Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) FE /2010

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1 1 Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) FE /2010 Pilotprojekt zur Relevanzanalyse von Einflussfaktoren bei der Ermittlung der CO 2 -Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs im Rahmen der Typgenehmigung von Pkw von Helge Schmidt, Ralf Johannsen Institut für Fahrzeugtechnik und Mobilität Antrieb/Emissionen PKW/Kraftrad Im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)

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3 3 Relevanzanalyse von Einflussfaktoren bei der Ermittlung der CO 2-Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs im Rahmen der Typgenehmigung von Pkw Abschlussbericht

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5 Inhaltsverzeichnis 1 EINLEITUNG 7 2 UNTERSUCHUNGSPROGRAMM Ausgangslage und vorhandene Erkenntnisse Zielsetzung des Programms Methodisches Vorgehen Messprogramm 14 3 ERGEBNISSE Fahrzyklus (DHC) FAHRKURVE TOLERANZBAND SCHALTPUNKTE Testverfahren (DTP) FAHRZEUGAUSWAHL FAHRWIDERSTAND SCHWUNGMASSE LASTEINSTELLUNG DES PRÜFSTANDS UMGEBUNGSBEDINGUNGEN BEIM AUSROLLVERSUCH UMGEBUNGSBEDINGUNGEN IM ABGASLABOR FAHRTWINDGEBLÄSE Typgenehmigungsverfahren (TGV) FAMILIENBILDUNG SERIENÜBERPRÜFUNG (COP) FELDÜBERWACHUNG DAUERHALTBARKEITSPRÜFUNG HERSTELLERANGABE ON-BOARD DIAGNOSE (OBD) Nebenaggregate / Energiebilanz NEBENAGGREGATE BATTERIELADEZUSTAND Feld / Realität DAUERHALTBARKEIT FAHRZEUGZUSTAND KRAFTSTOFF FAHRWEISE UND NUTZUNGSPROFIL 59 4 BEWERTUNG, VORSCHLÄGE FÜR WLTP Fahrzyklus Testverfahren (DTP) Typgenehmigungsverfahren (TGV) Nebenaggregate /Energiebilanz Feld /Realität Tabellarische Zusammenfassung 66 5 ZUSAMMENFASSUNG 72 6 LITERATUR 75 5 Relevanzanalyse von Einflussfaktoren bei der Ermittlung der CO 2-Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs im Rahmen der Typgenehmigung von Pkw Abschlussbericht

6 6 Abkürzungsverzeichnis A4, A5 Automatisches Getriebe mit 4 bzw. 5 Gängen BASt Bundesanstalt für Straßenwesen CI Compression Ignition; Kompressionszündungsmotor CO Kohlenmonoxid CO 2 Kohlendioxid COP Conformity of Production = Serienüberprüfung DF Deterioration Factor = Verschlechterungsfaktor DHC Development of the Harmonized Cycle = Entwicklung des harmonisierten Fahrzyklus bei WLTP DTP Development Test Procedure = Entwicklung des Testverfahrens bei WLTP DSG Direktschaltgetriebe EUDC Extra Urban Driving Cycle = außerstädtischer Anteil des Neuen Europäischen Fahrzyklus Euro 1 Typprüfung gemäß Richtlinie 91/441/EWG Euro 2 Typprüfung gemäß Richtlinie 94/12/EWG Euro 3 Typprüfung gemäß Richtlinie 98/69/EG Euro 4 Typprüfung gemäß Richtlinie 98/69/EG, verschärfte Anforderungen gegenüber Euro 3 (u.a. niedrigere Grenzwerte im Fahrzyklus, -7 C Test für Pkw mit Fremdzündungsmotor) Euro 5, Euro 6 Typprüfung gemäß Verordnung (EG) Nr. 715/2007 über die Typgenehmigung von Kraftfahrzeugen hinsichtlich der Emissionen von leichten Personenkraftwagen und Nutzfahrzeugen (Euro 5 und Euro 6) und über den Zugang zu Reparatur- und Wartungsinformationen für Fahrzeuge, Amtsblatt der Europäischen Union FC Fuel Consumption = Kraftstoffverbrauch FÜ Feldüberwachung GSI Gear Shift Indicator = Gangwechselanzeige HC Kohlenwasserstoffe ICCT International Council on Clean Transportation IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change KBA Kraftfahrt-Bundesamt KraftStÄndG Kraftfahrzeugsteueränderungsgesetz vom KV Kraftstoffverbrauch, berechnet aus kohlenstoffhaltigen Abgaskomponenten M5, M6 Manuelles Getriebe mit 5 bzw. 6 Gängen MAC Mobile Air Condition = Mobile Klimaanlage mpg Miles per Gallon NEDC New European Driving Cycle = NEFZ NEFZ Neuer Europäischer Fahrzyklus gemäß Richtlinie 98/69/EG NO Stickstoffmonoxid NO X Stickoxide OBD On Board Diagnose SMK Schwungmassenklasse TGV Typgenehmigungsverfahren UBA Umweltbundesamt UDC Urban Driving Cycle = innerstädtischer Anteil des Neuen Europäischen Fahrzyklus UNECE United Nations Economic Comission for Europe WLTP Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure WLTC Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle

7 7 1 Einleitung Die Abholzung von Regenwäldern, intensive Landwirtschaft und die Verbrennung fossiler Energieträger beeinflussen zunehmend das Erdklima. Die steigende Konzentration von Kohlendioxid (CO 2 ) in der Atmosphäre gilt als Hauptursache für die globale Erwärmung. In der Abschlusserklärung der Kopenhagener Vertragsstaatenkonferenz der UN-Rahmenkonvention zum Klimawandel wurde festgehalten, dass die globalen Durchschnittstemperaturen nicht um mehr als zwei Grad gegenüber den Temperaturen in der Zeit vor der Industrialisierung steigen sollen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist laut IPCC Evaluierungsbericht eine Absenkung der CO 2 - Emissionen der Industrieländer bis 2050 um 80 bis 95% gegenüber 1990 erforderlich [1], [2]. Der Straßenverkehr verursacht etwa ein Fünftel der gesamten anthropogenen CO 2 - Emissionen in der Europäischen Gemeinschaft und ist damit eine der Hauptursachen für die globale Erwärmung [3]. Vor diesem Hintergrund hat die Europäische Kommission es sich 2008 zum Ziel gesetzt, die Energieeffizienz bis zum Jahr 2020 um 20% zu verbessern und im gleichen Zeitraum die CO 2 - Emissionen um mindestens 20% gegenüber dem Stand von 1990 abzusenken [9], [10], [11]. In diesem Zusammenhang wurde am 23. April 2009 die Verordnung (EG) Nr. 443/2009 verabschiedet, die die Verminderung der CO 2 -Emissionen bei neuen Pkw und leichten Nutzfahrzeugen regelt. Das langfristige Ziel dieser Verordnung ist die Absenkung der durchschnittlichen CO 2 - Emissionen von Pkw auf 95 g/km bis zum Jahr Darüber hinaus soll der Treibhausgasausstoß im Verkehrssektor bis zum Jahr 2050 um mindestens 60% gegenüber 1990 gesenkt werden [12]. Bereits im Oktober 1994 wurde auf einem Treffen der europäischen Umweltminister von deutscher Seite ein Zielwert von 120 g/km für die CO 2 -Emissionen von Pkw vorgeschlagen. Mit der Verordnung (EG) Nr. 443/2009 wurde nun ein Zielwert von 130 g/km für die Neuwagenflotte festgelegt, der ab 2012 im Rahmen einer stufenweisen Einführung umgesetzt wird: Im Jahr 2012 sollen zunächst 65% der Neuwagen, ein Jahr später 75%, % und ab 2015 alle Neufahrzeuge diesen Zielwert einhalten. Weitere 10 g/km CO 2 -Einsparung sollen durch flankierende Maßnahmen wie einem erhöhten Einsatz regenerativer Energieträger, einer Schaltpunktanzeige für Fahrzeuge mit manuellem Getriebe, einer Reifendruckkontrollanzeige, Leichtlaufreifen, verbesserten Klimaanlagen mit erhöhter Energieeffizienz und die Einbeziehung von leichten Nutzfahrzeugen erzielt werden. Der Zielwert von 130 g/km wird ab 2015 weiter abgesenkt. Tabelle 1.1 zeigt Zielwerte für CO 2 -Emissionen bzw. Kraftstoffverbrauch und Kraftstoffwirtschaftlichkeit in verschiedenen Weltregionen. Für die Bestimmung der CO 2 -Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs werden dabei unterschiedliche Fahrzustände betrachtet. In Bild 1.1 sind einige der in verschiedenen Weltregionen bei der Typprüfung angewendeten Fahrzyklen dargestellt. Bild 1.2 gibt einen Überblick über die Geltungsbereiche verschiedener Abgasgesetzgebungen [6], [7]. Relevanzanalyse von Einflussfaktoren bei der Ermittlung der CO 2-Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs im Rahmen der Typgenehmigung von Pkw Abschlussbericht

8 8 Land / Region Jahr Art des Zielwerts Zielwert Fahrzyklus Australien (freiwillig) China (Vorschlag) EU (in Kraft) 2010 CO g CO 2 /km NEFZ 2015 Kraftstoffverbrauch 7 l/100km NEFZ 2015 CO gco 2 /km NEFZ Japan (in Kraft) 2015 Kraftstoff- Wirtschaftlichkeit 16,8 km/l JC08 Kanada (Vorschlag) 2016 CO g CO 2 /km U.S. kombiniert U.S. / Kalifornien (in Kraft) 2016 Kraftstoffverbrauch bzw. CO 2 34,1 mpg oder 250 g CO 2 /mi U.S. kombiniert Tab. 1.1: Flotten-Zielwerte in verschiedenen Weltregionen (Quelle: ICCT [6], [7]) NEFZ US FTP v [km/h] v [km/h] t [s] t [s] Indien: Modifizierter NEFZ Japan: JC08C v [km/h] v [km/h] t [s] t [s] Bild 1.1: Verschiedene Fahrzyklen

