsklassen ab EU 5a, die aufgrund des Grenzwertes für die Partikelanzahl einen Partikelfilter erfordern.

Die Summe der in Bild 5 und Bild 6 dargestellten Verläufe für die einzelnen Emissionsklassen ergibt den Verlauf der bei Einhaltung der Grenzwerte erwarteten Emissionen aller Fahrzeuge. Dieser Verlauf wurde für Pkw und Nutzfahrzeuge getrennt ausgewertet [7; 8], da die mittlere Emission je Nutzfahrzeug aufgrund der intensiveren Nutzung anders als die Emission je Pkw gewichtet werden muss.

Der Verlauf dieser Summe ist wie in den Bildern 5 und 6 als Verhältnis zu der Emission dargestellt, die sich ergibt, wenn 1997 alle gemeldeten Fahrzeuge die EU-1-Abgasnorm erfüllt hätten (Bild 7).

Bild 7. Entwicklung der Immission von Ruß als EC aus Feinstaub und die Partikelemission (PM) aus Pkw, Lkw und Bussen; normiert auf Werte von 1997 (Einführung der EU-2-Abgasnorm). Quelle: FEV Europe GmbH

Bild 7. Entwicklung der Immission von Ruß als EC aus Feinstaub und die Partikelemission (PM) aus Pkw, Lkw und Bussen; normiert auf Werte von 1997 (Einführung der EU-2-Abgasnorm).

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Diese Entwicklung wird mit der oben beschriebenen Immissionsmessung von Ruß als EC ver­glichen. Dabei wurde auch die Immissionsmessung auf den (extrapolierten) Wert von 1997 normiert.

Sowohl die für Pkw und Nutzfahrzeuge erwartete Emission als auch die gemessene Immission nehmen mit ähnlichem Gradienten ab. Dies ist das erwartete Ergebnis, wenn davon ausgegangen wird, dass die Rußemission von Dieselmotoren 1997 die wesentliche Ursache für den Anteil des gemessenen EC an der Feinstaubimmission war. Dieses Ergebnis ist glaubwürdig angesichts der Tatsache, dass sich die Emission von Ruß mit Einführung des Dieselpartikelfilters für Neufahrzeuge nahezu auf null reduziert hat. Der Wirkungsgrad des geschlossenen Dieselpartikelfilters ist unabhängig von Fahrweise oder Testbedingung. Nur unmittelbar nach der Regeneration wird eine leichte Abnahme des Wirkungsgrades beobachtet.

Die gemessenen Emissionen entstammen im Wesentlichen dem Altbestand der Fahrzeuge, die noch nicht mit einem geschlossenen Partikelfilter ausgerüstet sind. Die Abnahme der Immission ist daher unmittelbar auf die Abnahme des Bestandes an alten Dieselfahrzeugen zurückzuführen. Die Beobachtung, dass die Abnahme der Rußimmission mit der Abnahme der Anzahl der Altfahrzeuge korreliert, lässt den Schluss zu, dass die Alt­fahrzeuge die ihrer Emissionsklasse ent­sprechenden Grenzwerte im Wesentlichen einhalten. Weiterhin lassen sich aus dieser Darstellung keine Anhaltspunkte dafür finden, dass es an Hauptverkehrsstraßen erhebliche Emissionsquellen gibt, die über das in den Emissionsgrenzwerten festgelegte Maß hinaus Rußpartikel emittieren.

Analog zur Entwicklung der Partikelemission wird die Entwicklung der NOx-Emission mit der gemessenen Immission verglichen (Bild 8).

Bild 8. Entwicklung der NOx-Emission und -Immission von Pkw, Lkw und Bussen; normiert auf Werte von 1997 (Einführung der EU-2-Abgasnorm). Quelle: FEV Europe GmbH

Bild 8. Entwicklung der NOx-Emission und -Immission von Pkw, Lkw und Bussen; normiert auf Werte von 1997 (Einführung der EU-2-Abgasnorm).

