Die Absenkung der Kraftfahrzeug-Emissionen Technik - Aufwand - Nutzen

Die Absenkung der Kraftfahrzeug-Emissionen Technik - Aufwand - Nutzen

Wolfgang BERG, Or.-Ing., Hauptabteilungsleiter des Berei- ches Abgaszulassung und Behörden bei der Oaimler-Benz in StuttgartiUntertürkheim.

1966/67 Diplomarbeit bei Oaimler-Benz A.G. in Stuttgart über Abgasemissionen von Benzin-Einspritzmotoren. Au- gust 1967Eintritt in den Motorenversuch der Oaimler-Benz A.G. als Sachbearbeiter für die Entwicklung von Abgasreini- gungssystemen an Pkw-Einspritzmotoren. Ab 1973Über- nahme der PkwZertifizierungsaktivitäten der Oaimler-Benz A.G. für alle Länder mit Abgasgesetzgebungen. Parallel zu den INBltlNBiten PkwZulassungsarbeiten befaßt mit der Wahrnehmung aller zum Abgasthema gehörenden Behör- denkontakte in den jelNBils betroffenen Ländern.

Die Technik

Die Bemühungen des Automobilher- stellers zur Reduzierung des Schad- stoffausstoßes an Kraftfahrzeugen kon- zentrieren sich auf Emissionen aus dem Kurbelgehäuse, dem Kraftstoffsy- stem und dem Auspuff.

Die Emissionen aus dem Kurbelge- häuse wurden dadurch eliminiert, daß man die früher in die Atmosphäre aus- tretenden Kurbelgehäuse-Entlüftungs- gase in das Ansaugsystem des Motors und damit in den Verbrennungsprozeß zurückführte.

Mit diesem technologischen Schritt wurde erst vor ca. 20 Jahren ein Bei- trag zur Verringerung des Schadstof- fausstoßes des Motors geleistet.

Die Entwicklung dieser so einfach er- scheinenden Anlagen war mit vielen Schwierigkeiten verbunden, da die rückgeführten Gase, wegen ihrer mit dem Betriebszustand des Motors vari- ierenden Menge, bei der konstruktiven Auslegung z. B. des Vergasers nicht be- rücksichtigt werden konnten. Dadurch wurde im späteren Betrieb oft die ge- samte Gemischanpassung durchein- ander gebracht mit allen daraus resul- tierenden Konsequenzen für die Funk- tionstüchtigkeit des Motors.

Die Kurbelgehäuseentlüftung hat erst in jüngster Zeit wieder Aktualität er-

Technik kann - wenn man ihre gesamte Problematik erfassen will - nicht losgelöst von wirtschaftlichen Bezügen betrachtet werden. Daher ist es durchaus angebracht, das Thema Abgas-Reinigung an Pkw unter den Aspekten von Technik, Aufwand und Nutzen zu betrachten. Die The- matik der Abgasreinigung, die hierrepräsentativ auch für andere Um- weltschutzbemühungen steht, ist ein gutes Beispiel, die Möglichkeiten und Grenzen von Kosten/Nutzen-Überlegungen aufzuzeigen.

Hinweis: Der Beitrag erscheint im Rahmen der redaktionellen Koopera- tion mit dem Verband Deutscher Wirtschaftsingenieure (VWI).

langt, und zwar im Zusammenhang mit dem Einsatz der Abgasrückführung zur NOx-Verminderung am Diesel- Motor. Ich werde diese Problematik bei der Behandlung der Abgasrückfüh- rungstechnologie später erläutern.

Verdunstungsemissionen stammen aus dem Kraftstoffsystem, und zwar aus dem Vergaser und dem Kraftstoff- tank.

Durch Abdichtungsmaßnahmen an Wellen und Schrauben sowie durch Umstellung der Schwimmerkammer- belüftung auf Innenbelüftung konnte die Emissionsquelle Vergaser ausge- schaltet werden.

Die Beseitigung der Verdunstungsver- luste aus dem Kraftstofftank war dage- gen schon ein schwieriges Problem.

Zunächst entwickelte man Systeme, bei denen der abgedichtete Tank mit dem Motorkurbelgehäuse verbunden wurde, um Verdunstungsgase dort durch Kondensation einzulagern.

