Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe F: Fahrzeugtechnik
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Fachveröffentlichung
Im Rahmen des von der Bundesanstalt für Straßenwesen durchgeführten Forschungsvorhabens „Fahrleistungserhebung 2014“ wurden differenzierte Datensätze zur Fahrleistung der verschiedenen Fahrzeugsegmente und Straßenkategorien gewonnen, die zur Abbildung der aktuellen Verkehrsbelastung in Deutschland mit TREMOD herangezogen werden können. Für das Gesamtvorhaben ergeben sich zwei Datensätze: die durch Halterbefragung erhobene Inländerfahrleistung und die durch Verkehrszählung ermittelte Inlandsfahrleistung. Hervorzuheben ist hierbei insbesondere der neue Ansatz zur Ermittlung der Inlandsfahrleistungen auf den verschiedenen Straßenkategorien in Deutschland. Damit liegt zum ersten Mal seit 1993 wieder eine differenzierte Datengrundlage für die Inlandsfahrleistung in Deutschland vor. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden die Fahrleistungsdaten aus der „Fahrleistungserhebung 2014“ so aufbereitet, dass sie zur Berechnung der verkehrsbedingten Emissionen in TREMOD genutzt werden können. Weitere aktuelle Quellen wurden berücksichtigt, so dass insgesamt ein aktuelles konsistentes Gesamtbild der Fahrleistungen in Deutschland entsteht. Wesentliche weitere Quellen waren die jährliche Fahrleistungsermittlung des Kraftfahrt-Bundesamtes („Verkehr in Kilometern“), die Straßenverkehrszählungen sowie die Auswertungen der automatischen Dauerzählstellen der BASt. Das aktualisierte Fahrleistungsgerüst für 2014 wurde anschließend in der Zeitreihe angepasst. Diese Anpassung umfasst den Zeitraum 1994 bis 2014, damit ein konsistenter Anschluss an die Fahrleistungserhebungen 1993 und 2002 hergestellt werden konnte. Schließlich wurden aus der Halterbefragung Kennwerte für die jährliche Fahrleistung der Fahrzeuge nach Antrieb, Größenklasse und Alter ermittelt. Die aktualisierten Kennzahlen fließen in die TREMOD-Version 6 ein, die außerdem eine umfassende Aktualisierung der Emissionsfaktoren auf Basis des HBEFA 4.1 (Handbuch Emissionsfaktoren des Straßenverkehrs) enthält.
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Um festzustellen, ob bei vorübergehendem Fahrzeugstillstand kurzzeitige Motorabschaltungen gegenüber konstantem Leerlaufbetrieb eine Reduzierung oder aber aufgrund des Startvorganges eine Zunahme der Kraftstoffverbräuche und Schadstoffemissionen zur Folge haben, wurde mit dem Emissions-Mess-Fahrzeug (EMF) der BASt ein entsprechendes Untersuchungsprogramm realisiert. Dabei war auch der Fragestellung nachzugehen, was dem Autofahrer an einer roten Ampel oder einem Bahnübergang (oder den Kommunen bei entsprechender Beschilderung) zu empfehlen ist, dass heißt ob der Motor abgeschaltet werden soll oder nicht. Im ersten Abschnitt des Projektes wurde anhand einzelner Motorstopp-/Startvorgänge untersucht, wie lange der Motor mindestens ausgeschaltet werden muss, damit Einsparungen möglich sind. Es stellte sich heraus, dass die Standzeiten, ab wann aus der vorübergehenden Motorabschaltung Vorteile für die Umwelt entstehen, für die verschiedenen Abgaskomponenten sehr weit auseinander liegen: bei Kraftstoffverbrauch und Stickoxidemissionen etwa ab zehn Sekunden, bei Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid-Emissionen erst ab etwa fünf Minuten. Im zweiten Projektabschnitt wurden Messfahrten im Straßenverkehr durchgeführt, die einen definierten, 20 Sekunden dauernden Fahrzeugstillstand in Form einer Ampelstopp-Simulation beinhalteten. Mit diesem realitätsnahen Versuchskonzept sollten die Ergebnisse aus den Motorstopp-Startversuchen überprüft werden. Es zeigte sich, dass die unter idealen Bedingungen erarbeiteten Resultate des ersten Abschnitts auch auf reale Verhältnisse angewendet werden können. Alle Ergebnisse beziehen sich auf das Messfahrzeug mit warmem Motor. Die Übertragbarkeit auf andere Fahrzeuge - insbesondere solche mit anderen Motor- beziehungsweise Gemischaufbereitungs- und Abgasreinigungskonzepten - ist daher nicht oder nur eingeschränkt zulässig. Die Größenordnungen der Ergebnisse können aber vermutlich auf vergleichbare, mit Katalysator ausgestattete Fahrzeuge übertragen werden.
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Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden 122 AU-auffällige Fahrzeuge mit Ottomotor und geregeltem Katalysator weitergehend untersucht. Die Fahrzeugauswahl an den Prüfbahnen erfolgte nach den Hauptkriterien Abgasuntersuchung (AU) "nicht bestanden" und der Hubraumklasse sowie dem Zulassungsjahr. Um die Wirksamkeit der AU darzustellen, wurden die defekten Fahrzeuge im Anlieferungszustand in drei verschiedenen Fahrzyklen auf der Rolle vermessen, anschließend in markengebundenen Fachwerkstätten instand gesetzt und nach bestandener AU wiederum auf der Rolle vermessen. Der Vergleich der Abgas-Emissionen vor und nach der Reparatur im NEFZ-Zyklus zeigt für die untersuchten Fahrzeuge eine deutliche Emissionsabsenkung für CO, HC und NOx. Die AU identifiziert Fahrzeuge mit emissionsrelevanten Defekten, die durch Wartung beziehungsweise Reparatur behoben werden und somit die Fahrzeuge auf ein Emissionsniveau zurückführt, welches in etwa dem des Neuzustandes entspricht. Würde die AU entfallen, würde der Anteil von Fahrzeugen mit emissionsrelevanten Defekten bis auf ein Sättigungsniveau ansteigen. Bei Abschaffung der bestehenden AU würden daher die Jahresemissionen des G-Kat-Kollektivs nach diesen Überlegungen um deutlich mehr als die berechnete jährliche Reparatur bedingte Emissionsminderung ansteigen.