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Für den Zeitraum zwischen 2000 und 2005 wurde trotz der in Bild 4 dargestellten Reduktion der Grenzwerte eine Zunahme der gesamten Emissionen der Pkw abgeschätzt. Diese Zunahme beruht darauf, dass die Anzahl der Neuzulassungen für Diesel-Pkw der Emissionsklasse EU 3 in dieser Periode stark anstieg und die Reduktion der NOx-Grenzwerte überkompensierte.

Die erwartete Abnahme der Emissionen fällt für Lkw und Busse etwas steiler aus als die erwartete Abnahme für Pkw. Der bei den Immissionen (vgl. auch [9]) gemessene Trend deckt sich mit diesen Erwartungen, wenn man den gesamten Zeitraum von 1997 bis 2015 betrachtet. Zwischen 1999 und 2007 liegen die gemessenen Immissionen etwas unter den hier abgeschätzten Erwartungen. Diese Abweichung resultiert möglicherweise aus dem Beitrag der Ottomotoren zur Reduktion der NOx-Emission, der dabei nicht vernachlässigt werden darf. Die tatsächlichen NOx-Emissionen der Ottomotoren liegen jedoch deutlich unter den bis 2000 geltenden Grenzwerten für NOx + Kohlenwasserstoffe. Daher wird angenommen, dass der wesentliche Beitrag der Ottomotoren zur Reduktion der NOx-Emission bereits vor dem dargestellten Untersuchungszeitraum stattgefunden hat.

Für die zur Zertifizierung eines Pkw erforderlichen Typ­prüfungen gilt seit 1992 der Neue Europäische Fahrzyk­lus (NEDC), der so gestaltet ist, dass er der innerstädtischen Fahrweise eine hohe Bedeutung einräumt (Bild 9).

Bild 9. Geschwindigkeitsprofile der Prüfzyklen für Dieselmotoren. Quelle: FEV Europe GmbH

Bild 9. Geschwindigkeitsprofile der Prüfzyklen für Dieselmotoren.

Foto: FEV Europe GmbH

Diese Zertifizierung hat zur Folge, dass der Fahrbetrieb nach Kaltstart bei niedriger Temperatur und bei geringer Last ein hohes Gewicht bei der Optimierung der Emissionen hat. Die Reduktion der Emission bei höherer Last, beispielsweise auf Schnellstraßen, bekommt aufgrund des Testverfahrens erst Bedeutung, wenn Motor und Abgasanlage bereits warm gefahren sind. Die reale Fahrweise weicht häufig von diesen Testbedingungen ab und führt – insbesondere, wenn höhere Last kurz nach Kaltstart gefahren wird – zu höheren Emissionen als im zertifizierten Fahrzyklus.

3 Einfluss des Testverfahrens auf die Abgasemission

Die Abweichung der Emissionen im normalen Fahrbetrieb von den Emissionen im NEDC hat 2007 dazu geführt, dass mit der Entwicklung der Worldwide Harmonized Light-Duty Vehicles Test Procedure (WLTP) für ein überarbeitetes Prüfverfahren begonnen wurde. Das Ziel dieser Entwicklung besteht darin, einen Test auszuarbeiten, der das weltweit durchschnittliche Fahrverhalten abbildet (Bild 9).

Ab September 2017 wird in der Abgasnorm EU 6d der Worldwide Harmonized Light-Duty Vehicles Test Cycle (WLTC) als Fahrzyklus für die Emissionszertifizierung eingeführt. Neben einer größeren Fahrdynamik während dieses Tests wird auch ein größerer Motorbetriebsbereich abgefragt (Bild 10).

Bild 10. a) Motorbetriebspunkte im WLTC- und im NEDC-Test, b) Ursache für den Anstieg der Motor-Rohemission von NEDC-Test zum WLTC-Test. Quelle: FEV Europe GmbH

Bild 10. a) Motorbetriebspunkte im WLTC- und im NEDC-Test, b) Ursache für den Anstieg der Motor-Rohemission von NEDC-Test zum WLTC-Test.

