AdBlue, AGR und DPF: Analyse mittels VCDS

In diesem Artikel soll es darum gehen, welche Möglichkeiten man als Fahrer eines Fahrzeugs aus dem VW-Konzern hat, um einen etwas tieferen Einblick in die Funktionsweise des AdBlue-, des AGR-Systems und über den Partikelfilter gewinnen zu können. Hier werden zwei Fahrzeuge verwendet:

  • Ein Fahrzeug mit Motor 2.0 TDI, 147 kW, EA288 evo, Modelljahr 2022, Euro 6d, Leermasse inkl. Fahrer: 1730 kg.
  • Ein Fahrzeug mit Motor 1.9 TDI, 77 kW, EA188, Modelljahr 2008, Euro 4 mit DPF, Leermasse inkl. Fahrer: 1200 kg. Die Tests wurden mit Kilometerständen zwischen 155.000 und 170.000 km durchgeführt. 

Ausrüstung

Um die hier beschriebenen Vorgänge selbst nachvollziehen zu können, wird benötigt:

  • ein Laptop mit Windows und installiertem VCDS
  • ein OBD-Adapter für VCDS.

Wer als OBD-Adapter einen HEX-NET verwendet, kann möglicherweise auch über den Webserver auf dem OBD-Adapter, und damit auch mit Smartphone oder Tablet, arbeiten. Mit dem hier verwendeten aktuellen Fahrzeug funktioniert das (noch?) nicht, weil die VCDS Mobile-Applikation auf dem OBD-Adapter daran scheitert, die zum Motorsteuergerät gehörenden ASAM-Daten zu ermitteln. Der Fehler ist bereits im Forum von Ross-Tech gemeldet.

Ich verwende hier VCDS, weil ich es habe. Mit Sicherheit können auch andere Diagnosesysteme verwendet werden.

Folgende Fallbeispiele werden betrachtet:

Analyse des AdBlue-Systems

Das AdBlue-System kann über das Motorsteuergerät diagnostiziert werden. Man wählt also in VCDS das Motorsteuergerät aus:

Anschließend wählt man "Advanced Measurement Values":

Dort sieht man dann eine sehr lange Liste an Messwerten und Diagnosedaten, die man vom Motorsteuergerät abfragen kann. Dabei können maximal 12 Werte gleichzeitig ausgewählt werden:

 

Im folgenden Beispiel sind nun vorwiegend Sensoren ausgewählt, die im Zusammenhang mit Kraftstoff oder AdBlue stehen. Unter anderem kann man die Temperatur im AdBlue-Tank sehen (IDE03135), ebenso wie den Harnstoffgehalts der Flüssigkeit im AdBlue-Tank (IDE10032). Würde jemand auf die Idee kommen, Wasser in den AdBlue-Tank zu füllen, würde das Motorsteuergerät den Harnstoffgehalt laut Harnstoffsensor bemängeln:

Um das Verhalten des AdBlue-Systems während einer Fahrt zu analysieren, kann man zum Beispiel folgende Sensorwerte auswählen. Dabei ist zu beachten, dass NOx-Sensoren nur warm funktionieren. Zwar kann man auch abfragen, ob NOx-Sensoren überhaupt betriebsbereit sind, jedoch stößt man ohnehin leicht an das Limit von 12 Werten, und die Sensorbereitschaft ist nur für die Analyse von Fehlfunktionen interessant:

Welche Werte benötigt man wozu?

  • NOx sensor 1, 2 und 3 sind wohl offensichtlich. Sie messen des NOx-Gehalt der Abgase. Die Möglichkeit, Sensor 1 und 2 zusammen als einen virtuellen Sensor aufzuzeichnen, nutze ich nicht mehr, da der Sensor 2 dann erst relativ spät Werte liefert.
  • Exhaust Gas Recirculation (Abgasrückführung): EGR A  ist die Hochdruck-Abgasrückführung, EGR B die Niederdruck-Abgasrückführung. Eine höhere AGR-Rate verringert die Menge an Stickoxiden in den Rohabgasen, d.h. die Werte an NOx sensor 1. Außerdem kann man gut sehen, unter welchen Umständen die Hochdruck-Abgasrückführung überhaupt verwendet wird, und unter welchen nicht: Da die Hochdruck-Abgasrückführung die Abgase entnimmt, noch bevor sie durch den Partikelfilter durch sind, sind diese Abgase besonders schmutzig und tragen in besonderem Maße zur Verkokung bei.
  • Outside Temperature: Die Außentemperatur sollte nach der Geschichte der Thermofenster immer aufgezeichnet werden
  • Vehicle speed: So kann nachträglich Stadt, Autobahn, Stop and Go etc unterschieden werden. Außerdem kann man anhand der Geschwindigkeit und den Zeitstempeln auch die zurückgelegte Strecke errechnen.
  • Engine speed: Zusammen mit Vehicle speed kann man nachvollziehen, wann das Auto in welchem Gang war.
  • Engine torque: das abgerufene Drehmoment gibt darüber Auskunft, wann der Motor unter Last war. Dadurch kann man nachträglich Steigungen oder Gefälle in der Fahrt erkennen und bewerten, wie sich Steigungen auf den AdBlue-Verbrauch auswirken.
  • Consume reducing agent: AdBlue-Verbrauch seit Anbeginn der Zeit. Zusammen mit Vehicle speed kann man dann den AdBlue-Verbrauch pro Kilometer berechnen.
  • Fuel consumption: Diese wird sowohl benötigt, um hinterher den Verbrauch über kurze Streckenabschnitte zu berechnen, als auch, um die Raumgeschwindigkeit abzuschätzen: Wird sehr viel Kraftstoff pro Stunde verbrannt, bewegen sich die Abgase sehr schnell durch die Katalysatoren, was schlecht ist. Eine längere Verweildauer in den Katalysatoren führt zu einer höheren Wirkung, ausreichend AdBlue vorausgesetzt.
  • Lambda: Zusammen mit Fuel consumption kann die Abgasmasse berechnet werden, denn die Abgasmasse entspricht verbranntem Kraftstoff plus verbrannter Luft
  • NOx calatytic converter ... NH3 reducing agent: Die Ammoniak-Beladung gibt an, wieviel Ammoniak im Katalysator gespeichert ist. Ist viel Ammoniak gespeichert, kann es sein, dass beim Beschleunigen vor allem dieser Ammoniak verbraucht wird, statt den AdBlue-Verbrauch sofort stark zu erhöhen. Bei der Auswertung des AdBlue-Verbrauchs über sehr kurze Strecken muss immer die Ammoniak-Beladung berücksichtigt werden.

