Zielgerichtete Konzepte zur Emissionsminderung

Die in naher Zukunft erheblich strenger werdende Abgasemissionsgesetzgebung bei gleichzeitig vorgegebener Verringerung des verkehrsbedingten CO₂-Ausstoßes erfordert eine deutlich geänderte Entwicklungsmethodik. Hauptgrund hierfür sind neben dem zwingend erforderlichem ausgedehnten Technologiepaket die deutlich geänderten Rahmenbedingungen und die verschärften Nachweisprozeduren, deren zentrales Element die sichere Einhaltung der Emissionsanforderungen auch außerhalb standardisierter Prüfzyklen ist. Hinzu kommt ein kontinuierlich steigender Kostendruck. Vor diesem Hintergrund hat sich die FEV-Gruppe intensiv mit den zwei Hauptanforderungen dieser Thematik beschäftigt: der Identifikation zielgerichteter Emissionsminderungskonzepte für das gesamte Fahrzeugportfolio als auch der Erarbeitung leistungsfähiger Entwicklungsmethoden. Als repräsentative Eck-Applikation wurde hierzu einerseits ein B-Segment Fahrzeug mit 1,5 Liter Dieselmotor ausgewählt, das typischerweise erhebliche Restriktionen hinsichtlich Kosten als auch Packaging für aufwändige Abgasreinigungssysteme mit sich bringt. Andererseits wurde eine anspruchsvolle SUV-Anwendung mit 2,0 Liter BiTurbo-Aggregat gewählt, um auch erhebliche Volllastanteile im RDE-Anforderungskatalog abzudecken.

Der Übergang vom klassischen NEFZ-Prüfzyklus zur neuen WLTP-Definition in der Homologation sowie die Einführung der RDE-Regularien als zusätzliches Element zur Bewertung des Emissionsverhaltens im realen, repräsentativen Fahrbetrieb bedingen neue Prozesse und Vorgehensweisen zur sicheren Darstellung der umfassenden Anforderungen. Erschwerend ist der Umstand, dass die RDE-Testbedingungen seitens der Zulassungsbehörden bewusst nicht standardisiert sind. Das Ergebnis sind teilweise unbekannte stochastische Betriebsbedingungen, die einen robusten und anpassungsfähigen Systemansatz zur Emissionseinhaltung obligatorisch machen. Dies bedeutet einerseits, dass sehr leistungsfähig dimensionierte und spezifizierte Subsysteme im ganzheitlichen Emissionskonzept berücksichtigt werden müssen. Andererseits muss das Emissionsminderungsverhalten ideal auf die potentiellen Betriebsbedingungen im Realbetrieb angepasst werden. Hierzu sind adaptive, intelligente Funktionsalgorithmen in der Motorsteuerung notwendig.

Weltweite Kompetenzen vereint

Die Erstellung des Prüfkatalogs und der FEV-seitig standardisierten Vorgehensweise erfolgte auf Basis einer breiten Datenerfassung und -bewertung. Hierzu wurden alle FEV-weit verfügbaren RDE-Erfahrungen und -Zyklen gesammelt, analysiert und ein modularer, stufenweiser Ansatz abgeleitet.
SUV-artige Fahrzeugkonzepte erfreuen sich zunehmend großer Beliebtheit, wie derzeitige Marktprognosen, beispielsweise von IHS, zeigen. In diesem Segment finden zudem Dieselmotoren eine große Verbreitung. Daher entschieden sich die FEV-Experten dazu, die neue Entwicklungsmethodik u.a. anhand einer entsprechenden Eckpunkt-Applikation auf eben dieses Segment repräsentativ anzuwenden.
Sehr vorteilhafte Rohemissionswerte im gesamten Spektrum der RDE-Zyklen lassen sich bereits auf Basis eines konsequent optimierten Brennverfahrens mit hoher AGR-Akzeptanz im gesamten Kennfeldbereich erzielen. Möglich macht dies ein leistungsfähig dimensioniertes AGR-System. Ein zusätzliches, ebenfalls bewusst leistungsfähig ausgelegtes DeNO_x-Kombi-Abgasnachbehandlungssystem – bestehend aus einem motornah verbautem Stickoxidkatalysator (LNT) und einem ergänzenden Unterboden-SCR – garantiert niedrigste NO_x-Emissionen. Diese liegen im betrachteten Fall bei mehr als 91 Prozent aller Zyklen zum Teil weit unterhalb des Konformitätsfaktors (CF) von 1,5, während alle untersuchten RDE-Zyklen den CF von 2,1 [gültig bis 2020] sicher darstellen. Zur Erzielung einer 100-prozentigen Abdeckung des CF von 1,5 sind bei dieser sehr anspruchsvollen Anwendung [~1,4 to./ltr. bzw. 16,4 kg/kW] weitere Optimierungsschritte erforderlich.

Weitreichendes Potenzial

Das sehr positive Emissionsverhalten wurde in vergelichsweise kurzer Programmlaufzeit erreicht. Schlüssel hierzu war die konsequente Integration von kontinuierlichen Simulationsberechnungen in die standardisierte, DoE-basierte Kalibrier- und Applikationsarbeit, wobei virtuelle Entwicklungsmethoden einbezogen wurden. Damit kann zusammenfassend festgehalten werden, dass moderne Pkw-Dieselmotoren in der Lage sind, strengste zukünftige Emissionsanforderungen – insbesondere auch im Realbetrieb – sicher einzuhalten. Somit stellen sie auch zukünftig einen wesentlichen Bestandteil gesamtheitlicher CO₂-Minderungsstrategien dar.