VW-Skandal: So werden dem Diesel die Stickoxide ausgetrieben

Schon seit längerem bringt der Dieselmotor Ingenieure aus aller Welt an ihre Grenzen. Aber was wird eigentlich gemacht, um die Schadstoff-Emissionen des Selbstzünders zu verringern?

Als am 27. Februar 1892 Rudolf Christian Karl Diesel beim Kaiserlichen Patentamt in Berlin das Patent auf eine "Neue rationelle Wärmekraftmaschine" einreichte, ahnte noch niemand, welche Probleme der neue Motor einmal machen würde.

Diesel: Sparsam, aber per se schmutzig?

Aber wo liegt denn eigentlich das Problem bei einem Dieselmotor? Denn so wie jeder weiß, ist der Treibstoffverbrauch stets geringer als bei einem Benzinmotor und das zählt doch eigentlich nur beim Kauf eines Autos. Oder doch nicht?

Problemfall Stickoxide

Werden fossile Brennstoffe motorisch verbrannt, entstehen neben den Verbrennungsprodukten Wasserdampf und Kohlendioxid auch unerwünschte Nebenprodukte. Dazu zählen Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Partikel und Stickstoffoxide. Vor allem letztere, unter ihrem chemischen Namen NOx bekannt geworden, sind unter anderem für den sauren Regen mitverantwortlich - und die aktuelle Misere im VW-Konzern. Es wundert daher nicht, dass der Schwerpunkt bei zukünftigen Abgasreduzierungen neben den Partikelemissionen auch auf der drastischen Senkung des Stickstoffoxid-Ausstoßes liegt.

Warum der Diesel betroffen ist

Warum nur Dieseltriebwerke von dem aktuellen Skandal betroffen sind, liegt an der Wirkungsweise der modernen Turbo-Motoren. Hohe Temperaturen und Luftüberschuss sorgen für eine teilweise unvollständige Verbrennung des Kraftstoffs, bei der vermehrt Stickoxide entstehen. Noch vor einigen Jahren wurde diese Eigenschaft des Dieselaggregats bei der Gesetzgebung berücksichtigt. Mit der im September 2015 eingeführten Euro-6-Norm gelten erstmals die gleichen NOx-Grenzwerte für Benzin- und Dieselfahrzeuge. Also, was tun?

So funktioniert die Abgasreinigung

Um die Schadstoffe für Grenzwerte bei Dieselmotoren einhalten zu können, müssen die Ingenieure inner- und außermotorische Maßnahmen aufeinander abstimmen. So kann die Verbrennung durch einen optimierten Brennraum, höheren Einspritzdruck und optimierte Einspritzzeiten innermotorisch verbessert werden.

AGR hilft gegen Stickoxide

Mithilfe der Abgasrückführung (AGR) - hier werden der Ansaugluft Abgase beigemischt - sinken vor allem im Leerlauf und bei Teillast die Temperaturen und damit die Stickoxid-Emissionen.

Kats und Filter sorgen schließlich für weitere Begrenzung der Emissionen. In einem Selbstzünder entfernt ein Diesel-Oxidationskatalysator, kurz DOC, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und das Atemgift Kohlenmonoxid, wegen dem in Tiefgaragen der Motor ausgestellt werden sollte. Er besteht aus einer keramischen oder metallischen Trägerstruktur, die mit einer Vielzahl dünnwändiger Kanäle durchzogen ist, die von Abgasen durchströmt werden.

Speicherkat bindet NOx

Zur Nachbehandlung der Stickoxide kann ein spezieller NOx-Katalysator zum Einsatz kommen: Eine Trägerschicht aus Keramik wird mit dem Speichermaterial Bariumoxid und Kaliumoxid beschichtet, welche dann bis zu 90 Prozent der Stickoxide binden. Ein NOx-Sensor zeigt an, wenn die Speicherkapazität erreicht ist. Dann werden die Stickoxide durch zusätzliche Einspritzungen entfernt. Nachteil: Die Arbeitsweise sorgt für einen erhöhten Spritverbrauch, außerdem macht der Speicherkat aus Kostengründen nur bei kleineren Motoren Sinn.

SCR-Katalysator

Bei größeren Motoren und Autos ab der Mittelklasse hat sich das SCR-Verfahren, sprich selektive katalytische Reduktion, etabliert. Dank der derzeit vorgeschriebenen Grenzwerte, die sowohl in Europa als auch den USA verlangen, dass SCR-Katalysatoren den Stickoxidgehalt im Dieselabgas um mehr als 95 Prozent senken, ist es seit Kurzem auch bei Pkw im Einsatz. Es beruht auf der selektiven Reduktion von Stickoxiden am Katalysator bei Zugabe von Ammoniak.

Das als AdBlue bekannt gewordene Reduktionsmittel wird in einem separaten Tank im Fahrzeug mitgeführt und mittels einer Dosiereinrichtung vor den SCR-Katalysator in das heiße Abgas eingedüst. Aus der Harnstoffwasserlösung wird dabei Ammoniak freigesetzt.

Nachteil des Systems: Neben einem Extra-Tank sind auch weitere mechanische Teile wie beispielsweise eine Pumpe erforderlich. Außerdem muss regelmäßig AdBlue nachgetankt werden.

Speicherkat plus SCR-Kat

Aber wirksamsten ist aktuell die Kombination von SCR- und Speicherkat. Das bringt jedoch wieder Nachteile für die Autobauer mit: Die doppelte Abgasreinigung ist technisch sehr komplex, kostenintensiv und benötigt viel Platz. Das macht momentan nur BMW in seinen US-Modellen.

Weitere Optimierungsmaßnahmen erforderlich

In der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, kurz Empa, wird an einer Optimierung des Systems geforscht. Aktuell wird versucht eine möglichst optimale Zerstäubung und homogene Verteilung der wässrigen Harnstofflösung im Abgasstrom zu erreichen. Dabei setzen die Forscher lasergestützte optische Messverfahren ein, um die winzigen AdBlue-Tröpfchen im Abgasstrom zu quantifizieren und zu visualisieren und deren Verdampfung und chemische Umwandlung zu untersuchen.

Noch einen Schritt weiter gehen seit langem Untersuchungen, die unter der Abkürzung HCCI bekannt geworden sind. Das Konzept der Homogenen Kompressionszündung beschreibt einen Motor, der bis etwa 2000 Umdrehungen pro Minute mit einer gleichmäßigen Gemischverteilung und weniger Luftüberschuss betrieben wird. Aktuelle und erst recht die künftigen Emissionsvorschriften könnten das damit verbundene Thema Dieselhybrid wieder bezahlbar machen.

Diesel-Hybrid als Lösung?

Wilfried Nietschke, Mitglied der Geschäftsleitung der Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr GmbH erklärt: "Der Dieselmotor wird nicht wie der Ottomotor mit konstantem Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben, so dass je nach Lastzustand vor allem die Stickstoffoxid- und Rußemissionen stark variieren. Besonders viele Emissionen treten normalerweise in den dynamischen Betriebszuständen auf, also zum Beispiel unter hoher Last. In Verbindung mit einem Elektromotor kann man den Dieselmotor genau in diesen Situationen unterstützen, so dass auch seine Emissionen sinken. Man könnte auch sagen, der Elektromotor zieht den Verbrennungsmotor aus den kritischen Bereichen."