Analyse mittels VCDS: EA288 evo - Motor bei niedrigen Außentemperaturen

Dieses Thema ist Teil des AdBlue-Dokuments "ADBLUE BEI DIESEL-PKW - Analyse anhand von chemischen Reaktionen anstatt absurder Vermutungen" unter Downloads.

In diesem Artikel zeige ich, wie sich das Abgassystem des EA288 evo bei niedrigen Außentemperaturen verhält. Die Untersuchungen dazu fanden vor allem im Dezember 2022, Dezember 2023 und Januar 2024 bei entsprechendem Wetter statt. Daten, die ich hier zeige, beziehen sich auf Außentemperaturen zwischen -3°C und -19°C. Untersuchungen bei noch niedrigeren Temperaturen waren mangels passendem Wetter nicht möglich. Für einige Tests war das Fahrzeug im Freien geparkt, im Allgemeinen steht es jedoch in einer Tiefgarage. Im Folgenden gebe ich deswegen Parktemperatur und Warmfahrtemperatur separat an.

Auf folgende Fragestellungen gehe ich dabei ein:

• welche Vorgaben macht die Abgasverordnung?
• Analyse von Daten:
  • wie lange dauert es, bis das AdBlue-System nach einem Kaltstart betriebsbereit ist?
  • wie hoch ist die Abgastemperatur?
  • Ändert sich der AdBlue-Verbrauch im Winter? Gibt es "Thermofenster"?
  • Funktioniert das AdBlue-System auch im Winter im Standgas?

Vorgaben der Abgasverordnung

Die Abgasverordnung 692/2008 [1] macht hier seit 2008 folgende Vorgaben für Abgasnachbehandlungssysteme für Dieselmotoren (d.h. NICHT für die Abgasrückführung, die keine Abgasnachbehandlung darstellt):

• Das NOx-Nachbehandlungssystem eines Diesel-PKW muss bei einem Kaltstart bei -7°C innerhalb von 400 Sekunden betriebswarm sein:

Bei der Beantragung einer Typgenehmigung belegen die Hersteller der Genehmigungsbehörde jedoch, dass die NOx-Nachbehandlungseinrichtung nach einem Kaltstart bei –7 °C innerhalb von 400 Sekunden eine für das ordnungsgemäße Arbeiten ausreichend hohe Temperatur erreicht, wie in der Prüfung Typ 6 beschrieben.

• Bei AdBlue-Systemen muss ein Tank, der bei -15°C durchgefroren ist, innerhalb von 20 Minuten so weit aufgetaut sein, dass flüssiges AdBlue zur Verfügung steht:

10. BETRIEBSBEDINGUNGEN DES ABGASNACHBEHANDLUNGSSYSTEMS

Der Hersteller muss gewährleisten, dass das Emissionsminderungssystem unter allen auf dem Gebiet der Europäischen Union regelmäßig anzutreffenden Umgebungsbedingungen und insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen seine Emissionsminderungsfunktion erfüllt. Dies umfasst auch Maßnahmen gegen das vollständige Einfrieren des Reagens bei einer Parkdauer von bis zu 7 Tagen bei 258 K (–15 °C) und 50 %iger Tankfüllung. Ist das Reagens gefroren, muss der Hersteller gewährleisten, dass es innerhalb von 20 Minuten, nachdem das Fahrzeug bei einer im Reagensbehälter gemessenen Temperatur von 258 K (–15 °C) angelassen wurde, zur Verwendung bereitsteht, damit das Emissionsminderungssystem ordnungsgemäß arbeiten kann.

Bei der Auslegung von "unter allen auf dem Gebiet der Europäischen Union regelmäßig anzutreffenden Umgebungsbedingungen" ist zu berücksichtigen, dass Finnland ein Teil der europäischen Union ist. Eine kältebedingte, komplette Abschaltung des AdBlue-Systems bereits bei -16°C wäre also insofern gewagt, als dass dann Gerichte sich mit der Frage beschäftigen könnten, ob in Finnland regelmäßig Temperaturen von -16°C auftreten.

