Treibstoffeffiziente Antriebe und Emissionsgrenzwerte – Die Quadratur des Kreises?

 

 

Fahrzeugnutzer beklagen nicht erst seit der aktuellen Debatte, dass die in den Verkaufsprospekten dargestellten Verbrauchsangaben eines Neufahrzeuges in der Realität selten oder nie erreicht werden. Besonders der heute in der EU verwendete Prüfzyklus sei praxisfremd und in vielen Bereichen nicht nachvollziehbar. Sein Vorteil liegt aber in der Einfachheit im Rahmen der Typzulassung. So wird in den USA eine Vielzahl unterschiedlicher Prüfzyklen gefordert: FTP75, SFTP für alle Fahrzeuge, SC03 nur für Fahrzeuge mit Klimaanlage und zusätzlich noch Highway-Tests für die Verbrauchsermittlung. All dies wird in Europa noch durch den NEDC-Zyklus ersetzt. Dieser Zyklus wird sowohl für die Emissionslimits, als auch für Flottenverbrauchsziele gleichermaßen verwendet.

 

Alle in der EU zugelassenen Fahrzeuge sind auf diesen Zyklus hin optimiert worden. Besonders relevant sind sein Beginn und das Ende. Schaut man sich den Zyklusstart an, dann fällt auf, dass nach Anlassen des Motors erst nach 11 Sekunden eine sehr moderate Beschleunigung auf 15 km/h erfolgt. Diese sanfte Beschleunigung erfolgt im Teillastbereich, danach wird das Fahrzeug bis zum Stillstand abgebremst. Damit hat es das Abgasreinigungssystem besonders schwer aufzuheizen. Es fehlen sowohl die Abgasmassendurchsätze als auch die unter Last höheren Abgastemperaturen, um die Katalysatoren aufzuwärmen.

 

Die Fahrzeughersteller sind nun gezwungen in die Trickkiste zu greifen, um dennoch den Katalysator schnell betriebsbereit zu machen. Bei turboaufgeladenen Ottomotoren wird die Strömung an der Turbine vorbei über einen By-Pass geleitet. Jeder Abgasturbolader senkt die Abgastemperatur. Das ist bei hohen Lasten willkommen, aber beim Motorstart unerwünscht. Natürlich ist das für den Gesamtwirkungsgrad des Motors zunächst einmal schlecht. Der Zündzeitpunkt wird möglichst verzögert, eine relativ späte Zündung erhöht die Abgastemperatur. Nach dem Aufwärmen werden diese Maßnahmen alle zurückgefahren und deaktiviert.

Luftspaltisolierter Abgaskrümmer, der das schnelle Aufheizen des Dreiwegekatalysators unterstützt (Hersteller Faurecia)

Auch der Kaskadenkatalysator ist auf möglichst effizientes Katalysatorheizen zurückzuführen. Hierbei wird ein kleiner Katalysatorbaustein möglichst motornah verbaut. Seine Aufgabe ist die Reinigung der Abgase in den ersten Minuten und unter geringer Motorlast. Mit steigendem Abgasmassenstrom kommt ein größerer Katalysator, der dahinter angebaut wird, besser klar. Während des gesamten Prüfzyklusses werden Ottomotoren meist bei Lambda = 1 betrieben. Gegen Ende des Prüfzyklusses werden im außerstädtischen Teil maximal 120 km/h erreicht. Somit werden Katalysatorsysteme so ausgelegt, dass die hierbei auftretenden Massenströme gereinigt werden. Damit ist dem Gesetz Genüge getan. Höhere Geschwindigkeiten werden nicht überprüft.

Modernes 3-Wege-Katalysatorsystem mit zwei Sprunglambdasonden bei einem 1,4 l TSI Motor von Volkswagen

Fährt nun der Nutzer deutlich schneller als 120 km/h wird die Ceroxidschicht des Dreiwegekatalysators geschädigt. Diese Katalysatoralterung ist unbedingt zu vermeiden. Daher werden nun abgastemperatursenkende Maßnahmen eingesetzt. Der Lambdaregelbereich wird verlassen und es wird gezielt das Kraftstoff-/Luftgemisch angefettet. Als Daumenregel gilt: Anfetten um Lambda = 0,1 senkt die Abgastemperatur um 100 °C. Es wird häufig auf Werte um Lambda = 0,7 bei Volllast angefettet, um das Abgassystem vor Übertemperaturen zu schützen. Dieses Anfetten ist keinesfalls treibstoffeffizient und die Abgase werden nun auch nicht mehr nachhaltig gereinigt. Glücklicherweise werden in diesen Betriebsbereichen noch fast alle Stickoxide in Stickstoff und Wasserdampf umgewandelt. Nicht jedoch die Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid. Diese verlassen das Abgassystem nahezu ungereinigt. Insbesondere auf Treibstoffeffizienz getrimmte kleinvolumige Dreizylindermotoren müssen frühzeitig temperatursenkende Maßnahmen ergreifen.

