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Renaissance des Selbstzünders : So kann der Diesel gerettet werden

  • -Aktualisiert am

Viel mehr heiße Luft stößt ein moderner Diesel nicht mehr aus. Bild: dpa

Moderne Dieselmotoren können die Grenzwerte deutlich unterbieten. Allerorten wird geforscht, Mercedes kündigt eine Sensation an. Kommt nun die Renaissance des Selbstzünders?

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          Der Ingenieur ist ein kritischer Geist. Das Wort „Wunder“ löst in ihm bestenfalls den Willen aus, den Dingen genauer auf den Grund zu gehen. Denn er hat gelernt: Man muss nur lange genug schrauben und nachdenken, dann entpuppt sich jedes vermeintliche technische Mirakel als Apparatur, die allein den Gesetzen der Physik gehorcht. Manches Mal erübrigt sich gar der Griff zum Schraubendreher, denn er hat längst vorhergesagt, was in der Öffentlichkeit als Revolution gefeiert wird. So erging es den mehr als tausend Entwicklern, die sich in der vergangenen Woche zum Wiener Motorensymposium versammelten, der wichtigsten Fachveranstaltung zum Verbrennungsmotor.

          Einen Tag zuvor hatte Bosch-Chef Volkmar Denner die Elite der deutschen Wirtschaftsjournalisten zur Bilanzpressekonferenz nach Stuttgart gerufen. Dort präsentierte er einen Dieselmotor, dessen Stickoxidemissionen im realen Straßenverkehr nur 13 Milligramm je Kilometer betragen – weit weniger als jene 168 Milligramm, die für alle Neuwagen von September 2018 an gelten. Denner löste ein heftiges Twitter-Gewitter und ein mediales Erdbeben aus. Unerschüttert zeigten sich nur die Teilnehmer des Symposiums – ein großer Teil der Ergebnisse war in Fachkreisen bereits bekannt und teils schon in die Entwicklung neuer Motoren eingeflossen. So gab Ola Källenius, Entwicklungsvorstand für die Personenwagen von Daimer, in Wien bekannt, dass bis zum Jahr 2022 die durchschnittliche Stickoxid-Emission der gesamten Fahrzeugflotte auf 20 Milligramm je Kilometer gesenkt werden soll - in den von der EU vorgeschriebenen Straßentests, nicht nur in Laborprüfungen.

          Nach derzeitigem Stand liegt der Grenzwert zu diesem Zeitpunkt bei 80 Milligramm je Kilometer zuzüglich eines noch nicht endgültig verabschiedeten Toleranzfaktors, der Messunsicherheiten abfangen soll. Mercedes-Benz ist damit der erste Automobilhersteller, der eine solche Unterschreitung ankündigt.

          Noch extremer ist der „Challenge Cycle“

          Hinter den Mauern der Wiener Hofburg trug Andreas Kufferath, Leiter der Diesel-Entwicklung von Bosch, detailliert die Ergebnisse eines zwei Jahre dauernden Versuchs vor. Das Ziel: herauszufinden, wie sauber ein moderner Diesel sein kann, wenn man die heute vorhandene Technik optimal kombiniert. Weil es darum geht, wie sich der Motor im realen Straßenverkehr verhält, mussten zunächst mehrere Testzyklen definiert werden. Dabei beschränkte sich Bosch nicht darauf, die von der Europäischen Union für Straßentests vorgeschriebenen Randbedingungen einzuhalten, sondern verschärfte diese zu Ungunsten des Diesels. Ein „Stuttgart Urban“ genannter Zyklus besteht aus einer reinen Stadtfahrt mit großen Höhenunterschieden. Noch extremer ist der „Challenge Cycle“: Mit kaltem Motor gestartet, führt der Fahrer in den ersten Minuten mehrere Volllastbeschleunigungen aus. „Wenn man so fahren will, dann muss man das Messer zwischen den Zähnen haben“, berichtet Kufferath. Anschließend geht es im Stop-and-Go vom Pragsattel herunter in die Stadt, um dann im dritten Teil mit Vollgas über die A8 Richtung Pforzheim zu fahren, wo eine der steilsten Steigungen auf deutschen Autobahnen lauert.

