Forschungsergebnisse zu Dieselschadstoffen

Umstritten ist die Fragestellung: Wie gefährlich sind Partikel für die Gesundheit? Die Partikelmenge wird wie gesetzlich vorgeschrieben im verdünnten Abgas gemessen, kann aber nicht in der Atmosphäre verfolgt werden. So liegen derzeit auch keine ausreichenden Kenntnisse über das Reaktionsverhalten der Partikel in der Atemluft vor, obwohl Lungenfachärzte vor den sehr feinen Partikeln warnen, die tief in die Lunge eindringen können, dort möglicherweise Entzündungen verursachen und damit auch ein potentielles Krebsrisiko bilden.

Vergleich Tier-Mensch umstritten

Seit 40 Jahren forschen Wissenschaftler nach den Auswirkungen der Dieselabgase. So ergaben toxikologische Untersuchungen der Medizinischen Hochschule Hannover mit ungefilterten Dieselabgasen lediglich bei Ratten eine Steigerung der Lungenkrebsrate – allerdings lag die Konzentration um mehr als das Tausendfache höher als im Straßenverkehr. Vergleichende Untersuchungen zwischen Affen und Ratten zeigten ebenfalls, dass die Ergebnisse der Tierversuche nicht ohne weiteres als Grundlage für die Risikoabschätzung für den Menschen geeignet ist.

Studien beweisen keinen Zusammenhang

Und während beispielsweise Greenpeace auf den Zusammenhang zwischen Diesel-Rußpartikeln und allergischen Atemwegserkrankungen hin weist und auch japanische und australische Mediziner dieses bestätigen, zeigt eine Auswertung wissenschaftlicher Studien kein eindeutiges Bild. Denn das Berufsgenossenschaftliche Institut in St. Augustin stellte im letzten Jahr fest, dass keine der 91 epidemiologischen Studien einen Zusammenhang zwischen Dieselmotor-Abgasbelastung und Lungenkrebs beweist. Die Krebsgefahr durch Dieselruß scheint – je nach Auftraggeber – bewiesen oder eben nicht.

Fragen an Professor Dr. Hans Peter Lenz vom Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Kraftfahrzeugbau der Technischen Universität Wien (Veranstalter des Wiener Motorensymposiums)

1.) Immer wieder Streitpunkt beim Diesel sind die angeblich krebserregenden Stoffe. Wie bewerten Sie die Diskussion und die Forschungsergebnisse?

A: Es gibt bisher keinen Nachweis, dass die Konzentrationen, in denen die Rußpartikel emittiert werden, Krebs fördernd sind. In der letzten Zeit wurde die Behauptung aufgestellt, moderne Dieselmotoren hätten zwar weniger Partikelmassenemissionen, aber die verbleibenden Partikel hätten kleinere Durchmesser und seien somit schädlicher. Diese Vermutung hat sich als unrichtig herausgestellt.

2.) Mit welchen technischen Maßnahmen könnte man den Partikelausstoß schnell reduzieren?

A: Der Partikelausstoß wird durch viele Details im Hinblick auf bessere Verbrennung vermindert, beispielsweise eine intensivere Ladungsbewegung, höhere Einspritzdrücke oder eine größere Zahl der Einspritzstrahlen. Die drastischste Maßnahme zur Partikelverminderung ist das Partikelfilter, das aber noch Probleme in der Dauerhaltbarkeit und Regeneration macht.

3.) Wie könnte man über die Kraftstoffqualität, im Besonderen mit schwefelfreiem Kraftstoff, die Partikelemissionen senken?

A: Die Qualität des Kraftstoffs beeinflusst sowohl die Zahl wie auch die Masse der emittierten Partikel. Schwefelfreier Kraftstoff senkt beide Emissionen drastisch. Leider sträubt sich die Mineralölindustrie bei einer schnellen Einführung. Die für 2005 vorgeschriebene Grenze von 50 ppm Schwefel ist deutlich zu hoch, gefordert werden muss eine Grenze von 10 ppm.

4.) Hat der Dieselmotor größere Chancen, wenn die Geruchsprobleme beseitigt sind und wie ist dabei der Stand der Technik?

