Wie gut funktioniert Hardware-Nachrüstung? Drei SCR-Systeme im Dauertest

29.7.2019

Der ADAC ließ Autos mit nachgerüsteten SCR-Systemen von HJS, Twintec und Oberland Mangold jeweils 50.000 Kilometer absolvieren. Können sie den NOx-Ausstoß im Alltagsbetrieb senken und die Euro-5-Diesel sauber machen? 

Mitarbeiter in Landsberg vor Computer am Prüfstand
SCR-Dauertest: Kontrollmessung auf dem ADAC Prüfstand
  • Die Stickoxid-Reduktionen sind bei allen Temperaturen beachtlich
  • Aber: Die Zuverlässigkeit der drei SCR-Kats bleibt ausbaufähig
  • Und die politischen Vorgaben werden nicht immer erfüllt

 

Die Stickoxidemissionen (NOx) von Euro 5-Dieselfahrzeugen können mit geeigneten Hardware-Nachrüstsystemen um mindestens 50 bis zu mehr als 70 Prozent reduziert werden. Das war das Ergebnis der Messungen von vier Systemen, die der ADAC und das Verkehrministerium Baden-Württemberg im Februar 2018 der Öffentlichkeit präsentierten.

Doch funktionieren die Nachrüstsysteme auch langfristig im Dauerbertrieb? Und halten sie die neuen Vorgaben des Bundesverkehrsministerium BMVI ein, die seit Januar 2019 in Kraft sind? Das sollte die Fortsetzung des gemeinsamen Testprojekt (hier die Langfassung, 3,54 MBKurzfassung, 1,6 MB und die englische Übersetzung (English translation), 1,56 MB des Testberichts) zeigen, bei dem die bereits getesteten Fahrzeuge jetzt 50.000 Kilometer zurücklegen mussten – im Stadtverkehr sowie auf Landstraßen und Autobahnen.

Nachrüst-Bestimmungen sind anspruchsvoll

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VW Bus fährt mit Prüfanlage durch Kleinstadt
RDE-Messung am VW T5 im Stadtverkehr

Kernpunkt der neuen Nachrüst-Richtlinie ist der definierte NOx-Grenzwert von 270 mg/km, den die Umrüstsysteme im Realbetrieb (RDE) auf der Straße in einem Temperaturbereich von 5 °C bis 30 °C einhalten müssen. Mit zwei Ausnahmen: Bei niedrigeren Temperaturen (zwischen 4° C und -3° C) dürfen die geminderten NOx-Werte um den Faktor 2 höher sein (das wären dann 540 mg/km), bei Temperaturen über 30° C liegt der Faktor bei 1,6 (432 mg/km).

In der Pkw-Nachrüstrichtlinie wurde gleichzeitig festgelegt, dass der Mehrverbrauch bzw. der Mehrausstoß an CO2 maximal sechs Prozent betragen darf. Diese Begrenzung limitiert den Mehrausstoß des klimaschädlichen Treibhausgases CO2 und soll auch die Mehrkosten für den Autofahrer durch höheren Spritverbrauch möglichst gering halten.

Und besonders wichtig: Der Hersteller muss die Funktionsfähigkeit des Systems über eine Kilometerleistung von 100.000 km oder einer Lebensdauer von bis zu fünf Jahren (je nachdem, was zuerst erreicht wird) gewährleisten.

Testergebnis: Probleme mit der Zuverlässigkeit 

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Querschnittszeichnung eines SCR Katalysators
Das Filter-Prinzip: AdBlue wird vor dem SCR-Kat eingespritzt

Von den vier Testkandidaten der Erstmessung vor einem Jahr waren noch der von der Firma Twintec Baumot umgerüstete Opel Astra 1.7 CDTI sowie die zwei leichten Nutzfahrzeuge VW T5 Multivan von Oberland Mangold und Fiat Ducato von HJS im Test. 

Beim Fiat musste der Dauertest wegen eines unverschuldeten Verkehrsunfalls mit einem nicht reparablen Fahrzeugschaden nach 33.000 km vorzeitig beendet werden. Der Mercedes B 180 CDI der Firma Dr. Pley SCR-Technology hat aus unternehmensinternen Gründen nicht mehr an diesem Folgeprojekt teilgenommen.