Damit wird klar, warum die Verbräuche in den Prospektangaben im Alltag massiv überschritten werden. Genau umgekehrt verhält es sich beim Dieselmotor. Niedrige Stickoxidlimits zwingen die Motorenhersteller dazu im Bereich bis 120 km/h mit aktivierter Abgasrückführung zu fahren. Das senkt die Emissionen erhöht aber den Verbrauch. Wird nun schneller gefahren, dürfen diese verbraucherhöhenden Maßnahmen abgestellt werden, das AGR-Ventil wird nun einfach geschlossen. Damit ist ein moderner Diesel heute bei 135 km/h oftmals treibstoffeffizienter als bei 120 km/h unterwegs. Dies möchte ich keinesfalls als Aufforderung zum Schnellfahren missverstanden wissen, vielmehr soll gezeigt werden, welche Konsequenzen die aktuelle europäische Abgasgesetzgebung nach sich zieht. Selbstverständlich wird beim Diesel im hohen Geschwindigkeitsbereich die Abgasentstickung nicht mehr oder nur unzureichend durchgeführt. Dies untermauerte den Ruf des modernen Diesels als sparsames Fahrzeug. Es wird klar, nur diejenigen Fahrzustände, die vom NEDC abgedeckt werden, aktivieren das Abgasreinigungssystem.

Neuer EU-Prüfzyklus WLTC ab 2017

Der NEDC gilt als ein leistungsarmer Prüfzyklus, da für einen Mittelklassewagen lediglich 34 kW als Antrieb benötigt werden. Daher glaubte man in Regierungskreisen, die unrealistisch niedrigen Verbrauchswerte verschwinden, wenn deutlich heftiger beschleunigt und über einen weiten Bereich schneller gefahren wird. So entschied die Europäische Kommission ab 2017 sukzessive einen neuen, realitätsnäheren Prüfzyklus, den WLTC einzuführen. Dies ist eine neue Testprozedur, die einen längeren Prüfzeitraum von 30 Min. (NEDC 20 Min.) vorschreibt und dem Mittelklassewagen max. 47 kW an Antriebsleistung abverlangt. Auch die Stillstandzeiten reduzieren sich von 25 Prozent beim NEDC auf 13 Prozent. Auf dem Papier sieht es nun tatsächlich so aus, dass die Verbrauchswerte eine Chance haben, den Alltag abzubilden.

 

In ersten Versuchen zeigte sich, dass die vielgepriesenen downgesizten Ottomotoren im WLTC wesentlich mehr, teilweise fast das Doppelte an Sprit verbrauchten. Man ist geneigt zu vermuten, die Einführung des WLTC ist ein kluger Zug, der die Verbrauchsdiskussion entschärfen kann. Vermutlich wird das nicht passieren. Die deutsche Automobilindustrie ist besonders in der oberen Mittelklasse und in der Oberklasse stark. Diese Motoren sind so leistungsstark, dass auch der neue Prüfzyklus allenfalls im Teillastbereich durchfahren werden kann. Da er nun länger ist, fällt der Kaltstartanteil deutlich weniger ins Gewicht. Starke Motoren sind in der Lage ein Fahrzeug im sechsten Gang ohne Schaltvorgänge aus 70 km/h auf 130 km/h zu beschleunigen. Eigene Untersuchungen in Zusammenarbeit mit dem TÜV-Süd bestätigten, die Verbrauchswerte leistungsstarker Fahrzeuge im WLTC sind teilweise um 15 Prozent günstiger als im alten NEDC. Somit erscheint zumindest fraglich, ob ein anderer Fahrzyklus „bessere“ oder einfach nur „andere“ Ergebnisse bringt.

Vergleich WLTC und NEDC


Die Auswirkungen des neuen WLTC sind bereits heute spürbar: Aufgrund der deutlich geringeren Stillstandszeiten beim WLTC könnten Start-Stopp-Systeme bald schon wieder in der Versenkung verschwinden. Da der neue Zyklus von Anbeginn einen etwas forscheren Gasfuß verlangt und er darüber hinaus länger ist, tritt die Betriebsart „Katalysatorheizen“ ebenfalls in den Hintergrund. Dies wird Auswirkungen auf Sekundärluftsysteme, Wastegates bei Turboladern und die Katalysatoranordnung nach sich ziehen. Vieles wird überflüssig oder zumindest einfacher. Motornahe Startkats, die ohnehin hitzetodgefährdet sind, könnten künftig entfallen. Damit kann auch die Volllastanfettung reduziert werden. Der Treibstoffverbrauch wird reduziert und die Abgase werden länger gereinigt.

Stefan Carstens

Kopfzerbrechen bereitet den Fahrzeugherstellern noch die Phase der Einführung. Ab dem Jahre 2017, so die Planung, soll der Treibstoffverbrauch, der auf dem Label im Verkaufsraum dargestellt wird, mit dem WLTC gefahren werden. Die Euro-Einstufung der Schadstoffe und das Flottenverbrauchsziel basieren aber weiterhin bis 2020 auf dem NEDC. Dies wird zu massiven Kapazitätsengpässen bei den Fahrzeugprüfständen führen, die mit der Zertifizierung betraut sind. Jetzt muss nicht nur der 20-minütige NEDC sondern zusätzlich der 30-minütige WLTC gefahren und zertifiziert werden. Erst ab 2020 wird sich die Lage entspannen. Im Jahre 2020 werden 95 Prozent aller Typzulassungen auch emissionstechnisch und bzgl. des Flottenverbrauchszieles mit dem WLTC gefahren. Ab dem Jahre 2021 hat dann der NEDC endgültig ausgedient.

 


 Autor: Stefan Carstens