Foto: FEV Europe GmbH

Messungen zum Vergleich der Motorrohemission während eines NEDC und eines WLTC zeigen einen Anstieg auf die 2,2-fache Emission, wenn ein WLTC mit einem Fahrzeug gefahren wird, das auf den NEDC optimiert wurde (hier dargestellt als Mittelwert von drei Fahrzeugen aus Gewichtsklassen zwischen 1 460 und 1 750 kg). Dieser Anstieg setzt sich zusammen aus einem Teil, der aus der höheren Fahrdynamik resultiert, und einem weiteren Teil, der aus den Betriebspunkten außerhalb des NEDC-Bereichs resultiert. Dieser Erhöhung muss ab Einführung der EU-6d-Abgasnorm durch zusätz­liche technische Maßnahmen entgegengewirkt werden. Da die Wirksamkeit von Katalysatoren stark von der Temperatur abhängt, ergibt sich ein Teil dieser Kompensation aus dem Test selbst, der durch die leicht erhöhte mittlere Abgastemperatur einen höheren Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlung ermöglicht. Dieser Effekt ist allerdings stark von der gewählten Technologie der Abgasnachbehandlung abhängig. Insgesamt erfordert der Übergang vom NEDC zum WLTC ein Absenken der Emissionen im normalen Fahrbetrieb um etwa 50 % für alle Neufahrzeuge.

Neben Dynamik und Motor-Betriebsbereich hat vor allem die Umgebungstemperatur einen wesentlichen Einfluss – sowohl auf die Motorrohemission als auch auf die Wirksamkeit der Abgasnachbehandlung. Im Jahresmittel liegt die Temperatur morgens, wenn die meisten Autos gestartet werden, deutlich unter der für die NEDC-Tests vorgegebenen Temperatur von etwa 22 °C. Daher muss als zusätz­liches Prüfkriterium im WLTC bei -7 °C Umgebungstemperatur die Funktionsfähigkeit der Abgasrückführung (AGR) zur innermotorischen NOx-Minderung und die Funktionsfähigkeit der Abgasnachbehandlung nach begrenzter Aufheizzeit nachgewiesen werden.

Trotz dieser zusätzlichen Tests bei der Typgenehmigung hat auch der WLTC Schwächen, die daraus resultieren, dass er als vereinheitlichter Test in einem geschlossenen Prüfstandsgebäude abgenommen werden soll. Insbesondere die Aufheizung der Abgasanlage wird erschwert durch die Anordnung der Testphasen von niedriger zu langsam steigender Geschwindigkeit. Außerdem wird beispielsweise nicht geprüft, wie sich die Emissionen bei Änderung des Luftdrucks oder auf Steigungsstrecken verhalten. Stark motorisierte Fahrzeuge erreichen im Testzyklus nur einen Bruchteil ihrer maximalen Leistung. Die in Bild 10 gezeigten Messungen beispielsweise enthalten auch für den WLTC keine Betriebspunkte bei Drehzahlen oberhalb von 2 300 U/min. Im realen Fahrbetrieb ist jedoch zu erwarten, dass sich die Betriebsweise eines Fahrzeugs zu einem gewissen Anteil an seiner Motorleistung orientiert.

Daher wird die Einhaltung der Grenzwerte für NOx und Partikelanzahl (PN) zukünftig auch im realen Straßenverkehr mittels PEMS-Messtechnik (PEMS = Portable Emission Measurement System) überprüft werden. Mit diesen RDE-Tests (RDE = Real Driving Emissions) soll nachgewiesen werden, dass das Fahrzeug die am Prüfstand gemessenen Emissionen auch unter den Bedingungen einer realen Fahrt mit Steigungen, in Höhen bis 1 300 m und in einem weiten Temperaturbereich (von -7 bis 35 °C) einhalten kann. Solche RDE-Tests werden ab September 2017 für neue Typzulassungen eingeführt werden. Bis spätestens September 2019 müssen dann alle Erstzulassungen die RDE-Anforderungen innerhalb einer an die Messgenauigkeit des PEMS angepassten Toleranz von ± 50 % erfüllen (Konformitätsfaktor = 1 + 0,5 Messtoleranz). Für die NOx-Emission ist vorübergehend bis 2020 (neue Typzulassungen bis 2019) ein Konformitätsfaktor von 2,1 erlaubt. Das bedeutet, dass ab 2020 kein Fahrzeug mehr zugelassen werden darf, für das nicht garantiert ist, dass es während seiner nominalen Lebensdauer von 160 000 km die WLTP-Emissionsgrenzwerte für NOx und PN unter realen Fahrbedingungen ebenfalls einhält.