Fünf Monate dauerte es, bis die Testfahrzeuge den 50.000 km-Alltagstest absolviert hatten. 72-mal wurde dabei die 700 km lange Dauerlaufstrecke umrundet. Und nach Abschluss des Tests zeigt sich in punkto Haltbarkeit ein differenziertes Bild: Die in wenigen Wochen durch die Nachrüster aufgebauten und auf das jeweilige Testfahrzeug abgestimmten SCR-Systeme waren noch nicht in der Lage, eine durchgehend zuverlässige Funktion zu gewährleisten.

Temporäre Systemausfälle und mechanische Defekte an SCR-Komponenten zeigten sich ebenso wie eine zeitweilig instabile Energieversorgung. Die Hersteller mussten schon während des Tests mehrfach nachbessern – und haben noch einige Arbeit vor sich, um die in der Nachrüst-Richtlinie geforderte Dauerhaltbarkeit gewähren zu können.

So zuverlässig waren die Autos im Dauertest

Fiat Ducato 130 Multijet 2.3 D (HJS)

Das Testtagebuch verzeichnet beim Fiat Ducato, für den HJS weitgehend Serienteile der jüngeren Modellvariante mit Euro 6b verwendet, mit Ausnahme von zwei temporären Systemausfällen keine relevanten Störungen. Dieses Konzept scheint mit einer stabilen NOx-Reduktion in großen Teilen zuverlässig zu funktionieren und bietet somit das Potenzial, schon sehr zeitnah zu einem serienreifen SCR-Nachrüstsystem weiterentwickelt zu werden.

Einwandfrei beweisen lässt sich das positive Fazit jedoch nicht. Denn kurz nach der 30.000 km-Zwischenmessung geriet das Fahrzeug unverschuldet in einen schweren Verkehrsunfall, und der Alltagstest mit diesem Wagen musste vorzeitig abgebrochen werden.

VW T5 Multivan 2.0 TDI (Oberland Mangold)

Auch Oberland Mangold setzt beim VW T5 teilweise auf Serienteile, die im Nachfolgemodell VW T6 zum Einsatz kommen. Diese Bauteile – bestehend aus AdBlue-Tankeinheit inklusive aller Leitungen – sind bereits dauererprobt und erwiesen sich im Alltagstest als robust.

Lange Zeit spulte auch der VW den Test ohne Auffälligkeit ab. Doch nach 30.000 km zeigte sich eine plötzliche Verschlechterung der NOx-Emissionswerte. Der Grund: Im von Oberland Mangold entwickelten externen Hydrolyse-Reaktor, der für die AdBlue-Aufbereitung zuständig ist, bildeten sich mit der Zeit Ablagerungen, die in der Folge die Funktionsfähigkeit des Systems einschränkten. 

Die Fehlfunktion konnte durch Oberland Mangold zwar schnell behoben werden, doch für einen Serieneinsatz wäre der bisher verbaute Reaktor wohl keine endgültige Lösung. Entwicklungsbedarf gibt es auch noch bei den NOx-Minderungsraten. Insbesondere bei höheren (Autobahn-)Geschwindigkeiten fällt diese Rate noch sehr gering aus.

Opel Astra 1.7 CDTI (Twintec)

Der Opel Astra musste mehrmals außerplanmäßig in die Werkstatt – auch unabhängig von der SCR- Nachrüstung. Allerdings hatte er mit 140.000 Kilometern auch die höchste Gesamtfahrleistung auf dem Tacho. 

Das SCR-System für den Opel musste von Twintec komplett neu entwickelt und angepasst werden, da für dieses Fahrzeug keinerlei SCR-Serienbauteile verfügbar waren. Sowohl die eingeschränkten Platzverhältnisse als auch die ungünstig verbaute Abgasanlage stellten für die Entwickler eine Herausforderung dar. Und so verzeichnet das Testtagebuch auch mehrere Ausfälle und entsprechende Nachbesserungen: Eine undichte Kühlwasserleitung, eine nicht funktionierende Füllstandanzeige des AdBlue-Tanks sowie ein mechanischer Defekt einer Abgasleitung zum Hydrolyse-Reaktor. 

Auch das Energiemanagement erwies sich als noch nicht ausgereift: Die Zusatzbatterie im Kofferraum konnte durch den fahrzeugseitigen Generator nicht unter allen Bedingungen zuverlässig aufgeladen werden. In der Folge wurden das SCR-System unter bestimmten Fahrsituationen deaktiviert bzw. die Dosierraten herabgesetzt, um das Bordnetz nicht zu überlasten. 