Weitere auslesbare Werte mit Interesse:

  • Temperatur beider SCR-Katalysatoren: Damit könnte man prüfen, ob die Annahme, dass der zweite SCR-Katalysator unter bestimmten Umständen gar nicht warm wird, stimmt. Vor allem die Temperatur des zweiten SCR-Katalysators wird jedoch, zumindest laut Beschriftung des Messwerts, nur berechnet, nicht gemessen
  • Abgastemperatur vor der Abgasnachbehandlung: Damit kann man zeigen, dass der Motor nach dem Kaltstart gezielt heißere Abgase produziert, um den ersten SCR-Katalysator schnell aufzuheizen 

Ich bin dazu übergegangen, Lambda nicht mehr aufzuzeichnen, da es unter den aufgezählten Werten den geringsten Nutzen hat, und nur 12 Werte gleichzeitig aufgezeichnet werden können.



Screenshots von VCDS während einer Datenaufzeichnung

Momentaufnahmen

Die Abbildung rechts zeigt drei Screenshots von VCDS während der Fahrt. Zu sehen sind dabei:

  • ein Betriebszustand mit Beschleunigung bei 1300/min, jedoch kein Vollgas. Erkennbar ist das am Verbrauch von 7,38 Litern pro Stunde bei 85 km/h, was etwa 8,7l/100km entspricht, und dem abgerufenen Drehmoment von knapp 240 Nm. Hier ist z.B. NOx 1 = 800 ppm, NOx 3 = 22 ppm, d.h. die Umwandlungsrate liegt bei über 97%. 
  • ein Betriebszustand mit Beschleunigung bei 1700/min, wiederrum kein Vollgas. Das abgerufene Drehmoment liegt bei 282 Nm, der Motor könnte 400 Nm. 10,79 Liter pro Stunde bei 111 km/h entsprichen 12l/100km.
  • ein Betriebszustand mit Beschleunigung bei 1600/min, dieses Mal Vollgas (das maximale Drehmoment von 400 Nm steht ab 1700/min zur Verfügung). 14,22 Liter pro Stunde bei 104 km/h entsprechen 14,8l/100km. Die Umwandlungsrate beträgt "nur" noch 90%.

Wie sich in zahlreichen Tests zeigt, sind die Werte für NOx 1 bei niedriger Drehzahl, unterhalb von etwa 1600-1700/min, besonders hoch, sobald man etwas Last erzeugt. Solange man nicht Vollgas gibt, bleibt NOx 3 jedoch sehr niedrig. 

Fortlaufende Datenaufzeichnung

Solche Momentaufnahmen sind jedoch nicht wirklich geeignet, um das Verhalten des Systems zu untersuchen. Was wir benötigen sind fortlaufende Datenaufzeichnungen.

Indem man auf "Log" und anschließend "Start" drückt (siehe die größeren Screenshots weiter oben), kann man eine CSV-Datei erzeugen, die man anschließend auswerten kann. Das folgende Bild zeigt eine solche CSV-Datei, geöffnet in LibreOffice. Hier muss man aufpassen, weil VCDS für Dezimalzahlen den . als Dezimaltrennzeichen verwendet, während die deutsche Spracheinstellung diesen als Tausendertrennzeichen interpretiert. Bei LibreOffice kann man beim Öffnen als Sprache "Englisch" auswählen, was dafür sorgt, dass Punkt und Komma so interpretiert werden, wie VCDS es beim Aufzeichnen der Datei gemeint hat. Die Datei sieht dann so aus:

Auswertung

Möchte man nur wenige solche Dateien auswerten, kommt man mit den Bordmitteln von LibreOffice schon recht weit. Als ersten Schritt sollte man die CSV-Datei dazu als ODS-Datei speichern.