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Unter der Leitung der Working Party 29 beauftragte die UN ECE Group of Experts on Pollution and Energy (GRPE) die ad-hoc Arbeitsgruppe WMTC mit der Entwicklung eines "World-wide Harmonised Motorcycle Emissions Test ProCedure". Das Ziel dieses Forschungsprogramms ist es, einen weltweit harmonisierten Prüfzyklus für die Messung der Schadstoffemissionen motorisierter Zweiräder zu entwickeln, der den Fahrzyklus und den dazugehörigen Schaltalgorithmus für die Prüfstandmessungen und die Beschreibung der Einstellungen der Prüfstände abdeckt. Die Emissionsvalidierungen im Rahmen des Validierungsprogramms Teil 2 wurden einesteils von der Industrie und andernteils von nationalen Regierungseinrichtungen in verschiedenen Ländern der Welt finanziert. Für Deutschland ließ die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) im Rahmen dieses Forschungsvorhabens Validierungstests für 8 Motorräder bei der RWTÜV Fahrzeug GmbH in Essen durchführen. Die Ergebnisse sind im ersten Teil des Berichts (Langfassung) dokumentiert. Mit dem Vorhaben sollte darüber hinaus aber noch das Ziel verfolgt werden, einen Vorschlag für die Erfassung von off-cycle Emissionen zu erarbeiten. Der Begriff "off-cycle Emissionen" umfasst diejenigen Emissionen eines Motorrades, die im realen Betrieb bei Fahrzuständen auftreten, die durch den Prüfzyklus nicht erfasst werden. Insofern sind off-cycle Emissionen ein grundsätzliches Problem, selbst bei einem repräsentativen Messzyklus. Beispielsweise werden Emissionen, die bei hochtourigen Fahrweisen mit starken Beschleunigungen auftreten, im WMTC nicht berücksichtigt. Um eine geeignete Lösung für die Erfassung von off-cycle Emissionen zu finden wurden die im Rahmen der WMTC Arbeiten zur Verfügung stehenden in-use Daten zum Fahrverhalten von Motorrädern noch einmal auf ihre Varianzen hin ausgewertet, um Motordrehzahlen und Fahrzeugbeschleunigungen zu bestimmen, die für off-cycle Emissionen zu berücksichtigen sind. Es wurden 3 verschiedenen Methoden zur Erfassung der off-cycle Emissionen untersucht, und zwar WMTC mit erhöhten Schaltdrehzahlen, Load Respose Test und Stationäre Geschwindigkeits-/Drehzahlkombinationen. Aus den Ergebnissen zu den off-cycle emissions kann insgesamt folgendes Fazit gezogen werden: Stationäre Drehzahlen sind für die Emissionsbestimmung im off-cycle Bereich ungeeignet. Die Anwendung des Ansatzes "erhöhte Schaltdrehzahlen" auf den WMTC Geschwindigkeitsverlauf ist ein Schritt in die richtige Richtung, aber er berücksichtigt nicht die größeren Beschleunigungen bei "sportlicher" Fahrweise. Der load response Test ist ein geeigneter Ansatz für die Überprüfung von off-cycle Emissionen. Allerdings muss man für die praktische Anwendung noch Schaltdrehzahlen verbindlich festlegen und Vorkehrungen treffen, um die Gefahr von Reifenschlupf zu verringern und somit die Wiederholbarkeit zu verbessern. Die Konstantfahrtphasen sollten dazu genutzt werden, das Emissionsverhalten bei höheren Drehzahlen als den normalen Schaltdrehzahlen des WMTC zu erfassen. Auch die Frage der Bewertung der Ergebnisse konnte im Rahmen dieses Vorhabens noch nicht abschließend geklärt werden. Um cycle bypass Maßnahmen zu erschweren sollten, die Start- und Zielgeschwindigkeiten darüber hinaus randomisiert werden. Wichtig im Zusammenhang mit der Bewertung von off-cycle Emission provisions ist außerdem die Diskussion und Festlegung von Grenzwerten für den off-cycle Bereich. Bei Fahrzeugen, die mit einem 3-Wege-Katalysator mit Lambdasondenregelung ausgerüstet sind, bietet die Erfassung der Lambdasondenspannung ein ergänzendes Hilfsmittel, um die Funktion der Regelung des Katalysators zu überprüfen. Sie sollte nicht nur im off-cycle Bereich sondern ebenfalls im normalen WMTC angewendet werden.