9 9 Bild 1.2: Geltungsbereiche von Abgasgesetzgebungen Die UNECE hat eine Arbeitsgruppe ins Leben gerufen, um die Bewertung der Abgasemissionen und des Energieverbrauchs von Pkw und leichten Nutzfahrzeugen zu vereinheitlichen (Worldwide Harmonized Light Duty Test Procedure; WLTP) [8]. Ziel der WLTP-Arbeitsgruppe ist die Erarbeitung eines weltweit harmonisierten Prüfverfahrens für die Bestimmung der Abgasemissionen und des Energieverbrauchs von Pkw und leichten Nutzfahrzeugen. Im Mittelpunkt stehen die Entwicklung des Fahrzyklus (Development of the Harmonized Cycle DHC) und der Prüfprozedur (Development of the Test Procedure DTP). Darüber hinaus werden auch mobile Klimaanlagen (Mobile Air Condition MAC) und Emissionen betrachtet, die außerhalb der bei der Prüfung abgedeckten Fahrzustände entstehen (Off-Cycle Emissions). Wesentliches Ziel bei der Entwicklung von WLTP ist die Schaffung eines robusten Messverfahrens, das realistische Ergebnisse gewährleistet. Angesichts der zunehmenden Bedeutung der CO 2 - Emissionen und des Energieverbrauches bei der Besteuerung von Kraftfahrzeugen, der Kaufentscheidung der Verbraucher und damit für den Wettbewerb sollen die Randbedingungen bei der Typprüfung so festgelegt werden, dass die Wiederholgenauigkeit, die Reproduzierbarkeit und die Realitätsnähe der Ergebnisse sichergestellt sind. Ziel dieses Forschungsprogramms ist eine Relevanzanalyse verschiedener Einflussfaktoren auf die bei der Typprüfung ermittelten CO 2 - Emissionen, den Kraftstoff- und den Energieverbrauch. Dabei werden sowohl die Durchführung der Messungen als auch administrative Vorschriften des Typgenehmigungsverfahrens im Hinblick auf ihre Auswirkungen auf die Bestimmung der Kohlendioxidemissionen und des Kraftstoffverbrauchs bewertet. Im Fokus der Untersuchungen stehen der Fahrzyklus mit dem zulässigen Toleranzband für Abweichungen von der Fahrkurve und den Schaltpunkten, die Fahrzeugkonditionierung, die Ausstattung der Prüffahrzeuge, die für die Messungen zugrunde gelegte Fahrzeugmasse und der Fahrwiderstand, die Einbeziehung des Energieverbrauchs von Nebenverbrauchern, die Umgebungsbedingungen bei den Messungen sowie eine Relevanzanalyse von Einflussfaktoren bei der Ermittlung der CO 2-Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs im Rahmen der Typgenehmigung von Pkw Abschlussbericht

10 10 Einbeziehung der CO 2 -Emissionen und des Verbrauchs in die Feldüberwachung und andere administrative Vorschriften. Aufbauend auf den Ergebnissen dieser Untersuchungen werden Empfehlungen für die Weiterentwicklung des Typgenehmigungsverfahrens erarbeitet, die in den WLTP Prozess einfließen sollen. 2 Untersuchungsprogramm 2.1 Ausgangslage und vorhandene Erkenntnisse In Bild 2.1 sind die durchschnittlichen Kohlendioxidemissionen und der Anteil von Fahrzeugen mit Kompressionszündungsmotor bei neuen Pkw in Deutschland dargestellt. In den vergangenen Jahren konnte offensichtlich eine Effizienzsteigerung erreicht werden. Ein Teil der Absenkung der CO 2 -Emissionen ist jedoch auch auf den erhöhten Anteil von Diesel Pkw zurückzuführen, der im Jahr 2009 aufgrund der Abwrackprämie vorübergehend deutlich zurückgegangen ist [13], [14], [15]. In Bild 2.2 sind die durchschnittlichen CO 2 - Emissionen aller in der europäischen Union neu zugelassenen Pkw für verschiedene Antriebsarten dem Zielwert für 2015 gegenübergestellt. Auch hier wird deutlich, dass in den letzten Jahren eine kontinuierliche Absenkung der durchschnittlichen CO 2 -Emissionen erreicht werden konnte [16] % % CO 2 Emissionen [g/km] % 30% 20% Anteil Diesel - Pkw [%] Kohlendioxidemissionen [g/km] Anteil Diesel - Pkw [%] % 0% Bild 2.1: Durchschnittliche CO 2 -Emissionen bei Pkw-Neuzulassungen in Deutschland. Der durchgezogene Kurvenverlauf gibt den Anteil der Diesel-Pkw an (Quelle: KBA [13], [14])

11 CO 2 Emissionen [g/km] Alle Kraftstoffe Benzin Diesel Alternative Kraftstoffe Zielwert Bild 2.2: Durchschnittliche CO 2 -Emissionen von neuen Pkw in der EU (Quelle: T&E [16]) Für die Beschleunigung von Fahrzeugen mit einer hohen Masse ist ein höherer Energieaufwand erforderlich als für Fahrzeuge mit einer geringen Masse. Daher wurde mit Verordnung (EG) Nr. 443/2009 in der Europäischen Union für neue Pkw und leichte Nutzfahrzeuge ein CO 2 -Zielwert festgelegt, der von der Fahrzeugmasse abhängig ist. Ausgehend von dem Zielwert für die CO 2 -Emissionen von 130 g/km wurde für die Bestimmung der zulässigen spezifischen Kohlendioxidemissionen eine Berechnungsformel zu Grunde gelegt, die die Fahrzeugmasse berücksichtigt [12]. Von 2012 bis 2015 beträgt der CO 2 -Zielwert: Zielwert für spezifische CO 2 -Emissionen = a ( M M 0 ) [g/km] Dabei ist M Masse des Kraftfahrzeugs [kg] M 0 = 1372 [kg] a = 0,0457 Gl. 2.1: Zielwert für spezifische CO 2 -Emissionen [12] In Bild 2.3 sind die auf das durchschnittliche Fahrzeuggewicht bezogenen spezifischen CO 2 - Emissionen von 2009 in Europa neu zugelassenen Pkw für verschiedene Fahrzeughersteller dargestellt [17]. Relevanzanalyse von Einflussfaktoren bei der Ermittlung der CO 2-Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs im Rahmen der Typgenehmigung von Pkw Abschlussbericht

12 DAIMLER Durchschnittliche CO 2 Emissionen [g/km] Zielwert 2015 FIAT MAZDA RENAULT TOYOTA GM HONDA FORD HYUNDAI PSA VW Gruppe BMW Durchschnittliches Fahrzeuggewicht [kg] Bild 2.3: Durchschnittliche Flotten-CO 2 Emissionen verschiedener Hersteller in der EU (Quelle: T&E [17]) Es wird deutlich, das zum Teil erhebliche Anstrengungen von den Fahrzeugherstellern erforderlich sein werden, um die CO 2 -Zielwerte erreichen zu können. Eine von der EU Kommission in Auftrag gegebene Studie [18] beziffert die Kosten der Fahrzeughersteller für technische Maßnahmen zur Reduzierung der CO 2 - Emissionen ausgehend von 140 g/km im Jahr 2008 auf 130 g/km im Jahr 2012 auf durchschnittlich etwa 1000 pro Fahrzeug. Eine Studie des Umweltbundesamtes zur Technikkostenschätzung für die CO 2 -Emissionsminderung bei Pkw kommt bei gleichen Randbedingungen zu ähnlichen, etwas niedrigeren Kosten. [19] Basis für die Ermittlung der CO 2 -Emissionen in der EU ist die Verordnung (EG) Nr. 715/2007 [20]. In dieser Verordnung sind die Abgasgrenzwerte für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge festgelegt. Verordnung (EG) Nr. 692/2008 [21] regelt die Durchführung der Messungen. Sie wurde 2011 durch Verordnung (EG) 566/2011 [22] ergänzt. Die Verordnungen verweisen hinsichtlich der Durchführung der Messungen auf die ECE R83 (Abgasemissionen) [23] und ECE R101 (Kraftstoffverbrauch) [24]. Bei der Typprüfung wird zunächst der Fahrwiderstand eines für den Fahrzeugtyp repräsentativen Fahrzeugs auf der Straße ermittelt. Anschließend wird der gemessene Fahrwiderstand auf einen Rollenprüfstand übertragen und die Abgasemissionen auf einem Fahrleistungsprüfstand im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) unter vorgegebenen Randbedingungen gemessen. Der Kraftstoffverbrauch wird aus den Emissionen der kohlenstoffhaltigen Abgaskomponenten (CO 2, CO und HC) berechnet. Im Typgenehmigungsverfahren ist bisher kein Grenzwert für die CO 2 - Emissionen und den Kraftstoffverbrauch vorgeschrieben, jedoch darf der vom Hersteller für einen Fahrzeugtyp angegebene Wert um nicht mehr als 4 Prozent von dem bei der Typprüfung ermittelten Ergebnis abweichen. Bereits in der Vergangenheit wurden im Rahmen von verschiedenen Forschungsprojekten Parameter aufgezeigt, die die Ergebnisse der Typprüfung beeinflussen können [25], [26]. Dabei wurden im Auftrag des Umweltbundesamtes beim TÜV NORD Einflussgrößen bei der Typprüfung nach der Europäischen Vorschrift an mehreren Fahrzeugen exemplarisch untersucht. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere die Masse und der Fahrwiderstand des untersuchten Prüffahrzeuges eine wichtige Rolle spielen. Einen wesentlichen Einfluss auf den Kraftstoff-

