Die Anatomie eines Dieselmotors

Leichter, sauberer und technisch ausgereifter – moderne Dieselautos unterscheiden sich erheblich von ihren Vorgängern.

Europa ist führend in der Modernisierung der Dieseltechnologie. Ziel ist es, die höchsten Leistungsstandards mit den geringsten Umweltauswirkungen zu erreichen.

Durch umfangreiche Investitionen und Entwicklungen wie Abgasregelungssysteme, Katalysatoren und AdBlue, ein wirkungsvolles Additiv zur Reduzierung der Stickoxidabgase, haben europäische Autohersteller und Zulieferer die Dieseltechnologie revolutioniert.

Abagsnachbehandlungssysteme

Diesel-Abgasnachbehandlungssysteme ermöglichen die Einhaltung strenger Abgasnormen und die Verbesserung der Luftqualität.

Der Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) ist das Kernstück der Dieselmotoren und wandelt Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) in Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) um. Dieser ursprünglich Mitte der 70er Jahre für Benzinfahrzeuge eingeführt Katalysator war als „Oxidationskatalysator“ bekannt, bis er später durch den 3-Wege-Katalysator ersetzt wurde. Gleichzeitig wird die Feinstaubmenge reduziert, indem Kohlenwasserstoffe oxidiert werden, die von Kohlenstoffpartikeln aufgesaugt werden.

In 2000 wurden Diesel-Partikelfilter eingeführt. Diese fangen die Rußpartikel ein, die der Diesel-Oxidationskatalysator nicht oxidieren konnte. Die Folge ist eine erhebliche Verringerung der Partikelemissionen. Seit 2011 sind alle neuen Dieselautos in der EU mit einem Partikelfilter ausgestattet und haben daher so gut wie keinen Anteil mehr an Partikelemissionen.

Heutige Dieselmotoren sind wesentlich sauberer und effizienter im Vergleich zu noch vor 10 Jahren, da sie über ein Abgaskontrollsystem zur Eliminierung schädlicher Auspuffabgase verfügen.

Die neueste Verbesserung des Abgassystems ist die Selektive Katalytische Reduktion (Selective Catalytic Reduction/SCR) zur Umwandlung von Stickoxiden in Stickstoff (N2) und Wasser (H2O). Sind die Voraussetzungen für eine SCR-Abgasreinigung ungünstig, können die Stickoxidabgase (NOx) aus dem Motor auch zunächst in NOx-Adsorber (Speicher) gespeichert und erst dann behandelt werden, wenn die Bedingungen wieder optimal sind.

Die Kombination dieser unterschiedlichen Abgasreinigungssysteme garantiert, dass die Emission dieser schädliche Abgase über weite Betriebsbereiche kontrolliert werden. 

Dieselpartikelfilter entfernen über 99,9 Prozent der Partikel inklusive Feinstaubpartikel.

Dieselpartikelfilter entfernen über 99,9 Prozent der Partikel inklusive Feinstaubpartikel.

Weniger Luftverschmutzung 

Die neue Generation der Dieselmotoren besteht aus einem integrierten dreiteiligen System: einem hocheffizienten Motor, Dieseltreibstoff mit ultraniedrigem Schwefelgehalt und einem hochtechnisierten Abgasreduktionssystem.

Das elektronische Motorenmanagementsystem ist das „Gehirn“ eines modernen Motors und kontrolliert unter anderem zuverlässig das Abgasniveau. Dazu werden Signale und Daten der fahrzeugeigenen Sensoren gesammelt, verarbeitet und anschließend die Funktion der DPF- und SCR-Abgasnachbehandlungssysteme koordiniert.

Der ultraniedrige Schwefelgehalt im Diesel ermöglicht den Einsatz verbesserter hocheffizienter Katalysatoren und Abgaskontrollgeräte. Über den Partikelfilter fängt der Motor Rußpartikel ein, reduziert Partikel-Abgase und verbessert so die Luftqualität.

Darüber hinaus tragen die Hochdruck-Dieseleinspritzsysteme zu einer höheren Effizienz der Dieselmotoren bei. Die Steigerung des Einspritzdrucks gestattet eine optimierte Kraftstoffverdüsung und somit eine Verbesserung der Zündungs- und Verbrennungsabläufe. Nur die jeweils notwendige Menge an Treibstoff wird eingespritzt. Durch das regelmäßige Abbrennen des gesammelten Rußes regeneriert sich zudem der Filter.

Die neueste Generation von Dieselmotoren verwendet Katalysatoren wie Stickoxidadsorber, SCR-Katalysatoren und Partikelfilter, die bis zu 99 Prozent der Motorabgase in unschädliche Stoffe umwandeln. Die Katalysatoren konvertiert dabei die Abgase: Kohlenmonoxide (CO) und nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) in CO2 und H2O, während NOx bzw. NO und NO2 in inaktives N2 umgewandelt werden. Schädliche Gase werden nahezu vollständig beseitigt und die Luftverschmutzung erheblich verringert.

Durch die Entwicklung und Kombination verschiedener Technologien zur Schadstoffreduzierung hat die Industrie entscheidend zur Verbesserung der Luftqualität beigetragen.

Bereits zu einer Zeit, als es noch keine wissenschaftlichen Nachweise über die gesundheitlichen Auswirkungen von Feinstaub gab, wurde nach dem Vorsorgeprinzip gehandelt: Seit 2011 werden alle neuen in Europa verkauften Dieselfahrzeuge mit Dieselpartikelfiltern zur Abgasreinigung von kohlenstoffhaltigem Feinstaub ausgestattet. Diese Voraussicht wurde 2013 durch eine Untersuchung der Weltgesundheitsorganisation bestätigt, die zeigte, dass ultrafeine Partikel schädliche Auswirkungen auf den menschlichen Körper haben.

