Neue Dieselfahrzeugtechnik „weitgehend frei“ von Stickstoffemissionen

Technologieexperten und Ingenieure präsentierten erst jüngst neue Technologien, die eine nahezu stickoxidfreie Emission für Dieselfahrzeuge ermöglichen.

Das 40. Internationale Wiener Motorensymposium, das im Mai 2019 stattfand, brachte Engineering-Unternehmen, Zulieferer und Fahrzeughersteller zusammen, um die neuesten technischen Errungenschaften für Hochleistungsmotoren, Personenfahrzeuge und Lieferwagen zu präsentieren. Während der Veranstaltung konnten sich die Teilnehmer Optionen für Hybridmotoren, Brennstoffzellen und zukünftige alternative Kraftstoffe sowie wichtige Entwicklungen für Benzin- und Dieselmotoren ansehen.

Die Veranstaltung hat vor allem deutlich gemacht, dass die Industrie leistungsfähige und robuste fortschrittliche Abgasreinigungstechnologien für Dieselmotoren entwickelt hat, mit dem Ziel, noch geringere Emissionen über den gesamten Betriebsbereich der Fahrzeuge umzusetzen. Da die Europäische Kommission bereits die nächste Stufe der Abgasgesetzgebung für Fahrzeuge anvisiert, haben mehrere Entwicklungsteams verschiedene Ansätze aufgegriffen, um sich dieser Herausforderung zu stellen.

Um zu demonstrieren, dass die im aktuellen RDE-Prüfverfahren (Real Driving Emissions, Emissionen im praktischen Fahrbetrieb) verankerten Grenzbedingungen nahezu alle vorhersehbaren Fahrbedingungen und -stile abdecken, ist es wichtig, zu verstehen, wie unterschiedlich einzelne Personen fahren. Einer der weltweit größten Automobiltechnologieanbieter, Bosch, hat dies getan. Das Unternehmen hat einen umfassenden Systemansatz entwickelt, wobei insbesondere der weiter verbesserten Reduktion  von Stickoxiden (NOx) über einen weiten Betriebsbereich Aufmerksamkeit gewidmet wurde. Augenmerk lag hierbei auf der Kalibrierung und der Temperaturregelung  im Hinblick auf die Funktionalität der selektiven katalytischen Reduktion (SCR). Selective Catalytic Reduction (SCR) functionality. Dadurch wurden nicht nur die Bedingungen ausgeweitet, unter denen das Abgasystem in dem Demonstrationsfahrzeug arbeitet, sondern auch nur moderate Mehrkosten gewährleistet werden.

Selbst unter schwierigsten Testbedingungen konnte das Auto die aktuelle Emissionsgrenze von 80 mg/km mühelos einhalten. Im langsamen Stadtverkehr in und um Stuttgart lag der Wert der NOx-Emissionen sogar bei nur 12 mg/km, ein Wert, der dem sehr nahekommt, was das Unternehmens als „nahezu keine Auswirkungen auf die Luftqualität“ bezeichnet. Basierend auf diesen vielversprechenden Ergebnissen, die auf bereits im Jahr 2018 präsentierten Arbeiten aufbauen, hat Bosch die Schlussfolgerung gezogen, dass der Dieselmotor über ausreichend Potenzial verfügt, um auch zukünftige Emissionsgrenzen zu erfüllen, damit die zulässigen Grenzwerte bei der Luftqualität in Städten eingehalten werden.

Das Automotive-Engineering-Unternehmen FEV hat ein System entwickelt, bei dem die Abgasnachbehandlung vor den Turbolader eingebaut wird. Dies führte zu höheren Abgastemperaturen und -drücken im System, was kleinere Katalysatoren zur Senkung der Emissionen ermöglicht. Das System wurde um eine 48V-Mild-Hybrid-System  (mehr dazu im Fenster weiter unten) ergänzt, was die CO2-Emissionen um 19 % reduzierte.

In mehreren simulierten Testzyklen, in denen die Fahrbedingungen in der Stadt, auf der Autobahn und auf der Landstraße nachgebildet wurden, konnten verschiedene Kombinationen von Nachbehandlungsverfahren ausgewertet werden. Die NOx-Emissionen betrugen in den meisten Situationen weniger als die Hälfte der aktuellen Euro 6-Grenzwerte. Die Entwicklungsarbeit wird sich auch weiterhin auf eine Reduktion von NOx im Abgasstrom in „extremen“ Szenarien konzentrieren, wie etwa beim Fahren in der Stadt und auf der Autobahn, auch wenn die bestehenden Grenzen bereits eingehalten wurden.

