Partikelinteressen im Zielkonflikt

In den nächsten Jahren werden entscheidende Weichen gestellt, den modernen Verbrennungsmotor noch umweltverträglicher zu machen. So wird der Ottomotor fast flächendeckend mit Turbolader und direkter Einspritzung veredelt. Sollte er unter dem CO2-Spardiktat zusätzlich mit einem mageren Brennverfahren ausgestattet werden – was sehr wahrscheinlich ist – dürfte er ein bisher nicht bekannte Problem bekommen: Partikel. Partikel könnten extremen Downsizing-Konzepten zum Nachteil gereichen, denn die Europäische Abgasgesetzgebung ließ den bisherigen Absichterklärungen auch Taten folgen und nahm tatsächlich bereits ab der Stufe EU5 (2010) Partikelmasse-Grenzwerte für Ottomotoren mit Direkteinspritzung auf.

Viel wichtiger ist, dass mit der EU6-Norm ab dem Jahr 2014 auch ein verbindlicher Grenzwert für die maximale Anzahl der ausgestoßenen Partikel definiert werden soll. Es spricht einiges dafür, dass dieser mit dem Dieselgrenzwert identisch sein wird. Für Dieselmotoren hat der Gesetzgeber bereits für EU5 und EU6 den Ausstoß einer Partikelanzahl von 6,0 x 1011 festgeschrieben. Der Otto könnte im gleichen Teufelskreis wie der Dieselmotor landen, bei dem die aufwendige Filtrierung Leistungsverlust und hohe Kosten verursacht.

Denn der Teufel steckt im Detail. Eine Studie von Ricardo hat gezeigt, dass auf der Oberfläche der herkömmlichen geschlossenen Partikelfilter eine Rußschicht aufgebaut sein muss, um die vielen ultrafeinen Teilchen ausreichend zurückzuhalten. Diese haben zwar wenig Masse, machen aber den größten Teil der Teilchenanzahl aus. Das hat übrigens auch die europäische Herstellervereinigung ACEA erfahren müssen, als sie für neue Lkw-Abgasnormen einen Grenzwert für die Partikelanzahl von 6,0 x 1011 vorgeschlagen hat. Nur ist diese Vorgabe mit den technisch aktuellen geschlossenen Filtersystemen angeblich nicht einzuhalten. Eine Lösung könnten offene Filtersysteme sein, die vor allem solche kleinen Rußteilchen zurückhalten.

Aber auch die NOx-Rohemissionen eines Ottomotors im Magerbetrieb müssen für EU6 deutlich reduziert werden. Ungleich spannender wird es in den nächsten Jahren deshalb sein, wie die Protagonisten bei Otto- und Dieselmotoren gleichermaßen den Dreifach-Zielkonflikt „NOx, CO2, Kosten“ bearbeiten.

Wird der Motor extrem verbrauchsgünstig ausgelegt und dabei in Kauf genommen, dass erhebliche NOx-Emissionen entstehen, die anschließend mit einem SCR-System eliminiert werden? Oder setzen sich als Alternative hohe Abgas-Rückführraten durch, die eine kältere Verbrennung und somit geringere NOx-Emissionen zur Folge haben, aber mehr Verbrauch und Partikel produzieren? Für beide Wege gibt es gute Argumente.

Unternehmen wie die Abgasspezialisten Boysen oder Kolbenschmidt Pierburg favorisieren hohe Abgas-Rückführraten. „Mit hohen AGR-Raten lassen sich die strengen Stickoxid-Grenzwerte der EU6 erfüllen, und zwar mit erheblich weniger Aufwand und Kosten als mit einem SCR-System“, sagt zum Beispiel Michael Fischer, Bereichsleiter Technische Entwicklung bei Boysen. Boysen entwickelt ein Niederdruck-AGR-System, das nach seinen Angaben kleiner und leichter als ein SCR-System ist und weniger Einfluss auf den Abgasgegendruck und somit den Kraftstoffverbrauch hat. Dr. Hans-Joachim Esch, Geschäftsführer der Pierburg GmbH, ergänzt: „In der Erstausrüstung wird SCR einen signifikanten dreistelligen Beitrag kosten, das ist wesentlich mehr als ein AGR-System.“ Unter dieser Prämisse dürfte SCR nur schwer flächendeckend und kostendeckend in Serie zu bringen sein, insbesondere bei kleineren und kostenoptimierten Motoren. Wolfgang Maus, Vorsitzender der Geschäftsführung von Emitec, kontert: „AGR sorgt zwar für eine kältere Verbrennung und somit weniger NOx, verursacht aber auch höhere Verluste und ist nicht besonders verbrauchsoptimal. Modellrechnungen bei Lkw zeigen, dass ein extrem auf Verbrauch ausgelegter Motor inklusive SCR drei bis fünf Prozent weniger Kraftstoff verbraucht. Dieser Kostenvorteil würde die Kosten des SCR-Systems schon nach sechs bis neun Monaten neutralisieren. Bei Pkw mit 10 bis 15 Prozent Verbrauchsvorteil würde sich das SCR-System nach etwa 50 000 Kilometer rechnen.“

Stellt sich die Frage, inwieweit AGR und SCR überhaupt notwendig sind, um die EU6-Grenzwerte zu erreichen. Kleinwagen dürften vermutlich ohne AGR und SCR auskommen, ab der Kompaktklasse müsste ein AGR-System ausreichen und nur zur Oberklasse hin dürfte SCR erforderlich sein, um die Stickoxid-Emissionen unter das EU6-Limit zu bringen, heißt es beispielsweise bei Continental. Neue Injektorgenerationen würden diese Richtwerte noch weiter nach oben verschieben. Allerdings erforderten Downsizing-Motoren eine deutlich diffizilere NOx-Regelung.