Die Verordnung 692/2008 wurde inzwischen durch die Verordnung 2017/1151 ersetzt. In den oben genannten entscheidenden Punkten hat sich dabei jedoch nichts verändert, weswegen man hier weiterhin auch die alte Verordnung zitieren kann.

Nach aktuellem Diskussionsstand scheint sich bei diesen Vorgaben auch mit der Euro 7 - Norm nichts zu verändern. Definitiv klar wird das jedoch erst, wenn die entsprechende Verordnung veröffentlich worden sein wird. 

Aufwärmzeit des AdBlue-Systems

Für die Aufwärmzeit des AdBlue-System spielen mehrere Faktoren eine Rolle:

• der SCR-Katalysator selbst muss eine gewisse Mindesttemperatur haben, damit überhaupt die gewünschten chemischen Reaktionen stattfinden
• die Abgastemperatur am AdBlue-Injektor muss ausreichend hoch sein, um AdBlue zu verdampfen (i.a. werden hier 180°C angenommen)
• AdBlue darf (offensichtlich) nicht gefroren sein: AdBlue gefriert bei -11°C. Der AdBlue-Tank, die Fördereinheit sowie die AdBlue-Leitungen werden bei bedarf beheizt.
• die Abgastemperatur selbst muss hoch genug sein, um das ganze Abgasnachbehandlungssystem aufzuheizen 

Um die Aufwärmzeit auszuwerten, empfiehlt es sich, mindestens folgende Daten aufzeichnen:

• AdBlue-Verbrauch
• Abgastemperatur
• Katalysatortemperatur

Die folgenden Abbildungen und Daten zeigen jeweils die Dauer, bis AdBlue eingespritzt wurde. Alle Abbildungen zeigen

• die Geschwindigkeit
• die Außentemperatur
• die Abgastemperatur am ersten und am dritten Abgastemperatursensor. Der erste Temperatursensor zeigt die Temperatur vor der Turbine des Turboladers, der dritte Temperatursensor zeigt die Abgastemperatur am ersten AdBlue-Injektor, zwischen Oxidationskatalysator und DPF/SCR-Kombination.

Je nachdem, welche Daten in der jeweiligen Aufzeichnung vorhanden waren, kann auch noch der Momentanverbrauch oder die abgerufene Motorleistung abgebildet sein. Für den AdBlue-Verbrauch gilt, dass zu Beginn einer Fahrt zunächst eine größere Menge verbraucht wird, um die Ammoniak-Beladung zu erhöhen. Wieviel das ist, hängt einfach davon ab, wieviel Ammoniak am Ende der vorherigen Fahrt noch gespeichert war. Danach kann der AdBlue-Verbrauch durchaus für längere Zeit wieder bei Null liegen.

Die Aufwärmdauer kann etwas geringer sein, als in der Abbildung dargestellt, wenn ich die Aufzeichnung bereits mehrere Sekunden vor dem Motorstart begonnen habe. Die Außentemperaturanzeige reagiert nicht sofort auf plötzliche Veränderungen, so dass es nach dem Verlassen der Tiefgarage etwas dauert, bis die korrekte Temperatur in der Datenaufzeichnung erscheint. Die Angaben zur Warmfahrtemperatur hier sind nach bestem Wissen und Gewissen.

Auffällig ist, dass die Parktemperatur einen größeren Einfluss zu haben scheint als die Warmfahrtemperatur, auch dann, wenn die Außentemperatur noch nicht so niedrig ist, dass der AdBlue-Tank einfrieren könnte. Bei einer Parktemperatur von +3°C spielt es fast keine Rolle, ob die Außentemperatur bei -3°C oder bei -12°C liegt. Dagegen führt eine Parktemperatur von -7°C bereits zu einer deutlich längeren Aufwärmzeit. Ausschlaggebend könnte hier die Temperatur im AdBlue-Tank sein. Das ist jedoch nicht testbar, da es praktisch nicht möglich ist, eine niedrige AdBlue-Temperatur bei gleichzeitig hohen Außentemperaturen herbeizuführen.