13 13 verbrauch haben die Motordrehzahl und damit verbunden die Getriebeschaltpunkte. Auch die Vorbereitung des Prüffahrzeugs und die Umgebungsbedingungen bei der Bestimmung des Fahrwiderstands auf der Straße und bei der Durchführung der Abgasmessung auf dem Prüfstand beeinflussen die Messergebnisse. Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg 3 Fahrzeuge mit Messgeräten ausgestattet, um die Abgasemissionen im realen Verkehr zu erfassen. Dabei wurden zum Teil extreme Abweichungen von den auf dem Rollenprüfstand im NEFZ ermittelten Werten festgestellt [30]. Vor dem Hintergrund steigender Kraftstoffpreise wird der Treibstoffverbrauch zu einem wichtigen Entscheidungskriterium bei der Anschaffung eines Neuwagens. Daher wird ein im realen Verkehr vom Kunden festgestellter Mehrverbrauch gegenüber den bei der Typprüfung ermittelten Werten zunehmend schärfer kritisiert. Ein häufiger Kritikpunkt ist, dass der im Rahmen der europäischen Typprüfung angewendete Neue Europäische Fahrzyklus (NEFZ) nur einen Teil der im realen Verkehr auftretenden Fahrzustände und Umgebungsbedingungen abdeckt [27], [28]. Insbesondere deutsche Fahrzeughalter und Verbraucherschutzorganisationen kritisieren, dass die Abgasemissionen und der Kraftstoffverbrauch bei Geschwindigkeiten oberhalb von 120 km/h bei der Typprüfung nicht erfasst werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der NEFZ entwickelt wurde, um eine normierte Vergleichsbasis für die Typprüfung in Europa zu schaffen. Er kann nicht das Nutzungsprofil aller europäischen Verkehrsteilnehmer widerspiegeln. Abgesehen von Deutschland und einzelnen entsprechend ausgeschilderten dreispurigen Autobahnteilstücken in Italien sind europaweit Höchstgeschwindigkeiten von maximal 130 km/h zulässig. Die Ermittlung der Typprüfwerte findet unter standardisierten Laborbedingungen statt. Die Gegebenheiten im realen Verkehr weichen davon zum Teil stark ab. So können die Umgebungstemperatur und der individuelle Fahrstil die CO 2 -Emissionen und den Kraftstoffverbrauch beeinflussen. Der Energieverbrauch zusätzlicher Verbraucher wie Lenkhilfen oder Klimaanlagen werden beim aktuellen europäischen Typprüfverfahren nicht berücksichtigt. Daher kann auch das individuelle Verhalten bei der Nutzung von Nebenaggregaten zu erheblichen Abweichungen von den Typprüfwerten führen. In dem Vorhaben Vermessung des Abgasemissionsverhaltens von zwei Pkw und einem Fahrzeug der Transporterklasse im realen Straßenbetrieb in Stuttgart mittels PEMS Technologie wurden vom TÜV NORD im Auftrag der Relevanzanalyse von Einflussfaktoren bei der Ermittlung der CO 2-Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs im Rahmen der Typgenehmigung von Pkw Aufgrund der zunehmenden Kritik an dem aktuellen Prüfverfahren ist ein wesentliches Ziel der EU-Kommission im Rahmen von WLTP die Entwicklung eines neuen Fahrzyklus, der die im realen Verkehr auftretenden Fahrzustände besser repräsentiert. Außerdem sollen die Randbedingungen bei dem neuen Prüfverfahren so festgelegt werden, dass die Abweichung zwischen den Typprüfwerten und den im realen Verkehr auftretenden CO 2 -Emissionen und dem Kraftstoffverbrauch minimiert wird. 2.2 Zielsetzung des Programms Es ist geplant, den Fahrzyklus sowie das Messverfahren zur Ermittlung der Schadstoff- und der CO 2 -Emissionen sowie des Energieverbrauches im Typgenehmigungsverfahren zu überarbeiten. Diese Arbeiten laufen bei der UNECE (WP. 29/GRPE) unter dem Stichwort WLTP [8]. Dabei werden die folgenden Ziele verfolgt: Entwicklung des Fahrzyklus mit Blick auf größtmögliche Realitätsnähe zum weltweiten Verkehrsgeschehen und Fahrverhalten Anpassung der Randbedingungen für die Vermessung der Fahrzeuge im Hinblick auf Reproduzierbarkeit und Realitätsnähe. Hierbei geht es unter anderem um die Vorkonditionierung und Ausstattung der Prüffahrzeuge bei der Typgenehmigung. Faktoren sind zum Beispiel Wassertemperatur, Öltemperatur, Ladezustand der Batterie, Reifen, Nebenaggregate, Ausrollversuch etc.. Weltweite Harmonisierung des Fahrzyklus und des Messverfahrens mit dem Ziel des Abbaus von Handelshemmnissen sowie der Schaffung einer einheitlichen Vergleichsbasis. Neben dem Fahrzyklus und den Vorschriften des Messverfahrens sind als dritter Bereich die Abschlussbericht

14 14 administrativen Vorschriften des Typgenehmigungsverfahrens zu nennen, die Einfluss auf die im Typgenehmigungsverfahren festgestellten Werte von CO 2 -Emissionen, Kraftstoffverbrauch oder dem Verbrauch von elektrischer Energie haben. Bisher ist nicht bekannt, welchen Einfluss die einzelnen Aspekte und Randbedingungen der o.g. drei Bereiche (Fahrzyklus, Messverfahren und administrative Vorschriften des Typgenehmigungsverfahrens) im Detail auf die im Typgenehmigungsverfahren ermittelten Messwerte der CO 2 -Emissionen sowie des Kraftstoffverbrauches besitzen. Aus diesem Grunde sind die Bedingungen hinsichtlich ihrer Relevanz und Realitätsnähe für die Prüfungsergebnisse zu bewerten. Die Ergebnisse des Vorhabens sollen in die Fortschreibung des Typgenehmigungsverfahrens, insbesondere von WLTP, einfließen. 2.3 Methodisches Vorgehen Schwerpunkt des Programms stellt eine theoretische Studie dar, in der mögliche Einflussfaktoren aufgezeigt und bewertet werden. Aufbauend auf den Ergebnissen vorangegangener Forschungsvorhaben und Erfahrungen aus der Typprüfung werden die Einflussfaktoren bei der Ermittlung der CO 2 -Emissionen und des Energieverbrauchs im Rahmen der Typgenehmigung von Pkw dargestellt. Dabei werden sowohl die Durchführung der Messungen als auch administrative Vorschriften des Typgenehmigungsverfahrens im Hinblick auf ihre Auswirkungen auf die Bestimmung der CO 2 -Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs bewertet. In Tabelle 2.1 sind die betrachteten Parameter dargestellt. In einem begleitenden Messprogramm wird der Einfluss ausgewählter Parameter bei der Durchführung der Prüfung exemplarisch untersucht, um die Ergebnisse der Studie zu untermauern. Aufbauend auf den Ergebnissen der theoretischen Studie und den Erkenntnissen aus dem Messprogramm werden Empfehlungen für die Durchführung der Typprüfung im Rahmen des WLTP erarbeitet. Dabei wird insbesondere die Reproduzierbarkeit der Prüfergebnisse und Realitätsnähe des Verfahrens betrachtet und bewertet. 2.4 Messprogramm Für die Messungen wurden 3 Euro 5 Fahrzeuge neuerer Produktion (Erstzulassung <12 Monate vor Beginn der Studie) verwendet, die bezogen auf den deutschen Markt als typische Vertreter von Klein-, Kompakt- und Mittelklassesegment betrachtet werden dürfen. Dabei wurden verschiedene Antriebs- und Getriebearten (Otto, Diesel, Handschaltung, Automatik) und verschiedene Fahrzeughersteller berücksichtigt. Aufgrund der geringen Anzahl der untersuchten Fahrzeuge können die Messergebnisse zwar einen Anhaltspunkt geben, jedoch nicht als repräsentativ für die gesamte aktuelle Fahrzeugflotte angesehen werden. Im Rahmen des Messprogramms sollten nicht die ausgewählten Fahrzeuge sondern der Einfluss verschiedener Parameter auf ihre Emissionen bewertet werden. In Tabelle 2.2 sind die wichtigsten Daten der Testfahrzeuge dargestellt. Nach der Anlieferung der ausgewählten Fahrzeuge im Labor wurden die Abgasemissionen und der Kraftstoffverbrauch in Basismessungen auf dem Fahrleistungsprüfstand ermittelt und die Messergebnisse mit den Herstellerangaben verglichen. Die Ergebnisse der Basismessungen sind in der Tabelle 2.3 dargestellt. Außerdem sind neben den Typrüfwerten für die CO 2 -Emissionen und den Kraftstoffverbrauch auch Verbrauchsangaben aus wiedergegeben. Spritmonitor.de bietet den Nutzern ein Werkzeug, um den Spritverbrauch ihres Fahrzeugs im realen Verkehr zu ermitteln. Die Angaben der Fahrzeughalter werden ausgewertet und im Internet nach Fahrzeugmodellen geordnet veröffentlicht.

15 15 Themenbereich Parameter Untersuchungen Studie Messung Fahrzyklus (DHC) Fahrkurve X Toleranzband X Schaltpunkte X Testverfahren (DTP) Fahrzeugauswahl X Fahrwiderstand X X Schwungmasse X X Lasteinstellung des Prüfstands X X Umgebungsbedingungen X X Fahrtwindgebläse X X Typgenehmigungsverfahren Familienbildung X (TGV) Serienüberprüfung X Feldüberwachung X Dauerhaltbarkeitsprüfung X Herstellerangabe X OBD X Nebenaggregate / Energiebilanz Klimaanlage X X Nebenaggregate X X Batterieladezustand X X Feld / Realität Dauerhaltbarkeit X Fahrzeugzustand X Kraftstoffqualität X Fahrereinfluss X Tab. 2.1: Betrachtete Einflussfaktoren auf CO 2 -Emissionen und Energieverbrauch Testfahrzeug Fahrzeug 1 Fahrzeug 2 Fahrzeug 3 Hersteller: Opel Mercedes-Benz Volkswagen, VW Modellbezeichnung: Corsa C 200 CDI Golf Emissionsstufe: Euro 5 Euro 5 Euro 5 Erstzulassung: Laufleistung: km km km Motortyp: A14XER CAYC Motorart: Fremdzündung Kompressions-zündung Kompressions-zündung Hubraum: 1398 cm cm cm 3 Motorleistung: 64kW / 6000min kW / 4600min -1 77kW /4400min -1 Getriebe: M5 A5 M5 Reifengröße: 185/65 R15 225/45 R17 205/55 R16 Leermasse: 1199 kg 1645 kg 1314 kg Schwungmassenklasse: 1130 kg 1700 kg 1360 kg Tab. 2.2: Fahrzeugdaten Relevanzanalyse von Einflussfaktoren bei der Ermittlung der CO 2-Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs im Rahmen der Typgenehmigung von Pkw Abschlussbericht