58
Für schwere Nutzfahrzeuge der Abgasstufe Euro 3 mit einem zulässigen Gesamtgewicht über 12 t liegen zur Zeit nur wenige belastbare Emissionsfaktoren (E-Faktoren) vor. Bislang sind nur vereinzelt entsprechende Motoren auf Prüfständen vermessen worden. Über das Emissionsverhalten solcher Antriebe im realen Fahrbetrieb liegen so gut wie keine Erkenntnisse vor. Ziele des Vorhabens waren: 1.) die Aufstockung der Emissionsfaktoren Datenbasis durch Vermessung von Fahrzeugen im Straßenbetrieb, 2.) der Vergleich von Realmessungen mit Werten aus dem Emissionsfaktoren-Handbuch und 3.) die Validierung moderner on-board-Messverfahren. Für die Messungen wurden drei schwere Sattelzugmaschinen mit Auflieger sowie ein Fahrzeug aus dem Verteilerverkehr ausgewählt. Es wurden Messfahrten mit voller und halber Beladung durchgeführt. Die verwendete on-board-Messtechnik erfasste hierbei zeitaufgelöst die gasförmigen Emissionen sowie den Abgasmassenstrom. Zusätzlich wurden Leistungs- und Geschwindigkeitsdaten erfasst. Für die Auswertung der Daten mussten die Fahrmuster, wie sie im Emissionsfaktoren-Handbuch beschrieben sind, aus den Fahrprofilen der Messfahrten isoliert werden. Für geeignete Fahrmuster wurden Emissionsfaktoren in g/km ermittelt und denen des Emissionsfaktoren-Handbuches gegenübergestellt. Zur Bewertung der benutzten on-board-Messtechnik wurden auf dem Motorprüfstand Vergleichsmessungen in den europäischen stationären und dynamischen Typprüfzyklen ESC und ETC durchgeführt. Bei diesen Vergleichen zeigte sich die Analysetechnik sehr gut geeignet für mobile Messungen. Abweichungen zu den Laborergebnissen traten im Wesentlichen durch Unterschiede in der Abgasmassenstrommessung auf. Der Vergleich der Handbuch-Emissionsfaktoren mit den in diesem Vorhaben gewonnenen Ergebnissen auf der Basis von Durchschnittsgeschwindigkeit und mittlerer positiver Leistung ergab bei den Sattelzügen keine gravierenden Unterschiede bei HC, NOx und CO2 für den Mittelwert über alle 3 Fahrzeuge. Bei CO wies ein Fahrzeug bei niedrigen Geschwindigkeiten deutlich höhere Emissionen und größere Varianzen auf, so dass dort die Kurve der Mittelwerte deutlich über der Trendkurve des Handbuchs liegt. Für eine leistungsspezifische Darstellung der Messwerte wurden in unterschiedlichen Leistungs- und Drehzahlfenstern quasistationäre Betriebsbedingungen gesucht und die Ergebnisse als gemittelte Emissionswerte dargestellt. Für ein Fahrzeug wurden exemplarisch die Prüfpunkte des ESC in diese Darstellung eingefügt. Bei Betrachtung der Betriebsweise auf der Straße und Vergleich mit der Wichtung der jeweiligen ESC-Prüfpunkte ist erkennbar, dass für dieses Fahrzeug die Wichtung des ESC nur sehr bedingt die Betriebsweise auf der Straße widerspiegelt. Abschließend kann festgestellt werden, dass, von Entwicklungsbedarf bei der Abgasmassen-strommessung abgesehen, Messtechnik zur Verfügung steht, um Realemissionen von Fahrzeugen im Straßenbetrieb für die Komponenten CO, HC, NOx und CO2 zu ermitteln. Die ermittelten Emissionsfaktoren sind geeignet, die Daten des Emissionsfaktoren-Handbuches zu validieren. Eine Erweiterung des Handbuches mit den ermittelten Ergebnissen ist aufgrund der sehr unterschiedlichen Datenstruktur nicht möglich. Dies ist aber auch nicht notwendig, da zwischen den Ergebnissen des Handbuches und den Ergebnissen der mobilen Straßenmessung eine gute Übereinstimmung besteht. Der Originalbericht enthält als Anhänge grafische Darstellungen der Geschwindigkeitsprofile der untersuchten Fahrten getrennt nach Automatik und Handschaltung bei unterschiedlichen Nutzlasten (Anhang A) sowie der Emissionsfaktoren der Fahrtabschnitte im Vergleich zum Handbuch (Anhang B). Auf die Wiedergabe dieser Anhänge wurde in der vorliegenden Veröffentlichung verzichtet. Sie liegen bei der Bundesanstalt für Straßenwesen vor und sind dort einsehbar. Verweise auf die Anhänge wurden zur Information des Lesers im Berichtstext beibehalten.