Beim Fahrbetrieb sollten diese Gase dann über die Kurbelgehäuseentlüf- tung in den Verbrennungsprozeß ein- gespeist werden.

Die Speicherkapazität des Kurbelge- häuses war jedoch nicht in jedem Fall ausreichend, so daß die auch auf die- sem Gebiet weiter verschärfte Gesetz- gebung bald nicht mehr erfüllt werden konnte. Deshalb speichert man heute

die Tankverdunstungsgase in einem Aktivkohlekanister. Im Fahrbetrieb des Motors werden die gespeicherten Ga- se über ein Steuerungssystem abge- saugt und mitverbrannt.

Kurbelgehäuse und Kraftstoffsystem waren übrigens nur ein Problem bei Fahrzeugen mit Otto-Motor. Fahrzeuge mit Diesel-Motor haben zwar auch Kur- belgehäuseentlüftungsgase, diese sind aber weniger schadstoffbelastet als beim Otto-Motor. Der Otto-Motor verdichtet ein Kraftstoff/Luft-Gemisch, von dem an den Kolbenringen vorbei Teile ins Kurbelgehäuse gelangen, der Diesel-Motor verdichtet dagegen reine Luft.

Verdunstungsemissionen aus dem Kraftstoffsystem entfallen aufgrund der geringen Flüchtigkeit des Diesel- Kraftstoffes nahezu völlig, so daß diese Fahrzeuge auch keine entsprechen- den Gegenmaßnahmen erforderlich machen.

Auspuff

Kommen wir nun zu den Emissionen aus dem Fahrzeugauspuff. Hier han- delt es sich bei Otto- und Diesel-Motor um folgende Komponenten

- unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HG)

- Stickoxide (NOx)

- Feststoffe (PM= Particulate Matter).

Mit Feststoffen sind iW Rußemissionen beim Diesel-Motor gemeint. Feststoff- Grenzwerte für PKW mit Otto-Motoren existieren nicht, obwohl auch Otto- Motoren, die mit verbleiten Kraftstoffen betrieben werden, Feststoffe (Bleiparti- keln) emittieren.

Anhand der in Bild 1 tür einen PKW mit Otto-Motor dargestellten grundsätzli- chen Zusammenhänge werden die Bereiche der Entstehung dieser Emis- sionen verständlich.

Emissionen von Kohlenmonoxid wer- den gemäß Bild 1 hauptsächlich durch Abmagerungsmaßnahmen verringert, die sowohl im Leerlauf wie im gesam- ten Motorkennfeld ansetzen müssen.

Die Emissionen unverbrannter Kohlen- wasserstoffe, d.h. Kraftstoffreste, lassen sich iW ebenfalls durch Abmagerung reduzieren.

Zum mageren Bereich wird jedoch bald eine Grenze erreicht, wo Entflam- mungsaussetzer und die damit auftre- tende unvollständige Verbrennung ein Wiederansteigen der HC-Emissionen bewirken.

Da HC-Emissionen also das Produkt unvollständiger Verbrennung sind, wie sie in Toträumen des Brennraumes oder beim Erlöschen der Flamme in der Nähe kalter Zylinderwandungen auftritt, zielen Abgasreinigungsmaß- nahmen beim HC darauf hin, gute Ver- brennung einzuleiten und aufrecht zu erhalten. Entsprechende Maßnah- men, die zT gleichzeitig günstig hin- sichtlich CO-Absenkung wirken, sind beim Otto-Motor z. B.

- Schubabschaltung

Drosselklappenschließdämpfer und

- Gemischvorwärmung bzw. Saug- rohrbeheizung

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0.7

Abb.1

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V"M 1983-11111-08

Beim Diesel-Motor, der aufgrund sei- nes ständigen Betriebes mit Luftüber- schuß keine nennenswerten CO- Emissionen aufweist, können auch die im Vergleich zum Otto-Motor wesent- lich geringeren HC-Emissionen noch einmal deutlich gesenkt werden. Hier- zu gilt es, Nachspritzer an den Ein- spritzdüsen zu vermeiden. Durch das Schließen der Einspritzdüse entsteht eine Druckwelle in der Einspritzleitung.