          Anhand dieses Zyklus lässt sich gut darstellen, dass das Abgasproblem des Diesels im Wesentlichen eine Frage der Betriebstemperatur ist. Denn der SCR-Katalysator wandelt durch die Verbrennung entstehende Stickoxide zuverlässig um, solange das Abgas heiß ist. Denn ein SCR-Kat beginnt seine Arbeit erst jenseits der 200 Grad Celsius. Nach einem Start mit kaltem Motor dauert es also einige Minuten, bis hohe Konvertierungsraten erreicht werden. Fährt man mit geringer Leistung länger bergab, kann ein bereits warmer Kat wieder abkühlen, und das Spiel beginnt von neuem.

          Im weiteren Verlauf der Fahrt wacht eine Warmhaltefunktion

          Der Versuchsträger – ein Fahrzeug der Kompaktklasse – wurde mit einem von Bosch weitgehend selbst entwickelten Motor ausgestattet. Die Daten des Aggregats (Hubraum 1,7 Liter, Nennleistung 110 Kilowatt) bestechen vor allem durch ihre Durchschnittlichkeit. Auch die Komponenten entsprechen heutigen Serienbauteilen, wenn auch besonders feinen: Das Einspritzsystem arbeitet mit einem Maximaldruck von 2200 bar. Der Abgasturbolader ist auf gutes Ansprechverhalten im unteren Drehzahlbereich ausgelegt. Zwei Abgasrückführungssysteme (Hoch- und Niederdruck-AGR) sind an Bord. Und die Abgasnachbehandlung, die im Verlauf des Versuchs variiert wurde, basiert zuletzt auf der Kombination von zwei SCR-Katalysatoren: Der erste ist als Beschichtung auf dem Partikelfilter aufgebracht und so nah wie möglich am Turbolader, damit er sich schnell aufheizen kann. Der zweite sitzt weiter weg im Unterboden und deckt höhere Geschwindigkeiten ab.

          Im Kern ist es aber nicht die Hardware, sondern die Software, die für das vermeintliche Wunder sorgt: Nach einem Kaltstart sorgt eine Aufwärmfunktion dafür, dass das Abgas so warm wie möglich ist, zum Beispiel indem die Verbrennung über eine spätere Einspritzung etwas verzögert wird. Das kostet etwas Sprit, der Verbrauchsnachteil beträgt im realen Verkehr bis zu zwei Prozent, in Extremfällen auch fünf Prozent. Im weiteren Verlauf der Fahrt wacht eine Warmhaltefunktion darüber, dass die Chemiefabrik im Abgasstrang nie auskühlt. Lohn der in unzähligen Versuchen variierten Software: Selbst bei äußerst aggressiver Fahrweise entstehen weniger als 40 Milligramm Stickoxide je Kilometer, der Schnitt liegt im Stuttgart-Urban-Zyklus bei 26 Milligramm und in den genormten Straßentests bei 13 Milligramm. Vor allem aber macht es keinen Unterschied mehr, ob die Außentemperatur minus 6 oder bei plus 25 Grad Celsius beträgt, allein der Umgang des Fahrers mit dem Gaspedal hat noch einen gewissen Einfluss.

          Bosch verzichtet auf den E-Kat

          Wettbewerber Continental hatte auf dem vorhergehenden Wiener Motorensymposium ein grundsätzlich vergleichbares Versuchsfahrzeug vorgestellt, das allerdings mit elektrisch beheizbarem Katalysator ausgestattet war. Den Strom für den mit rund zwei Kilowatt arbeitenden Heizer stammt dabei aus rückgewonnener Bremsenergie. An Bord ist daher ein 48-Volt-Hybridsystem. Die mit deutlich höherem Aufwand verbundene Technik soll für 60 Prozent weniger Stickoxide bei einem um zwei Prozent niedrigeren Verbrauch sorgen. Bosch verzichtet auf dem E-Kat und begründet das damit, dass die eingebrachte Energie nicht für Niedrigemissionen ausreicht.