Der Betrieb des Fahrzeugs im realen Straßenverkehr wird von einer Vielzahl verschiedener Faktoren beeinflusst, beispielsweise vom Fahrstil des Fahrers, den Verkehrsbedingungen und den klimatischen Bedingungen. Zwar gibt die RDE-Gesetzgebung gewisse Randbedingungen, wie z. B. die maximale Stillstandszeit des Fahrzeugs im Zyklus, vor, um zu vermeiden, dass extreme, nicht repräsentative Verkehrssituationen ausgeschlossen werden. Diese Randbedingungen sind jedoch so weit gefasst, dass dennoch Tests im realen Straßenverkehr durchgeführt werden können. Da sich jeder RDE-Test vom anderen unterscheidet, ist eine direkte Vergleichbarkeit der Testergebnisse nicht möglich. Veröffentlichte Ergebnisse von RDE-Untersuchungen an aktuellen Euro-6-Fahrzeugen zeigen allerdings eine enorme Streuung der NOx-Emissionen, aus der ersichtlich wird, dass aktuell noch viele Fahrzeuge angeboten werden, deren Emissionsverhalten im Wesent­lichen auf den NEDC abgestimmt wurde. Zum anderen ist aber auch erkennbar, dass schon jetzt einige Fahrzeuge im Markt verfügbar sind, die ein niedriges Streuband an NOx-Emissionen aufweisen. Bild 11 zeigt beispielhaft Messungen des Joint Research Centers (JRC) von September 2015 an 36 verschiedenen Euro-6-Diesel-Pkw, mit denen insgesamt 234 Tests durchgeführt wurden.

Bild 11. Messungen des Joint Research Centers (JRC) an 36 Euro-6-Diesel-Pkw im realen Straßen­verkehr [10]. Quelle: FEV Europe GmbH

Bild 11. Messungen des Joint Research Centers (JRC) an 36 Euro-6-Diesel-Pkw im realen Straßen­verkehr [10].

Foto: FEV Europe GmbH

Die mittlere NOx-Emission der einzelnen Fahrzeuge liegt dabei zwischen ca. 60 und 600 mg/km. Darüber hinaus zeigen die schwarzen Fehlerbalken, dass je nach Fahrweise eine sehr große Streuung der NOx-Emissionen eines einzelnen Fahrzeugs auftritt.

4 Technologien zur Erfüllung niedrigster Abgas­emissionen

Die heute verwendeten Dieselpartikelfilter entfernen den schwarzen schwerflüchtigen Rußbestandteil der Partikelemission nahezu vollständig und unabhängig von den Betriebsbedingungen des Motors. Ein Anstieg der Partikelrohemission des Motors wirkt sich nicht in einer Erhöhung der Partikelemission nach Filter in die Umwelt aus, sondern vor allem durch einen erhöhten Kraftstoffbedarf für die Regeneration des Partikelfilters. Die innermotorische NOx-Bildung lässt sich durch Erhöhung der AGR-Rate infolge sinkender Verbrennungstemperatur und abnehmenden Sauerstoffangebots verringern. Das sinkende Sauerstoffangebot führt zu vermehrter Rußbildung und die sinkende Temperatur zu erhöhtem Ausstoß unverbrannter Kohlenwasserstoffe infolge abnehmender Verbrennungsstabilität. Kohlenwasserstoffe und Ruß können zur Ver­sottung des Abgassystems führen. Ablagerungen von Ruß, Asche und Kohlenwasserstoffen können die Leistung des AGR-Kühlers reduzieren, das AGR-Ventil verblocken oder die Wirksamkeit des Oxidationskatalysators reduzieren. Dadurch und durch mangelnde Verbrennungsstabilität ist die maximal mögliche AGR-Rate beschränkt, und die zurzeit durch die AGR erreichbare Minderung der NOx-Emission ist nicht ausreichend, um die EU-6d-Norm zu erfüllen. Aus diesem Grund ist eine Komponente zur Stickoxidreduktion neben dem Partikelfilter im Abgassystem moderner Fahrzeuge erforderlich. Da diese Komponenten je nach verwendeter Technologie eine Mindesttemperatur von etwa 120 bis 180 °C benötigen, ist die AGR zusätzlich für die Kaltstartphase bis zur hinreichenden Erwärmung des Abgassystems erforderlich. Bei warmer Abgasanlage er­geben sich Freiheiten zur Optimierung von Kraftstoffverbrauch bzw. CO2-Ausstoß durch Reduktion der Rußbildung, sofern der Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlung die dabei ansteigende NOx-Emission auffangen kann.

