Technik: Abgasreinigung für Euro 6 - Reinheitsgebot

Die signifikant negativen Auswirkungen des Straßenverkehrs auf die Luft-Reinheit sind seit vielen Jahrzehnten bekannt. Mit immer strengeren Abgasnormen wird darum versucht, der Belastung der Umwelt durch Verbrennungsmotoren Herr zu werden. Eine Vorreiterrolle fällt Kalifornien zu, das aufgrund seiner hohen Smoganfälligkeit schon in den Sechziger Jahren die ersten Abgasgrenzwerte fixierte – 1970 folgte die EG. Die aktuelle Euro-Normierung trat mit der Euro 1 bereits vor 22 Jahren in Kraft, genauer gesagt am 1.07.1992.

Jetzt ist es wieder soweit: Am 1. September 2014 erlangt die Euro 6-Abgasnorm ihre Gültigkeit. Das bedeutet, dass neue Fahrzeuge zum Erlangen der Allgemeinen Betriebserlaubnis ab diesem Datum die verschärften Abgasgrenzwerte einhalten müssen. Wohlgemerkt: Der Fokus liegt auf neuen Fahrzeugtypen. Ein aktueller Golf oder ein Audi A3 könnte auch nach diesem Datum noch mit Euro 5-Norm zugelassen werden, da diese Fahrzeugtypen bereits 2012 typgeprüft wurden. Sie genießen eine Schonfrist bis zum 1.09.2015 – ab diesem Zeitpunkt aber muss jedes Neufahrzeug zur Zulassung die Euro 6-Norm erfüllen. Doch keine Sorge: Bereits heute ist der Großteil des Motoren-Portfolios etwa von Golf und Audi A3 Euro 6-konform.

Stickoxide und Rußpartikel

Fixiert wurde die Euro 6-Norm schon 2007 zusammen mit ihrer Vorgängerin durch die Verordnung (EG) 715/2007 sowie deren Nachfolgeverordnungen des Europäischen Parlamentes und des Rates. Zwei wesentliche Verschärfungen werden beim Betrachten der Grenzwerte (Tabelle S. 39) deutlich: Erstmals wird neben der Partikelmasse (PM) auch die Menge der Partikel (PN) für Ottomotoren limitiert – beim Diesel gilt das schon seit 2011. Hintergrund: Direkteinspritzende Benziner sind sparsam – können aber vermehrt ultrafeine Partikel ausstoßen. Besonders betroffen sind hier Direkteinspritzer mit Ladungsschichtung – TSI- und TFSI-Aggregate setzen diese Methode nicht ein. Ab 2017 wird der Grenzwert für die Partikelmenge auf das selbe strenge Maß wie für die Diesel limitiert.

Der zweite Fokus der Euro 6-Norm liegt auf der Verringerung der Stickoxide (NOx) bei den Dieseln, die davon aktuell noch dreimal so viel ausstoßen dürfen wie Ottomotoren. Stickoxide wirken in gleich vierfacher Hinsicht klimaschädlich: Sie bauen die Ozonschicht ab, fördern die Erderwärmung, begünstigen Smog und sind für den sauren Regen verantwortlich.

Der Sprung von Euro 5 auf Euro 6 stellt die Hersteller vor deutlich größere Herausforderungen als der vorangegangene – besonders die NOx-Reduktion beim Diesel von 180 auf 80 mg/km.

Kraftakt Diesel

Der immense Aufwand zur Ertüchtigung eines Euro 5-Diesels auf Euro 6-Niveau lässt sich am Modularen Dieselbaukasten von VW besonders gut ablesen. Maßgabe für die Entwickler: Der Grundmotor sollte möglichst unangetastet bleiben.

Wichtigste innermotorische Maßnahme ist der neue variable Ventiltrieb VVT. Mittels eines neuen Nockenwellenstellers kann die einlassseitige Nockenwelle um bis zu 50 Grad Kurbelwellen-Winkel verschoben werden. Durch den gedrehten Ventilstern – Ein- und Auslassventile sind hinter- statt nebeneinander angeordnet – wirkt dies auf je ein Einlass- und ein Auslassventil. Füllung, Brennraumdrall und effektive Verdichtung können mit dem VVT beeinflusst werden.

Ein weiterer Baustein ist die Abgasrückführung AGR, die verbranntes Gemisch dem Frischgas zuführt. Hatte der Euro 5-Diesel bereits eine Niederdruck-AGR, die nach dem Turbolader das Gas abgreift und zusätzlich kühlt, setzt die zusätzliche Hochdruck-AGR des Euro 6-TDI noch vor der Turbine an. Die ungekühlten Gase sorgen gerade beim Kaltstart für ein beschleunigtes Aufheizen des Kats. Zudem verhindern sie bei schwacher Last ein Auskühlen der Abgasanlage.

