Stickoxide: So tickt der Diesel


Die jĂŒngst ans Licht gekommenen BetrugsfĂ€lle mit manipulierten Abgaswerten haben das Vertrauen in den Dieselmotor erschĂŒttert. Böse Worte vom „Dirty Diesel“ machen die Runde, vom „schmutzigen Diesel“, den keiner mehr haben will.

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TEXT: Markus Gersthofer

 

Verfehlungen einzelner Hersteller freilich dĂŒrfen nicht dazu fĂŒhren, den Motor insgesamt zu verurteilen. „Nichts hat sich daran geĂ€ndert, dass der Diesel die effizienteste WĂ€rmekraftmaschine mit innerer Verbrennung ist. Seine bewĂ€hrte Technologie vereinigt in einzigartiger Weise Effizienz, Leistung, ZuverlĂ€ssigkeit und geringe Emissionen. Er lĂ€sst sich mit regenerativ erzeugten Kraftstoffen betreiben und hilft so, die Forderungen der globalen Wirtschaft zu erfĂŒllen.“ Dieser sinngemĂ€ĂŸ ĂŒbersetzte Satz stammt nicht etwa von Volkswagen, auch nicht vom Verband der Automobilindustrie in Deutschland, sondern vom Diesel-Technologie-Forum in der US-Hauptstadt Washington.
Ein großer und bisher als seriös bekannter Automobilhersteller trickst, um (zumindest amerikanische) Abgasvorschriften einzuhalten. Das ist Betrug – und dumm: So etwas kann nicht geheim bleiben, es beschĂ€ftigen sich einfach zu viele mit dem Thema. Volkswagen steht nicht nur in den USA vor einem Scherbenhaufen. Das „Diesel-Gate“ des zweitgrĂ¶ĂŸten Herstellers der Welt zeigt aber auch die Schwierigkeit, die Bestimmungen zu erfĂŒllen: In Europa, China, Japan gelten ganz unterschiedliche Grenzwerte. Die USA kennen sogar zwei verschiedene. In den meisten BundeslĂ€ndern gelten die „Bin“-Regeln der „Environmental Protection Agency“ (EPA). Kalifornien und einige weitere BundeslĂ€nder verlangen die wesentlich schĂ€rferen „TIER 1“ und „TIER 2“-Limits des Californian Air Resources Board (CARB). Scharfe Grenzwerte erhöhen die Kosten und den Verbrauch – beeintrĂ€chtigen also gerade die Paradedisziplin von Dieselmotoren.

SelbstzĂŒnder, so die einheitliche Meinung der europĂ€ischen Hersteller, sind unverzichtbar, um kĂŒnftige Verbrauchs- und Emissionsvorschriften einzuhalten. Kopfzerbrechen bereitet dabei insbesondere das CO2-Limit von 95 Gramm pro 100 Kilometer ab 2021 – entsprechend einem Kraftstoffverbrauch von 4,1 l/100 km beim Benzin- und von 3,6 l beim Dieselmotor. Letztere erreichen einen wesentlich höheren Wirkungsgrad und damit einen niedrigeren Verbrauch. Dieser wird zusĂ€tzlich dadurch gesenkt, weil in Dieselkraftstoff 13 Prozent mehr Energie stecken als in derselben Menge Benzin. Dieselmotoren haben dafĂŒr ihre speziellen, mittlerweile an jedem Stammtisch diskutierten Probleme: Sie belasten die Umwelt mit Ruß und Stickoxiden mehr als Benziner.

Ruß ist kein Thema mehr

Das Thema Ruß ist keines mehr. Seit langem besitzen Dieselfahrzeuge in Europa wie in den USA Partikelfilter. Sie fangen nahezu alle Rußteilchen aus dem Auspuff – die als schwarzer Qualm sichtbaren großen wie die fĂŒr die Gesundheit gefĂ€hrlicheren kleinen.

Die Kritik heute richtet sich vor allem gegen die Stickoxide. Sie reizen SchleimhĂ€ute und Atemwege, sie schĂ€digen Pflanzen und begĂŒnstigen Smog. Große Hitze lĂ€sst den bei Raumtemperatur reaktionstrĂ€gen Stickstoff in der Luft mit Sauerstoff reagieren – im Kraftwerk wie im Automotor. Erstere sind heute weitgehend „entstickt“. Bleibt der Motor – und hier vor allem der Diesel mit seinen hohen Verbrennungstemperaturen.

