Jubiläum mit Hürden

Warum wir den Diesel trotzdem weiter brauchen

Der Pkw-Dieselmotor wird in diesem Jahr 80 Jahre alt. Doch wie ein Blick auf die Technik zeigt, gehört er noch lange nicht zum alten Eisen. Auch seine Kritiker müssen zugeben: Ohne den Diesel ist das EU-weite Ziel bei den klimaschädlichen Kohlenstoffdioxid-Emissionen von 95 g/km für das Jahr 2020 kaum zu schaffen. Zudem sind alle Technologien vorhanden, den Diesel auch stickoxidseitig zeitgemäß sauber zu machen.

Eigentlich ist der Dieselmotor eine Erfolgsgeschichte: 1893 entwickelt Rudolf Diesel bei der Maschinenfabrik Augsburg einen Versuchsmotor mit einem Selbstzündungs-Brennverfahren, das später als Dieselverfahren bekannt werden sollte. Das erste serienreife Modell folgt 1897. Seither kann sich der Dieselmotor in vielen Bereichen der Industrie weltweit als Antrieb etablieren. Nur im Pkw tut er sich schwer. Als erster Hersteller wagt Mercedes-Benz vor 80 Jahren den Schritt, mit einem Selbstzünder beim Pkw in Serie zu gehen. Der 260 D von 1936 verbraucht ein Drittel weniger Kraftstoff als ein vergleichbares Fahrzeug mit Benzinmotor. Weil Leistung und Laufkultur jedoch nicht mithalten können, setzt sich das Konzept beim Pkw nicht durch. Noch bis in die 1980er-Jahre hinein gilt der Diesel als Muster an Effizienz, Langlebigkeit und Zuverlässigkeit – allerdings auch als träge und unsportlich. Das Blatt wendet sich mit der Turboaufladung und der Direkteinspritzung, die ihm bei aller Sparsamkeit die notwendige Dynamik geben: die Initialzündung für den heutigen Markterfolg der Dieselfahrzeuge. 

Unverzichtbarer Baustein der Klimaschutzziele

Seinen Verbrauchsvorteil gegenüber dem Ottomotor hat der Diesel bis heute beibehalten. Dieser ist auf die sehr viel höheren Drücke zurückzuführen, die bei der Verbrennung entstehen. Das macht Dieselmotoren bis zu 25 Prozent sparsamer als Benzinmotoren. Der Kraftstoffverbrauch ist dabei direkt an den Ausstoß von Kohlenstoffdioxid (CO2) gekoppelt. Denn CO2 entsteht zwangsläufig, wenn kohlenstoffhaltiger Kraftstoff, sei es Diesel oder Benzin, verbrannt wird. Dann verbinden sich die Kohlenstoffatome im Kraftstoff mit je zwei Sauerstoffatomen aus der Luft zu CO2. Ein Liter Dieselkraftstoff setzt so 2,64 Kilogramm COfrei. Der 25 Prozent geringere Verbrauch des Dieselmotors führt zu 15 Prozent weniger CO2-Emissionen; die Differenz beider Werte resultiert aus einem höheren Kohlenstoffanteil im Dieselkraftstoff. Der erheblich geringere CO2-Ausstoß macht Dieselfahrzeuge zu einem unverzichtbaren Baustein bei der Umsetzung der europäischen Klimaschutzziele.