16 16 Testfahrzeug Fahrzeug 1 Fahrzeug 2 Fahrzeug 3 Hersteller: Opel Mercedes-Benz Volkswagen, VW Modellbezeichnung: Corsa C 200 CDI Golf CO 2 -Emissionen bei der Basismessung im NEFZ Innerorts / Außerorts / Gesamt 188,6 / 113,9 / 140,6 [g/km] 237,3 / 134,0 / 173,3 [g/km] 171,4 / 104,3 / 128,9 [g/km] Typprüfwert CO 2 - Emissionen im NEFZ Innerorts / Außerorts / Gesamt 165 / 108 / 129 [g/km] 207 / 134 / 160 [g/km] 149 / 103 / 119 [g/km] Kraftstoffverbauch bei der Basismessung im NEFZ Innerorts / Außerorts / Gesamt 8,2 / 4,9 / 6,1 [l/100km] 9,0 / 5,2 / 6,6 [l/100km] 6,6 / 4,0 / 4,9 [l/100km] Typprüfwert Kraftstoffverbauch im NEFZ Innerorts / Außerorts / Gesamt 7,0 / 4,6 / 5,5 [l/100km] 7,9 / 5,1 / 6,1 [l/100km] 5,7 / 3,9 / 4,5 [l/100km] Verbrauchsangaben aus Spritmonitor.de 6,94 l/100km (Durchschnitt von 32 Fahrzeugen) 7,14 l/100km (Durchschnitt von 11 Fahrzeugen) 5,57 l/100km (Durchschnitt von 76 Fahrzeugen) Tab. 2.3: Fahrzeugdaten Kraftstoffverbrauch und CO 2 -Emissionen Die in Tabelle 2.3 dargestellten Werte zeigen deutliche Abweichungen zwischen den Typprüfwerten, den an den untersuchten Fahrzeugen in den Basismessungen ermittelten Ergebnissen und den im realen Verkehr auftretenden Kraftstoffverbräuchen. Diese Ergebnisse zeigen, dass eine Verbesserung des aktuellen Prüfverfahrens zur Erreichung reproduzierbarer und realistischer Werte sinnvoll ist. Nach Abschluss der Basismessungen wurden die in der begleitenden Studie als relevant eingestuften Parameter variiert, um deren Einfluss auf die Testergebnisse zu quantifizieren. Folgendes Messprogramm wurde durchgeführt: Bei Ausrollversuchen auf der Teststrecke in Papenburg wurden bei 2 der 3 Fahrzeuge die tatsächlichen Fahrwiderstände in Ausrollversuchen bestimmt. Dabei wurden unterschiedliche Randbedingungen berücksichtigt. Insbesondere die Bereifung (Reifendimension, Profil, Reifendruck) spielt eine wesentliche Rolle. Die so ermittelten Fahrwiderstandskurven wurden dann auf den Rollenprüfstand übertragen. Anschließend wurden die CO 2 -Emissionen und der Energieverbrauch an den Testfahrzeugen auf dem Fahrleistungsprüfstand unter verschiedenen Randbedingungen ermittelt. Für eine statistische Absicherung wurden für jeden Einflussparameter drei Messungen durchgeführt. Diese Messungen wurden im Abgaslabor der TÜV NORD Mobilität GmbH und Co. KG in Essen durchgeführt. Folgende Einflussfaktoren wurden im Messprogramm in der Praxis untersucht: Ermittlung des realen Fahrwiderstands und Vergleich mit dem Typprüfwerten Variation des Fahrwiderstands auf dem Rollenprüfstand Fahrzeugkonditionierung (Variation der Konditionierungstemperatur zwischen 20 und 30 C)

17 17 Energieverbrauch von Nebenaggregaten (Licht, Lüftung, Klimaanlage, Radio/Infotainment) Ladestrategie bzw. Ladebilanz der Lichtmaschine/Batterie während des Fahrzyklus In der nachfolgenden Tabelle 2.4 sind die mit den verschiedenen Prüffahrzeugen durchgeführten Messungen und die dabei jeweils zu Grunde gelegten Randbedingungen dargestellt. Zum Zeitpunkt der Untersuchungen lag der neue WLTC noch nicht vor. Daher wurden die Messungen im Neuen Europäischen Fahrzyklus durchgeführt. Der Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf des NEFZ ist in Bild 2.4 dargestellt [31]. Die Messergebnisse sind in den folgenden Abschnitten und im Anhang dargestellt. Relevanzanalyse von Einflussfaktoren bei der Ermittlung der CO 2-Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs im Rahmen der Typgenehmigung von Pkw Abschlussbericht

18 18 Messung Randbedingungen Prüffahrzeug Herstellerangabe Basismessung Basis-Ausrollung in Papenburg Leerlaufdrehzahl- Ausrollung in Papenburg Gewicht-Ausrollung in Papenburg Reifendruck- Ausrollung in Papenburg Fahrtwindgebläse konstant Konditionierung bei 28 C Worst Case (Klima, Licht, Radio) Klimaanlage Licht/ Gebläse Herstellerangabe für CO 2 Emissionen und Kraftstoffverbrauch basierend auf den Ergebnissen bei der Typprüfung Schwungmasse und Fahrwiderstand entsprechend Typprüfung, Fahrkurve exakt gefolgt, Konditionierung bei 22 C, Verbraucher alle ausgeschaltet, Batterie voll aufgeladen Fahrwiderstand entsprechend Ausrollung des Fahrzeugs auf der Teststrecke, alle anderen Parameter wie bei Basismessung Fahrwiderstand entsprechend Ausrollung auf der Teststrecke, während der Ausrollung betrug die Leerlaufdrehzahl min -1, alle anderen Parameter wie bei Basismessung Fahrwiderstand entsprechend Ausrollung auf der Teststrecke, die Fahrzeugausrollmasse wurde um 225kg erhöht, alle anderen Parameter wie bei Basismessung Fahrwiderstand entsprechend Ausrollung auf der Teststrecke, der Reifendruck wurde auf über 3,0bar erhöht; alle anderen Parameter wie bei Basismessung das Fahrtwindgebläse am Rollenprüfstand wurde so eingestellt, dass es mit 21,6km/h konstant bläst und nicht wie bei der Basismessung Geschwindigkeitsabhängig; alle anderen Parameter wie bei Basismessung Konditionierung des Fahrzeugs vor dem Test bei 28 C über mindestens 6 Stunden; alle anderen Parameter wie bei Basismessung Abblendlicht eingeschaltet, Klimaanlage eingeschaltet, die Lüftung auf mittlere Gebläsestufe, den Luftaustritt auf Frontscheibe plus Fußraum, bei Klimaautomatik keine auto Funktion benutzen Temperatureinstellung 18 C, Radio an, alle anderen Parameter wie bei Basismessung Klimaanlage eingeschaltet, die Lüftung auf mittlere Gebläsestufe und niedrigste Temperatur, Luftaustritt auf Frontscheibe plus Fußraum, bei Klimaautomatik Temperatur auf 18 C und auto Funktion, alle anderen Parameter wie bei Basismessung Abblendlicht eingeschaltet, die Lüftung auf mittlere Gebläsestufe und den Luftaustritt auf Frontscheibe plus Fußraum, bei Klimaautomatik keine auto Funktion, Temperatur 18 C, alle anderen Parameter wie bei Basismessung X X X X X X - X X - X - - X - - X X X - X X - - X - X X - X X - X entladene Batterie Tab. 2.4: Messprogramm Entladung der Batterie vor dem Test, so dass im Test die Batterie geladen werden muss; alle anderen Parameter wie bei Basismessung X - X

19 Innerortszyklus (Urban Driving Cycle, UDC) Außerortszyklus (Extra Urban Driving Cycle, EUDC) 100 v [km/h] t [s] Bild 2.4: Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) [31] Relevanzanalyse von Einflussfaktoren bei der Ermittlung der CO 2-Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs im Rahmen der Typgenehmigung von Pkw Abschlussbericht

20 20 3 Ergebnisse Der Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs hängt von verschiedenen Faktoren ab und lässt sich mit folgender allgemeinen Formel (Gl 3.1) bestimmen [32]: B e = Mit: B e η ü m f 1 ρ 2 be m f g cosα + cw A v + m a η ü 2 v( t) dt Streckenverbrauch [g/m] ( ( t) + g sinα ) Wirkungsgrad des Antriebsstrangs Fahrzeugmasse [kg] Rollwiderstandsbeiwert g Erdbeschleunigung [m/s 2 ] α Steigungswinkel [ ] ρ Luftdichte [kg/m 3 ] c w Luftwiderstandsbeiwert A Stirnfläche des Fahrzeugs [m 2 ] v (t) Fahrgeschwindigkeit [m/s] a ( t) Beschleunigung [m/s 2 ] t b e Zeit [s] spezifischer Kraftstoffverbrauch des Motors [g/kwh] v( t) dt Gl. 3.1: Berechnung des Kraftstoffverbrauchs [32] Die wesentlichen Einflussparameter auf den Kraftstoffverbrauch und damit auf die CO 2 - Emissionen sind demnach der Motor ( b e ), der Antriebsstrang (~1/ η ü ) und die äußeren Fahrwiderstände, Luftwiderstand (~ c w,~ A, ~v²), Rollwiderstand (~m, ~f) und Längsneigung (~m, ~sinα), die Fahrkurve (Geschwindigkeitsprofil v(t)) sowie die Fahrweise (Beschleunigung a (t) ). Entscheidend bei der Umwandlung der im Kraftstoff gespeicherten Energie in Bewegungsenergie ist der Motor-Wirkungsgrad und der Übertragungs-Wirkungsgrad des Antriebsstrangs. Durch die Getriebeübersetzung wird bei einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit der Betriebspunkt im Motorkennfeld festgelegt. Die äußeren Fahrwiderstände sind abhängig von der Fahrzeugmasse, der Aerodynamik und dem Rollwiderstand. Der Energieverbrauch von Nebenaggregaten wie Klimaanlage, Radio und Beleuchtung wird in dieser Formel nicht berücksichtigt. [32] In den folgenden Abschnitten werden nun die verschiedenen Parameter betrachtet, die die im Rahmen der Typprüfung ermittelten CO 2 - Emissionen und den Kraftstoffverbrauch beeinflussen. 3.1 Fahrzyklus (DHC) Ein einheitliches Messverfahren und reproduzierbare Messbedingungen sind die Voraussetzung, um die Abgasemissionen und den Kraftstoffverbrauch verschiedener Fahrzeuge miteinander vergleichen zu können. Wesentlicher Bestandteil des Prüfverfahrens ist der Fahrzyklus. Er soll den realen Fahrbedingungen möglichst nahe kommen und reproduzierbare Messergebnisse sicherstellen. Die Fahrkurve v(t) gibt mit Hilfe eines Geschwindigkeit/Zeit Profils innerhalb eines Toleranzbandes die Fahrzustände vor, die während der Messung auf dem Rollenprüfstand abgedeckt werden. Dabei sind Randbedingungen wie Fahrzeugvorbereitung, Umgebungstemperatur, Kraftstoffqualität und Getriebeschaltpunkte (für Fahrzeuge mit Handschaltgetriebe) definiert. Die von der Fahrkurve vorgegebenen Fahrzustände bestimmen im Zusammenhang mit der für das jeweilige Prüffahrzeug eingestellten Last und Schwungmasse sowie den vorgegebenen Schaltpunkten die bei der Messung erfassten Punkte im Leistungskennfeld des Motors (Motorleistung und Drehzahl) und damit den spezifischen Kraftstoffverbrauch. Darüber hinaus beeinflusst das bei der Fahrkurve zulässige Toleranzband das Ergebnis der Prüfung Fahrkurve Die Fahrkurve legt die Geschwindigkeit v (t) und die Beschleunigung a (t) bei der Messung der Abgasemissionen und des Kraftstoffverbrauchs fest. In Tabelle 3.1 sind die Eckdaten