Die Veranstaltung in Wien bot dem AECC (Verband für Katalysatortechnik), der IPA (International Platinum Group Metals Association) und dem Engineering-Unternehmen IAV außerdem die Gelegenheit, die Ergebnisse ihres Projektes zu präsentieren, das „extrem niedrige“ Emissionen von Dieselmotoren erreichte. Ähnlich wie Bosch führten auch diese drei Partner im Rahmen ihrer Kooperation eine Reihe von Fahrtests unter realen Fahrbedingungen mit einem umgebauten Demonstrationsfahrzeug durch (siehe Abbildung unten), einem Baujahr 2016 „Mild Hybrid“. Das Fahrzeug hat unter Bedingungen, bei denen die NOx-Emissionen in der Regel höher sind, wie beispielsweise im Stadtgebiet von Berlin, auf der deutschen Autobahn bei Geschwindigkeiten von bis zu 160 km/h und unter anspruchsvollen Bedingungen in hügeligem Gelände, sehr gut abgeschnitten.

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Das in dem von AECC/IAV/IPA durchgeführten Programm eingesetzte Demonstrationsfahrzeug erreichte extrem niedrige NOx-Emissionen

Um das System als Ganzes optimal zu nutzen, setzte der AECC beim Entwurf seines Nachbehandlungssystems auf einen modularen Ansatz (siehe Diagramm unten). Das erste Modul der Nachbehandlungstechnologie in der Abgasanlage arbeitet vorrangig  bei langsamen Fahrten in der Stadt, wobei die Motor- und Abgastemperaturen relativ niedrig sind, und wandelt hierbei NOx in harmlosen Stickstoff um. Das zweite Modul unterstützt vor allem bei höheren Temperaturen (wie z.B. bei schnellen Autobahnfahrten) und  ermöglicht so niedrige Emissionen auch unter hohen Lastfahrten.

Catalyst technology diesel

Dieses Diagramm zeigt die Module des Nachbehandlungssystems, die zusammenarbeiten, um Emissionen bei verschiedenen Fahrbedingungen zu reduzieren

Dies wurde ermöglicht, indem die Katalysatorfunktionalität gesteigert und die Motorsteuerung durch Kalibrierung verbessert wurde, wobei das 48-Volt Mild–Hybrid-System eine sorgfältige Regelung der Abgastemperaturen gewährleistet. Durch die Kombination mehrerer Technologien in den Modulen konnten die Emissionen kontinuierlich auf weniger als die Hälfte der aktuell zulässigen NOx-Emissionsgrenze gesenkt werden, wobei die Emissionen oft auf ein Nahe-Null-Niveau reduziert wurden.

Das nachfolgende Video zeigt, wie niedrig die Emissionen dank der intelligenten Kombination vorhandener Komponenten und Technologien sind. In dem Demonstrationsfahrzeug werden  die Emissionen in jeder Stufe der Abgasanlage bis hin zum Auspuff reduziert.

Die Echtzeitanalyse zeigt, wie der NOx-Wert am Auspuff also dem Austritt aus der Abgasanlage  auf nahezu Null gesenkt wird.

Die Zusammenarbeit von AECC/IAV hat gezeigt, dass die NOx-Emissionen aus dem Demonstrationsfahrzeug (grüne Linie) unter einer Vielzahl von Fahrbedingungen  reduziert werden konnte.

Diagram vehicle speed

Die drei Forschungsprogramme von Bosch, FEV und AECC/IPA/IAV zeigen, dass   bei moderner Dieselfahrzeugen, die in den nächsten Jahren auf unsere Straßen kommen werden, weitere Emissionsverbesserungen realistisch sind.

„Nahe-Null“ wird zu einer Realität, die Dieselautos zukunftssicher und zu einem wichtigen Teil im Fahrzeugmix des nächsten Jahrzehnts und darüber hinaus macht.

Mehr über 48-Volt-Mild-Hybrid-Technologie lesen
Sowohl AECC/IPA/IAV als auch FEV nutzen die 48-Volt-Mild-Hybrid-Technologie, um die Leistung ihrer jeweiligen Systeme zu steigern. Bei Erstgenanntem konnten die Katalysatortemperaturen besser geregelt werden und jeder der Katalysatoren so unter optimalen Bedingungen funktionieren. Letztgenanntem ist es gelungen, den Druckverlust durch das eingebaute Abgasnachbehandlungssystem mithilfe eines elektrischen Turboladers zu kompensieren. Außerdem unterstützt es auch hier bei der Temperaturregelung. Für Fahrzeughersteller sind 48V-Systeme eine relativ kostengünstige Methode der Effizienzsteigerung. Im Gegensatz zu den kostspieligeren Vollhybrid-Systemen, bei denen batteriebetriebene Elektromotoren zeitweise den Verbrennungsmotor als Fahrzeugantrieb ersetzen, wird ein Mild-Hybrid-System sowohl bei Diesel- als auch Benzinmotoren genutzt, um den Motor beim Betreiben verschiedener elektrischer Komponenten am Fahrzeug zu unterstützen. So können durch Start-Stopp-Systeme die Emissionen in Stadtzentren verringert werden und beim Bremsen Energie zurückgewonnen werden. Es wird geschätzt, dass in Europa bis 2026 ca. 16 % der neuen Dieselfahrzeuge und 32 % der Benzinfahrzeuge mit einer 48V-Mild-Hybrid-Einheit ausgestattet sein werden.

Quelle: Continental AG