106
Die verschärften Anforderungen an das Emissionsverhalten von Pkw und leichten Nutzfahrzeugen haben aufwändige Technologien erforderlich gemacht. Ein wesentlicher Bestandteil aktueller Abgasnachbehandlungssysteme ist der Katalysator. Wenn ein Katalysator beschädigt wird oder seine Wirksamkeit nachlässt, kann er durch einen Austauschkatalysator ersetzt werden. Austauschkatalysatoren, die im Zubehörmarkt angeboten werden, werden auf Basis der Regelung Nr. 103 der Wirtschaftskommission der Vereinten Nationen für Europa (UNECE - United Nations Economic Commission for Europe) genehmigt. Entsprechend dieser Regelung muss der Austauschkatalysator so beschaffen sein und so eingebaut werden können, dass das Fahrzeug den Vorschriften der Regelungen entspricht, die bei seiner Typprüfung zu Grunde gelegt worden sind. Außerdem müssen die Schadstoffemissionen während der gesamten normalen Lebensdauer des Fahrzeuges unter normalen Betriebsbedingungen wirksam begrenzt werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde die Dauerhaltbarkeit von Austauschkatalysatoren untersucht. Als Testfahrzeug wurde ein VW Golf der Abgasstufe Euro 4 mit einem 1.4-l-Benzinmotor (55 kW) ausgewaehlt. Bei Beginn der Untersuchungen wies das Fahrzeug eine Laufleistung von 75.500 km auf. Das ausgewählte Fahrzeug war regelmäßig entsprechend den Herstellervorgaben gewartet worden. Im OBD-System waren keine abgasrelevanten Fehler abgelegt. Bei der Eingangsmessung des Fahrzeuges im Anlieferungszustand mit dem ursprünglich verbauten Katalysator wurden die anzuwendenden Euro 4-Grenzwerte deutlich unterschritten. Anschließend wurden ein Original-Austauschkatalysator, der in einer markengebundenen Fachwerkstatt, und 4 Katalysatoren, die verdeckt im freien Teilemarkt beschafft worden waren, untersucht. Die Austauschkatalysatoren wurden entsprechend den Vorgaben der ECE Regelung Nr. 103 konditioniert und dann im Neuzustand vermessen. Anschließend wurden die Katalysatoren auf einem Brennerprüfstand gealtert. Dabei wurde eine Laufleistung von insgesamt 80.000 km simuliert. Nach 10.000 km und 40.000 km wurde die Alterung unterbrochen und die Abgasemissionen des Testfahrzeugs wurden mit den gealterten Katalysatoren gemessen. Sobald bei einem Katalysator eine Grenzwertüberschreitung festgestellt wurde, wurde die Untersuchung beendet. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass bei im freien Teilemarkt erhältlichen Austauschsystemen zur Abgasnachbehandlung erhebliche Qualitätsunterschiede auftreten können. Nur mit dem Original-Austauschkatalysator und mit einem Austauschkatalysator, der im freien Markt beschafft worden war, konnten auch nach einer Alterung über 80.000 km die Euro 4 Grenzwerte eingehalten werden. Bei einem Austauschkatalysator wurden bereits im Neuzustand die Euro 4 Grenzwerte überschritten. Bei einem anderen Austauschkatalysator wurde die Untersuchung nach 10.000 km Alterung und bei einem weiteren Katalysator nach 40.000 km Alterung aufgrund einer Überschreitung der Euro 4 Grenzwerte abgebrochen. Die ECE Regelung Nr. 103 sieht eine Prüfung der Dauerhaltbarkeit derartiger Systeme über 80.000 km vor, ermöglicht jedoch alternativ die Verwendung von festen Verschlechterungsfaktoren. In der Praxis wird die Dauerhaltbarkeit der Austauschsysteme zur Abgasnachbehandlung von ihren Herstellern garantiert, eine Überprüfung findet im Rahmen der Genehmigung jedoch in den seltensten Fällen statt. Eine Feldüberwachung für Austauschsysteme zur Abgasnachbehandlung ist in den entsprechenden Vorschriften nicht vorgesehen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung weisen darauf hin, dass die Anforderungen in der ECE Regelung Nr. 103 nicht ausreichen, um die Dauerhaltbarkeit von Austauschkatalysatoren sicherzustellen.
105
Mobilität spielt in der Bundesrepublik Deutschland eine wichtige Rolle. Dabei ist der motorisierte Individualverkehr und somit der Pkw-Verkehr die entscheidende Größe. Der Verkehr soll umweltgerecht, sozialverträglich aber auch gleichzeitig wirtschaftlich effizient sein. Entscheidend für die Schadstoffbelastung der Umwelt durch den Straßenverkehr sind die Abgasemissionen der im Verkehr befindlichen Fahrzeuge. Daher wurde mit der Richtlinie 98/69/EG und der damit verbundenen Einführung der Abgasstufe Euro 3 erstmalig die Prüfung der Konformität von in Betrieb befindlichen Personenkraftwagen und leichten Nutzfahrzeugen (Feldüberwachung) eingeführt. Dabei sollen bereits im Verkehr befindliche Fahrzeuge nach einer statistischen Auswahl unter Typprüfbedingungen (Typ I Test) erneut untersucht werden. So soll gewährleistet werden, dass die abgasrelevanten Systeme und Bauteile eines Fahrzeuges auch noch nach mehreren tausend Kilometern funktionieren. Deshalb werden die Fahrzeuge bei der Feldüberwachung auf ihre limitierten Schadstoffkomponenten ein weiteres Mal überprüft. Aufgrund der immer größeren Bedeutung der CO2-Emissionen wurden in diesem Forschungsvorhaben sowohl die CO2-Emissionen als auch der Kraftstoffverbrauch mit erfasst. Für den Erfolg eines solchen Projektes ist die Fahrzeugauswahl von entscheidender Bedeutung. Denn nur so ist es möglich auch ein repräsentatives Ergebnis zu erhalten. Deshalb wurden neben den gesetzlich vorgeschriebenen Auswahlkriterien auch statistische und technische Kriterien berücksichtigt. Dabei erfolgte die Auswahl der Fahrzeughalter nach dem Zufallsprinzip. Alle Prüffahrzeuge wurden im Abgaslabor, entsprechend ihrer Abgasnorm, auf ihre Schadstoffkomponenten überprüft. Gemäß der Gesetzgebung gelten bei einer Feldüberwachung die gleichen Prüfbedingungen wie bei der jeweiligen Typgenehmigung. In diesem Forschungsvorhaben wurden insgesamt 17 Fahrzeugtypen untersucht. Wobei 6 Typen mit Fremdzündungsmotor und 11 Typen mit Selbstzündungsmotor ausgestattet waren. Beide Gruppen sollten jeweils Fahrzeuge der Grenzwertstufen Euro 4 und Euro 5 beinhalten. Bei den Fahrzeugtypen mit Fremdzündungsmotor war ein Typ mit der Abgasnorm Euro 5, alle anderen erfüllten die Abgasnorm Euro 4. Bei den Fahrzeugtypen mit Selbstzündungsmotor erfüllten 4 Typen die Abgasstufe Euro 5 und 7 Typen entsprachen der Abgasstufe Euro 4. Unter den Fahrzeugtypen mit Kompressionszündung und der Abgasnorm Euro 4 befanden sich 4 Typen der Klasse M1 und 3 Typen der Klasse N1 der Gruppe III. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Abgasemissionen von in Betrieb befindlichen Pkw und leichten Nutzfahrzeugen zu untersuchen, um so Rückschlüsse auf die Dauerhaltbarkeit von Motorkomponenten und Systemen zur Abgasnachbehandlung ziehen zu können. Insgesamt konnten bei dieser Feldüberwachung, gemäß dem statistischen Verfahren, alle 17 geprüften Fahrzeugtypen mit "positiv" bewertet werden. Mit Ausnahme eines Fahrzeugtyps, wurde bei allen untersuchten Fahrzeugtypen, die Stichprobe mit der Mindeststichprobengröße abgeschlossen. Das bedeutet, dass alle 3 Fahrzeuge eines Typs im Anlieferungszustand die jeweiligen Grenzwerte für Schadstoffemissionen gemäß den Kriterien des statistischen Verfahrens einhielten bzw. unterschritten. Nur bei einem Fahrzeugtyp war die Erhöhung der Stichprobe auf 8 Fahrzeuge erforderlich. Weiterhin wurden bei allen Fahrzeugtypen die CO2-Emissionen und der Kraftstoffverbrauch (Typ I Test) bestimmt, um anschließend die gemessenen CO2-Emissionen mit denen der Hersteller vergleichen zu können. Von den 17 untersuchten Fahrzeugtypen hielten elf Fahrzeugtypen die jeweiligen Herstellerangaben ein oder unterschritten diese. Bei sechs Fahrzeugtypen lagen die CO2-Emissionen um mehr als die bei der Typprüfung zulässigen 4% über der Herstellerangabe.