Trotz dieser offenkundigen Schwierigkeiten beweist das System von Twintec, dass eine SCR-Nachrüstung prinzipiell auch bei ungünstigeren Fahrzeugtypen möglich ist. Doch die Entwicklung von serienreifen Lösungen für solche Fahrzeuge erfordert weitere technische Kreativität und wohl auch Zeit.

 

Im Sommer: Die NOx-Reduktion funktioniert 

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Diagramm SCR Kat Emissionen Sommer
Im Sommer wird der Nachrüst-Grenzwert erreicht

Um das Systemverhalten bei unterschiedlichen Außentemperaturen zu dokumentieren, wurden – neben den regelmäßigen Kontrollmessungen auf dem Abgasprüfstand – die Realbetriebs-Messungen (RDE) auf der Straße bei besonderen Temperatur- und Wetterlagen durchgeführt. Zu Beginn des Dauertests Ende August konnten für die RDE-Fahrten angenehme Temperaturen über 23° C genutzt werden. 

Das Testergebnis im Sommer wäre ein starkes Argument für die Nachrüstsysteme. Denn obwohl die Testfahrzeuge schon unter diesen günstigen äußeren Bedingungen ungereinigt enorme Serienemissionen von rund 700 bis 1100 Milligramm NOx/km produzierten – und damit um ein Vielfaches über dem Prüfstand-Grenzwert der Abgasnorm Euro 5 liegen! –, gelang es allen drei SCR-Systemen, durch die Nachbehandlung der Abgase mit dem Harnstoff AdBlue die Emissionen deutlich zu vermindern

Die gemessenen Reduktionsraten liegen im RDE-Test zwischen 64 und 80 Prozent und drücken den NOx-Ausstoß der getesteten Fahrzeuge auf oder unter den Grenzwert von 270 mg/km. Das ist der Wert, der laut Nachrüst-Richtlinie im Temperaturbereich von 5° C bis 30° C unterschritten werden muss. 

Im Herbst: Der NOx-Ausstoß steigt enorm 

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Diagramm SCR Kat Emissionen Herbst
Die Ausgangswerte sind im Herbst zu hoch: Der Grenzwert ist nicht machbar

Die Jahresdurchschnittstemperatur in Deutschland liegt bei etwa 9,5o C. Das entspricht also den Temperaturen von 10o C, die bei den RDE-Messungen im Herbst herrschten. Doch unsere drei Testfahrzeuge fühlten sich im ungereinigten Serienzustand schon bei diesem Wetter unwohl – und dokumentierten das durch deutlich erhöhte NOx-Emissionen: Teilweise verdoppelten sich die Werte gegenüber der RDE-Sommermessung auf bis zu knapp 2000 Milligramm Stickoxid pro Kilometer. 

Zu viel für unsere SCR-Nachrüstsysteme. Die gemessenen NOx- Reduktionsraten lagen zwar immer noch bei hohen 51 bis 77 Prozent (HJS schaffte eine 1400 Milligramm Reduktion!), doch der absolute NOx-Wert liegt selbst gereinigt noch bei mindestens 400 mg/km – weit über dem 270er-Grenzwert, der bis zu einer Temperatur von 5° C gilt. 

Die Messungen zeigen also, dass die Serienemissionen bereits bei gemäßigt kühlen Temperaturen zwischen 5° C und 13° C je nach Modell stark ansteigen können – Stichwort Thermofenster. 

Und das wird wohl zur größten Herausforderung der Nachrüstung. Denn der Gesetzgeber geht in der Nachrüst-Richtlinie davon aus, dass sich das Fahrzeug hier noch im Betriebsmodus für normale Temperaturen befindet und deshalb kein Verschlechterungsfaktor beim Grenzwert notwendig ist. 

Die Praxis zeigt aber, dass die Fahrzeughersteller ein anderes Verständnis für niedrige Außentemperaturen aufweisen: Sie drosseln die serienmäßige Abgasreinigung bereits in diesem Temperaturbereich stark. Die sehr hohen Serienemissionen bekommen dann selbst die wirkungsvollsten Nachrüstsysteme, die ebenfalls mit den kälteren Temperaturen kämpfen, nicht mehr in den Griff. Zumindest schaffen sie nicht den Grenzwert.

Im Winter: Die Wirkung der SCR-Kats sinkt deutlich

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Diagramm SCR Kat Emissionen Winter
Im Winter überschreiten die Probanden auch die reduzierten Grenzwerte

Bei winterlichen Außentemperaturen um den Gefrierpunkt ist die Strategie des Fahrzeugherstellers entscheidend. Während die ungereinigten NOx-Serienemissionen im Falle des VW T5 Multivan mit jedem Kältegrad weiter ansteigen, erhöht der Opel Astra seine Serienemissionen dagegen ab einem gewissen Temperaturniveau nicht mehr. Der Ducato stand zu diesem Zeitpunkt leider schon in der Werkstatt.

