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, 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 Hochdruck-Abgasrückführung entnimmt Abgase bereits vor dem Partikelfilter. Sie neigt zur Verkokung, weil diese Abgase eben stark rußhaltig sind. Außerdem dürfen diese Abgase, aufgrund der enthaltenen Partikel, keinesfalls dem Turbolader zugeführt werden. Das wiederum heißt, dass bei hoher HD-AGR-Rate im Teilllastbereich dem Abgasturbolader der notwendige Abgasdruck fehlt. Der Turbolader spricht also schlecht an. Die Niederdruck-Abgasrückführung entnimmt die Abgase erst hinter dem Partikelfilter, so dass praktisch kein Ruß im Abgas enthalten ist. Diese Abgase werden vor dem Verdichter des Turboladers zugeführt, so dass auch bei höherer ND-AGR-Rate dem Turbolader kein Abgasdruck weggenommen wird, und der Turbolader spricht besser an. Auf Grund der hohen Temperaturunterschiede innerhalb der Niederdruck-Abgasrückführung kann es dort zu Kondensatbildung kommen, weswegen ein Kondensatabscheider vorhanden ist. Außerdem reichen die geringen Schwefelmengen, die in heutigem Dieselkraftstoff vorhanden sind, immer noch, um in der Niederdruck-Abgasrückführung 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.

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. Mit diesem Wissen können wir die Messwerte des NO_x-Sensoren bewerten.

Analysen zum AdBlue-Verbrauch

Die Analyse des 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 sehr lange 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 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.

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.

Abschätzung von NOx-Emissionen anhand des AdBlue-Verbrauchs

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 (siehe Analyse mittels VCDS: EA288 evo, NOx und AdBlue auf der Autobahn). Der AdBlue-Verbrauch liegt bei 2l/1000km.

Nehmen wir zunächst an, dass es weder Ammoniak-Schlupf noch Ammoniak-Oxidation gibt. Dann bedeutet der Wert von 2l/1000km, 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. 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.

Nimmt man eine absichtliche Überdosierung von 10% an und geht man davon aus, dass dann 25% des Ammoniaks durch Ammoniak-Oxidation oder Ammoniak-Schlupf verloren gehen, dann entsprechen 2l/1000km etwa 980 mg NOx/km vor SCR, und eine Umwandlungsrate von 85% bedeutet dann, dass 150 mg/km ausgestoßen wurden. Man kann also sagen: die Realemissionen bei 180 km/h auf gerader Strecke liegen höchstwahrscheinlich zwischen 150 und 200 mg NOx/km.

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.

Umrechnung von ppm in Milligramm pro Kilometer

Auch eine Umrechnung von volumenbezogenen ppm in Milligramm pro Kilometer ist durchaus möglich, ohne den Umweg über den AdBlue-Verbrauch zu gehen.

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 Autoabgas 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, 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 ein Wert für NO_x pro Kilometer ermitteln.

Für die beiden Abbildungen 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: 150mg NOx/km vor SCR, d.h. der AdBlue-Verbrauch liegt bei ca. 0,3l/100km. 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.

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-Verbrauch liegt bei 3,6l/1000km ohne Überdosierung, wahrscheinlich also bei rund 4l/1000km. NOx nach SCR liegt dann 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 viel niedriger als im Gebirge.

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: 04. Juni 2023

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