A: Das Geruchsproblem der Dieselmotoren hängt auch mit dem Schwefelgehalt des Kraftstoffes zusammen. Je besser generell die Dieselmotoren im Hinblick auf die Schadstoffemissionen entwickelt werden, desto geringer wird auch das Geruchsproblem.

5.) Welche Zukunftschancen geben Sie dem Diesel im Pkw-Bereich und hat die Brennstoffzelle, die 2004 serienreif sein soll, eine Chance den Verbrennungsmotor zu ersetzen?

A: Beim PKW rechne ich in der Zukunft mit einem Dieselmotoranteil von etwa 50 %. Die Brennstoffzelle hat meiner Ansicht nach erst Chancen zu einer größeren Serienfertigung in etwa 20 Jahren; bis dahin gibt es keine Alternative zum konventionellen Verbrennungsmotoren.

Vielen Dank Herr Professor Lenz

Schwefelfreier-Kraftstoff

Ohne schwefelfreien Sprit ist beim Diesel wenig zu machen. Weniger Schwefelgehalt verringert den Sulfatanteil. Schwefelarmer Kraftstoff, beispielsweise der so genannte Schwedendiesel, weist weniger als 10 ppm (zehn von einer Million Teile) Schwefel auf. Ein heutiger Euro-2-Dieselmotor verursacht damit deutlich weniger Schadstoffe: bis zu 50 % weniger Kohlenmonoxid (CO) Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOX) um 10 % und die Partikel um mehr als 40 %. Das Startverhalten des Kat wird in der Warmlaufphase um fast 100 % verbessert.

Revolutionärer Diesel-Partikelfilter von Peugeot

Peugeot 607
Grafik zur Funktionsweise des Dieselpartikel-Filters

Ein Dieselmotor ohne Rauch und Partikel – klingt unglaublich. Schon seit Jahrzehnten forscht man nach solch einem Motor. Mit der Entwicklung eines revolutionären Partikelfilters bietet PSA Peugeot-Citroen genau diesen sauberen Dieselmotor für das Topmodell 607 an. Auch die deutsche Automobilindustrie sucht nach einem Reinmacher.

Dieselanteil gestiegen

Vordergründig basiert der Erfolg des Diesels auf den steigenden Kraftstoffpreisen. So stieg innerhalb des letzten Jahres der Neuwagen-Dieselanteil in Deutschland von 22 auf 28 %. Doch auch die typischen Nachteile des Diesel- gegenüber dem Ottomotor, wie Stickoxide (NOX) und Rußpartikel, haben die Techniker mittlerweile gut im Griff: Der Diesel verliert sein Dreckschleuder-Image. Werbewirksam präsentiert jetzt Peugeot ein zukunftsweisendes Schadstoffreinigungssystem, das Partikelfilter FAP (Filtre à particules).

Ruß-Grenzwerte nur mit Filter einzuhalten

Während grundsätzlich ein Dieselmotor immer mit der gleichen Luftmenge arbeitet, kann beim Beschleunigen das Gemisch schnell zu fett werden, dann verbrennt es nur unvollständig. Abgasrückführung (AGR) und selektive katalytische Reduktion (SCR) mindern NOX, reichen aber nicht aus, um Forderungen zur Partikelemission nach EURO 5 und US EPA 2007 zu erfüllen. Dies geht nur mit Filter, der zwar die ultrafeinen Rußpartikel auffangen kann, sich aber schnell zusetzt und deshalb regeneriert werden muss. Mit der Peugeot-Technologie soll es problemlos möglich sein, das Filter in bestimmten Zyklen zu reinigen.

Schwierige Vorarbeiten

Die natürliche Abbrenntemperatur der Partikel liegt bei etwa 550 Grad Celsius, die weder mit einem Kammerdiesel noch mit einem Direkteinspritzer zu erreichen ist. Beispielsweise wird der Motor im Stadtverkehr nur so gering belastet, dass lediglich Abgastemperaturen zwischen 150 und 200 Grad entstehen. In den 80er Jahren scheiterte deshalb bei Mercedes die Einführung eines Filtersystems und auch VW legte damals in den USA ein Konzept ohne Erfolg vor.