21 21 verschiedener Fahrzyklen dargestellt. Der europäische NEFZ, der US-amerikanische FTP75 und der japanische JC08 Zyklus sind Fahrkurven, die in verschiedenen Weltregionen bei der Typprüfung zur Anwendung kommen [31], [33], [34]. Demgegenüber wurde der Common Artemis Driving Cycle (CADC) als Grundlage für eine einheitliche Emissionsfaktorenmodellierung in Europa entwickelt [35]. Dabei wurden möglichst realistische Fahrbedingungen berücksichtigt. Fahrzyklus Dauer [s] Fahrstrecke [km] Ø v [km/h] v max [km/h] a max [m/s 2 ] UDC 780 4, ,05 EUDC 400 6,9 62, ,47 NEFZ ,0 33, ,05 FTP Abstellen 17,7 34,1 91,2 1,61 JC ,2 24,4 80 1,67 CADC Urban 993 4, ,7 2,86 CADC Road , ,7 2,36 CADC Motorway , ,7 2,31 Tab. 3.1: Charakteristische Daten für verschiedene Fahrzyklen [31], [33], [34], [35] Der bei der Abgastypprüfung in Europa anzuwendende "Neue Europäische Fahrzyklus" (NEFZ) 1 setzt sich aus zwei Teilabschnitten zusammen, dem Innerortszyklus (Urban Driving Cycle, UDC) und dem Außerortszyklus (Extra - Urban Driving Cycle, EUDC). Zunächst wird das Fahrzeug mindestens sechs Stunden bei Temperaturen zwischen 20 und 30 C konditioniert. Der eigentliche Fahrzyklus beginnt mit einem Kaltstart. Bei der Prüfung gemäß Richtlinie 98/69/EG beginnt die Probennahme direkt mit dem Motorstart. Hieran schließen sich der Innerortszyklus (780 Sekunden) sowie der Außerortszyklus (400 Sekunden) an. Die Emissionswerte beider Teile werden zu einem Endergebnis zusammengefasst. Die Fahrstrecke beträgt etwa 11 km, die Durchschnittsgeschwindigkeit 33,6 km/h und die Maximalgeschwindigkeit 120 km/h. Bild 3.1 zeigt den im NEFZ abgedeckten Bereich im Motorkennfeld am Beispiel von Fahrzeug 3. Dabei ist die Motorleistungskurve und für jede Sekunde mit posi- tiver Motorlast in den Fahrzyklen der Lastpunkt aufgetragen. 1 Bzw. New European Driving Cycle NEDC Relevanzanalyse von Einflussfaktoren bei der Ermittlung der CO 2-Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs im Rahmen der Typgenehmigung von Pkw Abschlussbericht

22 Leistung [kw] Motorleistung [kw] Lastpunkte im NEFZ Lastpunkte im FTP Drehzahl [U/min] Bild 3.1: Schematische Darstellung der Lastzustände in verschiedenen Fahrzyklen für einen Pkw mit Kompressionszündungsmotor, 77 kw Motorleistung und manuellem Getriebe (Fahrzeug 3) In dem aus den USA stammenden Zyklus FTP 75 (Federal Test Procedure, festgelegt 1975) wird nach der Konditionierung des Fahrzeuges bei 20 bis 30 C der Motor direkt zu Beginn der Abgasprobennahme gestartet (Kaltstart). Der Fahrtest untergliedert sich in drei Phasen. Die erste Phase wird als kalte Übergangsphase bezeichnet und dauert 505 Sekunden. An diese schließt sich mit einer Dauer von 867 Sekunden die stabilisierte Phase an. Nach einer Pause von 600 Sekunden mit abgestelltem Motor folgt die dritte Phase als Wiederholung der ersten 505 Sekunden. Aufgrund des warmen Motors wird diese als warme Übergangsphase bezeichnet. Die in den einzelnen Phasen ermittelten Emissionswerte fließen in das Gesamtergebnis des Tests ein. Die Fahrstrecke des FTP beträgt etwa 17,8 km, die Durchschnittsgeschwindigkeit 34,1 km/h und die Maximalgeschwindigkeit 91,2 km/h. Der japanische JC08 repräsentiert das Fahren in verkehrsreichen Innenstädten und wird im Rahmen der Typprüfung einmal mit Kaltstart und einmal mit Warmstart gefahren. Es wird eine Maximalgeschwindigkeit von 80 km/h und eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 24,4 km/h erreicht. Der CADC setzt sich aus einem Stadt- (Urban), einem Außerorts- (Rural) und einem Autobahnzyklus (Motorway) zusammen. Im CADC werden deutlich größere Beschleunigungswerte und damit Motorlasten als im NEFZ erreicht. Der CADC Urban dauert 993 Sekunden. Die Fahrstrecke beträgt 4,5 km und die Durchschnittsgeschwindigkeit 17 km/h. Der CADC Road beginnt mit einem Warmstart und dauert 1082 Sekunden. Die Fahrstrecke beträgt 14,7 km und die Durchschnittsgeschwindigkeit 62 km/h. Der Motorway-Zyklus beginnt mit einem Warmstart. Er wurde in der modifizierten Version mit einer maximalen Fahrgeschwindigkeit von 160 km/h und einer Dauer von 1330 Sekunden gefahren, um die Fahrbedingungen auf deutschen Autobahnen wiederzugeben. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens des Umweltbundesamtes wurden die Abgasemissionen und der Kraftstoffverbrauch von bereits im Verkehr befindlichen Fahrzeugen in verschiedenen Fahrzyklen ermittelt. In Bild 3.2 sind die CO 2 -Emissionen von 21 verschiedenen Fahrzeugtypen aus diesem Programm im NEFZ, im FTP und im CADC dargestellt. Dabei werden die gemessenen Werte auf die vom

23 23 Hersteller auf Basis des NEFZ angegebenen Werte normiert. Je Fahrzeugtyp wurden 3 Fahrzeuge untersucht [36], [37], [38]. 160% 146% 151% KV relativ zur Herstellerangabe [%] 140% 120% 100% 80% 60% 40% 133% 128% 80% 88% Diesel Benzin 100% 103% 105% 105% 89% 92% 109% 124% 20% 0% UDC EUDC NEDC FTP CADC Urban CADC Road CADC Motorway Bild 3.2: Kraftstoffverbrauch in verschiedenen Fahrzyklen bezogen auf die Herstellerangabe Es wird deutlich, dass bei städtischen Fahrbedingungen, repräsentiert durch den UDC und den CADC Urban, die höchsten CO 2 - Emissionen und damit verbunden der höchste Kraftstoffverbrauch auftritt. Auch die höheren Fahrgeschwindigkeiten und die damit verbundenen höheren Motorlasten im CADC Motorway führen zu gegenüber den Typprüfwerten erhöhten CO 2 -Emissionen. Die niedrigsten Werte treten im fließenden Verkehr auf der Landstraße repräsentiert durch den EUDC und den CADC Rural auf. Auffällig ist, dass der NEFZ und der FTP trotz unterschiedlicher Fahrprofile sehr ähnliche Ergebnisse für die CO 2 -Emissionen liefern. Das lässt sich darauf zurückführen, dass in diesen beiden Fahrzyklen ähnliche Bereiche im Motorkennfeld abgedeckt werden (vgl Bild 3.1). Die in Bild 3.2 dargestellten Ergebnisse zeigen deutlich, dass die in der Fahrkurve vorgegebenen Fahrzustände erhebliche Auswirkungen auf die gemessenen CO 2 -Emissionen haben. Die Abweichungen der CO 2 -Emissionen von den auf den NEFZ bezogenen Typprüfwerten reichen Relevanzanalyse von Einflussfaktoren bei der Ermittlung der CO 2-Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs im Rahmen der Typgenehmigung von Pkw von -20% bei Fahrzeugen mit Kompressionszündungsmotor im EUDC bis zu +50% bei Fahrzeugen mit Fremdzündungsmotor im CADC Urban. Bei der Bewertung der Fahrkurve im Hinblick auf ihre Realitätsnähe ist zu berücksichtigen, dass im realen Verkehr immer wieder unerwartete Situationen auftreten, die von dem Fahrer schnelle Reaktionen abverlangen. Demgegenüber werden die Abgasmessungen auf dem Prüfstand von geübten Fahrern durchgeführt, die die Fahrkurve genau kennen und entsprechend vorausschauend fahren können. Insofern lässt sich die Realität in einem Fahrzyklus nur schwer wiedergeben. Zum Zeitpunkt der Berichterstellung lag der Entwurf des WLTP-Zyklus (WLTC) noch nicht vor, so dass eine Bewertung des Einflusses dieser Fahrkurve auf die Reproduzierbarkeit und die Realitätsnähe der Ergebnisse im Rahmen dieses Forschungsprogramms nicht möglich ist. Diese Betrachtung muss im Verlauf der Validie- Abschlussbericht