Des Weiteren sieht man, dass die Abgastemperatur am ersten Sensor im Beispiel 1 schon bei 30 km/h bei 500°C liegt, im Beispiel 3 und 4 dagegen nur bei 300°C. Die beste Vermutung, die ich hier habe, ist bisher folgende: Der besonders starke Heizmodus wird nur benutzt, wenn das AdBlue-System eigentlich bereits bereit wäre, und es nur noch an der Katalysatortemperatur hängt. Gibt es dagegen weitere Hindernisse, z.B. eine zu geringe Temperatur der AdBlue-Leitungen, wird kein so starker Heizmodus verwenden. Bei warmem Motor liegt bei 30 km/h übrigens die Abgastemperatur nur bei etwas über 200°C, d.h. auch eine Abgastemperatur von 300°C ist noch als ein Heizmodus zu verstehen.

Die AdBlue-Heizung wird sowohl anhand der Temperatur im Tank, als auch anhand der Außentemperatur gesteuert. Bei Temperaturen im Bereich von -8°C bis -10°C konnte ich beobachten, dass einer der Heizkreise in regelmäßigen Intervallen ein- und ausgeschaltet wird, während spätestens bei Temperaturen unterhalb von -15°C die Heizung dauerhaft eingeschaltet zu sein scheint, auch dann, wenn es im AdBlue-Tank eigentlich ausreichend warm ist. Die folgenden Beispiele zeigen Momentaufnahmen bei -8°C und bei -17°C. Heizkreis 1 (IDE03133) ist bei -8°C abgeschaltet, bei -17°C angeschaltet:

Die Messwerte des Füllstandssensors sollte man hier nicht überbewerten: während der Fahrt sind diese Messwerte recht instabil, da sich AdBlue natürlich im Tank bewegt.

NOx-Werte und AdBlue-Verbrauch im Winter

Im Folgenden vergleiche ich zunächst zwei Fahrten auf der gleichen Strecke:

• Fahrt 1: Parktemperatur +3°C, Außentemperatur während der Fahrt -5°C bis -10°C
• Fahrt 2: Parktemperatur -11°C, Außentemperatur während der Fahrt -14°C bis -19°C

Die Streckenführung für eine dritte Fahrt etwa 1 Jahr später war etwas anders:

• Fahrt 3: Parktemperatur +2°C, Außentemperatur -12°C bis -18°C

Generell möchte ich hier noch darauf aufmerksam machen, dass Tests bei solchen Temperaturen nur selten möglich sind, und dass daher Fragen, die erst bei einem Test entstehen, möglicherweise erst ein Jahr später geklärt werden können.

Katalysatortemperaturen:

Bei den Katalysatortemperaturen fällt auf, dass diese links bei Fahrt 1 etwas niedriger sind als bei Fahrt 2, obwohl die Außentemperaturen bei Fahrt 2 durchgängig niedriger sind. Vor allem sieht man rechts bei Sekunde 400 bis 600, dass die Katalysatortemperatur von SCR1 nicht unter 225°C fällt, während sie bei Fahrt 1 bei 540 Sekunden auf 210°C fällt. Auch kurz vor 900 Sekunden sieht man einen solchen Effekt, nämlich 300°C bei Fahrt 1 und 330°C bei Fahrt 2. Das Phänomen, dass die Abgastemperatur und die Katalysatortemperatur bei niedrigen Außentemperaturen bei gleicher Last höher ist, tritt also während der gesamten Fahrt auf.

NOx-Werte

Die nächste Tabelle zeigt einen Vergleich der NOx-Sensorwerte. Bei Fahrt 1 sind die Werte für NOx vor SCR (grün) viel niedriger als bei Fahrt 2. Vor allem auf den Abschnitten mit konstanten 80 km/h sieht man links Werte im Bereich von 50 bis 60 ppm vor SCR, rechts dagegen Werte von 200 bis 250 ppm. Bei höherer Last dagegen, z.B. beim Beschleunigen oder bei Geschwindigkeiten über 80 km/h, sind die Werte für NOx vor SCR sehr ähnlich.