In meinen Aufzeichnungen ist die Fahrzeuggeschwindigkeit in Spalte E enthalten, die zugehörigen Zeitstempel in Spalte D. Um die Strecke zu berechnen, die innerhalb einer Zeile zurückgelegt wird, nehmen wir einfach die Geschwindigkeit sowie die Zeit, die bis zur nächsten Zeile vergeht. Außerdem wollen wir aus praktischen Gründen die Strecke in Metern. Der erste Messwert steht in Zeile 8. D.h. wir nehmen eine freie Spalte, in meinem Fall AA, tragen in Zeile 6 eine Beschriftung ein, z.B. "Distance [m]", und verwenden die Gleichung: =($D9-$D8)*$E8/3,6. Diese Gleichung kann man dann in alle Zeilen der Spalte AA kopieren. Dabei wird die Zeilennummer automatisch angepasst. Möchte man nicht, dass die Zeilennummer beim Kopieren mit angepasst wird, müsste man $D$9 etc schreiben.

Für die Gesamtstrecke, die bis zu einer Zeile zurückgelegt wurde, würde man dann z.B. $AB8 := $AA8 und $AB9 := $AB8+$AA9 setzen, und dann wiederum die Zelle AB9 in alle darunterliegenden Zeilen kopieren. Da man den AdBlue-Verbrauch seit Anbeginn der Zeit in einer anderen Spalte hat, kann man leicht den AdBlue-Verbrauch über eine gewisse Strecke ermitteln.

Im folgenden Beispiel habe ich nicht die NOx-Sensoren 1 und 2 getrennt aufgezeichnet, sondern aus der langen Liste abfragbarer Werte den Wert "NOx-sensor" verwendet. Dort werden die Werte für NOx 1 und NOx 2 zusammen geliefert, allerdings dauert es länger, bis gültige Werte geliefert werden. Warum das so ist, lässt sich nicht ohne weiteres nachvollziehen. Außerdem habe ich "Group UDS requests" verwendet, so dass eine Zeile pro ca. 0,4 bis 0,5 Sekunden entsteht und deutlich mehr Werte vorliegen. In diesem Beispiel habe ich für die AdBlue-Werte willkürlich einen Abstand von 80 Zeilen gewählt, d.h. der ermittelte durchschnittliche AdBlue-Verbrauch bezieht sich auf eine Zeitspanne von ca. 32 bis 40 Sekunden. In den folgenden Bildern sieht man ausgewählte Auszüge, und zwar zu Beginn, wo noch keine Messwerte vorliegen, bei einer Geschwindigkeit von 104 km/h, und am Ende einer leichten Beschleunigung von 100 auf 160 km/h. Bei konstanten 160 km/h ist der AdBlue-Verbrauch natürlich niedriger als während einer Beschleunigung auf 160 km/h. Hier nun die Bilder:

Eine Einordnung der ppm-Werte, die in diesen Bildern zu sehen sind, erfolgt weiter unten in Betrachtung von NOx-Sensorwerten.

Graphische Darstellung der Ergebnisse

Man kann mit LibreOffice durchaus Graphen aus solchen Tabellen erzeugen. Allerdings ist das relativ mühsam, wenn man das mit vielen Dateien machen will. Stattdessen habe ich mir in C# eine kleine Applikation programmiert, die gnuplot-Datendateien erzeugt und die Profildateien und berechnete Spalten unterstützt. Eine "berechnete Spalte" wäre zum Beispiel die zurückgelegte Wegstrecke, berechnet aus der Geschwindigkeit und der Zeit, oder der durchschnittliche AdBlue-Verbrauch in Litern pro 1000 Kilometern in einer Umgebung von ± 250 Metern um den Messpunkt herum.

Das folgende Bild zeigt eine solche Darstellung von einer weiteren Fahrt. Enthalten sind die Außentemperatur, die Geschwindigkeit sowie Kraftstoff- und AdBlue-Verbrauch. In diesem Fall sind sowohl Geschwindigkeiten im Bereich der Richtgeschwindigkeit als auch schnellere Abschnitte enthalten. Bei 120 km/h liegt der AdBlue-Verbrauch im Bereich von 0,5l/1000km, bei 180 km/h bei 2l/1000km, bei starken Beschleunigen sind kurzzeitig auch 6l/1000km beobachtbar. Dies verdeutlicht noch einmal, warum die Vorstellung, man könnte eine AdBlue-Betankung durch den Fahrer vermeiden, Unsinn ist:

Ich kann nicht ausschließen, dass die Zahlen durch leichte Steigungen und Gefälle beeinflusst werden. Dazu wäre eine längere Testfahrt nötig.

Analyse des Kaltstart-Verhaltens

Im ersten Beispiel soll es um die Analyse der Frage gehen, wie lange es dauert, bis das AdBlue-System betriebsbereit ist. Für diesen Anwendungsfall ist eine Durchschnittsbildung über eine längere Strecke nicht sinnvoll. Stattdessen ist es besser, in die Rohdaten zu schauen, und zu prüfen, wann erstmals nach Fahrtbeginn AdBlue verbraucht wird. Im vorliegenden Fall war das Fahrzeug mehr als 24 Stunden bei +4°C in der Tiefgarage geparkt, die Außentemperatur lag bei knapp unter 0°C. Die Geschwindigkeit während der Aufwärmphase lag zu jedem Zeitpunkt unter 40 km/h, der Test enthält auch das Herausfahren aus der Tiefgarage.

