Dieselantriebe mit BLUETEC machen eine saubere Karriere

Die "Blue(tec)-Brothers": Forscher Bernd Krutzsch (links) und Entwickler Bernd Lindemann haben entschieden mitgeholfen, diese Technologie bis zur Serienreife zu bringen.
 

Bernd Lindemann überlegt nur kurz für die Antwort: "Am besten ist BLUETEC mit dem Drei-Wege-Katalysator für den Benziner vergleichbar, und zwar sowohl, was die Komplexität anbelangt, als auch hinsichtlich des Emissionsrückgangs." Beide Facetten der BLUETEC-Technologie zur Reinigung von Dieselabgasen kennen nur wenige besser als der Diplom-Ingenieur: Von Beginn an leitete er das abteilungsübergreifende Projekt BLUETEC 1 in der Serienentwicklung von Mercedes-Benz Cars und erlebte hautnah, wie viele technische Hürden die Ingenieure aus dem Weg räumen mussten, aber auch welch enormes Potenzial die von ihnen verfolgten Technologien erschließen.

In den Labors der Daimler-Forschung... Die Aufgabe des Projektteams war es, basierend auf den Forschungsprojekten der Abteilung von Bernd Krutzsch, dessen Team 2006 zusammen mit zwei Kollegen aus der Pkw-Entwicklung dafür den Daimler-Forschungspreis erhalten hat, in nur zweieinhalb Jahren ein Dieselfahrzeug zur Serienreife zu entwickeln. Dieses Fahrzeug zeichnet etwas aus, was bis dato als Quadratur des Kreises galt: den Dieselantrieb hinsichtlich aller Schadstoffe so sauber wie einen Benzinmotor zu machen, ohne dafür die Effizienz des Selbstzünderprinzips und dessen Spritsparqualitäten zu opfern.

Der technologische Schlüssel hierzu liegt in einem Paket aus innermotorischen Optimierungen sowie einem modularen System zur Abgasnachbehandlung mit vier Bausteinen und einer ausgeklügelten Betriebsstrategie (siehe Kasten S. 44). Entscheidend für den Erfolg war es, Abgasnachbehandlungssystem, Motor und Getriebe bestmöglich aufeinander

... untersuchte man die Reaktionen an den Katalysatoroberflächen bis ins kleinste Detail,... abzustimmen. Obwohl es auf den Erklärungsfolien der Forscher und Entwickler von Mercedes-Benz zugeht, als stellten sie die verschachtelten Prozesse einer kompletten Chemiefabrik dar, in der gleichzeitig eine Vielzahl von Substanzen auf-, ab- und umgebaut werden, und die Diagramme der Motorsteuerung die unterschiedlichsten Verbrennungszustände von einer Millisekunde zur nächsten zeigen, merkt der Fahrer eines BLUETEC-Fahrzeugs davon eigentlich nur eines: nämlich gar nichts.

Beeindruckend effektiv

Die hochkomplexe Technik arbeitet still und unsichtbar, dafür aber beeindruckend effektiv, vor allem beim Ausstoß von Stickoxiden, dem letzten noch verbliebenen Emissionsmanko des Diesels gegenüber dem Benzinmotor. Hier brachte BLUETEC die Entwickler einen Riesenschritt nach vorn. Konkret lässt sich dies an ihrem jüngsten Coup Der E 320 BLUETECist seit Oktober 2006 in 45 Bundesstaaten der USA und seit Oktober dieses Jahres in allen 50 auf dem Markt. Der Grund, weshalb beide Saubermänner nicht als Zwillinge zur Welt kommen konnten, liegt an unterschiedlichen Dieselqualitäten und der durchschnittlichen Belastung des Antriebsstrangs dies- und jenseits des Atlantiks.

Die gerade ein Jahr junge Verkaufsgeschichte des E 320 BLUETEC in den USA ist ausgesprochen bemerkenswert: 20 Prozent aller Käufer einer E-Klassen-Limousine mit 6-Zylinder-Motor (ohne Allrad-Variante) entschieden sich vom Fleck weg für BLUETEC. Das mag aus europäischer Sicht nicht spektakulär klingen. Doch 20 Prozent Dieselanteil signalisieren ein Erdbeben hinsichtlich des Käuferverhaltens in den USA.