Bei der vorgegebenen niedrigsten NOx-Emission besteht die Freiheit bei der Auswahl der dazu erforderlichen Technologie vor allem im Ausloten einer vernünftigen Balance zwischen Produktionskosten (innermotorische NOx-Reduktion, Abgasnachbehandlung) und CO2-Emission bzw. Verbrauchskosten (Kraftstoff, Harnstofflösung).

Ein Hebel zur Senkung der Produktionskosten ohne Er­höhung der Verbrauchskosten besteht in der Verbesserung der Motorsteuerung, insbesondere durch genauere Steuerung dynamischer Laständerung sowie in einer genauen Abstimmung der Motorrohemission auf die Effizienz der Abgasnachbehandlung in Abhängigkeit von Fahrsituation und Temperatur der Abgasanlage.

Die innermotorische NOx-Minderung wird wesentlich durch die Kombination von Hochdruck-AGR (Rückführung vor Turbolader) und Niederdruck-AGR (Rückführung nach Partikelfilter) verbessert. Der Vorteil der Niederdruck-AGR besteht vor allem darin, dass das Abgas nach Partikelfilter frei von Komponenten ist, die zur Versottung führen, und besser gekühlt werden kann. Die Hochdruck-AGR wird vor allem als ungekühlte AGR in der Kaltstartphase und bei niedriger Last benötigt, um die Verbrennungsstabilität auch bei höheren AGR-Raten zu erhalten. Der Motorsteuerung kommt die Aufgabe zu, das Zusammenspiel zwischen Turbo­lader, Hochdruck- und Niederdruck-AGR in Abhängigkeit vom aktuellen Motorbetrieb optimal zu gestalten. Dabei müssen zusätzliche Randbedingungen, wie die thermische Belastbarkeit von Bauteilen, Grenzen der Turbo­laderdrehzahl und die Vermeidung von Kondenswasser­bildung (zum Schutz von Verdichter und Zylinder), berücksichtigt werden.

Durch modellbasierte Steuergerätefunktionen werden die Regelung des Luftpfads und die Kalibrierung der enthaltenen Komponenten erheblich verbessert. Bild 12 zeigt ein Beispiel für die bei der Fa. FEV entwickelte Luftpfadregelung, bei der die NOx-Rohemission des Motors direkt als Sollgröße verwendet wird und die Stellgrößen für die AGR-Kreise und das Aufladesystem mittels Füllungs- und Turboladermodell so gesetzt werden, dass die gewünschte NOx-Rohemission möglichst schnell erreicht wird.

Bild 12. Modellbasierte Luftpfadregelung kompensiert den Einfluss der Umgebungstemperatur und reduziert den Einfluss des Transientbetriebs auf die NOx-Rohemissionen. Quelle: FEV Europe GmbH

Bild 12. Modellbasierte Luftpfadregelung kompensiert den Einfluss der Umgebungstemperatur und reduziert den Einfluss des Transientbetriebs auf die NOx-Rohemissionen.

Foto: FEV Europe GmbH

Gegenüber konventionellen AGR-Raten- oder Luftmassenregelungen kann damit eine deutliche Reduktion der NOx-Rohemissionen im Transientbetrieb erreicht werden, während die Rußemissionen nur moderat ansteigen. Auch der Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Rohemissionen kann ohne aufwendige Kalibrierung von Korrekturfunktionen durch die modellbasierte Regelung kompensiert werden.