In den Rohdaten sieht man, dass der Motor etwa 4 Sekunden nach Beginn der Aufzeichnung gestartet war. Das erste AdBlue wird bei Zeitindex 125,99 verbraucht, d.h. 126 Sekunden nach Beginn der Aufzeichnungen. Im Screenshot sind Spalten und Zeilen, die nicht zur Demonstration dieses Punktes dienen, ausgeblendet:

Im folgenden Graph wird sowohl die Geschwindigkeit während der Aufheizung als auch die Ammoniak-Beladung beider SCR-Katalysatoren dargestellt. Der erste grüne Pfeil zeigt den Beginn des Abfalls der Ammoniak-Beladung im ersten SCR-Katalysator, d.h. bei etwa 90 Sekunden wird bereits Ammoniak verbraucht. Der nächste Pfeil zeigt eine plötzliche Zunahme der Ammoniak-Beladung, d.h. es wird Ammoniak zugeführt, indem AdBlue verbraucht wird. Man kann also sehen, dass am ersten AdBlue-Einspritzpunkt bereits nach etwa 2 Minuten AdBlue eingespritzt wird, am zweiten Einspritzpunkt sind es etwas mehr als 11 Minuten. Die Werte der NOx-Sensoren helfen an dieser Stelle noch nicht, da eine Bewertung anhand der NOx-Sensoren erst dann möglich ist, wenn der zweite bzw. der dritte Sensor betriebswarm ist. Die Sensoren werden erst später betriebsbereit als zum Beginn der AdBlue-Einspritzung.

 

 

Bei Stop&Go-Verkehr bereits kurz nach dem Motorstart sieht man, dass der zweite SCR-Katalysator gar nicht warm wird. Diese Systemeigenschaft ist nicht überraschend:

Betrachtung von NOx-Sensorwerten

Fahrzeuge mit SCR verfügen über 1 bis 3 Sensoren zur Messung des NOx-Anteils in Abgasen. Systeme mit nur einem Sensor sind nach heutigem Stand eher als primitiv zu betrachten. Das Beispielfahrzeug mit EA288 evo - Motor verfügt über 3 solche Sensoren. Die Werte der NOx-Sensoren 1, 2 und 3 zeigen den Anteil an Stickoxiden im Abgas vor dem ersten SCR-Katalysator, zwischen dem ersten SCR-Katalysator und der zweiten AdBlue-Einspritzung sowie nach dem zweiten SCR-Katalysator. Die Werte werden in ppm, d.h. Teilen pro Million angegeben. Das Verhältnis aus AdBlue-Verbrauch zu Diesel-Verbrauch muss bei höheren Werten von (NOx-Sensor 1 * Lambda)  steigen.

Zunächst einmal sollen solche ppm-Werte eingeordnet werden. Die Abbildung hier stammt aus "Der Diesel-Skandal" von Dr. Axel Friedrich, auffindbar z.B. unter [1].

Bei diesen Werten handelt es sich um Emissionen, d.h. sie müssen mit den Werten des dritten NOx-Sensors des Testfahrzeugs verglichen werden. 

Im gleichen Dokument sind auch Realemissionen angegeben: Etwa 40 mg NOx/km für den Audi Q3, und 739 mg NOx/km für den Ford Mondeo. Bei dem Ford Mondeo sieht man Spitzenwerte von über 1000 ppm NO und 300 ppm NO2, wobei zu beachten ist, dass die Fahrzeugsensoren hier keine Trennung zwischen NO und NO2 liefern, sondern nur die Summe aus beiden. Beim Audi liegen die Werte, abgesehen von einer einzelnen Spitze zu beginn, oft nahe an 0, mit einzelnen Spitzen von knapp 200 ppm. Man sieht also: Kurze Spitzen sind hier kein Problem.

Die Umwelthilfe hatte bei einem Fiat sogar einmal davon berichtet, den Messbereich des Messgeräts überschritten zu haben [3], und der lag bei 3000 ppm NO und 1000 ppm NO2. Es geht also durchaus noch viel schlechter.

Mit diesen Erkenntnissen ausgerüstet können wir nun die Sensorwerte der fahrzeugeigenen Sensoren bewerten. Bei der ersten Fahrt handelt es sich um eine Strecke mit Stadt- und Überlandanteilen, inklusive einer 11-prozentigen Steigung. Die senkrechten paarweisen Spitzen in den Sensorwerten treten auf kurz bevor die Sensoren betriebsbereit sind, d.h. z.B. dass die Werte des dritten NOx-Sensors erst ab ca. 680 Sekunden überhaupt aussagekräftig sind. An der Steigung steigen die NOx-Werte auf etwa 100 ppm. Der Abschnitt von 1000 bis 1200 Sekunden stellt einen Streckenabschnitt ohne Steigung oder Gefälle und ohne rote Ampeln dar, aber mit verkehrsbedingten leichten Verzögerungen und Beschleunigungen. Dort sind die Werte am dritten Sensor praktisch 0.