          Für den Autofahrer zählen allerdings nicht Milligramm-Rekorde, sondern allein die Frage, wann vergleichbare Technik in Serienautos verfügbar ist. Das wird sehr bald der Fall sein, wie weitere Vorträge auf dem Motorensymposium zeigten. So stellte Volkswagen den neuen Vierzylinder-Dieselmotor vor. Er kommt nach Aussage von Kurt Blumenröder, der die Aggregate-Entwicklung der Marke leitet, den von Bosch präsentierten Emissionswerten schon sehr nah. Trotz der bescheidenen internen Bezeichnung EA 288 evo handelt es sich weitgehend um eine Neuentwicklung. Der Motor mit einem Hubraum von 2,0 Litern löst alle bisherigen kleinen Dieselmotoren im Konzern ab, also auch den 1,4- und den 1,6-Liter Motor. Es soll zwei Leistungsklassen geben, wobei die Motoren bis 120 Kilowatt Stahlkolben verwenden, die stärkeren Aluminiumkolben.

          Die komplette Entwicklung des Brennverfahrens wurde auf möglichst geringe Rohemissionen ausgerichtet. So zerstäuben Magnetventil-gesteuerte Einspritzventile von Bosch den Kraftstoff mit bis zu 2200 bar. Der mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattete Turbolader wird nicht mehr pneumatisch, sondern über einen schnelleren und präziseren elektrischen Steller geregelt. Die Hochdruck-Abgasrückführung kommt künftig mit niedrigeren Temperaturen deutlich besser zurecht: Der im Regelbetrieb verwendete Kühler ist mit einem Bypass versehen und kann so nicht mehr versotten, indem sich allzu kaltes Abgas an den Kanalwänden ablagert.

          Auch stromabwärts tut sich im Abgassystem einiges: Wie im Bosch-Versuchsmotor kommen zwei SCR-Kat zum Einsatz. Eine neue Software-Funktion, hier heißt sie „Temperatur halten“, verhindert das Auskühlen der Abgasanlage durch Eingriffe in die Motorsteuerung. Um die SCR-Katalysatoren optimal mit Ad Blue zu versorgen, kommt ein neuer, zweistufiger Mischer zum Einsatz: Er zerkleinert zunächst die Tröpfchen des mit etwa 3 bar eingespritzten Reduktionsmittels und verteilt diese dann gleichmäßig über dem Querschnitt der kurzen Zuleitung. Um weniger als zehn Prozent soll die Menge über den Katalysator-Querschnitt schwanken.

          Zum Einsatz kommen soll der neue Motor zunächst in der Längsplattform des Konzerns, er wird aber vom Golf bis zum Bulli das Standard-Dieselaggregat der Marke Volkswagen bilden. „NOx wird mit dieser Motorengeneration kein Thema mehr sein“, prognostiziert Blumenröder. „Wer ein großes Auto fährt oder ab und zu einen Hänger zieht, der kauft auch in Zukunft einen Diesel.“

          Eine Besonderheit stellt die Gemischbildung im Zylinder dar

          Gibt es also bald keine Dieselmotoren mit weniger als zwei Liter Hubraum mehr? Nicht, wenn es nach Diesel-Pionier Mercedes-Benz geht. Die Schwaben stellten in Wien einen neuen Selbstzünder mit 1,6 Liter Hubraum vor, eine Einstiegsmotorisierung, so nennt es Markus Kremmer, der für die Auslegung des Motors verantwortlich war. Die Basistechnik teilt sich der Motor mit den übrigen Mitgliedern der OM654-Motorenfamilie, die in Straßentests durch äußerst geringe Emissionen aufgefallen ist. Analog zu Bosch und Volkswagen befreit bei Mercedes ein zweistufiges SCR-System das Abgas von Stickoxiden. Eine Besonderheit stellt die Gemischbildung im Zylinder dar, die auf einer Stufenmulde im Stahlkolben basiert. Sie führt dazu, dass der Luftüberschuss geringer gehalten werden kann als üblich – und bietet damit eine gute Voraussetzung dafür, dass Stickoxide erst gar nicht entstehen. Der Ersteinsatz soll noch in diesem Jahr erfolgen.

          Es ist kaum verwunderlich, dass sich die Technikstrategien verschiedener Hersteller und Zulieferer so stark ähneln, wenn es gilt, das Antriebsprinzip zu retten, das derzeit die geringsten CO2-Emissionen mit dem höchsten Nutzwert verbindet. Ob sie damit am Markt Erfolg haben, hängt allerdings davon ab, ob sie das Vertrauen der Kunden zurückgewinnen.

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