Diese läuft zur Einspritzpumpe zurück, wird dort reflektiert, läuft wieder vor zur Einspritzdüse und öffnet diese noch einmal ein wenig zu einem nicht vorge- sehenen Zeitpunkt. Durch Einbau ei- nes Dämpfungsventils in die Einspritz- pumpe kann die Wellenreflexion und die damit verbundene HC-Emission vermieden werden. Dieses ist prak- tisch die einzige am PKW-Diesel-Motor erforderliche Maßnahme, um die HC- Emissionen unter das derzeit welt- schärfste Grenzwert-Niveau für diesen Schadstoff zu bringen.

Bei den Stickoxiden werden Gegen- maßnahmen jedoch komplizierter, da - wie Bild 1 zeigt - die Tendenz ge- genläufig zum CO- und HC-Verlauf ist.

Dies ist verständlich, weil mit besser werdender Verbrennung (d.h. sinken- dem HC und CO) die Verbrennungs- spitzentemperatur und damit die NOx- Bildung zumimmt. Beim Otto-Motor wurden zur NOx-Verminderung iW - Spätzündung

- Abmagerung und - Abgasrückführung untersucht.

»Selbst wenn

es

Spätzündung bewirkt ein Verschlep- pen der Energieumsetzung hinter das Auslaßventil, d.h. eine Verschlechte- rung der Energieausbeute im Brenn- raum und damit eine Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs. Abmagerungs- maßnahmen finden ihre Grenze im Auftreten der schon genannten Ent- flammungsaussetzer, durch die die HC-Emissionen ansteigen.

Damit bleibt als einzige konventionelle . Maßnahme die Abgasrückführung.

Die rückgeführten Abgase wirken als.

inertes Gas, das an der Verbrennung nicht teilnimmt und senken damit die Verbrennungsspitzentemperatur ab, was zur Verringerung der NOx-Bildung führt. Viele Jahre Entwicklungsarbeit waren erforderlich, um die in diesem System verwendeten sog. Abgasrück- führungsventile standfest, d.h.iW tem- peraturfest und verschmutzungsemp- findlich zu machen.

Beim Diesel-Motor sind Veränderun- gen am Brennverfahren, Veränderun- gen am Einspritzverfahren und Abgas- rückführung Methoden, die heute und auch künftig zur Herabsetzung der NOx- und Feststoffemissionen einge- setzt werden. Die Abgasrückführung ist hierbei keine einfach zu handhaben- de Maßnahme. Sie stellt in Verbindung mit der zur Vermeidung von Emissio- nen aus dem Kurbelgehäuse einge- setzten geschlossenen Kurbelgehäu- se-Entlüftung ein erhebliches Problem für die Dauerhaltbarkeit des Motors dar. Mit den Kurbelgehäuse-Entlüf- tungsgasen werden ölhaltige Dämpfe zusammen mit feststoffhaltigen Gasen aus der Abgasrückführung dem Motor zur Verbrennung zugeführt. Hohe Ver- schmutzung, z.B. von Einlaßkanal, Ein- laßventil und dem Bereich hinter dem obersten Kolbenring, sowie erhöht~r Verschleiß der Motoren durch 01- verschmutzung sind die Folge.

Zur besonderen Problematik wird die Abgasrückführung am Diesel-Motor mit Turbolader. Schon beim Saugmo- tor ist durch die Abgasrückführung das Übergangsverhalten bein instatio- nären Fahrbetrieb kritisch. Beim plötzli- chen Beschleunigen wird eine erhöhte Kraftstoffmasse eingespritzt. Gleichzei- tig ist im Saugrohr aber noch das aus der Abgasrückführung stammende Abgas vorgelagert und gelangt mit der Ansaugluft in die Brennkammer. Er- höhte Einspritzmenge und abgasver- mischte Luft bewirken, daß die zu rauchfreier Verbrennung erforderliche Luftzahl nicht mehr eingehalten wird.

Rauchemissionen sind die Folge. Beim aufgeladenen Motor treten zusätzlich Verschmutzungsprobleme des Laders auf und die mit recht hoher Tempera- tur 'rückgeführten Abgase wirken der mittels des Laders beabsichtigten Luft- massenerhöhung pro Verbrennungs- takt entgegen.