Beim Versuch, den AdBlue-Verbrauch auf dieser Strecke zu ermitteln, zeigen sich jedoch Komplikationen. Über Teile der Strecke sind die NOx-Werte des dritten Sensors praktisch 0, obwohl kein AdBlue verbraucht wird. Hier zeigt sich, dass man auch die Ammoniak-Beladung vor allem des ersten SCR-Katalysators betrachten muss. Wie im Artikel AdBlue und AdBlue-Verbrauch vorgerechnet, erhält man aus 5 ml AdBlue etwa 1  g Ammoniak. Der erste SCR-Katalysator hat (wahrscheinlich) ein Volumen von 3,4 Litern [2]. Bei einer Ammoniak-Beladung von 0,1 g/l ergibt sich also, dass 0,34 g Ammoniak gespeichert sind. Um 0,34 g Ammoniak zu gewinnen, müssen 1,7 ml = 1,85 g AdBlue verdampft werden. Schaut man sich nun die Ammoniak-Beladung während der Fahrt an, dann sieht man, dass sie auf dem Streckenabschnitt vor der Steigung stetig fällt, d.h. es wird Ammoniak im ersten SCR-Katalysator verbraucht, aber nicht nachgeliefert. Innerhalb von sehr kurzer Zeit auf der Steigung erhöht sie sich dann sehr schnell. Schaut man sich die Rohdaten direkt an, dann wurden in der Zeitspanne von 850 bis 900 s etwa 530 m zurückgelegt und 2,6 g AdBlue verbraucht. Die Ammoniak-Beladung ist von 0,1567 g/l auf 0,2764 g/l gestiegen, d.h. bei 3,4 l Volumen wurden 0,407 g Ammoniak aus 2,2 g AdBlue eingespeichert. Die verbleibenden 0,4 g AdBlue wurden auf diesen 530 m direkt zur Reduktion von Stickoxiden verbraucht. Der ermittelte AdBlue-Verbrauch von 3l/1000km (bzw. bei Durchschnittsbildung über 0,5 km sogar 5l/1000km) auf diesem Stück ist also nicht real, er kommt dadurch zustande, dass das Motorsteuergerät die Ammoniak-Beladung des ersten SCR-Katalysators plötzlich erhöht. Tatsächlich wurde 0,4 g AdBlue auf 530 Metern Steigung bei niedriger Geschwindigkeit verbraucht, was etwa 0,7l/1000km entspricht.

Die Ammoniak-Beladung des zweiten SCR-Katalysators ändert sich während dieser 530 Meter nicht.

Die nächsten Beispiele zeigen immer die gleiche Strecke, aber mit verschiedenen Höchstgeschwindigkeiten während des Autobahn-Anteils der Fahrt. Die Strecke enthält keine nennenswerten Steigungen oder Gefälle. Dabei gilt, dass es kaum Vollgasbeschleunigungen gibt. Die Geschwindigkeiten sind als echte Geschwindigkeit laut Motorsteuergerät zu verstehen. Zum Beispiel liegt die Geschwindigkeit laut Tacho bei 137 km/h, wenn das Motorsteuergerät 130 km/h meldet. Auch bei Beschleunigungen und bei Geschwindigkeiten von 180 km/h sind die Werte mit rund 50 ppm bis 100 ppm noch sehr weit weg von den 1500 ppm des Ford Mondeo von oben. Dabei wurde der Mondeo nur bis 120 km/h getestet, siehe [1] Seite 14. Erstaunlicherweise sind die Werte bei 130 km/h höher als bei 140. Bei mehrfacher Wiederholung des Tests zeigt sich, dass es manchmal auch andersrum ist. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten liegen die NOx-vor-SCR-Werte viel höher als bei niedrigeren Geschwindigkeiten, entsprechend ist auch der AdBlue-Verbrauch viel höher. Dazu weiter unten mehr.

Erstaunlich: Bei 200 km/h wirkt der zweite SCR-Katalysator kaum noch. Hier kann ich nur vermuten:

  • die Abgase gehen bei 25 Litern Kraftstoff pro Stunde zu schnell durch den Katalysator durch
  • es liegt eine zu hohe Temperatur vor. In anderen Aufzeichnungen, in denen ich vorwiegend Temperaturen geloggt habe, sieht man, dass selbst der zweite SCR-Katalysator nahe an die 500°C kommt.

Meine Erwartung wäre gewesen, dass der zweite SCR-Katalysator gerade unter solchen Bedingungen besser funktioniert als der erste, die Daten zeigen jedoch das Gegenteil.

130 km/h
140 km/h
150 km/h
160 km/h
180 km/h
200 km/h

Die nächsten beiden Abbildungen zeigen die NOx-Sensorwerte während Beschleunigungen mit Vollgas. Dabei ist Vollgas am Drehmoment-Verlauf zu erkennen. Einmal bei sehr niedriger Drehzahl beginnend bei 80 km/h, und einmal von 130 km/h bis auf 209 km/h (Tacho: 220 km/h). Beide Beschleunigungen finden nur im 7. Gang statt. Für die Variante mit niedriger Drehzahl muss das DSG auf manuelle Schaltung gestellt werden, da es sonst zurückschaltet. Auch die Beschleunigung bei höheren Geschwindigkeiten ist mit manueller Schaltung leichter zu testen. Interessant ist dabei, dass bei Drehzahlen unterhalb von 1700/min der NOx-Anteil im Rohabgas höher ist als bei höheren Drehzahlen: Bei niedriger Drehzahl kann der Wert am ersten NOx-Sensor auf über 900 ppm steigen, bei höheren Drehzahlen (in diesem Fall: 3200/min) und Vollgas liegt der Wert bei unter 600 ppm.