103
Diese Studie befasst sich mit CO2-Reduktionspotenzialen von schweren Nutzfahrzeugen. In einer Literaturrecherche wurden zunächst Sattelzüge, Verteiler-Lkw, Busse im Stadtverkehr sowie Reisebusse betrachtet. Ziel war es, technische Möglichkeiten zur Reduzierung von CO2-Emissionen für die ausgewählten Fahrzeugkategorien zu ermitteln und deren Einsparpotentiale über die jeweiligen Einsatzarten aufzuschlüsseln. Dabei zeigten sich weitestgehend ungenutzte Einsparmöglichkeiten, beispielsweise durch Fahrwiderstandsoptimierung bei Sattelzügen, durch Rekuperation von Bremsenergie bei Stadtbussen und Verteiler-Lkw, oder auch durch bedarfsgerechte Ansteuerung von Nebenverbrauchern bei Stadt- und Reisebussen. Nähere Betrachtung fanden Maßnahmen zur CO2- Reduktion bei Sattelzügen. So wurde an einem Euro-V-EEV-Sattelzugprototyp in Fahrwiderstandsmessungen die Verbesserung des Luftwiderstands durch aerodynamische Anbauteile für Auflieger quantifiziert. Deren Verbrauchseinsparpotenziale wurden anschließend in validierten Verbrauchssimulationen, welche einen etablierten Verbrauchstest (VerkehrsRundschau-Test) virtuell abbilden, quantifiziert. Ferner zeigte eine Kosten-Nutzen-Rechnung die Effektivität der untersuchten Maßnahmen auf. Der Prototyp wurde anschließend dem realen VerkehrsRundschau-Test einmal in Ausgangskonfiguration und einmal mit einem zuvor bereits im Rahmen der Fahrwiderstandsmessungen untersuchten aerodynamischen Maßnahmenpaket, bestehend aus Seitenverkleidung und Heckeinzugsklappen, unterzogen. Hierbei zeigte sich eine mögliche CO2-Reduktion von 4,8 %. Die gemessene Einsparung lag damit oberhalb der zuvor im Rahmen der Verbrauchssimulation prognostizierten.
105b
Mobility plays an important role in the Federal Republic of Germany. Motorised private transport and, consequently, passenger vehicles are the crucial factor. Vehicles should be environmentally and socially compatible yet also economically efficient at the same time. The crucial factor for pollution of the environment from road traffic is the exhaust emissions of the vehicles on the road. This is why, with the Directive 98/69/EC and the related introduction of exhaust emission standard Euro 3, the testing of the conformity of passenger and light commercial vehicles (in-service conformity check) was introduced. Vehicles already on the roads are to be examined again under type examination conditions (Type I Test) after a statistical selection process. In this way it is to be ensured that the systems and components relevant for the exhaust emissions of a vehicle will also function after several thousand kilometres. This is why the vehicles are checked again during in-service conformity check with respect to their limited pollution components. Due to the ever greater significance of CO2 emissions, both the CO2 emissions and the fuel consumption were included in this research project. For the success of such a project the choice of vehicle is of critical importance. Since this is the only way it is possible to also obtain a representative result. Therefore, in addition to the selection criteria required by law, statistical and technical criteria are also considered. The vehicle owners were selected on a random basis. All test vehicles were checked with respect to their pollutant components in the emissions laboratory in accordance with their standard. By law the same testing conditions apply in an in-service conformity check as in the relevant type approval. In this research project a total of 17 vehicle types were examined. Six types were equipped with positive-ignition engines and 11 types with compression ignition engines. Both groups were to each include vehicles of the limits Euro 4 and Euro 5. For vehicle types with positive-ignition engines, there was one type with the exhaust emission standard Euro 5. All others satisfied the exhaust emission standard Euro 4. For the vehicle types with compression ignition engines, 4 types satisfied exhaust emission standard Euro 5 and 7 types fulfilled exhaust emission standard Euro 4. Among the vehicle types with compression ignition and exhaust emission standard Euro4, there were 4 types of category M1 and 3 types of category N1 of class III. The aim of the research project is to examine the exhaust emissions in-service conformity of passenger and light commercial vehicles in operation to draw conclusions concerning the durability of engine components and systems for exhaust emission treatment. Overall in this in-service conformity testing programme, we were able, in accordance with the statistical procedure, to assess all 17 of the vehicle types tested as "positive". With the exception of one vehicle type, it was possible to conclude the random test for all vehicle types tested with the minimum random sample. This means that all 3 vehicles of one type in as-delivered condition complied with or fell below the respective limits for pollutant emissions according to the criteria of the statistical procedure. In the case of one vehicle type, where the random sample had to be enlarged, it was necessary to examine a total of 8 vehicles. Furthermore, with all vehicle types the CO2-emissions and fuel consumption (Type I Test) were determined to subsequently compare the measured CO2 emissions with those of the manufacturers. Of the 17 vehicle types examined, eleven vehicle types complied with the relevant manufacturers" values or fell below them. With six vehicle types, the CO2 emissions were more than the permissible 4% above the manufacturer- value during the Type I Test.