Auch das Einspritzsystem wurde ertüchtigt. Anstelle von 1800 bar liegen in der Rail jetzt 2000 bar Kraftstoffdruck an. Dadurch kann die Einspritzzeit reduziert werden, was weitere Freiheiten bei der Brennverlaufsbildung eröffnet. Übrigens: Der Bi-TDI des neuen Passat arbeitet sogar mit 2500 bar. Die Einspritzdüsen des Euro 6-TDI agieren schneller und präziser als die des Euro 5-Vorgängers. Ergänzt wird das System durch eine Drucksensor-Glühkerze, die eine effektive Beeinflussung des Zylinderdrucks durch die Einspritzsteuerung ermöglicht.

Trotz dieses gewaltigen, innermotorischen Aufwands kommt der Euro 6-TDI nicht ohne eine aufwendige Abgasnachbehandlung aus. Diesel-Partikelfilter (DPF) und Oxikat gab es schon beim Vorgänger, jetzt kommt ein NOx-Speicherkat dazu. Er entfernt für maximal zwei Minuten Stickoxide aus dem Abgas, um dann in Sekun­denschnelle regeneriert zu werden. Dabei werden die Stickoxide in Stickstoff und Kohlendioxid umgewandelt. Zwei Lamdasonden, drei Drucksensoren und nicht we­niger als sieben Temperaturfühler im Ansaug- und Ab­gastrakt sind zur Steuerung nötig. Entsprechend komplex fällt die zugehörige Software aus. Mit der Euro 6-Norm werden auch die Anforderungen an die Onboard-Schnittstelle OBD verschärft, auf die hier nicht näher eingegangen wird.

Zwei unterschiedliche NOx-Killer

Trotz seiner Ausgebufftheit stößt das System bei schweren Fahrzeugen – grob: jenseits der Kompaktklasse – an seine Grenzen. Anstelle des NOx-Speicherkats kommt darum zum Beispiel bei Passat und Audi A4 ein SCR-Kat in Form einer Beschichtung im DPF zum Einsatz. Kombiniert wird das Ganze mit einer Harnstoff-Einspritzung in den Abgasstrom (AdBlue). Das darin enthaltende Ammoniak reagiert im SCR-Kat mit den Stickoxiden zu Wasser und elementarem Stickstoff. Getreu des modularen Ansatzes kann der 2.0 EU6-TDI-Motor längs als auch quer eingebaut und abgasseitig an die Schwungmaße des Fahrzeuges angepasst werden.

Als gutes Beispiel für einen Euro 6-Diesel zum Einsatz in schwereren Autos dient die flammneue dritte Gene­ration des 3.0 TDI von Audi, die neben umfangreichen innermotorischen Modifikationen auch eine weiterentwickelte Abgasnachbehandlung aufweist. Oxikat, Partikelfilter und SCR-Kat mit AdBlue waren bereits für die erste Motorengeneration verfügbar. Das SCR-System wurde damals aber noch motorfern am Unterboden platziert. Der abnehmende Verbrauch indes senkte die Abgastemperatur bei Generation 2 – ungüns­tig für die SCR-Funktion. Darum wurde der SCR-Kat durch eine SCR-Beschichtung im motornahen DPF er­setzt. Noch sparsamer und kälter laufende Effizienz-Varianten bekamen zusätzlich einen beheizten E-Kat. Bei der neuen Generation kommt ein weiterentwickelter, motornaher DPF mit SCR-Beschichtung zum Einsatz. Anstelle der Beheizung setzt die nochmals sparsamere Effizienz-Variante jetzt auf einen zusätzlichen NOx-Speicherkat (NOC).

Raucharmer Benziner

Durch innermotorische Maßnahmen gelingt es Volkswagen und Audi auf den Einsatz eines teuren und leistungshemmenden Partikelfilters zur Reduktion der Partikelmenge zu verzichten. Hardware-seitig geht die Tendenz zu noch präziseren Injektoren und einem er­höh­ten Raildruck. Der kommende Dreizylinder-TSI arbeitet beispielsweise mit beachtlichen 250 bar, dem 1.4 TSI (Euro 4, 122 PS) genügten bei seiner Vorstellung 2007 noch maximal 110 bar. Ungeachtet der günstige­ren Hardware-Voraussetzungen erfordert die Neuabstim­mung der T(F)SI auf Euro 6 dennoch einen immensen Programmieraufwand, der dem für die Diesel kaum nachsteht.