In den folgenden beiden Abbildungen sieht man ebenfalls Vollgas-Beschleunigungen, dieses Mal aber ohne Einschränkung auf einen bestimmten Gang. Stattdessen wird tatsächlich so stark beschleunigt wie möglich. Einmal findet die Beschleunigung nach einem Streckenabschnitt mit rund 30 km/h, der am Ortsausgang endet, statt, einmal nach dem Abfahren von der Autobahn beim Abbiegen auf die Landstraße. Hierbei fällt auf, dass im ersten Fall der zweite SCR-Katalysator nicht mehr auf Betriebstemperatur zu sein scheint, denn die Werte am zweiten und dritten NOx-Sensor sind fast identisch. Im zweiten Fall sind die Werte am dritten Sensor erheblich niedriger: Von  etwa 800 ppm am ersten Sensor bleiben etwa 120 ppm übrig, was einer Umwandlungsrate von 85% während der Vollgasbeschleunigung entspricht.



Wer glaubt, niedrigere Drehzahl bedeute immer auch geringere Schadstoffemissionen, der wird bei den nächsten Abbildungen eines besseren belehrt: Nachdem mir bei Vollgas-Beschleunigungen im 7. Gang aufgefallen ist, dass dabei die Werte bei 1500/min viel schlechter sind als bei mindestens 1700/min, habe ich eine Autobahnsteigung einmal mit 100 km/h und einmal mit 120 km/h durchfahren, jeweils im 7. Gang. Das Ergebnis hat sich bestätigt: Bei 1500/min kann der Wert am ersten NOx-Sensor auf über 900 ppm steigen, und auch am dritten Sensor sind die Werte erheblich höher:



Betrachtung des AdBlue-Verbrauchs

Bei den Fahrten, für die oben die NOx-Sensorwerte abgebildet sind, wurde auch der AdBlue-Verbrauch aufgezeichnet. Die Testfahrt bei 160 km/h ist eine andere Fahrt. Das Fahrzeug meldet dabei nur den AdBlue-Verbrauch seit Anbeginn der Zeit in Gramm, d.h. eine Umrechnung in l/1000km muss dann anhand der Absolutwerte und der Fahrzeuggeschwindigkeit erfolgen. 1 ml AdBlue entspricht 1,09 g. Außerdem darf man auch hier die Ammoniak-Beladung der SCR-Katalysatoren nicht außer Acht lassen: Nach dem Auffahren auf die Autobahn wird zunächst gespeicherter Ammoniak verbraucht. Auf der Autobahn wird mit niedriger Ammoniak-Beladung gearbeitet. Am Ende der Autobahnstrecke wird die Ammoniak-Beladung wieder erhöht, so dass der AdBlue-Verbrauch dann im Stadtverkehr kurzzeitig trotz niedriger Motorlast sprunghaft ansteigt, und dann wieder abfällt. 

Generell zeigen die Daten, dass das Fahrzeug mit etwa 0,5-0,6l/1000km auskommt. Bei hohen Geschwindigkeiten über 160 km/h steigt der AdBlue-Verbrauch aber erwartungsgemäß sehr stark an, bei konstanten 180 km/h auf ca. 2l/1000km, bei konstanten 200 km/h auf über 3l/1000l. Die Gesamtstrecke beträgt 45 km.

vmax
[km/h]
AdBlue gesamt
[g]
AdBlue/Diesel-Verbrauch NH3-Beladung
130 23,8
140 26,0
150 25,0
160 30,4
180 57,8
200 80,7 (!)

Den folgenden Abbildungen liegt eine längere Strecke zugrunde, und zwar 345 km pro Strecke. Im folgenden sind der Kraftstoff- und AdBlue-Verbrauch sowohl auf 1 km als auch auf 10 km gemittelt dargestellt. Der Rückweg beginnt nach der Auffahrt auf die Autobahn auf der A72 aus Richtung Plauen nach Hochfranken, dann weiter die A93. Dort gibt es viele Steigungen, auch auf der Autobahn. Die kurze Spitze bei etwas über 800 Sekunden mit 12,5l/100km Diesel und 2,3l/1000km AdBlue, trotz konstanter Geschwindigkeit von nur 120 km/h, ist der Anstieg kurz vor der Ausfahrt Pirk. Die NOx-Werte liegen dort an Sensor 1 bei rund 500 ppm, an Sensor 3 immer noch bei über 50 ppm. Betrachtet man in den Rohdaten dort nur die 500 Meter, bei denen man wirklich am Anstieg ist (anhand des Drehmoments des Motors), dann liegt der AdBlue-Verbrauch sogar bei 3l/1000km.