Der wachsende Trend zur Elektrifizierung von Ver­brennungsmotoren durch die Einführung von 48-V- oder Hochvolt-Bordnetzen bietet neue Freiheitsgrade zur weiteren Absenkung der Motorrohemissionen. Zum einen wird der Betriebsbereich des Verbrennungsmotors verkleinert, weil bei kurzzeitiger Lastanforderung der Elektromotor zusätzlich unterstützt und weil je nach Hybridkonzept sogar vollständig elektrisches Fahren in bestimmten Betriebsbereichen möglich ist. Zum anderen kann bei Verwendung eines elektrischen Zusatzverdichters der verzögerte Ladedruckaufbau („Turboloch“) des konventionellen Abgas­turbo­laders kompensiert werden, was im dynamischen Betrieb dazu führt, dass die AGR schneller eingeleitet werden kann und somit NOx-Spitzen erheblich abgesenkt werden.

Eine Vergrößerung des Gasvolumens vor Turbolader führt ebenso wie eine Vergrößerung des Turboladers selbst zu einer weiteren Verzögerung des Ladedruckaufbaus. Wird diese Verzögerung durch den elektrisch unterstützen Turbolader kompensiert, eröffnet sich sowohl die Möglichkeit, größere Turbolader mit besserem Wirkungsgrad zu verwenden, als auch die Möglichkeit, ein größeres Volumen vor Turbolader zum Einbau von Abgasreinigungskomponenten zu verwenden. Diese erreichen dann ihre Wirksamkeit aufgrund der höheren Temperatur des Abgases vor Turbolader erheblich eher als beim Einbau nach Turbo­lader. In den ersten Euro-6-Fahrzeugen wurde in den meisten Fällen ein motornah angeordneter NOx-Speicherkatalysator (NSK) verwendet oder alternativ ein im Unterboden installierter SCR-Katalysator mit Harnstoffeinspritzung (Erläuterungen siehe Kasten). Während der NSK im niedrigen Abgastemperaturbereich hohe NOx-Reduktionsraten erreicht, ist der SCR-Katalysator im mittleren und hohen Temperaturbereich sehr wirksam. Beides ist jedoch Bedingung für die Erfüllung niedriger NOx-Emissionen unter allen relevanten Betriebsbedingungen, wie für EU 6d gefordert. Die Beschichtung des DPF-Zeolithen zur SCR (SDPF) ermöglicht eine motornahe Anordnung und damit eine schnellere Aufheizung der SCR-Komponente als die Anordnung nach DPF unter Boden. Daher werden sich zuerst Systeme durchsetzen, bei denen ein motornaher Partikelfilter mit SCR-Beschichtung (SDPF) und Harnstoffeinspritzung eingesetzt wird. Für den niedriglastigen Betrieb und die Aufheizphase nach dem Start des kalten Motors kann zusätzlich der unmittelbar hinter dem Turbolader angeordnete NSK den konventionellen Oxidationskatalysator (DOC) ersetzen. Als Ergänzung zum SDPF ist ein weiterer SCR-Katalysator vorzusehen, der bei sehr hohen Abgastemperaturen den dann reduzierten Wirkungsgrad des SDPF kompensiert. Dazu ist die Harnstoffdosierung so weit zu er­höhen, dass stromab des SDPF genug Reduktionsmittel (NH3) vorhanden ist.

Im SCR-Katalysator wird eine mit der Temperatur abnehmende Menge an NH3 eingespeichert. Die hinreichende Füllung dieses Speichers ist Voraussetzung für die Effektivität des Katalysators. Gleichzeitig muss die eingespeicherte Menge so begrenzt werden, dass die bei Temperaturerhöhung aus dem Speicher entlassene Ammoniakmenge noch zur NOx-Reduktion verbraucht werden kann, da sie sonst emittiert wird.

Aufgrund der korrosiven Wirkung von NH3-haltigem Abgas ist bei Verwendung einer Niederdruck-AGR darauf zu achten, dass dies entweder stromab des SCR-Katalysators entnommen werden oder dass die mit rückgeführtem Abgas in Kontakt kommenden Materialien eine entsprechende Widerstandsfähigkeit aufweisen.