Emissionen innermotorisch vermeiden

Doch wo Licht ist, ist bekanntlich auch Schatten: Die große Herausforderung beim Dieselmotor sind seine vergleichsweise hohen Emissionen. Neben Partikeln sind das vor allem Stickoxide (NOx). Ebenso wie der geringe Kraftstoffverbrauch sind sie die Folge des hohen Drucks, der sich bei der Verbrennung im Zylinder des Dieselmotors aufbaut. Mittels motorinterner Optimierungen lässt sich die Verbrennung schadstoffärmer machen. Allerdings tut sich dabei ein typischer Zielkonflikt auf: Maßnahmen zur CO2-Senkung führen oft zu höherer NOx-Bildung, eine auf weniger NOx optimierte Verbrennung würde mehr CO2-Ausstoß bedeuten. Zudem besteht eine ausgeprägte Abhängigkeit zwischen der Bildung von NOx und Partikeln. Denn wird die Verbrennung auf NOx optimiert, steigen die Partikelemissionen – und umgekehrt. Bei der innermotorischen Schadstoffreduzierung muss immer ein Kompromiss zwischen diesen Entwicklungszielen gefunden werden. Eine heute etablierte Methode zur NOx-seitigen Optimierung der Kraftstoffverbrennung ist die Abgasrückführung (AGR). Dabei wird Abgas vom Abgasstrang abgezweigt, gekühlt und wieder in die Zylinder eingeleitet. Das Abgas füllt zwar den Brennraum, da es aber sauerstoffarm ist, nimmt es an der Verbrennungsreaktion im Zylinder nicht teil. Die Verbrennung verläuft dadurch insgesamt gedämpft, sodass die Spitzentemperatur im Brennraum abgesenkt wird. Das reduziert drastisch die Entstehung von NOx: 100°C weniger Brennraumtemperatur haben 50 Prozent weniger NOx-Emissionen zur Folge. Allerdings muss die Abgasmenge im Zylinder genau dosiert werden, damit die Rußemissionen nicht zu stark zunehmen. Daher steuern pneumatische oder elektrische Rückführventile mit hoher Regelgenauigkeit und großer Dynamik die rückgeführte Abgasmenge in jedem Betriebszustand des Motors. Bei modernen Pkw-Dieselmotoren kommen verschiedene Arten der AGR zum Einsatz: Hochdruck-AGR, Niederdruck-AGR oder eine Kombination aus beidem. Bei der Hochdruck-AGR wird das Abgas vor der Turbine des Turboladers entnommen und auf der Saugseite hinter dem Verdichter zugeführt. Sie arbeitet auf dem Niveau des durch den Turbolader erzeugten Ladedrucks. Bei der Niederdruck-AGR wird das Abgas nach der Turbine des Turboladers entnommen und vor dem Verdichter eingespeist, das Druckniveau entspricht in etwa dem Umgebungsdruck. Um hier für das notwendige Druckgefälle zu sorgen, werden Abgasklappen eingesetzt.

Abgasnachbehandlung entfernt Schadstoffe

Die Abgasrückführung bietet das Potenzial, die Stickoxidemissionen um rund 40 Prozent zu senken. Zur Erfüllung aktueller gesetzlicher Normen ist dies aber noch nicht ausreichend. Das Abgaskonzept moderner Dieselfahrzeuge kombiniert die AGR daher mit einer Reihe von Abgasnachbehandlungssystemen, die die Emissionen außermotorisch reduzieren. Die erste Stufe im Abgasstrang ist der Oxidationskatalysator. In ihm reagieren Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Partikel miteinander und werden neutralisiert. Der folgende Dieselpartikelfilter säubert das Abgas vom restlichen Ruß. Dank Partikelfilter ist das Abgas moderner Dieselfahrzeuge heute quasi rußfrei. Gegen die NOx-Emissionen setzen die Automobilhersteller zwei unterschiedliche Systeme ein: den NOx-Speicherkat und den SCR-Katalysator. Der NOx-Speicherkat lagert die Stickoxide aus dem Abgas ein, bis seine Aufnahmekapazität erreicht ist. Bei seiner Regeneration wandelt sich das gespeicherte NOx in ungiftige Komponenten um, und das System ist wieder bereit zur Aufnahme von NOx. Der maximale Wirkungsgrad des NOx-Speicherkats liegt bei rund 80 Prozent. Der SCR-Katalysator (selektive-katalytische Reduktion) baut die NOx-Emissionen kontinuierlich ab. Dazu wird das ungiftige und geruchlose Reduktionsmittel AdBlue bedarfsgerecht in den Abgasstrom eingesprüht. Im SCR-Katalysator spaltet sich AdBlue in Ammoniak auf, das wiederum die NOx-Emissionen umwandelt. Sind Motor und Abgassystem auf Betriebstemperatur, entfernt der SCR-Katalysator bis zu 90 Prozent der NOx-Emissionen aus dem Abgas. Mit ihrem hohen Wirkungsgrad bieten die aktuellen Abgasnachbehandlungstechnologien das Potenzial, das Emissionsproblem zu lösen und den Dieselmotor zeitgemäß sauber zu machen.

Brückentechnologie zu „Zero Emission“

Nach 80 Jahren gehört die Erfindung von Rudolf Diesel mehr denn je in den Pkw: Innovative Systeme zur inner- und außer-motorischen Emissionsreduzierung zusammen mit neuen Testmethoden lassen die Emissionsprobleme des Dieselmotors Vergangenheit werden. Was bleibt, sind Verbrauchs- und CO2-Vorteile. Das macht ihn unverzichtbar, um die ambitionierten Klima- und Emissionsziele zu erreichen. Als Brückentechnologie auf dem Weg der Vision „Zero Emission“ durch Elektroautos und regenerativ erzeugte Energie ist er eine Zukunftstechnik mit großer Bedeutung auch für die Mobilität von morgen.