Anders soll das neue Superfilter sein, das PSA gemeinsam mit vier führenden Zulieferern entwickelt hat: Die Steuer- und Regelelektronik kommt von Bosch, das Filter von der japanischen Firma Ibiden, das Dieseladditiv (Eolys) von Rhodia (früher Rhône-Poulenc). Die Herstellung des Auspuffsystems übernahm Faurecia.

Additiv senkt Abbrenntemperatur der Partikel

Das FAP besteht aus einem Siliziumkarbid-Keramikwabenelement, der Steuersoftware der Common-Rail-Einspritzung und dem Behälter für das Kraftstoffadditiv. Im reinen Filter setzt sich zunächst die Oberfläche des porösen Innern zu, dann die Wände der eintretenden Kanäle. Ein Drucksensor überwacht das Filterinnere, nach etwa 400 bis 500 Kilometern (Filter ist etwa zu 80% beladen) brennt er dann innerhalb von zwei bis drei Minuten vollständig die Partikel ab. Dazu spritzt man zusätzlich Kraftstoff ein, er erhöht die Abgastemperatur von etwa 150 auf 450 Grad Celsius. Um die Verbrennungstemperatur für die Partikel von den natürlichen 550 auf 450 Grad zu senken, wird dem Dieselkraftstoff eine geringe Menge des Additivs Eolys beigemengt. Dieses entscheidende Additiv, entwickelt vom Chemiekonzern Rhodia, enthält eine Verbindung auf Ceriumbasis. Dies gilt Vereinfacht dargestellt “verbindet” sich das anorganische Cerium schon in der Bennkammer des Motors mit dem Ruß. Später lassen sich dann die Rußpartikel einfacher spalten und abbrennen. Nach etwa 80.000 km müssen die Verbrennungsrückstände des Filters ausgewaschen werden, das Additiv wird aufgefüllt. Auch Renault hat mittlerweile angekündigt, 2002 seine Dieselmodelle mit Partikelfilter und einer ähnlichen Additivlösung auszustatten.

Deutsche Autoindustrie skeptisch

Gegenüber dem neuen Filtersystem von Peugeot gibt sich die deutsche Autoindustrie zurückhaltend. Gunter Zimmermeyer, Geschäftsführer beim Verband der Automobilindustrie (VDA): “Derzeit ist das angekündigte Peugeot-Filter noch immer nicht in Deutschland im Serieneinsatz, dies lässt auf Probleme schließen”. So sehen auch die Ingenieure bei DaimlerChrysler das Problem des zusätzlichen Kraftstoffverbrauchs (3 bis 4%) durch die Nacheinspritzung und der vermehrten Aschebildung. Für Autofahrer bedeute dies “nur bedingt alltagstaugliche” Wasch- und Wechselintervalle bei verstopftem Filter.

Doch die Peugeot-Ingenieure kontern: Da das Topmodell 607 schon seit Jahresbeginn beispielsweise in Österreich, Belgien, Frankreich und der Schweiz verkauft wird – mit einem Dieselanteil von fast 70 % -, liegen dort positive Erfahrungswerte vor. So stellte auch die Schweizer Umweltbehörde Buwal fest, dass das Element Cerium die Verbrennung deutlich verbessert. Auch die amerikanische Umweltbehörde EPA prüft derzeit die Zulassung. Rhodia entwickelt schon einem Filter der neuen Generation, der die Aschespeicherung mindert. Weiter bescheinigen auch andere unabhängige Schweizer Institute und das Berliner Umweltbundesamt dem Peugeot Filter in allen Disziplinen Bestnoten und als Fazit: “Die deutschen Hersteller können nicht mithalten”.

CRT – die Rettung?