Es zeigt sich also, dass weniger die absolute Außentemperatur die Höhe des Stickoxidausstoßes bestimmt, sondern viel mehr wie und in welchem Umfang der Fahrzeughersteller die Abgasnachbehandlung zurückfährt. Und da die Nachrüster diese Strategie nicht kennen (weil die Fahrzeughersteller sie nicht verraten), ist die Systemapplikation über den gesamten Temperaturbereich besonders herausfordernd. 

Im Test wird sogar der reduzierte Grenzwert für kalte Temperaturen deutlich überschritten. Doch zumindest im Falle des Opel wäre es technisch wohl machbar: Ein ausgereiftes Energiemanagement, eine effiziente Aufheizstrategie des SCR-Systems und eine gute Wärmekapselung der SCR-Komponenten könnten dazu beitragen, diesen ambitionierten Grenzwert zu erreichen.

Mit allen SCR-Systemen steigt der Spritverbrauch

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Diagramm SCR Kat Nachrüstung
Messung auf dem Prüfstand: Mehrverbräuche zwischen 7 und 13 Prozent

In der Pkw-Nachrüst-Richtlinie wurde festgelegt, dass der Mehrverbrauch bzw. Mehrausstoß an CO2 maximal sechs Prozent betragen darf. Doch dieser Wert liegt bei allen drei Fahrzeugen teils deutlich darüber: Während das System von Oberland-Mangold im VW T5 mit einem Mehrverbrauch von sieben Prozent auskommt und fast den Faktor erreicht, liegen der Wert beim Fiat Ducato (HJS) und beim Opel Astra (Twintec) mit 12 bis 13 Prozent deutlich darüber.

Als Messverfahren für den CO2-Ausstoß wurde festgelegt, dass die Messung vor und nach Umrüstung auf dem Prüfstand durchgeführt wird. Und das macht durchaus Sinn, da nur im Labor reproduzier- und vergleichbare Werte zum Kraftstoffverbrauch ermittelt werden können. Eine RDE-Messfahrt ist dafür ungeeignet, da die Verkehrsbedingungen und der Fahrstil einen zu großen Einfluss auf den Verbrauch haben.

Doch die Auswertung des Mehrverbrauchs erfolgt über die ersten drei Phasen des WLTC-Zyklus direkt nach dem Kaltstart – und genau hier fordern die SCR-Systeme einen höheren Energie-, also Spritverbrauch, der zum Aufheizen des SCR-Systems nötig ist. 

Betrachtet man jedoch den Kraftstoffmehrverbrauch über alle durchgeführten Messungen, fällt dieser deutlich geringer aus als bei den reinen Zulassungstests, die speziell den schlechtesten Fall mit Kaltstart abbilden. Im Durchschnitt aller Messungen steigt der Verbrauch um rund neun Prozent – oder absolut ausgedrückt: Der Mehrverbrauch liegt je nach Messzyklus zwischen 0,46 Liter (Opel Astra) und 0,68 Liter (Fiat Ducato) pro 100 Kilometer.

Das ein grundsätzliches Problem: In der Nachrüst-Richtlinie wird lediglich ein zulässiger prozentualer CO2-Anstieg vorgegeben und kein absoluter Wert. Besonders sparsame Fahrzeuge sind somit benachteiligt, weil der absolute zulässige Mehrverbrauch bei ihnen sehr gering ausfällt.

So liegt der absolute Mehrverbrauch des Opel Astra auf ähnlichem Niveau wie beim VW T5. Da der Serienverbrauch des VW T5 aber deutlich höher ist, beträgt der prozentuale Mehrverbrauch lediglich sieben Prozent – und der ohnehin sparsame Opel Astra verschlechtert sich um 13 Prozent. Die Folge solcher Prozentangaben: Die Entwicklung einer SCR-Nachrüstung ist für sparsame Fahrzeugmodelle deutlich anspruchsvoller als für Fahrzeuge mit hohem Spritverbrauch.

Nicht zu vergessen ist der zusätzliche AdBlue-Verbrauch, der bei den RDE-Messungen zwischen 0,7 (Oberland Mangold im Sommer) und 3,7 Litern (HJS im Herbst) pro 1000 Kilometern lag. 