106b
High demands on exhaust emissions of passenger cars and light commercial vehicles require complex technologies. The three-way catalytic converter is an essential part of state of the art emission control systems. If a catalytic converter is damaged or its effectiveness deteriorates, it can be replaced by a replacement converter. Replacement catalytic converters from the aftermarket are approved on the basis of Regulation No 103 of the UNECE - United Nations Economic Commission for Europe. According to this regulation the replacement catalytic converter shall be designed, constructed and capable of being mounted so as to enable the vehicle to comply with the provisions taken as a basis for its type approval. Furthermore the pollution emissions must be effectively limited throughout the entire normal service life of the vehicle under normal operating conditions. In the context of the research project, the durability of replacement catalytic converters was examined. A VW Golf with emission standard Euro 4, 1.4 l petrol engine (55 kW) was selected as a test vehicle. At the start of the examinations, the vehicle showed a mileage of 75,000 km. The selected vehicle was regularly serviced in accordance with the manufacturer's specifications. No emission-relevant faults were recorded by the OBD system. The initial control measurement of the vehicle in as-delivered condition with the originally installed catalytic converter showed that the corresponding emissions of the regulated pollutants were considerably below the Euro 4 emission limits to be applied. Subsequently, an original replacement catalytic converter, which was purchased from an authorised dealer, and 4 catalytic converters purchased in the independent aftermarket, were examined. The replacement catalytic converters were conditioned according to the specifications of ECE Regulation No 103 and then measured in new condition. The catalytic converters were then aged on a burner test rig. Here a total mileage of 80,000 km was simulated. After 10,000 km and 40,000 km, the ageing was interrupted and the exhaust gas emissions of the test vehicle with the aged catalytic converters were measured. The examination was ended as soon as a limit value had been exceeded. The results of the project indicate that with the replacement systems for the after-treatment of exhaust gases available in the independent aftermarket, considerable quality differences can occur. At the end of the ageing over a distance of 80,000 km only the original replacement catalytic converter and one replacement catalytic converter from the independent aftermarket complied with the Euro 4 emission limits. With one replacement catalytic converter, the Euro 4 emission limits were already exceeded in new condition. With another replacement catalytic converter, the examination was aborted after 10,000 km ageing and with a further catalytic converter after 40,000 km ageing due to the Euro 4 emission limits being exceeded. The ECE Regulation No 103 provides for a test of durability of such systems over 80,000 km, but also alternatively enables the use of fixed deterioration factors. In practice, the durability of the replacement systems for the after-treatment of exhaust gases is guaranteed by their manufacturers. However, replacement catalytic converters are rarely inspected as part of the approval. In-use compliance provisions for replacement systems for the after-treatment of exhaust gases are not mentioned in the corresponding specifications. The results of this study indicate that the requirements in the ECE Regulation No 103 are not adequate to ensure the durability of replacement catalytic converters.
113
Das Emissionsberechnungsmodell TREMOD (Transport Emission Model) bildet den motorisierten Straßen-, Schienen-, Schiffs- und Flugverkehr in Deutschland hinsichtlich seiner Verkehrs- und Fahrleistungen, dem Energieverbrauch und den zugehörigen Luftschadstoffemissionen für den Zeitraum 1960 bis 2030 ab. TREMOD ist eng verknüpft mit dem als PC-Datenbank realisierten "Handbuch Emissionsfaktoren für den Straßenverkehr", das europaweit abgestimmte repräsentative Emissionsdaten für den Straßenverkehr bereitstellt. Im Rahmen des vorliegenden Vorhabens wurden aus heutiger Sicht relevante alternative Antriebe und Energieträger für den Straßenverkehr in das Emissionsrechenmodell "TREMOD" implementiert. Dies soll es ermöglichen, Szenarien bis 2050 zu rechnen, um die Auswirkung der Einführung neuer Fahrzeugkonzepte auf den Energieverbrauch, die Klimagasemissionen und relevante Luftschadstoffemissionen abschätzen zu können. Im vorliegenden Bericht werden die Eigenschaften der ausgewählten neuen Kraftstoffe und Antriebe, die verwendeten Kennzahlen sowie die Implementierung in das TREMOD-Modell ausführlich beschrieben. Schließlich wird beispielhaft ein Trendszenario unter Berücksichtigung von neuen Antrieben und Energieträgern bis 2050 entworfen und mit TREMOD berechnet.