VDA-Experte Gunter Zimmermeyer: “Im Gegensatz zur Lösung von Peugeot ist unsere Philosophie eine andere. Wir wollen mit innermotorischen Maßnahmen die Partikel im Motor erst gar nicht entstehen lassen.” So hat die deutsche Autoindustrie mit dem “aktiven CRT” (Continious Regeneration Trap) ein aussichtsreiches System entwickelt. Bei CRT wird das Filter nicht wie üblich mit Sauerstoff (O2) regeneriert, sondern mit dem im Oxidationskat entstehenden Stickstoffdioxid (NO2). Die Arbeitstemperatur muss bei über 300 Grad Celsius liegen, die entweder mit einer elektrischen Beheizung oder durch “sanfte” Nacheinspritzung erreicht wird. Im unteren Lastbereich häufen sich die Rußpartikel solange an, bis das Filter etwa zu 30 % voll ist, dann setzt die aktive CRT-Funktion ein: Ein nah am Motor platzierter Oxidationskat reinigt das Abgas von Kohlenmonoxid (CO), sowie Kohlenwasserstoffen (HC), im zweiten Kat kann das für die Rußoxidation benötigte NO2 erzeugt werden. Abhängig von Druckdifferenz vor und nach dem Filter und abhängig von der Temperatur beginnt der Reinigungsprozess.

Unterschiedliche Konzepte bei VW

So sieht beispielsweise bei VW das CRT-Konzept vor, für das Jahr 2005 (EU4) in Oberklassemodellen ein Partikelfilter und zusätzlich einen Kat zu integrieren, der die Stickoxide aus dem Abgas holt. Für einen Passat genügt ein Partikelfilter in Verbindung mit dem Pumpe-Düse-TDI der mit bis zu 2050 bar den höchsten Druck aller heute gebräuchlichen DI-Systeme hat. So erfüllt der Lupo 3L TDI als erster Seriendiesel weltweit die Euro 4 Abgasnorm.

Toyota setzt auf neu entwickelten Keramikfilter

Auch Toyota bereitet für 2003 die Einführung eines Schadstofffilters für Dieselmotoren vor: Mit dem DNPR-System (Diesel Particulate NOX Reduction) sollen Rußpartikel und Stickoxide gleichzeitig reduziert werden. Innerhalb des Gesamtkonzepts verwendet Toyota dabei vorhandene Systeme: Gemeinsam mit den neuen Common-Rail-Motoren übernimmt ein neu entwickeltes Keramikfilter, das mit einem Stickstoff-Dreiwege-Speicherkatalysator beschichtet ist und ursprünglich für den Einsatz bei Magermix-Motoren entwickelt wurde, die Reinigung.

Schwefelfreier Kraftstoff auf jeden Fall erforderlich

Erste Ergebnisse sollen eine mehr als achtzigprozentige Reduktion bei Rußpartikeln und Stickoxiden während der ersten Verbrennungsphase ergeben haben – gemessen nach den japanischen Abgasbestimmungen. Während viele Detailfragen zu dem DNPR-System noch offen sind, steht aber fest, dass nur schwefelfreier Kraftstoff zu diesen Werten führt. Diesen fordert auch Gunter Zimmermeyer: “Wann CRT in Serienfahrzeugen zu finden sein wird, steht derzeit noch nicht fest, denn vieles hängt mit der Einführung schwefelfreien Kraftstoffs zusammen.”

Gesetzgeber will neue Abgasmessung

Mit dem FAP ist es Peugeot gelungen, die Partikel auf das Niveau eines Benzinmotors und auf das Messbare von vier Milligramm pro Kilometer zu senken. Damit hofft man auch alle künftigen Abgasvorschriften einhalten zu können. Doch der Gesetzgeber macht Druck. So fordert nicht nur Umweltminister Jürgen Trittin den Partikelfilter für alle, sondern auch Bernd Lange, Verkehrsexperte der SPD und Mitglied im Europäischen Parlament verkündete kürzlich auf einer VDA-Tagung: “Wenn wir deutliche Erkenntnisse haben, wollen wir nicht nur die Masse, sondern auch die Anzahl der Partikel zum Gegenstand der Gesetzgebung machen”. Da aber immer nicht zweifelsfrei bewiesen ist, ob die Größe der Partikel oder ihre Anzahl für Gesundheitsschäden verantwortlich sind, steht eine “Erkenntnis noch aus.