Gravierender aber ist das durch die Abgasrückführung bei Beschleuni- gungsvorgängen entstehende Pro-

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Fcrsdu1gln!

Entwiclclung V1MA 1983-11n7-27

die zur gesetzeskonformen Zulassung oder Zertifikation dieser Systeme gehö- ren, d.h. den Zeitraum vor der Produk- tion umfassen. Andererseits sind dieje- nigen Arbeiten zu berücksichtigen, die sich auf die Betreuung der Systeme im praktischen Feldeinsatz, d.h. auf den Zeitraum nach der Produktion, bezie- hen.

Nutzen

In den Ländern mit sog. »Abgasge- setzgebung« ist es üblich, die erwarte- ten Verbesserungen der Emissionssi- tuation aufgrund der Absenkungsstu- fen der gesetzlichen Vorschriften zu prognostizieren. Bild 2 zeigt eine sol- che Prognose für Japan.

Bild 3 zeigt die aus den gesetzlichen Grenzwerten und ihren Absenkungs- stufen seit 1970 errechneten Emis- sionsverbesserungen für die Bundes- republik Deutschland. Aber derartige Darstellungen sagen nichts über den tatsächlich erreichten Nutzen, d.h. die reale Verbesserung der Immissionssi- tuation durch die gesetzlichen Gren- zwerte bzw. die daraufhin eingesetzten Technologien, aus. Der Einfluß auf den realen Nutzen von Gesetzen und den daraus resultierenden Maßnahmen zur Emissionsverbesserung kann nur dann abgeschätzt werden, wenn das Verhalten der entwickelten, zertifizier- ten und produzierten Systeme im prak- tischen Feldeinsatz bekannt ist.

Eine Auswertung amerikanischer Fel- duntersuchungen führte zu der in Bild 4 gezeigten Darstellung. Man sieht, daß sich durch die Einführung der

Ka-

talysatortechnologie die Emissions-

_kungnlufen _ Enriuionog....-IiirPKW mit Otto-MotorendurchdenEinsatz der..-KNedel••

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Abb.2

Aufwand

wendung unverbleiten Kraftstoffes vor- aus. Wird der Katalysator (versehent- lich oder willentlich) mit verbleitem Kraftstoff betrieben, erhöhen sich die Emissionen schon nach kurzer Lauf- strecke sehr stark.

Bezüglich der Frage des Katalysato- reinsatzes beim Diesel-Motor ist fol- gendes festzuhalten:

Ein Reduktionskatalysator zur Absen- kung der NOx-Emissionen würde bei dem ständig mit Luftüberschuß, d.h. in oxidierender Abgasatmosphäre be- triebenen Diesel-Motor nicht wirken.

Andererseits ist ein Oxidations- Katalysator, der die Herabsetzung von Co und HC bewirken würde, bei den geringen Emissionen dieser Schad- stoffe am Diesel-Motor nicht erforder- lich. Der heutige PKW-Diesel-Motor kann die schärfsten HC- und CO- Standards der Welt (US-49-Staaten- Grenzwerte) ohne Abgasnachbe- handlung erreichen.

Der Gesamtaufwand für die Abgasrei- nigung beeinflußt den Preis des Pro- duktes, damit seine Verkaufsfähigkeit und schließlich die Wettbewerbsfähig- keit des betreffenden Automobilher- stellers entscheidend. Die zuvor darge- steIle Erforschung von Techniken und Technologien und deren Entwicklung zur Serienreife mit anschließender Pro- duktion sind nur ein Teil des Gesamt- aufwandes.

Die zwei weiteren wesentlichen Berei·

che umfassen einerseits alle Arbeiten, blem. Bei einer Beschleunigung aus

dem Leerlauf heraus (Abgasrückfüh- rung maximal!) erhöht sich die Abgas- menge hinter dem Auslaßventil. Die Turbine reagiert jedoch wegen ihrer Masse nur verzögert auf diesen plötz- lich auftretenden erhöhten Abgasmas- senstrom, was zu einer Gegendrucker- höhung vor der Turbine führt. Diese Druckerhöhung zwingt eine (ungewoll- te) zusätzliche Abgasmasse zurück durch das nicht in der theoretisch idea- len Zeit schließende Abgasrückfüh- ru ngsventil (Ventil kol ben-M assen-Träg- heit). Da nun der Kompressor mit der Turbinenwelle fest verbunden ist, be- schleunigt er ebenfalls nur verzögert, und der Ladedruckaufbau erfolgt nicht so schnell wie benötigt.