Den Stickoxiden aus dem Auspuffrohr – „NOx“ in der Fachsprache – ist schon lange der Kampf angesagt. Die ersten gesetzlichen Regelungen (bis Euro 4) ließen sich mit innermotorischen Maßnahmen erfĂŒllen, vor allem mit AbgasrĂŒckfĂŒhrung. Der Verbrennungsluft zugemischtes Abgas verdĂŒnnt die Ladung. Die Temperatur sinkt – und es bilden sich weniger Stickoxide.

FĂŒr Euro 5 und vor allem Euro 6 genĂŒgt AbgasrĂŒckfĂŒhrung nicht mehr (Ausnahmen wie Mazda bestĂ€tigen die Regel). Zwei wirksamere Verfahren streiten sich um die Gunst der AutokĂ€ufer und vor allem –hersteller: der Speicherkatalysator (amerikanisch Lean NOx Trap, LNT) und die selektive katalytische Reduktion SCR.

Der Speicherkat ist Ă€hnlich aufgebaut wie der Drei-Wege-Katalysator fĂŒr Benzinmotoren. Seine große, meist mit Bariumverbindungen beschichtete InnenflĂ€che bindet Stickoxide. Ist das Speichervermögen erschöpft, wird vorĂŒbergehend zusĂ€tzlicher Kraftstoff eingespritzt. Es entsteht Kohlenmonoxid, das die Stickoxide in Stickstoff und CO2 umwandelt. Je hĂ€ufiger der Speicher durch diese zusĂ€tzliche Einspritzung geleert werden muss, desto mehr steigt der Verbrauch. LNT beseitigt NOx im Abgas zudem nicht vollstĂ€ndig. Die schĂ€rfste europĂ€ische Abgasnorm Euro 6 lĂ€sst sich mit ihm nur mit kleinen Fahrzeugen und kleinen Motoren erfĂŒllen, die ohnehin einen geringen Stickoxidausstoß haben. DafĂŒr ist diese Lösung wartungsfrei und zumindest mit kleinem Speicher vergleichsweise preiswert. Kleine Speicher verlangen allerdings hĂ€ufigere Reinigung und damit zusĂ€tzlichen Kraftstoff. Eine manipulierte Software könnte die Reinigung verhindern und damit ungĂŒnstige Verbrauchswerte und dazu Kosten fĂŒr einen grĂ¶ĂŸeren Speicher vermeiden.

Sauberkeit kostet Kraftstoff

Ungleich grĂ¶ĂŸeren Aufwand verlangt die selektive katalytische Reduktion. In die heißen Auspuffgase wird (in Wasser gelöster) Harnstoff eingespritzt, gĂ€ngige Herstellerbezeichnung „Adblue“. Er zerfĂ€llt bei Hitze zu Ammoniak, das wiederum die Stickoxide in harmlosen Stickstoff und in Wasser aufspaltet. Das System besteht aus Tank, DĂŒsen, Pumpe, Leitungen, letztere mĂŒssen fĂŒr den Kaltstart bei Frost sogar beheizt werden. SCR ist kompliziert und teuer, sorgt aber zuverlĂ€ssig fĂŒr einen „cleanen“ Diesel – zumindest bei schwefelarmem Kraftstoff und warmgefahrenem Motor mit heißen Abgasen.

ZurĂŒck zu Volkswagen. Golf, Jetta und Beetle sind kompakt und leicht. Ihre von 2009 bis 2014 gebauten TDI-Versionen (nur diese sind betroffen) besitzen auch in den USA einen Speicherkat. 180 Milligramm NOx pro Kilometer, wie in der EU frĂŒher fĂŒr Euro 5 zugelassen, schafft er mit links – zumindest im „Neuen EuropĂ€ischen Fahrzyklus“, mit dem Verbrauch und Emissionen in der EU (noch) ermittelt werden. Der NEFZ bedeutet geringes Tempo, viel Stadtverkehr, viel Leerlauf – ideale VerhĂ€ltnisse fĂŒr den Speicherkat.

Die Amerikaner haben ihren eigenen FTP 75-Test mit höherem Tempo. Sie machen keine Unterschiede zwischen Benzin- und Dieselautos. Und erlauben fĂŒr beide nur 31 Milligramm NOx pro Kilometer: Der Speicherkat kommt an seine Grenzen. Auf der Straße, fernab der Idealbedingungen auf dem PrĂŒfstand, kann er darĂŒber hinaus kommen.