AGR, die steigende Effektivität der Verbrennung, und Start-Stopp-Systeme werfen eine weitere Frage auf: Wie sollen die Katalysatoren schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden und diese Temperatur halten? „Ich könnte mir einen beheizbaren Katalysator mit Metallträger vorstellen“, sagt Wolfgang Maus. „Man könnte ihn im Schiebebetrieb mit der vom Generator rückgewonnenen Bewegungsenergie elektrisch auf Betriebstemperatur halten.“ Dr. Hans-Joachim Esch skizziert eine andere Lösung: „Kolbenschmidt Pierburg bietet dafür eine Sekundärluftpumpe an, die in Verbindung mit Eingriffen in die Steuerung der Einspritzung und/oder der Ventilsteuerzeiten die Katalysatortemperatur im Arbeitsfenster hält.“

Friedrich Boysen; Telefon: 07453 20274; martin.stuka@boysen-online.de

Emitec; Telefon: 02246 1090; rainer.schaeferdiek@emitec.com

Kolbenschmidt Pierburg; Telefon: 07132 333140; folke.heyer@de.kspg.com

„In der Erstausrüstung wird SCR einen signifikanten dreistelligen Beitrag kosten, das ist wesentlich mehr als ein AGR-System.“

„Mit hohen AGR-Raten lassen sich die strengen Stickoxid-Grenzwerte der EU6 erfüllen, und zwar mit erheblich weniger Aufwand und Kosten als mit einem SCR-System.“

Thomas Johann Seebeck entdeckte im Jahr 1821 den Zusammenhang zwischen Wärme und Elektrizität. Doch erst 140 Jahre später gelang es, diesen Effekt zur Stromerzeugung in der Weltraumfahrt zu nutzen. Die Anwendung fürs Automobil dagegen ist BMW zu verdanken. Da rund zwei Drittel der Kraftstoffenergie beim Verbrennungsmotor als Wärme verloren gehen, entwickelten die Ingenieure in München einen Thermoelektrischen Generator für den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, mit dem bis 1000 W (!) aus der Abgaswärme gewonnen werden können. Eine zweite Variante sieht vor, die Abwärme der Abgasrückführung zu nutzen. Hier sind 250 W gewinnbar. Dem heißen Abgas seine Verlustwärme mit Hilfe eines Hochtemperatur-Wärmetauschers zu entziehen und diese beispielsweise für Heizzwecke wieder nutzbar zu machen, ist nicht neu, wenn gleich technisch anspruchsvoll. Die Abwärme aber über den Seebeck-Effekt direkt in elektrischen Strom zu wandeln, erfordert wesentliche, innovative Ansätze. Die Idee, spezielle Wärmetauschermodule für den praktischen Serieneinsatz des Thermoelektrischen Generators fürs Auto zu entwickeln, stammt von Emitec, Spezialist für Abgastechnik, die zusammen mit der DLR und Benteler Entwicklungspartner von BMW ist.

Erste konkrete Erfolge auf dem bislang steinigen Weg zur Serieneinführung sind nun vorzeigbar. Bei einer „kleinen“ Lösung – wie der elektrischen Wärmerekuperation im Abgasrückführkühler – kann der Kraftstoffverbrauch beim heutigen Kenntnisstand um bis zu 2 % sinken, bei der „großen“ als möglichst motornaher Abgasrekuperator ist eine Verbrauchseinsparung bis 5 % zu erwarten. Neben der Optimierung der dem heißen Abgas ausgesetzten Komponente sind der noch zwischen 3 und 8 % liegende geringe Wirkungsgrad der verwendeten Halbleiter Entwicklungsschwerpunkte. Hinzu kommt, dass bei instationärem Betrieb eines Motors nur bei hoher Leistung und ausreichenden Temperaturen die optimale Stromgewinnung möglich ist. Die BMW-Ingenieure sind zuversichtlich, dass sich die Entwicklung dennoch lohnt, denn die Zahl der elektrischen Verbraucher im Auto nimmt ständig zu und damit auch der Stromverbrauch. Durch den thermoelektrischen Generator wird dem elektrischen Bordnetz nun zusätzlicher Strom zugeführt. Somit muss die Lichtmaschine selbst weniger Strom erzeugen und die erforderliche Antriebsleistung sinkt. Der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors wird dadurch spürbar verringert.