Die Werte für NOx nach SCR (dunkelblau) sind durchweg niedrig:

AGR-Ventilpositionen

Die folgende Tabelle zeigt das Verhalten der Abgasrückführung auf den Fahrten 1 und 2, aber nicht die AGR-Raten, sondern die Ventilpositionen. Bei der Abgasrückführung wird der Unterschied besonders deutlich: Bei Stadtverkehr oder Geschwindigkeiten bis 80 km/h ist die Niederdruck-Abgasrückführung bei Fahrt 1 aktiv, bei Fahrt 2 dagegen nicht. Zu erkennen ist das bei 80 km/h auf der linken Seite bei 1400-1500s, auf der rechten Seite bei 1550 bis 1650s:

Eine genauere Analyse des Verhaltens der Abgasrückführung zeigt dann, vor allem bei der dritten Testfahrt, dass die Abgasrückführung einen Kältemodus aufweist. Der Kältemodus wird eingeschaltet, wenn die Außentemperatur während der Fahrt auf -15°C fällt, und wird wieder abgeschaltet, wenn die Außentemperatur während der Fahrt auf -12°C steigt. Allgemeineres zum Verhalten der Abgasrückführung bei diesem Motor beschreibe ich in Analyse mit VCDS: EA288 evo und die Abgasrückführung.

Da im Kältemodus die Niederdruck-Abgasrückführung bei niedriger Last nicht verwendet wird, steigt die Stickoxid-Produktion im Motor stark an. Höhere Werte für NOx vor SCR müssen - offensichtlich - zu höherem AdBlue-Verbrauch führen, denn man verbraucht ja 1 Liter AdBlue für 543 g Stickoxide (siehe AdBlue und AdBlue-Verbrauch). Über die gesamte Fahrt betrachtet lag der AdBlue-Verbrauch bei Fahrt 2 mit etwa 0,9l/1.000km doppelt so hoch wie bei Fahrt 1. Bei einzelnen Momentaufnahmen wäre der Faktor, wie man bereits an den obigen NOx-Werten sieht, noch deutlich höher (50 bis 60 ppm vs. 200 bis 250 ppm). Das folgende Beispiel zeigt zwei Momentaufnahmen bei 80 km/h mit Tempomat auf dem gleichen Streckenabschnitt in gleicher Fahrtrichtung, jedoch bei verschiedenen Außentemperaturen. NOx vor SCR ist bei -19°C hier 4x so hoch wie bei -6°C, und die Abgastemperatur ist am ersten Sensor bei -19°C mit 474°C viel höher als bei -6°C mit 380°C.

Man sieht hier also, dass das AdBlue-System auch bei -19°C funktioniert. Ein Thermofenster ist nicht zu sehen.

Da ich für die ersten beiden Testfahrten den Abgasmassenstrom nicht aufgezeichnet habe, kann ich dort keine tatsächlichen NOx-Emissionen in mg/km berechnen. Auf der dritten Fahrt bei -12°C bis -18°C habe ich dann entsprechende Daten gesammelt.

Die Aufzeichnung beginnt bei bereits warmem Motor. Bei dieser Datenaufzeichnung sieht man bei Sekunde 470 einen Anstieg der Außentemperatur auf -12°C. Das führt dazu, dass die Abgasrückführung den Kältemodus verlässt, und dass sofort die Werte für NOx vor SCR sinken. Bei Sekunde 560 fällt die Außentemperatur wieder auf -15°C, so dass der Kältemodus wieder aktiviert wird und NOx vor SCR wieder stark ansteigt. Ab Sekunde 700 sind die NOx-Sensorwerte mit nur 200 ppm relativ niedrig in Relation dazu, dass der Kältemodus aktiv ist, das liegt daran, dass dort die Geschwindigkeit langsam abnimmt und die Motorlast besonders niedrig war. Das führt dann auch dazu, dass NOx vor SCR nur bei 150 bis 180 mg/km liegt, während bei 600 bis 650 Sekunden Werte zwischen 300 und 400 mg/km entstehen.

