Analyse mittels VCDS: AdBlue- und AGR-System

Bevor wir zu themenspezifischen Untersuchungen an Fahrzeugen kommen, müssen wir einige Grundlagen betrachten.

Zusammenspiel zwischen AGR und SCR

Die Abgasrückführung und das AdBlue-System hängen eng zusammen. Wie im Artikel über AdBlue-Systeme beschrieben und berechnet, wird 1 Liter AdBlue benötigt, um 540 Gramm Stickoxide zu reduzieren. Der AdBlue-Verbrauch pro Kilometer hängt also davon ab, wie viele Stickoxide bei der Verbrennung entstehen, und das wiederum hängt von der Funktionsweise des AGR-Systems ab.

Wesentlich für die Menge an Stickoxiden, die bei der Verbrennung entstehen ("NOx vor SCR"), ist der Sauerstoffgehalt im Brennraum. Normale Außenluft besteht zu etwa 21 Prozent aus Sauerstoff, und diesen Wert verringert man im Brennraum, indem man Abgas zumischt. Dies ist jedoch nicht beliebig möglich, da eine gewisse Menge an Sauerstoff gebraucht wird, um Kraftstoff zu verbrennen. Wird viel Leistung abgerufen, wird entsprechend mehr Kraftstoff verbrannt, und entsprechend ist mehr Sauerstoff erforderlich. Gibt man bei sehr niedriger Drehzahl viel Gas, so wird die Abgasrückführung stark reduziert oder abgeschaltet, weil in diesem Fall der Turbolader nicht arbeitet, und somit sowieso schon zu wenig Sauerstoff im Brennraum zur Verfügung steht. In großer Höhe ist der Luftdruck deutlich geringer, man erreicht also weniger Ladedruck, und somit darf auch nicht so viel Abgas zugemischt werden.

Außerdem beeinflusst die Abgasrückführung die Abgastemperatur. Ist nun die Abgastemperatur zu niedrig, wird das AdBlue-System nicht schnell genug warm, oder kühlt sogar während der Fahrt wieder aus. Die Abgasrückführung muss also so gesteuert werden, dass einerseits möglichst wenig Stickoxide entstehen, muss andererseits aber verhindern, dass die Abgastemperatur zu niedrig für das AdBlue-System wird, und das ganze bei nur minimalem Mehrverbrauch an Kraftstoff¹.

Bei der Abgasrückführung unterscheidet man zwischen Hochdruck-Abgasrückführung ("HD-AGR") und Niederdruck-Abgasrückführung ("ND-AGR"). Bei Fahrzeugen, die beides verwenden, spricht man von einer Mehrwege-Abgasrückführung. Die HD-AGR entnimmt Abgase bereits vor dem Partikelfilter, direkt am Krümmer. Sie wird vor allem verwendet, um heiße Abgase in den Motor zu leiten, damit dieser schneller aufwärmt, oder um die Abgastemperatur etwas anzuheben, damit das SCR-System bei niedriger Last nicht auskühlt. Sie neigt zur Verkokung, weil diese Abgase eben stark rußhaltig sind. Eine weitere mögliche Anwendung ist, im Schubbetrieb die dann lauwarme Luft, die den Zylinderblock verlässt, direkt in den Motor zurück zu leiten, so dass diese lauwarme Luft keine Wärme aus dem SCR-Katalysator abtransportieren kann. Die Abgase der HD-AGR dürfen, aufgrund der enthaltenen Partikel, keinesfalls dem Verdichter des Turbolader zugeführt werden. Da bei der HD-AGR die Abgase noch vor der Turbine des Turboladers entnommen werden, fehlt dem Turbolader der notwendige Abgasdruck, wenn die HD-AGR Abgase zurückführt. Der Turbolader spricht also schlecht an.