24 24 rungsphase erfolgen, bei der die Umsetzbarkeit der neuen Prüfvorschrift in verschiedenen Abgaslaboratorien überprüft werden soll Toleranzband In der Praxis ist es unmöglich, dem vorgegebenen Fahrzyklus auf dem Rollenprüfstand genau zu folgen. Daher werden bestimmte Toleranzen für die Fahrkurve vorgegeben. So dürfen die Abweichungen von der Sollkurve bei dem in der Änderungsrichtlinie 98/69/EG festgelegten Neuen Europäischen Fahrzyklus maximal ±2 km/h und ±1,0 Sekunde betragen [31]. Demgegenüber beträgt das zulässige Toleranzband beim FTP 75 ±3,2 km/h und ±1,0 Sekunde. Größere Abweichungen vom FTP Zyklus dürfen nicht mehr als 2 Sekunden dauern [33]. Bei Ausnutzung dieser Toleranzen kann das Messergebnis für die CO 2 -Emissionen durch die Fahrweise beeinflusst werden. Grundsätzlich kann man davon ausgehen, dass ein geübter Fahrer mit an das jeweilige Fahrzeug angepasster und vorausschauender Fahrweise bessere Ergebnisse erzielen kann als ein ungeübter Fahrer. So lässt sich das CO 2 -Ergebnis z.b. vermindern, indem man in den Schubphasen, in denen keine Emissionen auftreten, durch Ausnutzung des Toleranzbandes eine möglichst große Strecke fährt. Da die berechneten Abgasergebnisse von der Fahrstrecke abhängig sind, ergeben sich so niedrigere Werte in [g/km]. In einer früheren vom TÜV Nord im Auftrag des UBA erstellten Studie [26] wurde der Fahrereinfluss exemplarisch an mehreren Fahrzeugen untersucht. Dabei wurde von geübten Fahrern in einer Basismessung der Fahrkurve möglichst genau gefolgt und in einem zweiten Durchlauf, eine emissionsoptimierte Fahrweise innerhalb des erlaubten Toleranzbandes angestrebt. Diese Untersuchungen zeigten, dass beim NEFZ und den in der Studie untersuchten Pkw die maximal bzw. minimal ermittelten CO 2 - Emissionen um 4% auseinander liegen Schaltpunkte Bei einer vorgegebenen Fahrkurve bestimmt die verwendete Getriebeübersetzung das für den jeweiligen Fahrzustand erforderliche Drehmoment und die Motordrehzahl und damit den spezifischen Kraftstoffverbrauch ( b e ) in g/kwh. Bei einer vorgegebenen Fahrkurve wird der spezifische Kraftstoffverbrauch von der dafür erforderlichen Bedarfsleistung bestimmt, welche dem Motor abverlangt wird. Die Bedarfsleistung selbst errechnet sich aus Drehmoment und Drehzahl. Diese Faktoren lassen sich über die Getriebeübersetzung beeinflussen. Somit lässt sich mit Hilfe des Getriebes der jeweilige Betriebspunkt im Motorkennfeld beeinflussen und ermöglicht eine verbrauchsgünstige Fahrweise. Beim NEFZ sind die Schaltpunkte für Fahrzeuge mit manuellem Getriebe genau definiert. Demgegenüber hat der Hersteller bei Fahrzeugen mit Automatik-Getrieben und bei Hybridfahrzeugen mit Gangwechselanzeige die Möglichkeit, die Schaltpunkte selbst festzulegen und auf die Getriebeabstufung hin zu optimieren. Die Schaltpunkte für Fahrzeuge mit manuellem Getriebe sind in Tabelle 3.2 dargestellt [31]. Gang *) Geschwindigkeit [km/h] 0 bis bis bis bis 70 ab 70 *) Zusätzliche Gänge können entsprechend den Herstellerempfehlungen verwendet werden, wenn das Fahrzeug mit einem Getriebe mit mehr als fünf Gängen ausgerüstet ist Tab. 3.2: Schaltpunkte im NEFZ für Fahrzeuge mit manuellem Getriebe [31] Der Neue Europäische Fahrzyklus und die Schaltpunkte für Fahrzeuge mit manuellem Getriebe wurden bereits 1991 mit der Richtlinie 91/441/EWG festgelegt (der Innerortszyklus und seine Schaltpunkte bereits 1970 mit Richtlinie 70/220/EWG). Diese z. T. über 40 Jahre alte Vorschriften entsprechen nicht mehr der Getriebeauslegung aktueller Fahrzeuge. Moderne aufgeladene Diesel- und Benzinmotoren entwickeln bereits bei niedrigen Motordrehzahlen ein hohes Drehmoment. Es konnte gezeigt werden [26], dass mit für niedrige Motordrehzahlen optimierten Schaltpunkten eine signifikante Reduzierung der CO 2 -Emissionen erzielt werden

25 25 kann. Im Innerortszyklus konnten die CO 2 - Emissionen gegenüber den in der Richtlinie vorgegebenen Schaltpunkten um etwa 20% abgesenkt werden. Im Außerortszyklus lassen sich CO 2 -Einsparungen von etwa 10% realisieren. 3.2 Testverfahren (DTP) Neben dem Fahrzyklus bestimmen die bei der Messung zu Grunde gelegten Randbedingungen die Ergebnisse bei der Typprüfung. Eine wesentliche Grundvoraussetzung für realitätsnahe Typprüfwerte ist die Wahl eines repräsentativen Prüffahrzeugs. Dessen Fahrwiderstand hängt von der Fahrzeugmasse und somit von der Fahrzeugausstattung ab. Darüber hinaus haben die Umgebungsbedingungen bei der Fahrzeugvorbereitung und dem Test selbst einen erheblichen Einfluss auf die Prüfergebnisse. Hier ist insbesondere die Umgebungstemperatur aber auch die Fahrtwindsimulation bei der Prüfung zu berücksichtigen. Die einzelnen Einflüsse der verschiedenen Faktoren sind in den folgenden Abschnitten detailliert dargestellt Fahrzeugauswahl Die Ausstattung des Prüffahrzeugs hat einen erheblichen Einfluss auf die bei der Typprüfung zu Grunde gelegte Masse ( m ), den Fahrwiderstand und damit auf das Ergebnis bei der Messung der CO 2 -Emissionen so wie des Kraftstoffverbrauchs. Der Rollwiderstand ( m f g cosα ) wächst proportional mit der Fahrzeugmasse (siehe Gl. 3.1). Der Luftwiderstand ( δ / 2 A v ) kann durch 2 Anbauteile c w wie Dachreling oder Spoiler erhöht oder verringert werden. Die Auswahl der Reifen beeinflusst den Rollwiderstand. Darüber hinaus wird der bei einer vorgegebenen Geschwindigkeit erreichte Punkt im Motorkennfeld und damit der spezifische Kraftstoffverbrauch durch das Gesamtübersetzungsverhältnis des Antriebsstrangs und den Abrollumfang der Reifen festgelegt. Für den Fall, dass die Messung der Abgasemissionen nicht an allen Varianten eines Fahrzeugtyps durchgeführt werden, sind in der ECE Regelung Nr. 83 folgende Auswahlkriterien festgelegt [23]: Verwendung der aerodynamisch ungünstigsten Karosserie Verwendung der breitesten Reifen bzw. des Reifens der nächst kleineren Größe bei mehr als drei Reifengrößen Die Prüfmasse muss der Bezugsmasse des Fahrzeugs mit dem höchsten Schwungmassenbereich entsprechen Der Motor des Prüffahrzeugs muss den oder die größten Wärmetauscher haben. Es sind alle bei dem Fahrzeugtyp angewendeten Antriebsstränge zu prüfen (Vorderradantrieb, Hinterradantrieb, permanenter Allradantrieb, zuschaltbarer Allradantrieb, Automatikgetriebe und Handschaltgetriebe) Die Fahrgeschwindigkeit bei einer Motordrehzahl von 1000 U/min darf nicht mehr als 8% von der geprüften Version abweichen Fahrwiderstand Der Fahrwiderstand bestimmt, welche Energie aufgewendet werden muss, um ein Fahrzeug zu bewegen und beeinflusst somit die CO 2 - Emissionen und den Kraftstoffverbrauch. Bei der Typprüfung wird zur Ermittlung des Fahrwiderstands die Energieänderung des Fahrzeugs beim Auslaufversuch auf einer geraden, ebenen Teststrecke bestimmt. Entsprechend ECE R83 [23] muss das Prüffahrzeug für den Ausrollversuch betriebsbereit sein, mindestens 3000 km eingefahren sein und die Einrichtungen müssen normal eingestellt sein. Die Reifen müssen gleichzeitig auf dem Fahrzeug eingefahren sein oder eine Profiltiefe der Lauffläche von 90% bis 50% aufweisen. Räder, Radkappen, Reifen (Marke, Typ, Druck), Geometrie der Vorderachse, Einstellung der Bremsen (Beseitigung von Störeinflüssen), Schmierung der Vorder- und Hinterachse und die Einstellung der Radaufhängung und des Fahrzeugniveaus müssen den Angaben des Herstellers entsprechen. Bei dem Ausrollversuch wird das Fahrzeug zunächst beschleunigt, dann wird das Getriebe in Leerlaufstellung gebracht und die Verzöge- Relevanzanalyse von Einflussfaktoren bei der Ermittlung der CO 2-Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs im Rahmen der Typgenehmigung von Pkw Abschlussbericht

26 26 rungszeiten werden beim Ausrollen über mehrere Geschwindigkeitsintervalle bestimmt. Aus den so gewonnenen Ausrollzeiten lässt sich der Fahrwiderstand des Fahrzeugs bei verschiedenen Geschwindigkeiten berechnen. Je kürzer die Ausrollzeiten bei dem gleichen Geschwindigkeitsintervall sind, desto größer ist der Fahrwiderstand, der das Fahrzeug verzögert. Dabei werden die Fahrzeugmasse, rotierende Massen, Widerstände im Antriebsstrang, der Rollwiderstand und der Luftwiderstand des Fahrzeugs unter realen Fahrbedingungen erfasst. Diese Prüfung wird in die entgegen gesetzte Fahrtrichtung wiederholt und die gewonnenen Werte gemittelt. Entsprechend ECE R83 werden die Ausrollversuche so oft wiederholt, bis sich der statistische Fehler des Mittelwerts innerhalb 2% bewegt. Die im Ausrollversuch für ein Fahrzeug unter optimalen Bedingungen gewonnenen Ergebnisse werden für alle weiteren Untersuchungen an anderen Fahrzeugen im Rahmen der Typprüfung, der Serienüberprüfung und der Feldüberwachung genutzt. Daher hat eine korrekte Ermittlung des Fahrwiderstands eine besondere Bedeutung [39], [40]. In Bild 3.3 ist der bei der Typprüfung auf der Straße für einen Fahrzeugtyp ermittelte Fahrwiderstand und die auf einem Abgasrollenprüfstand für ein im Rahmen der Feldüberwachung untersuchtes Fahrzeug dieses Typs eingestellte Last dargestellt. Aufgrund der Reibverluste zwischen Rolle und Reifen sowie der Reibungsverluste im Antriebsstrang des untersuchten Fahrzeugs ist die am Prüfstand eingestellte Last niedriger als der auf der Straße ermittelte Fahrwiderstand Der gesamte Widerstand, den das Prüffahrzeug auf dem Prüfstand überwinden muss, ergibt sich aus der am Prüfstand eingestellten Last und den Reibverlusten zwischen Reifen und Rolle so wie im Antriebsstrang des untersuchten Fahrzeugs. Er entspricht dem bei der Typprüfung auf der Straße ermittelten Fahrwiderstand. Bild 3.4 zeigt die bei der Typprüfung für einen zweiten Fahrzeugtyp ermittelte Fahrwiderstand und die Prüfstandslast für ein Fahrzeug dieses Typs aus der Feldüberwachung auf dem gleichen Prüfstand wie bei Beispiel Fahrwiderstand Straße Prüfstandslast F [N] v [km/h] Bild 3.3: Fahrwiderstand und Prüfstandslast,Beispiel 1