In Bild 13 ist das Ergebnis einer exemplarischen Simulation eines SUV in 30 verschiedenen RDE-Zyklen dargestellt.

Bild 13. Simulation eines SUV mit 2-l-Dieselmotor, HD/ND-AGR, NSK+SDPF+SCR in 30 verschiedenen RDE-Zyklen. Quelle: FEV Europe GmbH

Bild 13. Simulation eines SUV mit 2-l-Dieselmotor, HD/ND-AGR, NSK+SDPF+SCR in 30 verschiedenen RDE-Zyklen.

Foto: FEV Europe GmbH

Der 2 l große Dieselmotor des Fahrzeugs verfügt über gekühlte Hochdruck- und Niederdruck-AGR. Als Abgasnachbehandlung wird die Kombination aus NSK, SDPF und SCR (Bild 14, Mitte) verwendet.

Bild 14. Beispiele für hocheffiziente NOx-Nachbehandlungssysteme (LP-EGR: low pressure exhaust gas recirculation, Niederdruck-Abgasrückführung). Quelle: FEV Europe GmbH

Bild 14. Beispiele für hocheffiziente NOx-Nachbehandlungssysteme (LP-EGR: low pressure exhaust gas recirculation, Niederdruck-Abgasrückführung).

Foto: FEV Europe GmbH

Die Diagramme zeigen anschaulich, dass auch bei einer emissionstechnisch sehr anspruchsvollen Kombination aus schwerem Fahrzeug mit vergleichsweise kleinem Dieselmotor eine Einhaltung des ab 2020 gültigen NOx-Konformitätsfaktors von 1,0 sowohl im Gesamtzyklus als auch im separat zu betrachtenden Stadtanteil möglich ist. Die zusätzliche Toleranz für messtechnisch verursachte Abweichungen (+ 0,5 im Jahre 2020) wird bei dieser Simulation der Fahrzeugemissionen nicht betrachtet.

5 Ausblick

Aus den beschriebenen Zusammenhängen wird deutlich, dass mit der zukünftigen RDE-Gesetzgebung eine sehr wirksame Maßnahme für die Sicherstellung niedrigster NOx-Emissionen von Diesel-Pkw in allen relevanten Betriebsbedingungen eingeführt wird. Die Kombination verfügbarer Technologien zur Absenkung der Rohemissionen sowie zur Abgasnachbehandlung ermöglicht bereits heute die Einhaltung der anspruchsvollen zukünftigen Emissionsziele, sofern die Komponenten für den Betrieb unter den äußerst vielfältigen RDE-Randbedingungen ausgelegt sind [11].

Weiteres Potenzial zur Erreichung niedrigster NOx-Emissionen bietet die Elektrifizierung in Form von Antriebsunterstützung, elektrischem Zusatzverdichter oder elek­trischer Beheizung des Abgassystems.

Darüber hinaus wird es zukünftig – beispielsweise durch vergleichende Fahrweganalyse oder durch GPS-Unter­stützung – möglich sein, in vorausschauender Weise die Regelung des Motors und der Abgasnachbehandlung auf ein optimales Emissionsverhalten einzustellen.

Komponenten einer Abgasanlage

DOC = Diesel-Oxidations-Katalysator zur Oxidation von Rest-Kohlenwasserstoffen und CO sowie zur Wärmeerzeugung beispielsweise für die DPF-Regeneration durch Anheben der Konzentration unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Rohabgas. LNT = Lean NOx Trap (NOx-Speicher-Katalysator) zum Speichern der NOx-Rohemission während des Normalbetriebs. Wird im Abstand von wenigen km Fahrstrecke durch Kraftstoff-Überdosierung regeneriert.