Die ND-AGR entnimmt die Abgase erst hinter dem Partikelfilter, weit hinter der Turbine des Turboladers, so dass praktisch kein Ruß im Abgas enthalten ist. Diese Abgase werden vor dem Verdichter des Turboladers zugeführt, so dass die Abgase einen deutlich längeren Weg zurücklegen und besser mit Frischluft durchmischt werden. Die bessere Durchmischung erlaubt eine höhere AGR-Rate. Der Turbolader spricht besser an, da der Turbine keine Abgase genommen werden. Auf Grund der hohen Temperaturunterschiede innerhalb der ND-AGR kann es dort zu Kondensatbildung kommen, weswegen ein Kondensatabscheider verbaut wird. Außerdem reichen die geringen Schwefelmengen, die in heutigem Dieselkraftstoff vorhanden sind, immer noch, um in der ND-AGR Korrosion zu erzeugen, wenn keine speziellen Maßnahmen dagegen ergriffen werden.

Theoretisch können beide Varianten gekühlt oder ungekühlt sein. Fahrzeuge mit VW EA288 evo - Motor verfügen über eine ungekühlte Hochdruck-Abgasrückführung sowie über eine gekühlte Niederdruck-Abgasrückführung. Je nach Betriebszustand können eine, oder auch beide gleichzeitig aktiv sein. Ab einer gewissen Motorlast, bis hin zu Volllast, wird ausschließlich die Niederdruck-Abgasrückführung verwendet. Andere Motoren könnten sich hier aber durchaus anders verhalten. Zum Beispiel ist für den VW EA897 der 3. Generation im SSP 682 von Audi beschrieben, dass dort im Hochlastbetrieb die HD-AGR verwendet wird.

Beim EA897 der zweiten Generation sind beide Abgasrückführungen gekühlt. Um trotzdem bei kaltem Motor mit ungekühlter HD-AGR arbeiten zu können, gibt es einen AGR-Kühler-Bypass in der HD-AGR. Je nach Temperatur des Kühlmittels kann dann die HD-AGR gekühlt oder ungekühlt arbeiten. Auf eine derartige Komplexität hat man aber beim EA288 evo verzichtet.

NOx-Sensorwerte

Fahrzeugsensoren messen Stickoxide nicht in Gramm, sondern sie messen den Anteil an Stickoxiden im Abgas, bezogen auf das Volumen. Das Messergebnis wird im Allgemeinen in ppm ("parts per million"), also in Teilen pro Million angegeben. Manchmal schreibt man auch "ppmv", um das Volumen explizit als Bezugsgröße zu nennen. Zunächst schauen wir uns an, wie man die im folgenden immer wieder verwendeten ppm-Werte zumindest grob in Beziehung setzen kann mit Werten, die Milligramm pro Kilometer angeben.

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 NO_x/km für den Audi Q3, und 739 mg NO_x/km für den Ford Mondeo. Bei dem Ford Mondeo sieht man Spitzenwerte von über 1100 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. Wir können also beim Mondeo aus dem Test von Spitzenwerten von 1400 ppm NOx/km ausgehen. Beim Audi sehen wir, abgesehen vom Anfang, einzelne Spitzen mit Werten von 100-200 ppm, die meiste Zeit liegen die Werte jedoch weit darunter. 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. Da bei Diesel-Fahrzeugen immer gilt, dass NO > NO₂ ist, kann der Messbereich nur überschritten werden, wenn NO_x > 2000 ppm ist.

Nun wissen wir, in welchem Bereich NO_x-Werte, die in ppm angegeben sind, gut oder schlecht sind, auch wenn wir so noch keine genaue Umrechnung in Milligramm pro Kilometer vornehmen können.

Umrechnung von ppm in Milligramm pro Kilometer

Die oben dargestellten Werte, angegeben in volumenbezogenen ppm, können in Milligramm pro Kilometer umgerechnet werden. Hierbei hilft die aus der Thermodynamik bekannte Thermische Zustandsgleichung idealer Gase:

Wir sprechen von Abgas, weil es sich um ein Gas handelt. Für alle Gase gilt, dass 1 Mol eines Gases bei gleichem Druck und gleicher Temperatur das gleiche Volumen einnimmt, etwa 22,4 Liter unter normierten Bedingungen. D.h. 1 Mol Stickstoff (28g) nimmt das gleiche Volumen ein wie 1 Mol Sauerstoff (32g) oder 1 Mol Ammoniak (17g). Für 1 Mol Dieselabgas kann man eine molare Masse im Bereich 28,8g/mol bis 30,2g/mol annehmen [4]. Im folgenden arbeite ich mit 29g/mol.