Der heute übliche „Wandstromfilter“ filtert und speichert Partikel jeder Größe. Die Abgase durchdringen eine poröse Keramikwand, an der sich die Partikel als Rußschicht ablagern. Dieser „Filterkuchen“ speichert nicht nur den Ruß, sondern filtert auch die ultrafeinen Partikelteilchen heraus.

Partikelmasse und -anzahl von Dieselfahrzeugen werden so auf effiziente Weise unter realem Fahrbetrieb reduziert. Die im Filter abgelagerte Rußschicht wird dann regelmäßig bei hohen Abgastemperaturen abgebrannt. Auf diese Weise wird der Filter regeneriert und ist bereit für die kontinuierliche Rußfilterung.

Hochleistungsfähige und effiziente Dieselmotoren

Die Verbesserungen bei Dieselmotoren sind eine Folge der Verschärfung der Grenzwerte für NOx-Abgase und Feinstaub in den vergangenen 15 Jahren.

Dieselpartikelfilter beseitigen heute über 99,9 Prozent der Partikel inklusive Feinstaubpartikel. Auch bei den NOx Emissionen ist ein Abwärtstrend zu beobachten – allerdings nicht im gleichen Tempo wie dies mit Einführung von Euro 3- und 5-Normen für HC, CO und Partikel erwartet wurde.

Echtzeitmessungen mit mobilen Abgasmessgeräten zeigen allerdings, dass auch NOx Abgase seit 2000 erheblich gesenkt werden konnten (siehe AECC Abbildung).

Innermotorische Verbesserungen führen zu verringerten NOx Emissionen, haben jedoch eine Erhöhung der Partikelausstöße zur Folge. Mit anderen Worten: NOx wird reduziert indem die Verbrennungstemperatur abgesenkt wird, was die komplette Rußverbrennung beeinträchtigt und zu erhöhten Partikelemissionen führt.

Die meisten Hersteller in Europa haben sich für entschieden, Partikelemissionen mit Partikelfilter im Auspuff zu verringern, und gleichzeitig NOx Abgase durch SCR-Nachbehandlung zu reduzieren. Diese Methode ermöglicht einen geringeren Treibstoffverbrauch im Vergleich zu früheren Motorgenerationen.

Dieselpartikelfilter entfernen über 99,9 Prozent der Partikel inklusive Feinstaubpartikel.

Zukunftsfähige Innovationen zum Schutz der Umwelt

Seit den 90er Jahren hat die Europäische Union immer strengere Abgasnormen eingeführt – bekannt als „Euro Abgasnormen“. Die Euro1 bis 4 Standards waren weit weniger streng als die Euro 5 und 6 Normen und verlangten daher keine speziellen Partikel- oder NOx Nachbehandlungssysteme für Dieselautos. Diese älteren Dieselfahrzeuge tragen wesentlich zur Verschlechterung der Luftqualität bei, an der die europäischen Städte derzeit leiden.

Um Europas neue und striktere Abgasnormen zu erfüllen, hat die Industrie die Motoreneffizienz ständig verbessert.

London skyline - Anatomy of a diesel engine

Seit 2017 gilt für die Euro 6 Norm das sogenannte Real-Driving Emissions (RDE) Prüfverfahren – das Messen der Abgase im realen Fahrzeugbetrieb. Dies gewährleistet, dass die Nachbehandlungssysteme zur Reduktion der Stickoxidabgase optimal arbeiten müssen. Dabei gibt der sog. „Konformitätsfaktor“ eine Anpassung für Stickoxidemissionen im realen Fahrbetrieb.

Für das RDE Verfahren wurde ab dem 1. September 2017 ein Not-to-Exceed (NTE) Grenzwert mit einem Konformitätsfaktor von 2.1 für Stickoxidemissionen festgelegt. Der Konformitätsfaktor berücksichtigt Messtoleranzen der mobilen Abgasmessgeräte im realen Fahrbetrieb auf der Straße. Dies bedeutet, dass Emissionen im realen Fahrbetrieb um das 2,1 fache höher sein können als der gesetzliche Grenzwert. Diese neue Norm wird Euro 6d-TEMP genannt und gilt ab September 2019 für alle neuen registrierten Fahrzeuge.

Ab Januar 2020 wird dieser Konformitätsfaktor dann für alle neuen Automodelle und ab 2021 für alle neuen Fahrzeuge auf 1.0 plus einer Messtoleranz gesenkt werden. Ursprünglich wurde die Messungenauigkeit mit 0,5 festgesetzt. Da die Testverfahren laufend überprüft und verbessert wird, hat die EU Kommission nun die Toleranz für die Euro 6d Norm auf 0,43 festgesetzt.

Die Dieseltechnologie hat innerhalb kürzester Zeit große Fortschritte gemacht. Im Vergleich zu vor 10 Jahren arbeiten Dieselmotoren heute wesentlich sauberer und effizienter und sind mit hocheffizienten Abgassystemen ausgestattet, die Schadstoffemissionen erfolgreich beseitigen. Die weitere Verschärfung der Grenzwerte spornt die Industrie an, um auch in Zukunft die Effizienz der Dieselmotoren und deren Abgasnachbehandlungssysteme zu steigern.