Bei einer Durchschnittsbildung über 10 km konnte ich den AdBlue-Verbrauch auf 3,5l/1000km treiben, etwa 7x so hoch wie bei 120-130km/h auf flacher Strecke. Der Kraftstoffverbrauch ist dabei mit 13l/100km nur etwas mehr als doppelt so hoch wie normal. An der Stelle, an der der AdBlue-Verbrauch über 1km Durchschnitt auf fast 6l/1000km steigt, findet eine Vollgasbeschleunigung im 6. Gang statt. Ich bin weite Teile der Strecke mit manueller Schaltung gefahren, die meisten Beschleunigungen fanden nur im 7. Gang statt.

  AdBlue gesamt [g] Durchschnitt über 1 km Durchschnitt über 10 km
Hinweg 506
Rückweg 301

Für die oben erwähnte Steigung bei Pirk und Geschwindigkeiten von 100 km/h und 120 km/h sieht man im AdBlue-Verbrauch das, was anhand der NOx-Werte zu vermuten war: Der AdBlue-Verbrauch war bei 100 km/h bergauf im 7. Gang mit 5l/1000km deutlich höher als bei 120 km/h mit etwas über 3l/1000km:



Die nächste Abbildung zeigt eine Überfahrt über den Feldberg aus Richtung Todtnau. Es gibt ein Verkehrsschild dort, das eine Steigung von 10% über 8 km ankündigt, tatsächlich ist die Steigung jedoch weiter oben deutlich steiler als weiter unten. Des Weiteren enthält die Strecke einige Kurven, die man keinesfalls mit 80 km/h oder gar 100 km/h durchfahren kann, so dass mehrere Beschleunigungen auf der Steigung enthalten sind. Auf dem letzten, steilen Stück liegt der AdBlue-Verbrauch im Bereich 4 bis 6 Liter pro 1000 km:



Abschätzung der NOx-Emissionen

Anhand des AdBlue-Verbrauchs und der NOx-Sensorwerte können die NOx-Emissionen zumindest grob abgeschätzt werden. Nehmen wir hier als Beispiel die Konstantfahrt bei 180km/h auf gerader Strecke. Der AdBlue-Verbrauch liegt bei 2l/1000km, was bedeutet, dass das SCR-System etwa 1100mg NOx/km reduziert hat. Die Sensorwerte liegen im Bereich von 300ppm vor SCR und 40ppm nach SCR. Das heißt also, dass die Umwandlungsrate in diesem Test bei 85% oder etwas darüber lag lag. Diese 85% entsprechen den 1100mg NOx/km, die reduziert wurden, wenn wir annehmen, dass es keinen Ammoniak-Schlupf gab. Die verbleibenden 15% entsprechend damit knapp 200mg NOx/km, die bei diesen Testbedingungen emittiert wurden. Damit ergibt es ein Wert von etwa 1300mg NOx/km für NOx-vor-SCR. Schaut man zusätzlich in die AGR-Werte, dann sieht man, dass selbst unter diesen Bedingungen die Abgasrückführung ziemlich weit geöffnet ist. Fahrzeuge mit Abschalteinrichtungen würden bei 180 km/h die Abgasrückführung höchstwahrscheinlich abschalten und dadurch weit mehr als die hier ermittelten 1300mg NOx/km produzieren.

Macht man die gleiche Analyse für Geschwindigkeiten bis 140 km/h, dann liegt man mit AdBlue-Verbräuchen um die 0,5l/1000 bei einer Reduktion um 270mg NOx/km. Mit Umwandlungsraten von 90%-99% heißt das, dass der NOx-Ausstoß bei weniger als 30mg/km liegt, meistens deutlich darunter.

SCR und AGR

Die Abgasrückführung senkt die Verbrennungstemperatur und verringert damit die Menge an Stickoxiden, die bei der Verbrennung entstehen. Ohne Abgasrückführung müsste im SCR-System eine deutlich höhere Umwandlungsrate erreicht werden, um die gleichen gesetzlichen Grenzwerte für Stickoxide einzuhalten. Bei LKW gibt es Motoren ohne AGR, die dann mit größerem AdBlue-Tank ausgeliefert werden und deren Katalysatoren größer (oder zahlreicher) sind, z.B. von Scania. Bei PKW sind mir keine solchen Konstruktionen bekannt. Das Fahrzeug hier verfügt über eine ungekühlte Hochdruck-AGR und über eine gekühlte Niederdruck-AGR. Man kann natürlich auch das Verhalten der AGR auslesen, und erhält hierbei die Ist- und Soll-Position beider AGR-Ventile. Die Analyse der Daten zeigt einige interessante Aspekte:

  • Die Hochdruck-AGR arbeitet nur bei sehr niedriger Last.
  • Die Niederdruck-AGR arbeitet auch bei sehr hoher Last
  • Beim Wegnehmen des Gases geht die Hochdruck-AGR kurz auf 100%

Folgende weitere Aspekte sind hier jetzt nicht abgebildet:

  • bei laufender DPF-Regeneration ist die Start-Stopp-Automatik deaktiviert, und selbst im Stand ist die Hochdruck-AGR dann deaktiviert, während die Niederdruck-AGR arbeitet. Man erkennt also problemlos eine DPF-Regeneration, auch wenn man den DPF-Status nicht mit aufzeichnet

Die folgende Abbildung zeigt das Verhalten der AGR sowie Geschwindigkeit, Drehzahl und Drehmoment. Bei etwas über 520 Sekunden liegt die Geschwindigkeit bei 200-209 km/h, das Drehmoment bei ca. 430 Nm, und die Drehzahl bei fast 3200/min. Selbst in diesem Zustand ist die Niederdruck-AGR noch aktiv. Eine Analyse des AdBlue-Verbrauchs, der hier jetzt nicht abgebildet ist, zeigt an dieser Stelle einen Verbrauch von 4,0l/1000km.