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Die Abgas-Gesetzgebung für Kraftfahrzeuge wurde in den letzten 25 Jahren stetig verschärft. Das Durchschnittsalter der PKW steigt kontinuierlich. Im Jahr 2000 lag dies bei 6,9 Jahren, im Jahr 2011 bei 8,3 Jahren und 2016 bei 9,2 Jahren. Dieser Trend hat auch zu einem Bestandsanstieg bei Fahrzeugen älter 30 Jahren geführt. Es stellt sich daher die Frage, welche Größenordnung diese Fahrzeuge > 30 Jahren bei der Betrachtung der Gesamtemissionen des Straßenverkehrs in der Bundesrepublik in Zukunft einnehmen werden. Aufbauend auf zwei möglichen Szenarien zum zukünftigen Fahrzeugbestand älter 30 Jahren sowie entsprechend abgeleiteten Fahrleistungen wurde der Emissionsbeitrag dieser Fahrzeuge bis zum Jahr 2030 hochgerechnet und modelliert. Zusätzlich wurden Werte für ein größeres Zusammenkommen solcher Fahrzeuge abgeleitet (Oldtimertreffen). Im Rahmen des Vorhabens wurden die limitierten Abgaskomponenten NOX (Stickoxide), HC (Kohlenwasserstoffe), CO (Kohlenmonoxid) und PM (Partikelmasse) betrachtet. Als Ausgangspunkt (2016) wurden 712.000 relevante Fahrzeuge mit einer jährlichen Fahrleistung von 1370 km für die Szenarien angesetzt. Im Ergebnis lässt sich festhalten, dass der Emissionsbeitrag der Fahrzeuge älter 30 Jahren in der Gesamtheit, auch für die späteren Bezugsjahre mit entsprechend höherem Fahrzeugbestand, in Summe pro Abgaskomponente jeweils nur einen einstelligen prozentualen Anteil ausmacht. Bei isolierter Betrachtung der Außerorts-Anteile steigen die Werte jedoch durchaus auch an. Am Tag des modellierten Treffens tragen die Oldtimer zwar maßgeblich zu den Emissionen bei, bezogen auf die durchschnittlichen jährlichen Tageswerte der Emissionskomponenten ergeben sich jedoch auch hier lediglich Veränderungen im unteren einstelligen Prozentbereich.
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Das Fahrzeugsegment der leichten Nutzfahrzeuge (LNF) hat in den vergangenen Jahren in Deutschland stark an Bedeutung gewonnen. Der Bestand ist im Jahr 2014 auf rund 2,1 Mio. Fahrzeuge angewachsen " das entspricht einem Wachstum von +133 % gegenüber 1990. Die Fahrleistungen der LNF haben nach den Annahmen für TREMOD im gleichen Zeitraum sogar um +170 % zugenommen. Die zunehmende Bedeutung der LNF sowie die heutige Vielfalt der Einsatzzwecke spiegeln sich in der Modellierung der Emissionen von LNF in Deutschland zum Teil nicht wieder. Die Datengrundlagen für das Verkehrsemissionsmodell TREMOD (Transport Emission Model) sowie für das Handbuch für Emissionsfaktoren des Straßenverkehrs (HBEFA) sind teilweise mehr als 20 Jahre alt. Die Aufteilung der Fahrleistung nach Verkehrssituationen und Längsneigungsklassen geht beispielsweise auf eine Analyse von HEUSCH/BOESEFELDT aus dem Jahr 1996 zurück. Die Fahrzyklen, die den Verkehrssituationen und damit auch den Emissionsfaktoren zugrunde liegen, basieren gerade für leichte Nutzfahrzeuge auf wenigen Daten oder sind von Pkw abgeleitet. Zudem stehen nur eine beschränkte Anzahl von Emissionsmessungen für LNF zur Verfügung, auf deren Basis die Emissionsfaktoren für HBEFA abgeleitet werden. Die Gesamtfahrleistung (Inlandsfahrleistung) der LNF in TREMOD basiert im Wesentlichen noch auf der Fahrleistungserhebung (FLE) 2002. Die Inlandsfahrleistung der LNF war hierbei etwa gleich hoch wie die Inländerfahrleistung. Jedoch wurde nur ca. die Hälfte der Fahrleistungen auf den freien Strecken gemäß Straßenverkehrszählung der BASt erfasst und die Differenz den Innerorts- und Gemeindestraßen in TREMOD zugeordnet. Die Fortschreibung der Fahrleistungen von 2002 bis 2014 erfolgte u.a. über die Straßenverkehrszählungen und die Bestandsentwicklung. Auswertungen der (bei Berichtslegung noch nicht definitiv vorliegenden) Fahrleistungserhebung 2014 müssen zeigen, ob die angenommenen Entwicklungen der Gesamtfahrleistung der LNF sowie pro Straßenkategorie plausibel sind. Vorläufige Ergebnisse der FLE 2014 zeigen deutlich höhere LNF-Inlandsfahrleistungen als aktuell in TREMOD hinterlegt. Eine Detailanalyse und Interpretation der Ergebnisse konnte aber im Rahmen dieses Projektes noch nicht erfolgen. Neben den bisher in TREMOD verwendeten Quellen wurden weitere Fahrleistungsdaten untersucht. Für das Jahr 2013 veröffentlichte das Kraftfahrtbundesamt (KBA) erstmals Inländerfahrleistungen je Fahrzeugkategorie und Fahrzeugalter, basierend auf Tachostandinformationen von 26,5 Mio. deutschen Kraftfahrzeugen. Es wird empfohlen die Fahrleistungsstatistik vom KBA in zukünftige TREMOD-Aktualisierungen einzubeziehen. Für die Herleitung der in HBEFA den LNF zugrunde gelegten Fahrmustern wurde bislang nicht nach Pkw und LNF unterschieden. Vergleiche der verfügbaren LNF- und Pkw-Fahrmuster bezüglich der Geschwindigkeit und der Wegedauer zeigen leichte Abweichungen in der Form, dass LNF tendenziell öfter mit geringeren Geschwindigkeiten und kürzerer Wegedauer unterwegs sind als Pkw. Die Unterschiede sind jedoch durchwegs gering. Es können auf der Basis der verfügbaren Datengrundlagen keine eigenständigen LNF-Fahrzyklen abgeleitet werden. Die Emissionsfaktoren in HBEFA werden über das Simulationsmodell PHEM der FVT-TU Graz generiert. Aufgrund der unzureichenden Datenlage konnten bisher für PHEM keine LNF-spezifischen Emissionskennfelder verwendet werden, d.h. es wurden modifizierte Pkw-Kennfelder für die Modellierung der Emissionsfaktoren verwendet. Mittlerweile stehen weitere LNF-Messungen für die Herleitung von Emissionskennfeldern zur Verfügung. Für die hinsichtlich der heutigen Fahrleistungen relevanten LNF-Fahrzeugschicht (N1-III-Diesel-Euro-5) liegen beispielsweise aktuell 10 zeitlich hochaufgelöste Emissionsmessungen vor, welche bei der nächsten Aktualisierung von HBEFA genutzt werden können.