27 Fahrwiderstand Straße Prüfstandslast F [N] v [km/h] Bild 3.4: Fahrwiderstand und Prüfstandslast, Beispiel 2 Der Vergleich von Bild 3.3 und 3.4 zeigt, dass bei den untersuchten Fahrzeugen zum Erreichen des am Typprüffahrzeug unter optimalen Bedingungen ermittelten Fahrwiderstands sehr unterschiedliche Lasten am Prüfstand eingestellt werden müssen. Je größer die Reibverluste zwischen Rolle und Reifen und im Antriebsstrang des untersuchten Fahrzeugs sind, desto größer ist die Differenz zwischen Fahrwiderstand und Prüfstandslast. Beide Fahrzeuge, deren Widerstände in den Bildern 3.3 und 3.4 dargestellt sind, wurden auf dem gleichen Rollenprüfstand untersucht. Das deutet daraufhin, dass bei dem zweiten Fahrzeug höhere Widerstände im Antriebsstrang vorliegen als bei dem ersten Fahrzeug. Durch niedrige Prüfstandslasten werden hohe Reibungswiderstände im Antriebsstrang des Prüffahrzeug kompensiert. So lässt sich der bei der Typprüfung unter optimalen Bedingungen ermittelte Fahrwiderstand an jedem Fahrzeug simulieren. Wenn bei der Messung auf dem Rollenprüfstand immer der bei der Typprüfung ermittelte Fahrwiderstand zu Grunde gelegt wird, lässt sich ein aufgrund eines am untersuchten Fahrzeug erhöhten Fahrwiderstands angestiegener Kraftstoffverbrauch nicht erkennen. Sorgfältiges Arbeiten bei der Ermittlung des Fahrwiderstands an einem optimal vorbereiteten Fahrzeug bringt demnach Vorteile für alle Folgemessungen. Der äußere Fahrwiderstand setzt sich aus dem Rollwiderstand, dem Luftwiderstand und dem Steigungswiderstand zusammen und wird mit folgender Formel berechnet [32]: F = F + F + F W Ro Mit F Rollwiderstand F F Ro L St L St Luftwiderstand Steigungswiderstand Gl. 3.2: Berechnung des Fahrwiderstands Der Rollwiderstand wird durch die Fahrzeugmasse, den Fahrbahnbelag und die Reifen bestimmt und wird mit folgender Formel berechnet [32]: F Ro Mit = f m g Relevanzanalyse von Einflussfaktoren bei der Ermittlung der CO 2-Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs im Rahmen der Typgenehmigung von Pkw Abschlussbericht

28 28 f m g Rollwiderstandsbeiwert Fahrzeugmasse Erdbeschleunigung Gl. 3.3: Berechnung des Rollwiderstands Der Rollwiderstandsbeiwert ist abhängig vom Reifenradius und der Formänderung des Reifens so wie dem Straßenbelag. Den größten Einfluss auf den Rollwiderstandsbeiwert hat der Walkwiderstand. Er entsteht durch die permanente Verformung des Reifens an der Aufstandsfläche bei der Raddrehung. Er wird durch die Stärke der Verformung (Walkamplitude), die Radlast, den Reifendruck und die Reifenumfangsgeschwindigkeit bestimmt. Der Rollwiderstandsbeiwert steigt mit zunehmender Rauhigkeit der Fahrbahnoberfläche, mit zunehmender Belastung, und mit abnehmendem Reifendruck und zunehmender Geschwindigkeit. Beim TÜV NORD wurde bereits im Vorfeld dieses Programms der Einfluss der Bereifung (Reifendimensionen, Bauarten) bei der Ermittlung des Fahrwiderstands und der CO 2 -Emissionen in Ausrollversuchen untersucht. Im Rahmen der Europäischen Typprüfung ist derzeit die Bestimmung des Fahrwiderstands mit dem breitesten Reifen (Euro-6 Fahrzeuge: Reifen mit höchstem Rollwiderstand) durchzuführen. Bei mehr als drei Reifengrößen ist der zweitbreiteste Reifen (Euro-6 Fahrzeuge: Reifen mit zweithöchstem Rollwiderstand) zu verwenden [21]. Als Kenngröße für den Rollwiderstand könnte das Reifenlabel entsprechend Verordnung Nr. 1222/2009 genutzt werden [41], [42]. Beim TÜV NORD wurde der Einfluss der Reifendimension auf den Fahrwiderstand und die CO 2 -Emissionen exemplarisch an einem VW Polo 9N, Motorleistung 40 kw, Leergewicht 1070 kg anhand von Ausrollversuchen gemäß ECE R83 ermittelt [43]. In Bild 3.5 sind die unter gleichen Randbedingungen mit unterschiedlichen Reifendimensionen und Fabrikaten an dem Testfahrzeug ermittelten Fahrwiderstände dargestellt. Dabei wurden die kleinste und größte mögliche Reifendimension betrachtet, um den maximalen Einfluss darstellen zu können Fahrwiderstand F [N] /70R14, ContiEcoContact 3 225/35ZR17, Dunlop SP Sport Geschwindigkeit v [km/h] Bild 3.5: Fahrwiderstand bei verschiedenen Reifendimensionen; Versuchsträger VW Polo, 9N, 40 kw, Leergewicht 1070 kg, ermittelt in Ausrollversuchen gem. ECE R83

29 29 Es wird deutlich, dass der Fahrwiderstand bei Verwendung des 225/35ZR17 Dunlop SP Sport 9000 um maximal 25% über dem Wert mit dem 165/70R14 ContiEcoContact 3 liegt. Dieser Wert wird bei einer Geschwindigkeit von 20 km/h erreicht. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Verwendung des breiteren Reifens nicht nur den Rollwiderstand verändert sondern unter Umständen auch eine Vergrößerung der projizierten Fahrzeugstirnfläche und eine Verschlechterung des Luftwiderstandsbeiwertes mit sich bringt. Auf Basis der Ausrollversuche wurde auf dem Fahrleistungsprüfstand eine Lastanpassung durchgeführt und die Abgasemissionen so wie der Kraftstoffverbrauch im NEFZ gemessen. In Bild 3.6 sind die CO 2 -Emissionen für die beiden verschiedenen Reifen dargestellt /70R14, ContiEcoContact 3 225/35ZR17, Dunlop SP Sport ,0 197,8 CO 2 [g/km] ,0 130,0 145,9 155, UDC EUDC NEDC Bild 3.6: CO 2 -Emissionen bei verschiedenen Reifendimensionen; Versuchsträger VW Polo, 9N, 40 kw, Leergewicht 1070 kg, ermittelt in Ausrollversuchen gem. ECE R83 Der im Vergleich zum 165/70R14 ContiEcoContact 3 erhöhte Fahrwiderstand des 225/35ZR17 Dunlop SP Sport 9000 führt erwartungsgemäß zu höheren CO 2 -Emissionen, die sich besonders im Außerortszyklus bemerkbar machten. Betrachtet man den gesamten NEFZ, so lagen die CO 2 -Emissionen bei Verwendung des breiten Reifens 6% über den für den schmaleren Reifen ermittelten Wert. Der Einfluss der Bauart und des Profils der Reifen auf den Fahrwiderstand wurde an vier verschiedenen Reifentypen der Dimension 205/55R16 untersucht darunter ein RunFlatund ein Winterreifen [44]. Dabei wurde als Testfahrzeug ein VW Golf, 1K, Motorleistung 75 kw, Leergewicht 1290 kg und für alle Reifen die gleichen Felgen verwendet. Bei den Ausrollversuchen gemäß ECE R83 zeigte sich, dass mit dem Michelin Energy Saver der niedrigste und mit dem CPC2 SSR RunFlat der höchste Fahrwiderstand ermittelt wurde. In Bild 3.7 ist der für diese beiden Extremfälle auf der Teststrecke ermittelte Fahrwiderstand dargestellt.

30 Fahrwiderstand F [N] Michelin Energy Saver CPC2 SSR RunFlat Geschwindigkeit v [km/h] Bild 3.7: Fahrwiderstand bei verschiedenen Reifenbauarten; Versuchsträger VW Golf, 1K, 75 kw, Leergewicht 1290 kg, ermittelt in Ausrollversuchen gem. ECE R ,62 243,92 Michelin Energy Saver CPC2 SSR RunFlat ,64 181,21 CO 2 [g/km] ,57 144, UDC EUDC NEDC Bild 3.8: CO 2 -Emissionen im NEFZ bei verschiedenen Reifenbauarten; Versuchsträger VW Golf, 1K, 75 kw, Leergewicht 1290 kg, ermittelt in Ausrollversuchen gem. ECE R83

31 31 Bei gleicher Reifendimension lag der mit dem CPC2 SSR RunFlat Reifen ermittelte Fahrwiderstand bei 120 km/h um maximal 12,9% über dem mit dem Energy Saver ermittelten Wert. Die mit diesen Fahrwiderständen auf dem Fahrleistungsprüfstand ermittelten CO 2 -Emissionen sind in Bild 3.8 dargestellt. Der höhere Fahrwiderstand bei Verwendung der RunFlat Reifen führt gegenüber den Energiesparreifen im Neuen Europäischen Fahrzyklus zu um 1,4% erhöhten CO 2 -Emissionen. Neben der Reifenbreite und der Reifenbauart hat der Reifendruck einen Einfluss auf den Rollwiderstandsbeiwert. Bei der Ermittlung des Fahrwiderstands soll der Reifendruck auf den vom Hersteller angegebenen Wert eingestellt werden [23]. Allerdings werden in der Regel verschiedene Reifendrücke für unterschiedliche Beladungszustände des Fahrzeugs angegeben. Der Einfluss des Reifendrucks auf den Fahrwiderstand wurden im Rahmen dieses Programms an Fahrzeug 2 und Fahrzeug 3 exemplarisch untersucht. Zu diesem Zweck wurde der Fahrwiderstand für die Prüffahrzeuge zunächst nach Gleichung 4.2 errechnet. Dabei wurde von einem Reifendruck von 2,2 bar ausgegangen. Die durch eine Erhöhung des Reifendrucks verursachte Änderung des Fahrwiderstands lässt sich mit folgender Formel theoretisch berechnet. Der geschwindigkeitsabhängige Bezugswert F R1 bei den theoretischen Berechnungen wurde nach [45] ermittelt. [45], [46], [47]: F + R 2 = FR 1 1 ( p p ) 2 p 1 1 ( 0,3) Mit F R2 Rollwiderstand mit Reifendruck 2 F R1 Rollwiderstand mit Reifendruck 1 p 2 Reifendruck 2 p Reifendruck 1 1 Gl. 3.4: Einfluss des Reifendrucks auf den Rollwiderstand Anschließend wurden auf dem Testgelände mit diesen Reifendrücken Ausrollversuche durchgeführt. Dabei wurde jeweils der vom Hersteller für Teilbeladung angegebene und bei der Typprüfung verwendete Reifendruck und ein auf über 3 bar erhöhter Druck betrachtet. Die theoretisch berechneten und praktisch ermittelten Fahrwiderstände für Fahrzeug 2 mit verschiedenen Reifendrücken sind in Bild 3.9 dargestellt. Bei Erhöhung des Reifendrucks von 2,2 bar auf 3,3 bar wurde für Fahrzeug 2 bei 120 km/h eine Verringerung des Fahrwiderstands um 11,4 % berechnet. Bei der Ausrollung auf dem Testgelände wurde bei dieser Geschwindigkeit ein um 12,7% geringerer Widerstand gemessen. Bild 3.10 zeigt die für die unterschiedlichen Reifendrücke im NEFZ ermittelten CO 2 -Emissionen. Durch die Erhöhung des Reifendrucks um 0,8 bar gegenüber dem Standardwert konnten die CO 2 -Emissionen von Fahrzeug 2 im NEFZ um 3,1% abgesenkt werden. In Bild 3.11 sind die theoretisch berechneten und praktisch ermittelten Fahrwiderstände für Fahrzeug 3 mit verschiedenen Reifendrücken dargestellt.