Dadurch verursacht der Zylinder einen Saugeffekt, der die durch das nicht schnell genung schließende Abgas- rückführungsventil (in Unterstützung zu der zuvor beschriebenen Drucker- höhungstendenz von der Turbinensei- te her) unbeabsichtigt rückgeführte Abgasmasse erhöht.

Diese Zusammenhänge führen zu ei- ner Erhöhung der Partikel-, d.h. Ruße- mission, die sich um so gravierender auswirkt, je öfter Beschleunigungen aus dem Leerlauf heraus erfolgen.

Katalysator-Technologie

Zweifellos handelt es sich bei der Katalysator-Technologie um die derzeit wirkungsvollste Abgasreinigungstech- nologie für den Otto-Motor. Derartige Anlagen wurden erstmals 1974 in den USA als sog. Oxidations-Katalysatoren eingesetzt, die HC- und CO-Emissio- nen nahezu eliminierten.

Ab etwa 1980 wurde in den USA der sog. Dreiwegkatalysator eingesetzt, der außer HC und CO auch die NOx- Emissionen drastisch verringert. Sein Einsatz ist jedoch nur in Verbindung mit einem geschlossenen Regelkreis sinn- voll, da ständig ein eng um den stö- chiometrischen Betriebspunkt(A = 1) pendelndes Kraftstoff/Luft-Verhältnis eingeregelt werden muß. Die hierfür er- forderliche Regelfunktion übernimmt die Sauerstoff- oder auch A-Sonde.

Diese mißt den Restsauerstoff-Gehalt im Abgas und regelt die Kraftstoffzulei- tung stets so, daß der gewünschte Be- triebspunkt beiA= 1 hergestellt wird.

Der Einsatz des Katalysators und der Saverstoffsonde setzen jedoch die An-

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werte de facto drastisch verringert ha- ben. Eine Felduntersuchung in Schwe- den, bei der Fehlfunktionen des Ab- gasreinigungssystems simuliert wur- den. weist auf die Gefahr bei unent-·

deckten Störungen in der Abgasreini- gungsanlage hin. Bild 5 zeigt die bei Ausfall der Abgasrückführung bzw bei verstellter Zündung drastische Erhö- hung der NOx-Emissionen,

Aus Feldüberwachungsprogrammen lassen sich also Aussagen über die Funktionstüchtigkeit der eingesetzten Technologien sowie über die Auswir- kung ihrer Funktion auf das reale Emis- sionsverhalten machen, Damit haben wir ein wirksames Instrument in der Hand, um festzustellen, ob wir den bei der jeweils verwendeten Technologie maximal möglichen Nutzen erreicht haben. Hiermit sind die Möglichkeiten des Automobilherstellers zur Nutzener- fassung erschöpft. Wenn man feststel- len will, welchen für die Umwelt tat- sächlich spürbaren Nutzen man durch den Einsatz bestimmter Technologien erreicht hat, so müssen andere Metho- den angewandt werden.

Will man die Auswirkungen von Emis- sionskontrollmaßnahmen auf die Luft- qualität feststellen, so kann man dies durch Immissionsmessungen tun. Sol·

len dagegen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit abgeschätzt werden, so erscheint ausschließlich das Mittel der epidemiologischen Stu- dien angebracht.

Bei beiden Methoden zur Erforschung des de facto Nutzens stoßen wir jedoch auf die wohl unlösbare Aufgabe der Zuordnung zwischen den beteiligten Verursachern. Da die angerichteten Schäden den beteiligten Verursachern nicht anteilig richtig zugeordnet wer- den können, sind auch die individuell erforderlichen Vermeidungsaufwen- dungen nicht bestimmbar. Selbst aber dann, wenn es gelänge, die zugehöri- gen Verläufe von Schadenskosten und Vermeidungskosten, wie in Bild 6 dar- gestellt. zu ermitteln und man damit das wirtschaftliche Optimum für den Aufwand zur Luftreinhaltung kennen würde, wäre noch keine Aussage dar- über möglich, ob dieses ökonomische Optimum auch das ökologisch Wün- schenswerte erreicht.