SCR wie im VW Passat hat mit den 31 Gramm zunĂ€chst keine Probleme. Aber: Die Amerikaner verlangen, dass der Adblue-Vorrat im Fahrzeug sicher bis zur nĂ€chsten Inspektion reicht. Nur die Werkstatt fĂŒllt nach. Mit leerem Harnstofftank springt der Motor nicht mehr an (gilt auch bei uns). Ein bis drei Prozent des Dieselkonsums werden von der Harnstofflösung verbraucht. Der Mittelwert von zwei Prozent bedeutet bei einem Normverbrauch von fĂŒnf Litern 0,1 Liter pro 100 Kilometer oder ein Liter pro 1000 km.

Auch in den USA kommen Autos in der RealitĂ€t nicht mit dem Normverbrauch aus. Bei acht Litern tatsĂ€chlichem Verbrauch statt der fĂŒnf nach Norm wĂ€chst der Adblue-Bedarf pro 1000 Kilometer schon auf 1,6 Liter. 15 000 Meilen oder rund 25 000 Kilometer bis zur nĂ€chsten Inspektion wĂŒrden 40 Liter der Harnstofflösung erfordern, mit etwas Reserve 50. FĂŒr einen solch riesigen Zusatztank gibt es keinen Platz und kein Geld.

Der Gedanke liegt nahe, den Inhalt eines kleinen Tanks zu strecken, indem man die Harnstoff-Zugabe bei normaler Fahrt drosselt und nur auf dem PrĂŒfstand richtig arbeiten lĂ€sst. Die Manipulation lĂ€sst sich nur entdecken, wenn Autos nicht nur auf der Rolle zur TypprĂŒfung gemessen werden, sondern sich eine Behörde Serienmodelle herausgreift und auf der Straße, im realen Einsatz nachprĂŒft. Die Environmental Protection Agency in den USA, die von den Herstellern gefĂŒrchtete EPA, macht genau dies. Sie hat inzwischen auch die MessgerĂ€te dazu, die „Portable Emission Measure Systems“ (PEMS). Die TypprĂŒfungswerte mĂŒssen 50 000 Meilen, also 80 000 Kilometer eingehalten werden, etwas weniger strenge Werte sogar 120 000 Meilen (fast 200 000 Kilometer).

Autos wissen Bescheid

Heutige Autos sind lĂ€ngst Computer auf RĂ€dern. Sie sind selbstverstĂ€ndlich in der Lage, normale Fahrt und PrĂŒfstand zu unterscheiden. Letzterer lĂ€sst nur die AntriebsrĂ€der rollen, die anderen stehen still, was im ESP-System zunĂ€chst fĂŒr Verwirrung sorgt. Querbeschleunigungs- und Lenksensor melden nichts, obwohl das Auto fĂ€hrt, auch die Navi erkennt keine OrtsverĂ€nderung. Um einwandfrei zu arbeiten, muss die Elektronik auf diese VerhĂ€ltnisse eingestellt werden.

Mehr oder weniger alle Hersteller legen nicht nur Motoren und Abgassysteme so aus, dass sie die jeweils geltenden PrĂŒfbedingungen sicher erfĂŒllen. Kleine Tricks wie besonders dĂŒnnflĂŒssiges Motoröl oder abgehĂ€ngte Lichtmaschinen und Klima-Kompressoren sind dabei verbreitet und noch im Rahmen der LegalitĂ€t. Volkswagen, möglicherweise auch weitere Hersteller inner- und außerhalb des Konzerns sind offenbar ĂŒber diese Spielereien hinausgegangen. Sie sind den Verlockungen eines „defeat device“ erlegen, eines Umschalt-Tricks, der auf dem PrĂŒfstand verbotenerweise in die Motorsteuerung eingreift: fĂŒr weniger Last und damit fĂŒr weniger Stickoxide beim Speicherkat, fĂŒr volle Wirkung beim SCR-System.

Den Dieselmotor insgesamt zu verdammen, wird der Sache aber nicht gerecht: Mit dem richtigen Einsatz der richtigen Technik wird er auch in Zukunft krĂ€ftige, sparsame und saubere Antriebsquelle fĂŒr Millionen von Automobilen sein. Weniger Wirrwar bei den weltweiten Vorschriften und regelmĂ€ĂŸige Nachkontrolle nach Art der EPA können ihm dabei nur nutzen. Die EU denkt daran, Ähnliches 2017/18 als „Real Driving Emissions“ ebenfalls einzufĂŒhren. Die VorfĂ€lle jetzt werden die EinfĂŒhrung von RDE sicher beschleunigen.