Was uns eigentlich interessiert, ist Stickoxid mit 46g/mol (gemessen wird das NO₂-Äquivalent, d.h. NO wird als NO₂ gezählt). Wir wissen also: 46g Stickoxide nehmen genauso viel Volumen ein wie etwa 29g Abgas. Haben wir in einer Datenaufzeichnung den Volumenanteil von Stickoxiden im Abgas, und genau das Messen ja die NOx-Sensoren, dann beträgt der Masseanteil das (46/29)-fache des Volumenanteils. Hat man dann in einer Datenaufzeichnung auch noch den Abgasmassenstrom in Kilogramm pro Stunde, kann man auch NO_x in Kilogramm pro Stunde ausrechnen. Anhand der aufgezeichneten Geschwindigkeit lässt sich dann leicht die zurückgelegte Strecke, und somit auch ein Wert für NO_x pro Kilometer ermitteln.

Am Beispiel: Für die beiden Momentaufnahmen rechts ergeben sich nun folgende Werte für NO_x vor SCR:

124 km/h, 5,9l/h = 4,75l/100km, 166kg/h Abgas, 69ppm NOx vor SCR: hier ergibt sich
NOx vor SCR = 166kg/h * 69ppm / 1.000.000 * 46/29 = 0,018168 kg/h = 18.168mg/h, bei 124 km/h also 18.168 mg/h / 124 km/h = rund 150mg NOx/km vor SCR. Der AdBlue-Bedarf liegt demzufolge bei ca. 0,3l/1000km. NOx nach SCR liegt bei ca. 7mg/km. Werte um die 70 bis 80 ppm sind dabei für dieses Fahrzeug sehr typisch für Streckenabschnitte ohne nennenswerte Steigung oder Gefälle. Auch wenn wir annehmen, dass dort ein geringfügiges Gefälle vorlag und dass der Verbrauch bei 124 km/h eigentlich 10% höher ist, würden wir noch unter 0,4l/1000km bleiben. In diesem konkreten Fall ist es so einfach, weil in diesem Lastbereich die Werte für NOx vor SCR in ppm noch nicht zunehmen.

Bei viel höherer Last nimmt NOx vor SCR erheblich zu. Während einer Beschleunigung, bei 118 km/h, 17,8l/h = 15,1l/100km, 296kg/h Abgas, 495ppm NOx vor SCR ergeben sich 1,97g NOx/km vor SCR, d.h. der AdBlue-Bedarf liegt bei 3,6l/1000km ohne Überdosierung, wahrscheinlich also bei rund 4l/1000km. NOx nach SCR liegt dann in diesem Beispiel bei rund 200mg/km.

Während der Beschleunigung im Bereich 120 km/h liegt der AdBlue-Verbrauch pro Kilometer also 10-13x (!!) so hoch wie bei Konstantfahrt, so dass schon kurze Beschleunigungen den Durchschnitt deutlich beeinflussen. Der AdBlue-Verbrauch ergibt sich bei solchen Geschwindigkeiten also hauptsächlich aus Steigungen oder aus Beschleunigungen, nachdem man verkehrsbedingt die Geschwindigkeit reduzieren musste. Bei dauerhafter Konstantfahrt in einer Gegend, in der es keine Steigungen und wenig Verkehr gibt, ist der AdBlue-Verbrauch entsprechend viel niedriger als im Gebirge.

Wenn ich mit dieser Methode eine Konstantfahrt mit 180 km/h und 200 km/h auf gerader Strecke auswerte, komme ich auf ca. 1000-1100mg/km bzw. rund 1800mg/km für NOx vor SCR. Beide Werte passen zum AdBlue-Verbrauch von 2l/1000km bzw. reichlich 3l/1000km. Die folgende Abbildung zeigt einen Ausschnitt einer Fahrt, bei der konstante Abschnitte mit 120 km/h, 180 km/h und 200 km/h enthalten sind:

Möchte man es als Gleichung formulieren, dann ist:

φ_NOx(t) der Volumenanteil von Stickoxiden im Abgas zu einem Zeitpunkt t. Das sind genau die Werte, die die Stickoxid-Sensoren messen, und die man in der Datenaufzeichnung hat.
ω_NOx(t) = 46/29 * φ_NOx(t) der Masseanteil von Stickoxiden im Abgas zu einem Zeitpunkt t
ṁ(t) der Abgasmassenstrom zu einem Zeitpunkt t, meist angegeben in Kilogramm pro Stunde
ṁ_NOx(t) = ṁ(t) * ω_NOx(t) = 46/29 * ṁ(t) * φ_NOx(t) der NOx-Massenstrom zu einem Zeitpunkt t

Für die NOx-Masse zwischen 2 Zeitpunkten t₁ und t₂ gilt dann:

m_NOx = ∫_t1^t2 ṁ_NOx(t) = 46/29 * ∫_t1^t2 ṁ(t) * φ_NOx(t) dt

Ist der NOx-Massenstrom einigermaßen konstant, z.B. weil man auf gerader Strecke mit Tempomat fährt, so kann man vereinfachend einfach den NOx-Massenstrom mit der Zeit multiplizieren.

Eigentlich muss man nun noch berücksichtigen, dass der Abgasmassestrom, der aus dem Motor kommt, nicht komplett zum Auspuff ausgestoßen wird. Die Hochdruck-Abgasrückführung entnimmt die Abgase noch vor dem ersten SCR-Katalysator, so dass man eigentlich für den Abgasmassenstrom zur Berechnung von NOx vor SCR in mg/km den Abgasmassenstrom der Hochdruck-Abgasrückführung noch vom Abgasmassenstrom des Motors abziehen müsste. Allerdings ist die AGR-Rate der Hochdruck-Abgasrückführung außerhalb des Stadtverkehrs so gering, dass wir damit leben können, das zu ignorieren. Für die Berechnung von NOx nach SCR in mg/km müsste man auch noch die Niederdruck-Abgasrückführung abziehen. Dass wir diesen Punkt ignorieren, bedeutet in beiden Fällen, dass wir NOx-Werte in mg/km ermitteln, die etwas höher sind als in der Realität, weil wir mit einem Abgasmassenstrom rechnen, der höher ist als der Abgasmassenstrom, der tatsächlich zum Auspuff ausgestoßen wird. Bei NOx nach SCR ist der Fehler prozentual gesehen größer als bei NOx vor SCR, weil die AGR-Rate der Niederdruck-AGR außerhalb des Stadtverkehrs viel höher ist als die AGR-Rate der Hochdruck-AGR.

Vorgehen bei Analysen zum AdBlue-Verbrauch

Die Analyse des vom Fahrzeug gemeldeten AdBlue-Verbrauchs klingt zunächst ganz einfach. Die zurückgelegte Strecke ist in einer Datenaufzeichnung leicht zu ermitteln, und für den AdBlue-Verbrauch kann sowohl der aktuelle Verbrauch in Milligramm pro Sekunden, als auch der Gesamtverbrauch seit Inbetriebnahme des Motorsteuergeräts abgefragt werden. Der aktuelle Verbrauch ist auf 0,1 mg/s genau abfragbar, der Gesamtverbrauch erhöht sich in Schritten von rund 65 mg. Indem man letzteren verwendet, vermeidet man natürlich, dass sich viele kurzfristige starke Schwankungen zu Fehlern aufsummieren.

So einfach ist es leider nicht. Es reicht nicht, für eine bestimmte Strecke einfach vom Motorsteuergerät die Menge an verbrauchtem AdBlue abzufragen. Bevor wir tatsächlich AdBlue-Verbräuche ermitteln können, sind weitere Vorbetrachtungen nötig.

Nochmal zur Erinnerung: AdBlue wird verdampft, und dabei Ammoniak gewonnen. Der Ammoniak reagiert mit Stickoxiden. Dabei benötigt man 1 Liter AdBlue für 540 Gramm Stickoxide. Diese Betrachtung funktioniert aber nur über längere Messstrecken.