Die Untersuchung des Nutzensaspek- tes wird noch weiter kompliziert. wenn man die Frage nach dem zu schützen- den Gut stellt, das im folgenden Bei-

EeE 11/06 19.11) Grenzwerte der naChsten EeE- Verschartungutut.

noch unbekannt

ForsdlLngund Entwi<:kJLng V1MA 1983-11117-29

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Forsd1Lngl.nd Entwiddl.ng VIMA 1983-11rt7.;l1 Forsd1Lngund Entwiddl.ng VIMA 1983-11n7-30

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Auswir1<ungendesEinsotzesderKatIoIysalor-Tedlnologie in denUSA,ermittelt durch FeldUl'ttersucftung an im Verkehr befindlid1en Fahrzeugen, (2),

.5

ICl15/1n 1177

Maximale Emissionszunahme[%]

(Grenzwerte: HC - 2.1 g/km; CO - 2~2glkm: NOx - 1.9 g/km)

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50 100

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Abb.3

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ForschungU'ld EnIwic:tlblg VIMA 1983-11/17-33 ForschungU'ld Entwid<lung V'MA 1983-11/17 -32 C Kostenopllmum

Konzentration der LuftverunreJnlgung - - + - Kosten der EmissIonskontrolle

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Kostenvet1IIufIn Abhingigkeit vomAufwandfürdie Abgasreinigung oder dem GradderL.uftverunreinigung m~Kostonoptimum,[2].

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Abb. 7 Abb.6 spiel die menschliche Gesundheit sei.

Bild 7 verdeutlicht, daß es die mensch- liche Gesundheit nicht gibt, sondern daß eine Vielzahl unterschiedlicher Empfindlichkeiten in einer Bevölke- rung vorliegt. An welcher Gruppe sol- len sich nun gesetzliche Luftqualitäts- standards orientieren, die schlußend- lich zur Herleitung von Emissionsgren- zwerten als Basis dienen müßten?

Eine Nutzenquantifizierung, ja selbst die Definition des Nutzens ist deshalb sehr schwierig. Eine Alternative aus diesem Dilemma ist die Anwendung des Vorsorgeprinzips, das auch Grundlage der Luftreinhaltungspolitik der Bundesregierung ist. Man verzich- tet hierbei angesichts der zuvor ge- nannten Schwierigkeiten auf den Ver- such, Maßnahmen zum Umweltschutz erst nach Bekanntwerden der Ergeb- nisse von Wirkungsforschungspro- grammen zu veranlassen, sondern for- dert den Einsatz der jeweils besten ver- fügbaren Gegenmaßnahmen. Vor die- sem Hintergrund kann auch die jüng- ste Entscheidung der Bundesregie- rung verstanden werden, Emissions- grenzwerte für PKW mit Otto-Motoren vorzuschreiben, die das Potential der derzeit wirkungsvollsten Abgasreini- gungstechnologie ausschöpfen sollen und damit den Einsatz des Dreiwegka- talysatorsystems bewirken werden.

Die deutsche Automobilindustrie hat sich bereit erklärt, diesen Weg mitzu- gehen, obwohl der in der Öffentlichkeit erwartete Nutzen dieser teuer zu be- zahlenden Maßnahme mit Sicherheit nicht sofort spürbar werden wird. Ein Erfolg dieser Technologie, d.h. eine deutliche Verringerung der durch Luft- verunreinigung verursachten Wirkun- gen, kann nur erwartet werden, wenn ihre Funktionstüchtigkeit im prakti- schen Feldeinsatz gewährleistet ist und wenn ihre Anwendung oder die An- wendung einer äquivaltenten Maßnah- me europaweit erfolgt.

National begrenzte Maßnahmen kön- nen das angestrebte Ziel einer allge- meinen Umwelt- und Luftverbesse- rung nicht erreichen. Sie bergen dage- gen die Gefahr von Konflikten auf rechtlichem, wirtschaftlichem sowie wirtschafts- und handelspolitischem Gebiet.