DPF = Diesel-Partikel-Filter zum Filtern von Ruß und angelagerten Komponenten aus der Rohemission des Dieselmotors. Wird regel­mäßig nach etwa 300 bis 1 000 km Fahrstrecke durch Erhitzen im sauerstoffhaltigen Abgasstrom regeneriert. SCR = Katalysator für die Selektive Katalytische Reduktion von NOx durch Ammoniak. SDPF = DPF, der mit der für die SCR-Reaktion wesentlichen kataly­tischen Komponente (meist Cu-Zeolith) beschichtet ist.

Schlupf-Katalysator = Nachgeschalteter Katalysator (bzw. Teil eines Katalysators), der den Durchbruch einer im katalytischen Verfahren benötigten bzw. gebildeten Substanz verhindert, z. B. für Schwefelwasserstoff aus dem LNT oder für Ammoniak aus dem SCR

Danksagung

Die Autoren danken herzlich den Experten der Fahrzeughersteller für ihre fachkundigen Auskünfte und Ratschläge.

 

 

Literatur

  1. Fiebig, M.; Wiartalla, A.; Kolbeck, A.; Kiesow, S.: Wechsel­wirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen mit dem Schwerpunkt auf Partikeln. Zbl. Arbmed. 63 (2013) Nr. 1, S. 4-22.
  2. Schulz, H.: Feinstaub: Gefahr für Lunge und Kreislauf? – Was gelangt in den Kreislauf und was macht es dort? Pneumologie 60 (2007), S. 611-615.
  3. Untersuchung zur Zusammensetzung des Feinstaubs in Hamburg und Schleswig Holstein. Bericht des Hamburger Instituts für Hygiene und Umwelt und des Staatlichen Umweltamtes Itzehoe, 2008.
  4. Kurzfassung der Jahreskenngrößen kontinuierlich gemessener Immissionskonzentrationen in NRW für die Jahre 1999 bis 2015; Jahreskenngrößen der Luftqualität in Nordrhein-West­falen PM10 und Inhaltsstoffe/PM2,5; Jahreskennwerte der Luftqualität in Nordrhein-Westfalen Ruß in PM10 für die Jahre 1999 bis 2015. Hrsg.: Landesamt für Natur-, Umwelt- und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen (LANUV), Recklinghausen. www.lanuv.nrw.de/umwelt/luft/immissionen/ berichte-und-trends/jahreskenngroessen-und-jahresberichte/
  5. Emissionsstandards für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge. Hrsg.: Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau. www.umweltbundesamt.de/themen/verkehr-laerm/emissionsstandards/pkw-leichte-nutzfahrzeuge
  6. Emissionsstandards für schwere Nutzfahrzeuge. Hrsg.: Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau. www.umweltbundesamt.de/themen/verkehr-laerm/emissionsstandards/schwere- nutzfahrzeuge
  7. Bestand an Kraftfahrzeugen und Kraftfahrzeuganhänge nach Fahrzeugalter, 1. Januar 2017 (FZ 15). Hrsg.: Kraftfahrt- Bundesamt, Flensburg 2017.
  8. Statisik: Neuzulassungen von Kraftfahrzeugen nach Umwelt-Merkmalen, Jahr 2015 (FZ 14). Hrsg.: Kraftfahrt-Bundesamt, Flensburg. www.kba.de/DE/Statistik/Nachrichten/2016/ Statistiken/fz_14_2015.html
  9. Immissionstrends. Hrsg.: Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden Würtemberg (LUBW), Karlsruhe. www4.lubw.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/17776/
  10. Collection of NOx emissions data – First preliminary results. Hrsg.: European Commission, Joint Research Centre (JRC), IET – Institute for Energy and Transport. Brüssel, Belgien 2015.
  11. Future of the diesel engine for passenger cars, chances, challenges and solutions. 12. Internationale Tagung Moto­rische Verbrennung – aktuelle Probleme und moderne Lösungsansätze. Ludwigsburg, 12.-13. März 2016.

Von G. Zimmermeyer, B. Lüers, B. Holderbaum

Prof. Dr. rer. nat. Gunter Zimmermeyer - Mitglied im Unterausschuss III des Ausschusses für Gefahrstoffe, Mülheim an der Ruhr.

Dr. rer. nat. Bernhard Lüers und Dr. Ing. Bastian Holderbaum - FEV Europe GmbH, Aachen.

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