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Im Rahmen dieser Studie wurde zuerst der IST-Zustand zur OBD-Gesetzeslage detailliert dargestellt. Eine folgende umfangreiche Befragung der Prüforganisationen sowie des KBA zu emissionsrelevanten OBD-Themen erfolgte unter Zuhilfenahme des ÖAMTC-Abfrageportals. Die Befragung ergab unter anderem, dass ein erweiterter Bedarf an OBD-Informationen zur Beurteilung emissionsrelevanter Systeme für die PTI vorwiegend bei NOx-Sensoren, Differenzdruckdaten des Partikelfilters, der Abgastemperatur, den Informationen zu Reagenzmitteln und Abgasrückführung erforderlich sind. Im Weiteren wurde exemplarisch an drei Fahrzeugen untersucht, welche Daten aktuell über die OBD-Schnittstelle ausgelesen werden können, und ob bei emissionsrelevanten Bauteilen Diagnosejobs, wie zum Beispiel Aktuatorenansteuerung aktiv eingeleitet werden können. Die Untersuchung ergab ein sehr unterschiedliches Bild über die verfügbaren Daten und Möglichkeiten. Anschließend wurden im Rahmen dieser Arbeit diverse Sensoren, wie z.B. NOx-Sensoren, NH3-Sensoren und PM-/PN-Sensoren, hinsichtlich ihrer Eignung für OBD- und PTI-Aufgaben analysiert. Die Sensoranalyse erfolgte anhand von Datenblättern sowie Befragung der Sensorhersteller. Der NOx-Sensor wurde in der Bewertung als tauglichster Sensor für eine weiterführende Untersuchung ermittelt und kommt zudem bereits seit einigen Jahren serienmäßig in Diesel-Fahrzeugen zum Einsatz. Daher eignet sich dieser Sensor gut, um zukünftig die NOx-Emissionen im realen Betrieb zu überwachen und wurde deshalb auch für die detaillierte messtechnische Untersuchung ausgewählt. Die detaillierte messtechnische Untersuchung wurde mit einem modernen Diesel-Pkw der Abgasnorm Euro 6d durchgeführt. Mit dem Versuchsfahrzeug wurden Messungen am Pkw-Rollenprüfstand sowie auf der Straße durchgeführt. Auch Fahrten mit speziell erzeugten fehlerhaften Abgasnachbehandlungssystemen sind aufgezeichnet worden. Insgesamt wurden etwa 4.500 Fahrzeugkilometer an Messdaten mit verschiedenen Fahrsituationen gesammelt, welche mit einem Datenlogger aufgezeichnet und folgend für die Methodenentwicklung herangezogen wurden. Bei der Entwicklung der Methode für eine zukünftige NOx-Überwachung im realen Fahrzeugbetrieb wurde darauf Rücksicht genommen, dass höhere NOx-Emissionen in bestimmten Fahrsituationen, welche für das Abgasnachbehandlungssystem herausfordernd sind, nicht als Fehler identifiziert werden, sofern das Abgasnachbehandlungssystem ordnungsgemäß arbeitet. Die erarbeitete Methode beurteilt die Funktionalität der NOx-Abgasnachbehandlungssysteme durch das Verhältnis gNOx/kgKraftstoff. Die NOx-Sensor- und Kraftstoffverbrauchssignale konnten beim Versuchsfahrzeug über die OBD-Schnittstelle abgerufen werden. Es wird davon ausgegangen, dass auch in modernen Pkw anderer Hersteller diese Signale verfügbar sind. Liegt das ermittelte Verhältnis über einem Schwellenwert, so liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Fehler des NOx-Abgasnachbehandlungssystems vor, liegt das Verhältnis unter dem Schwellenwert, so kann davon ausgegangen werden, dass kein Fehler vorliegt. Das gNOx/kgKraftstoff-Verhältnis könnte bei einem errechneten Wert oberhalb des Schwellenwertes zu einer anlassbezogenen PTI führen oder als Fehler mit der MIL im Display angezeigt werden oder im Zuge der regulären PTI ausgelesen werden. Derzeit wird im Rahmen der Arbeiten zu Euro 7 diskutiert, ob Fahrzeuge bei der geplanten Euro 7 Gesetzgebung NOx-Grenzwerte betriebswarm unter jeglichen Fahrsituationen einhalten müssen. Gegebenenfalls könnte dann eine Überwachung im realen Betrieb auch über g/km erfolgen. Die Anwendung der erarbeiteten Methode mit gNOx/kgKraftstoff wäre aber weiterhin möglich. Es wird daher empfohlen, nach Fixierung der relevanten Details der Euro 7 Gesetzgebung die vorgeschlagene Methode mit gNOx/kgKraftstoff zu validieren und zu optimieren.