SCR-Katalysatoren speichern Ammoniak. Möchte man nun über eine kurze Messstrecke den AdBlue-Verbrauch bewerten, um daraus Schlussfolgerungen für lange Strecken zu ziehen, d.h. man misst über 1 Kilometer, um eine Aussage über den Verbrauch pro 1000 Kilometer zu treffen, dann muss man berücksichtigen, dass möglicherweise ein Teil des AdBlues verbraucht wurde, um Ammoniak einzulagern, oder dass der notwendige Ammoniak zum Teil aus dem gespeicherten Vorrat genommen wurde, so dass weniger AdBlue verbraucht wurde.

Im Falle des Škoda mit EA288 evo - Motor liegt die verwendete Speicherkapazität bei mindestens 0,3 Gramm Ammoniak pro Liter Katalysatorvolumen. Wahrscheinlich liegt sie sogar weit höher, allerdings wird nicht die gesamte Speicherkapazität genutzt, da dies unter bestimmten Umständen zu hohem Ammoniak-Ausstoß führen würde. Dass 0,3 Gramm pro Liter genutzt werden, erkennt man daran, dass man die aktuelle Ammoniak-Beladung vom Motorsteuergerät abfragen kann, und solche Werte durchaus normal sind. Die Volumina der Katalysatoren liegen bei 3,4 Litern für SCR1 bzw. 2,5 oder 3,0 Litern für SCR2 [2]. Damit kommen wir auf 2 Gramm Ammoniak, die gespeichert werden können, was 10 Millilitern AdBlue entspricht. Mit diesen 2 Gramm Ammoniak könnten 5,4 Gramm Stickoxide reduziert werden, was bei diesem Fahrzeug bei normaler Fahrweise für mehr als 15 Kilometer (!!) reicht. Bei kurzen Messstrecken ist es also unbedingt notwendig, die Ammoniak-Beladung zu protokollieren und in die Berechnung einfließen zu lassen, oder aber eine Messstrecke zu wählen, innerhalb derer die Ammoniak-Beladung einigermaßen konstant bleibt. Das wäre dann der Fall, wenn die Abgastemperatur, und damit die Katalysatortemperaturen, über eine längere Zeit einigermaßen konstant bleiben. Möchte man nicht einfach den AdBlue-Verbrauch ermitteln, sondern untersuchen, ob der Verbrauch plausibel ist, dann rate ich davon ab, die Veränderung der Ammoniak-Beladung zu "wörtlich" zu nehmen. Es ist nie wirklich klar, wieviel Ammoniak durch Schlupf oder Oxidation verloren geht. Außerdem wird die Ammoniak-Beladung nicht gemessen, sondern anhand einiger Parameter geschätzt. Hier sollte man etwas längere Messstrecken verwenden.

Tendenziell wird nur bei niedrigen Katalysatortemperaturen mit hoher Ammoniak-Beladung gearbeitet. Insbesondere dann, wenn man vom Stadtverkehr aus auf die Autobahn fährt, ist es ganz normal, wenn mehrere Kilometer lang kein AdBlue verbraucht wird, und nur gespeicherter Ammoniak verwendet wird: durch die höheren Abgastemperaturen steigen auch die Katalysatortemperaturen, und bei höheren Katalysatortemperaturen verringert das Motorsteuergerät die angestrebte Ammoniak-Beladung. Ist die aktuelle Ammoniak-Beladung viel höher als die angestrebte Ammoniak-Beladung, wird kurzzeitig weniger oder gar kein AdBlue verbraucht. Verlässt man dann die Autobahn und geht wieder in den Stadtverkehr, sinken die Katalysatortemperaturen wieder. Ab einem gewissen Punkt belädt das Motorsteuergerät die Katalysatoren wieder mit Ammoniak, so dass einige Minuten nach dem Verlassen der Autobahn für kurze Zeit plötzlich ein hoher AdBlue-Verbrauch sichtbar ist.

Alle meine Tests zum AdBlue-Verbrauch berücksichtigen diesen Effekt, es sei denn, ich sage ausdrücklich, dass es nicht so ist.

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)

[4] Abgaswerte eines Dieselmotors (abgerufen: 04.06.2023)

Fußnoten

¹: Es gibt Euro VI-LKW ohne Abgasrückführung. Bei PKW ist mir keine solche Konstruktion bekannt. Ich spreche hier nur über PKW, die sowohl eine Abgasrückführung als auch ein AdBlue-System haben.

Zuletzt aktualisiert: 20. November 2023

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