32 32 Fahrwiderstand [N] theoretischer Fahrwiderstand, Reifendruck 2,2bar theoretischer Fahrwiderstand, Reifendruck 3,3bar Typprüfwert Messung, Reifendruck 2,2bar Messung, Reifendruck 3,3bar Fahrgeschwindigkeit v [km/h] Bild 3.9: Fahrwiderstand bei verschiedenen Reifendrücken, Fahrzeug 2, 225/45R ,4 234,8 Reifendruck 2,2bar Reifendruck 3,3bar ,0 174,3 CO 2 [g/km] ,6 140, UDC EUDC NEDC Bild 3.10: CO 2 -Emissionen bei verschiedenen Reifendrücken gemessen im NEFZ, Fahrzeug 2, 225/45R17, Fahrwiderstand ermittelt im Ausrollversuch

33 Fahrwiderstand [N] theoretischer Fahrwiderstand, Reifendruck 2,2bar theoretischer Fahrwiderstand, Reifendruck 3,6bar Typprüfwert Messung, Reifendruck 2,2bar Messung, Reifendruck 3,6bar Fahrgeschwindigkeit v [km/] Bild 3.11: Fahrwiderstand bei verschiedenen Reifendrücken, Fahrzeug 3, 205/55R Reifendruck 2,2bar Reifendruck 3,6bar ,8 174,5 CO 2 [g/km] ,4 115,2 138,7 137, UDC EUDC NEDC Bild 3.12: CO 2 -Emissionen bei verschiedenen Reifendrücken gemessen im NEFZ, Fahrzeug 3, 205/55R16, Fahrwiderstand ermittelt im Ausrollversuch Relevanzanalyse von Einflussfaktoren bei der Ermittlung der CO 2-Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs im Rahmen der Typgenehmigung von Pkw Abschlussbericht

34 34 Die Erhöhung des Reifendrucks von 2,2 bar auf 3,6 bar führte bei einer Geschwindigkeit von 120 km/h zu einer theoretisch berechneten maximalen Verringerung des Rollwiderstandes um 13,7% und des Gesamtfahrwiderstandes um 12,7%. Bei der Ausrollung wurde bei der gleichen Geschwindigkeit ein um 6,1% verringerter Fahrwiderstand gemessen. Anschließend wurden die im Ausrollversuch ermittelten Fahrwiderstände am Rollenprüfstand eingestellt und mit diesen Lasteinstellungen Abgasmessungen durchgeführt. Bild 3.12 zeigt die Auswirkungen der verschiedenen Reifendrücke auf die bei Fahrzeug 3 im NEFZ ermittelten CO 2 - Emissionen. Bei Fahrzeug 3 konnte durch die Erhöhung des Reifendrucks von 2,2 bar auf 3,6 bar eine Verringerung der CO 2 -Emissionen im NEFZ um 1,4% erzielt werden. Neben den Reifeneigenschaften kann die Fahrwerksgeometrie den Rollwiderstand beeinflussen. Wenn ein Rad nicht parallel zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs abrollt oder die Fahrwerksgeometrie nicht den Herstellervorgaben entspricht, erhöhen Schräglaufwiderstände den Rollwiderstand. Eine Änderung an Sturz oder Spreizung ist in der Regel nicht möglich. Die Spur ist jedoch bei vielen Fahrzeugen am Spurstangenkopf einstellbar. Der Spurwinkel beträgt in den meisten Fällen zwischen 0 und 20 Winkelminuten. Bei den Ausrollversuchen nach ECE R83 [23] wird die Geometrie der Vorderachse und die Einstellung der Radaufhängung und des Fahrzeugniveaus entsprechend den Angaben des Herstellers eingestellt. Dabei sind Toleranzen für den Spurwinkel vorhanden. Der Einfluss, den Schräglaufwiderstände aufgrund einer Spurverstellung auf den Fahrwiderstand haben können, wurde theoretisch nach Wallentowitz [45] berechnet. Dabei wird davon ausgegangen, dass sich das Fahrzeug in der Horizontalen bewegt und keine Neigung der Fahrbahn vorliegt. In diesem Zusammenhang wird eine geschwindigkeitsunabhängige Betrachtungsweise als ausreichend angesehen [45], [46], [47]. F Ro = Froll S cosα + F sinα Mit F S = C α = 666, 7 α Seitenführungskraft, C = 666,7 empirisch ermittelte Konstante [N/Grad] F Rollwiderstand Ro F Rollwiderstand in roll Richtung des Rades Gl. 3.5: Einfluss des Spurwinkels auf den Rollwiderstand Die Ergebnisse sind in Tabelle 3.3 dargestellt. Dabei wurde eine Winkeländerung der Radachse von 10 bei allen 4 Rädern zu Grunde gelegt. Der Wert von 10 entspricht den üblichen Toleranzen für die Spurverstellung. Bei vielen Pkw- Modellen ist die Einstellung der Spur nur an der Vorderachse möglich. Dennoch sollte bei der Berechnung angenommen werden, dass es sich um ein Fahrzeug handelt, bei dem auch eine Spurverstellung an der Hinterachse möglich ist, um so den ungünstigsten Fall zu berücksichtigen. Es wird deutlich, dass eine Verstellung des Spurwinkels an allen 4 Rädern im Rahmen der üblichen Toleranzvorgaben nur eine sehr geringe Auswirkung auf den Fahrwiderstand hat, der vernachlässigt werden kann. Auf eine weitere Untersuchung von Pkw bei denen nur an einer Achse der Schräglaufwinkel einstellbar ist, kann daher verzichtet werden. Grundsätzlich sollte die Spur für die Ausrollversuche innerhalb der vom Hersteller vorgegebenen Toleranzen eingestellt werden.

35 35 Geschwindigkeit. v Fzg [km/h] Rollwiderstand F R0 [N] Rollwiderstand bei geänderter Spur F R1 [N] Luftwiderstand F L [N] Gesamtwidst. F G 0 [N] Gesamtwidst. bei geänderter Spur F G1 [N] Abweichung von F G0 zu F G1 [%] ,15 148,44 11,01 158,16 159,45 0,8% ,15 148,44 44,04 191,19 192,48 0,7% ,15 148,44 99,08 246,23 247,53 0,5% ,15 148,44 176,15 323,30 324,59 0,4% ,15 148,44 275,23 422,38 423,67 0,3% ,15 148,44 396,33 543,48 544,78 0,2% Mit m=1500kg; A=2m 2 ; cw=0,3; f 0=0,010; f 2=0,014; Änderung des Radachsenwinkels um 10 für alle 4 Räder Tab. 3.3: Einfluss der Winkeländerung der Radachse um 10 auf den Fahrwiderstand Der Luftwiderstand berechnet sich wie folgt [32]: 2 FL = ρ cw A v 2 Mit: F L Luftwiderstand [N] ρ Luftdichte [kg/m 3 ] c W Luftwiderstandsbeiwert A Stirnfläche des Fahrzeugs [m 2 ] v Geschwindigkeit [m/s] Gl. 3.6: Berechnung des Luftwiderstands Bei gleicher Geschwindigkeit verhält sich der Luftwiderstand proportional zu wirksamer Anströmfläche und Luftwiderstandsbeiwert. Die Ergebnisse der Fahrwiderstandsermittlung auf der Teststrecke werden also von Ausstattungselementen des Prüffahrzeugs, die Einfluss auf A und c W haben (z.b. Dachreling, Spoiler, Bereifung, usw.) beeinflusst. Der TÜV hat in Vergangenheit den Einfluss verschiedener Veränderungen des Prüffahrzeugs auf den Fahrwiderstand in einer Studie schon einmal untersucht [25]. Dabei wurde bei einem Fahrzeug exemplarisch der Einfluss eines Aerodynamik Kits und Breitreifen auf den Fahrwiderstand untersucht. Der Aerodynamik Kit wird vom Fahrzeughersteller angeboten und beinhaltet Frontspoiler, Heckspoiler und Seitenschweller. In Bild 3.13 ist der Fahrwiderstand für das Fahrzeug in der Basisversion und mit Aerodynamik Kit und Breitreifen dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass umfangreiche Änderungen an der Aerodynamik des Fahrzeugs und Breitreifen den Fahrwiderstand um etwa 10% erhöht haben. Dabei lässt sich die Änderung des Fahrwiderstands nur dem Gesamtpaket von Breitreifen, Frontspoiler, Heckspoiler und Seitenschweller zuordnen Schwungmasse Die bei translatorischen Beschleunigungsvorgängen auftretende Massenträgheit des Prüffahrzeugs wird auf dem Fahrleistungsprüfstand mit Hilfe einer rotierenden Schwungmasse nachgestellt. Die Kraft, die bei Beschleunigungsvorgängen des Fahrzeugs auf der Straße auftritt, entspricht dann dem Drehmoment, das bei Drehzahländerungen am mechanischen Rollenprüfstand auftritt. Zu diesem Zweck werden einzelne, scheibenförmige Massen mit den rotierenden Rollen gekoppelt. Bild 3.14 zeigt die Schwungmassen eines Doppelrollenprüfstands. Relevanzanalyse von Einflussfaktoren bei der Ermittlung der CO 2-Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs im Rahmen der Typgenehmigung von Pkw Abschlussbericht

36 Basis-Version Aerodynamik Kit und Breitreifen Fahrwiderstand [N] Fahrgeschwindigkeit [km/h] Bild 3.13: Einfluss von Anbauteilen auf den Fahrwiderstand Bild 3.14: Schwungmassen eines Doppelrollenprüfstands