Verluste vermeiden: KSPG auf der „Road to 95“

Von 2020 an zählt ein Grenzwert von 95g CO2/km für Neuwagen in der EU. Mit Hochdruck arbeiten Automobilhersteller zusammen mit den Zulieferern daran, den CO2-Ausstoß der Fahrzeuge auf das erlaubte Limit zu senken. KSPG hat die entsprechenden FuE-Aktivitäten schon frühzeitig im Maßnahmenpaket „Road to 95” gebündelt. Das Ergebnis sind neue Konzepte und innovative Komponenten für Diesel- und Ottomotoren, die zu weniger CO2 führen. Dazu gehören optimierte Zylindersysteme samt Lagerstellen im Grundmotor. Dabei erreicht KSPG durch neue Werkstoffe oder Beschichtungen eine weitere erhebliche Reibleistungsreduzierung. Elektrisch geregelte Abgasrückführsysteme, Luftpfadventile und -klappen sowie Abgasklappen von KSPG verbessern die Verbrennung im Motor und damit Verbrauch und Emissionen. Bedarfsorientiert arbeitende Nebenaggregate wie Öl-, Kühlmittel- und Vakuumpumpen vermeiden Energieverluste im Motorbetrieb. Den Trend zum Downsizing zur Effizienzsteigerung durch Hubraumverringerung und Turboaufladung des Motors unterstützt KSPG mit elektrisch aktuierten Schubumluft-, Wastegate- und Druckregelventilen für Abgasturbolader. Zudem hat KSPG einen elektrischen Verdichter entwickelt, der eine spontane Anhebung des Ladedrucks aufgeladener Motoren erlaubt. Damit kann der Anfahrschwäche von Turbomotoren, dem bekannten "Turboloch", begegnet werden.

Systeme zur Entdrosselung des Ladungswechsels sowie Drosselklappen verringern Verluste beim Gasaustausch im Zylinder. Und mit Getriebegleitlagern sowie elektrischen Ölpumpen optimiert KSPG das Getriebe. Speziell für Pkw-Dieselmotoren hat KSPG beispielsweise Kolben aus Stahl statt Aluminium entwickelt. Stahlkolben senken die Reibung und bieten mehr Freiheitsgrade bei der Motorkonstruktion. Diese Vorteile summieren sich auf über drei Prozent weniger CO2. Die Weltneuheit – prämiert mit dem Stahl-Innovationspreis – ging 2015 bei KSPG für die Großserie eines Pkw-Dieselmotors in Serie. Ebenfalls auf die spezifischen Gegebenheiten bei Dieselmotoren ausgelegt sind die neuen elektrisch geregelten Bypassklappen für Abgasrückführmodule. Normalerweise wird die Klappe mittels Unterdruck betätigt. Allerdings muss der Druck erzeugt werden – dabei entsteht CO2. Der von KSPG entwickelte elektrische Aktuator benötigt die Energie tatsächlich nur zum Zeitpunkt des Stellvorgangs.

Richard Backhaus, Automobil- und Motorfachjournalist

Nachgefragt

Der Dieselmotor rückt aktuell immer häufiger in negative Schlagzeilen. Brauchen wir diese Antriebsform in Zukunft überhaupt noch?

Der Dieselmotor steht zu Unrecht als Umweltsünder am Pranger. Moderne Dieselkonzepte vereinen niedrige Emissionen mit geringem CO2-Ausstoß. Das gilt sowohl in der Theorie als auch – und das ist viel wichtiger – im alltäglichen Verkehr auf der Straße. Dort treiben Dieselmotoren bevorzugt große und damit schwere Fahrzeuge an, deren Verbrauch naturgemäß höher als der kleiner Autos ist und die zudem noch eine sehr viel höhere Jahreskilometerleistung als der Durchschnitt haben. Beides sind Faktoren, durch die der CO2-Vorteil des Dieselmotors besonders stark zum Tragen kommt. Der Dieselmotor ist damit nicht Problem, sondern Teil der Lösung für die umweltseitigen Herausforderungen der Mobilität der nächsten Jahre. Denn bis Elektroautos in der Breite des Markts angekommen sind, wird es bekanntlich noch einige Zeit dauern.