... erfassen. Das ergibt ein genaueres Bild als Messungen unter Laborbedingungen. Anders als in Europa, wo sich mittlerweile fast 80 Prozent der Käufer von Mittelklasselimousinen wie der E-Klasse vor allem aus Wirtschaftlichkeitsgründen für einen Dieselmotor entscheiden und wo niemand über die Sportlichkeit und Agilität der Dieselvarianten erstaunt ist, sind auf Amerikas Straßen Pkw und SUVs mit einem Diesel unter der Haube angesichts eines Marktanteils von drei Prozent geradezu Exoten. Hinzu kommt: Das Image des Diesels ist in den USA von lange zurückliegenden Erfahrungen geprägt. Viele erinnern sich zwar noch an die Wirtschaftlichkeit der Aggregate, verbinden mit ihnen aber auch laut nagelnde, behäbige Vehikel, die schwarze, penetrant riechende Rußwolken hinter sich ließen. Die enormen Fortschritte, die vor allem dank Dieseldirekteinspritzung (Common-Rail) und hinsichtlich der Emissionsminderung (Oxi-Kat und Partikelfilter) für die breite Akzeptanz und Beliebtheit des Selbstzünders in Europa gesorgt haben, haben viele Autofahrer in den USA bislang noch gar nicht wahrgenommen. Vor diesem Hintergrund ist ein Verkaufsanteil "aus dem Stand" von 20 Prozent für die BLUETEC-Variante des E 320 ein Riesenerfolg.

Nachwuchs bei Familie BLUETEC

Angespornt von diesem deutlichen Käuferzuspruch, so verrät Rudolf Thom, bereitet Mercedes-Benz Cars unterdessen die zweite "blaue Welle" vor. Im nächsten Jahr wird die BLUETEC-Limousine E 320 nämlich mit der ML-, der GL- und der R-Klasse gleich drei große BLUETEC-Brüder bekommen. Erstmals wird damit das sauberste Konzept der Abgasnachbehandlung für Dieselmotoren auch im Fahrzeugsegment der SUVs verfügbar sein. Mehr noch, die Pkw-Entwickler haben mit diesem Fahrzeug-Trio sogar eine besonders hohe Hürde übersprungen: Während der E 320 BLUETEC die zurzeit gültige US-Abgasnorm BIN 8 beziehungsweise LEV 2 erfüllt, werden die BLUETEC-Diesel der ML-, R- und GL-Klasse sogar die schärfsten Limits auch für schwere Fahrzeugtypen erfüllen. Die Ausdehnung des BLUETEC-Angebots auf weitere Märkte, Baureihen und Motorisierungsvarianten hat, so macht Bernd Lindemann deutlich, für die Pkw-Entwickler von Mercedes-Benz Cars oberste Priorität: "Wir arbeiten mit Hochdruck daran, beide Technologien, also NSK Advanced und SCR sinnvoll in die Breite unserer Produktpalette zu tragen, und das gilt nicht nur für das Segment der Sechszylindermotoren." Sein Team hat mit dem C 250 BLUETEC auch den "4-Zylinder-BLUETEC" auf der Agenda. Dabei handelt es sich keineswegs um eine simple Anpassung der Technik, denn es gilt, die jeweils am besten geeignete Reinigungstechnologie für Fahrzeuge zu konzipieren, die sich hinsichtlich Gewichtsklasse, Motorisierung und Package-Situation deutlich voneinander unterscheiden. In jeder BLUETEC-Variante müssen die Module also anders verbaut werden, die Volumina aller Katalysatoren wollen optimiert sein und auch die Algorithmen für die Motorsteuerung müssen maßgeschneidert für jedes Modell passen. Last, but not least: Die zwangsläufigen Mehrkosten für ein BLUETEC-System müssen für die Kunden akzeptabel bleiben.