Suche nach AGR-Thermofenster an einem Euro 4 - Fahrzeug

In diesem Fallbeispiel geht es darum zu prüfen, ob auch das eingangs erwähnte Euro 4 - Fahrzeug mit 1.9 TDI-Motor bereits ein Thermofenster bei der Abgasrückführung einsetzt, oder ob dies eine neue Erscheinung bei Fahrzeugen erst ab Euro 5 ist. Für diesen Test braucht man nicht nur ein Diagnosesystem und ein Fahrzeug, sondern auch passendes Wetter. Für alle Testfahrten wurde die gleiche Teststrecke verwendet. Das Fahrzeug war in einer Tiefgarage geparkt, so dass die Kühlmitteltemperatur zu Testbeginn deutlich von der Außentemperatur abweichen kann. In der folgenden Tabelle ist eine Übersicht der Bilder zu sehen. Die Bilder können durch Anklicken vergrößert werden: 

Außentemperatur:
+29°C bis +31°C
Außentemperatur:
+21°C bis +23°C
Außentemperatur:
+12°C bis +14°C
   
Außentemperatur:
+1°C bis +3°C
Außentemperatur:
-4°C bis -10°C
Außentemperatur:
-13°C bis -15°C
   
  Außentemperatur:
-16°C bis -19°C
 
   

Unabhängig von der Temperatur öffnet sich das AGR-Ventil kaum weiter als 30%. Ist die Motorkühlmitteltemperatur niedrig, dann öffnet sich das AGR-Ventil weniger als bei höherer Motorkühlmitteltemperatur. Das ist soweit normal, denn bei zu niedriger Kühlmitteltemperatur wird die Verbrennungstemperatur angehoben. Durch reinen Zufall ist bei der Testfahrt im 7. und letzten Bild eine DPF-Regeneration aufgetreten, so dass trotz niedriger Außentemperatur eine hohe Kühlmitteltemperatur beobachtet werden konnte. Betrachtet man nun den Bereich direkt nach der DPF-Regeneration, dann stellt man fest: Bei ausreichend warmem Motorkühlmittel wird das AGR-Ventil bei niedrigen Außentemperaturen in etwa genauso weit geöffnet wie bei sommerlichen Temperaturen. Die Tests umfassen dabei einen Temperaturbereich von +31°C bis -19°C. Ein Thermofenster kann damit natürlich nicht ausgeschlossen werden, ein enges Thermofenster, d.h. so, dass das AGR-System nur im Sommer funktioniert, kann aber sehr wohl ausgeschlossen werden. Das Pikante daran: Offenbar waren die Ingenieure, zumindest bei VW, schon bei Euro 4 - Motoren in der Lage, eine Abgasrückführung zu konstruieren, die bei niedrigen Außentemperaturen eingesetzt werden kann, ohne Schaden zu nehmen. Der Motortyp 1.9 TDI mit 77 kW ist nämlich für keine nennenswerten Probleme bekannt, schon gar nicht für AGR-Probleme nach kurzer Laufleistung. Sie funktionieren einfach, auch die Abgasrückführung, die offenbar auch im Winter arbeitet.

DPF-Regeneration bei einem Euro 4 - Fahrzeug

Im nächsten Beispiel sieht man eine DPF-Regeneration bei niedriger Geschwindigkeit. Oft wird behauptet, man müsse schnell und mit hoher Drehzahl fahren, damit der DPF regenerieren kann. Das mag für Fälle stimmen, in denen der Partikelfilter übervoll ist und bereits die DPF-Warnlampe leuchtet. Unter normalen Umständen sieht man jedoch im folgenden Bild, dass eine Regeneration bereits im normalen Stadtverkehr möglich ist. Der Graph für "Aktive DPF-Regeneration" ist oben, wenn eine Regeneration stattfindet, und unten, wenn keine stattfindet. Fällt der Graph also nach unten ab und steigt dann wieder, dann heißt das, dass die Regeneration unterbrochen wurde. Zum Beispiel liegt die Geschwindigkeit bei 825 bis 900 Sekunden zwischen 30 und 40 km/h, die Drehzahl zwischen 1200/min und 1500/min. Bei Ampelstopps bricht die Regeneration tatsächlich ab:

Externe Links:

[1] Der Diesel-Skandal (Dr. Axel Friedrich)

[2] Volkswagen 2.0 TDI diesel engine ready for Euro 6d (Quelle: dieselnet.com, abgerufen: 27.02.2022)

[3] Deutsche Umwelthilfe stellt mehr als 20-fach erhöhte Stickoxid-Emissionen bei einem getesteten Fiat 500X 2.0 Diesel fest (Quelle: DUH, abgerufen: 06.03.2022)

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