Richtige Technik vermeidet Ammoniak und Lachgas

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Querschnittszeichnung AdBlue Einspritzung
Durch die AdBlue-Einspritzung kann Ammoniak und Lachgas entstehen

Der im Fahrzeug verwendete Harnstoff AdBlue wird im Katalysator zunächst in Ammoniak (NH3) umgewandelt. Eine Überdosierung des giftigen Gases Ammoniak und dessen Austritt in die Umwelt gilt es unter allen Umständen zu vermeiden. Und eine entsprechende Vorgabe zum Verbau eines NH3-Sperrkatalysators ist deshalb bereits in der Nachrüst-Richtlinie vorgesehen.

Dass dieser Ammoniak-Sperrkatalysator sinnvoll ist, damit Ammoniak-Austritt zuverlässig vermieden werden kann und überdosiertes NH3 sicher oxidiert wird, zeigt das Beispiel des Fiat Ducato. Der hier verbaute SCR-Katalysator (Serienteil des Euro 6b-Ducato) besitzt noch keinen Sperrkatalysator. Bei speziellen Fahrsituationen wie bei Steigungen besteht bei ihm die Gefahr einer kurzfristigen Überdosierung. Beim VW T5 und Opel Astra sind NH3-Sperrkats dagegen schon eingebaut. Und unsere Messungen zeigen: Ein Ammoniak-Ausstoß wird mit ihnen zuverlässig vermieden.

Unter gewissen Umständen können sich über die katalytische Abgasnachbehandlung auch Sekundäremissionen wie Lachgas (N2O) bilden. Ursache hierfür können sowohl eine AdBlue-Überdosierung, ein ungünstiges NO2/NOx-Verhältnis oder ungeeignete Beschichtungen der SCR-Katalysatoren sein. Die Nachrüster müssen also sicherstellen, dass die Bildung dieses klimaschädlichen Treibhausgases weitgehend vermieden wird. 

Die Messungen zeigen, dass der Ausstoß von Lachgas bei allen Fahrzeugen vernachlässigbar gering ausfällt. Selbst im schlechtesten Fall (der Opel Astra im Autobahnteil des RDE-Zyklus) liegt die Lachgas-Konzentration im Abgas bei nur 8 ppm.

Lachgas ist zwar 298-fach klimaschädlicher als CO2, aber aufgrund der geringen Menge weniger relevant. Umgerechnet in CO2-äquivalent würde der zusätzliche CO2-Ausstoß auf der Autobahn bei rund 3 g/km liegen.

Fazit

Aus technischer Sicht haben alle getesteten Zulieferer einen guten Job gemacht: Mit den nachgerüsteten Systemen konnten die Stickoxidemissionen der Euro 5-Dieselfahrzeugen nicht nur im Einbau-Zustand um bis zu 70 Prozent reduziert werden, sondern behielten ihre Fähigkeit zur effektiven NOx-Reduzierung sogar nach 50.000 gefahrenen Kilometern – in Relation gesehen sogar bei jeder Temperatur. Damit die Nachrüstung klappt, sollten jetzt alle Beteiligten zusammenarbeiten.

Die Nachrüster müssen an der Alltags-Zuverlässigkeit ihrer Systeme arbeiten und den Kunden entsprechende zeit- sowie laufleistungsbezogene Garantien gewähren. Denn der Autofahrer muss sich darauf verlassen können, ein zuverlässiges und dauerhaltbares Produkt zu erwerben, das ihm ohne Sorge vor Folgekosten die Mobilität in den kommenden Jahren sichert.

Die Autohersteller sollten – auch ohne drohende Rückrufe – ihre Software-Strategien aktualisieren und bei Bedarf nacharbeiten. Und vor allem: Endlich ihre Blockadehaltung aufgeben und mit den Zulieferern gemeinsame Strategien entwickeln.

Nachdem die gesetzlichen Rahmenbedingungn nun feststehen, hat das KBA für die ersten Fahrzeuge die Betriebserlaubnis erteilt. Dies betrifft einzelne Modelle von Volvo. Für weitere Fahrzeuge anderer Hersteller wird die KBA-Erlaubnis demnächst erwartet. Aus unserer Sicht sollten nach den ersten Genehmigungen schnell weitere Systeme für möglichst alle betroffenen Fahrzeuge folgen. 

 

Text: Thomas Kroher

Fotos: Uwe Rattay. Illustrationen: PR.

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