Um Sekunde 300 herum sieht man eine (nicht besonders erfolgreiche) Nachregelung der Ammoniak-Beladung: ist die Ammoniak-Beladung in SCR2 zu hoch, wird weniger AdBlue eingespritzt, um gespeicherten Ammoniak zu verbrauchen. Sinkt jedoch während dessen die Katalysatortemperatur zu weit ab, dann kann auch kein gespeicherter Ammoniak in SCR2 verbraucht werden. Das Motorsteuergerät braucht hier einen Moment, um den Versuch abzubrechen und wieder AdBlue am ersten Injektor einzuspritzen. Man sieht hier, dass ziemlich genau bei Sekunde 330 der Messwert am zweiten NOx-Sensor sinkt, während der am ersten erst einige Sekunden später wegen verkehrsbedingter Gaswegnahme sinkt. Zwischen Sekunde 330 und 335 sieht man also, dass das Motorsteuergerät den Versuch der Regelung der Ammoniak-Beladung gerade abgebrochen hat. Die NOx-Werte nach SCR wären also genau an dieser Stelle erheblich gesunken, auch dann, wenn ich nicht das Gas hätte wegnehmen müssen. Solche Pulse von kurzzeitig erhöhten NOx-Emissionen treten immer mal wieder auf, nicht nur bei niedrigen Außentemperaturen, und stellen einen der Gründe dar, warum bei Abgastests immer längere Strecken gemessen werden.

Und Standgas?

Wie verhält sich das SCR-System bei niedrigen Außentemperaturen im Standgas? Reicht die Abgastemperatur und der Abgasstrom zur Verdampfung von AdBlue? Die Antwort ist: ja

Die Abbildung zeigt die Rohdaten der Aufzeichnung beim Warten an einer roten Ampel bei -15°C. Zu Beginn liegt der AdBlue-Verbrauch (Spalte W) des Fahrzeugs seit Anbeginn der Zeit bei 11211,522g, 12 Sekunden später bereits bei 11212,047g. Innerhalb von 12 Sekunden Standgas wurden also rund 500mg = 460µl AdBlue verbraucht. Die Temperatur der SCR-Katalysatoren liegt hier mit 273°C und 243°C deutlich im funktionsfähigen Bereich, die NOx-Sensorwerte zeigen knapp 170ppm für NOx vor SCR, 3-5ppm für NOx zwischen SCR1 und SCR2, und 0-1 ppm für NOx nach SCR. Die Abgastemperatur im Standgas liegt bei über 230°C am ersten Sensor (S1 bei Exhaust temperature bank 1 in Spalte P). Bei milden Außentemperaturen im Standgas sieht man dort eher Werte um die 180°C. Die hohe Abgastemperatur vermeidet eine Auskühlung der SCR-Katalysatoren als Folge der niedrigen Außentemperaturen.

Das heißt: Auch im Standgas bei -15°C funktioniert das AdBlue-System.

Start/Stopp-Automatik

Ich bin zwei Jahre lang davon ausgegangen, dass die Start/Stopp-Automatik bei solchen Außentemperaturen generell nicht arbeitet, weil das meiner Beobachtung entsprach. Das scheint jedoch so nicht ganz richtig zu sein. Zum einen zählt das Motorsteuergerät mit, wie oft welcher Start/Stopp-Verhinderer (Motor kalt, Batterieladestand niedrig, ...) tatsächlich einen Stopp verhindert, und der Zähler für die Außentemperatur ist bei mir 0. Zum anderen war die Batterie nach 1 Jahr und 11 Monaten defekt. Seit dem ich eine neue, qualitativ bessere Batterie eingebaut habe, arbeitet die Start/Stopp-Automatik auch bei niedrigen Außentemperaturen. Die niedrigste Temperatur, bei der ich selbst gesehen habe, dass sie arbeitet, beträgt -12°C.

Fazit

Zusammenfassend zu diesem Thema kann man sagen, dass die Abgasrückführung temperaturabhängig funktioniert, und dass bei sehr niedrigen Außentemperaturen deutlich mehr Stickoxide im Motor produziert werden als bei gemäßigteren Temperaturen. Dafür steigt der AdBlue-Verbrauch aber erheblich an, so dass die Stickoxid-Emissionen am Ende normal ausfallen. Viele frühere Fahrzeuge, d.h. solche mit Abgasnorm Euro 6b, stehen im starken Verdacht, bei solchen Temperaturen wie in diesem Test überhaupt kein AdBlue mehr zu verbrauchen (siehe Thermofenster).

Externe Links

[1] https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/HTML/?uri=CELEX:32008R0692

Zurück zur Übersicht