... harten Erprobungen bewähren muss. Als zweites Aufgabenfeld benennt Bernd Lindemann die Weiterentwicklung der BLUETEC-Selbstdiagnose im Fahrzeug. "Schon von Gesetzes wegen müssen die Systeme onboard überwacht werden. Die Anforderungen hierfür werden in den kommenden Jahren sowohl in den USA als auch innerhalb der EU deutlich steigen." Auch hier geht es vor allem darum, dass der Fahrer von der "Hintergrundarbeit" des Systems gar nichts merkt. Die Überwachungseinheit im Fahrzeug muss möglichst jede Fehlfunktion schnell erkennen, ohne aber Falschmeldungen auf dem Display anzuzeigen. "In diesem Spagat müssen wir uns zuverlässig und mit hoher Genauigkeit bewegen", so Bernd Lindemann. Dafür bedarf es neuer Algorithmen für die Motorsteuergeräte sowie für die Auswertung der Temperatur- und der Lambdaverläufe. Daran arbeiten momentan die Ingenieure mit den Elektronikspezialisten der Fahrzeugentwicklung.

Vereinfachungen gesucht

Herausforderung Nummer drei betrifft die BLUETEC-Module selbst: Die Entstickung mittels SCR plus AdBlue hält Bernd Lindemann bereits heute für eine stabile Technik. Ihre Achillesferse ist die hohe Komplexität des Gesamtsystems. Daher arbeiten die Ingenieure an einer "Vereinfachung" des SCR-Moduls. Es geht etwa darum, Teile und damit Kosten einzusparen. Beim Stickstoffspeicherkat steht dessen Langzeitstabilität auf der Agenda.

Besonders wertvolle Einblicke – im übertragenen wie im wörtlichen Sinn – erhalten die Entwickler bei der sogenannten Indizierung: Während der Versuchsfahrt misst eine Sonde im Zylinder ständig den Druck. So lässt sich online im Fahrzeug die Wärmefreisetzung während aller Takte verfolgen. Im Neuzustand bringt es ein NSK auf Stickoxidumwandlungsraten, die denen eines aktiven SCR-Systems ebenbürtig sind. Doch mit zunehmender Laufleistung sinkt diese Rate im NSK langsam ab und pendelt sich auf einem niedrigeren Niveau ein. Daher sucht man nach besser geeigneten Materialen und Katalysatortypen. Im September 2007 konnten die Besucher der Internationalen Automobilausstellung IAA in Frankfurt bei einigen der 19 dort von Mercedes-Benz vorgestellten Exponaten erkennen, welche vierte Herausforderung auf die Entwickler zukommen wird, nämlich die Verzahnung von BLUETEC mit anderen Technologiebausteinen, etwa der Hybridisierung des Dieselantriebs oder auch der Start-Stopp-Funktion. Beide Konzepte senken den Verbrauch und damit die CO2 -Emissionen. Aber beide wirken sich auch auf den Temperaturverlauf im Abgasstrom aus und damit natürlich auf die Effektivität der Reinigung.

Hürde und Potenzial zugleich

In diesen Herausforderungen sieht Bernd Lindemann allerdings nicht nur eine Hürde, die es zu meistern gilt, sondern auch ein zusätzliches technologisches Potenzial. Er nennt es die Verblockung von Konzepten zur CO2-Minderung mit solchen zur Reduktion des Schadstoffausstoßes. "Beide Ansätze können sich gegenseitig helfen. So lässt sich etwa dank effektiver Abgasnachbehandlung eine Motorauslegung wählen, die konsequent CO2-optimiert ist. Umgekehrt erlaubt der Einsatz in einem Hybridantrieb Maßnahmen zum Temperaturmanagement, welche die Leistungsfähigkeit der Abgasnachbehandlung weiter steigern." Der klassische Trade-off im Motorenbau, also die Notwendigkeit, den zwangsläufig mit jeder Stufe der Emissionsminderung ansteigenden Kraftstoffverbrauch zu kompensieren oder, wenn möglich, sogar mehr als wettzumachen, geht in eine neue Runde. Für diese zeigt sich Bernd Lindemann gerüstet: "Dank BLUETEC können wir diesen Trade-off neu ausbalancieren, und zwar auf einem extrem niedrigen Emissionsniveau."