Abgasmanipulation

Die technischen Hintergründe zur Schummel-Software

Das wichtigste vorab
  • Branchenweite Manipulation mit illegaler Softwarekomponente
  • Sensoren im Fahrzeug erkennen eine Prüfsituation und verändern die Abgasaufbereitung
  • Viele weitere Manipulationen beeinflussen Verbrauchs- und Emissionswerte
  • Veränderte AGR-Raten und AdBlue-Mengen verfälschen den Abgasausstoß
  • Nach dem Software-Update schaltet das Fahrzeug in ständigen Prüfmodus
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1973 wurde bei VW die erste Abschalteinrichtung gefunden.

Die Abgasmanipulation – eine kurze Zusammenfassung

2014 entdeckte die amerikanische Umweltbehörde EPA in Zusammenarbeit mit der Non-Profit-Organisation ICCT, dass der Emissionsausstoß verschiedener Dieselfahrzeuge auf der Straße um ein Vielfaches höher ausfällt, als im Labor und auf dem Prüfstand gemessen.

Den VW-Konzern traf es zuerst. Doch nach und nach wurden bei Fahrzeugen anderer Fahrzeughersteller ebenfalls erhöhte Werte gemessen. Heute ist klar, dass es sich um einen branchenweiten Betrug handelte, der nicht erst seit 2014 betrieben wurde. Denn 1973 wurde VW das erste Mal von der US-Umweltbehörde EPA zu einer Strafzahlung in Höhe von 120.000 US-Dollar verdonnert, da das Unternehmen illegale Abschalteinrichtungen in ihren Ottomotoren verbaute. Damals geschah das noch mit manuellen Bauteilen, heute dreht sich der Skandal um bestimmte Softwarekomponenten.

Bisher konnte beinah allen Fahrzeugherstellern nachgewiesen werden, dass sie in ihren Motorsteuergeräten eine Software integriert haben, die erkennt, ob sich das Fahrzeug auf dem Prüfstand – also in einer Testsituation – oder auf der Straße im Realbetrieb befindet. Wird die Prüfsituation erkannt, gibt das Motorsteuergerät bestimmte Befehle an den restlichen Motor, insbesondere die Abgasnachbehandlung, weiter.

Die Verarbeitung von Abgasen läuft im Prüfmodus deutlich optimiert ab, um die Emissions- und Verbrauchswerte zu reduzieren. Die Abgaswerte bewegen sich innerhalb der gesetzlich vorgegebenen Grenzwerte und die Zulassungsbehörden sind zufrieden. Die Fahrzeuge werden aufgrund dieser verfälschten Werte zugelassen und an den Endkunden weitergegeben.

Nun fährt der Otto-Normalverbraucher das Fahrzeug auf der Straße: Der Prüfmodus wird nicht erkannt, damit werden bestimmte Funktionen stark heruntergeregelt oder sogar abgeschaltet. Das Auto stößt ein Vielfaches an Abgasen aus als ursprünglich vom Fahrzeughersteller angegeben.

Um die Manipulationen der Dieselfahrzeuge jedoch einmal im Detail zu erklären, fangen wir ganz zu Beginn an, damit auch keine Fragen offen bleiben.

Was ist ein Prüfstand und wie funktioniert dieser?

Um herauszufinden, wie viel Abgase ein Fahrzeug im späteren Betrieb ausstößt, muss die Fahrsituation möglichst realistisch simuliert werden. Dies wird mithilfe von Motor- und Fahrzeugprüfständen gemacht.

  • Motorprüfstand:

Hier wird nur der Motor, ohne den restlichen Antrieb, getestet. Der Motor ist mit einer Belastungsmaschine gekoppelt, die eine typische Belastung auf den Motor simuliert. Diese Maschine wirkt wie eine Bremse, die sehr präzise geregelt werden kann. So können verschiedene Situationen, wie eine Bergabfahrt oder starke Beschleunigung simuliert werden. Motorprüfstände werden hauptsächlich in den frühen Phasen der Entwicklung verwendet.

  • Fahrzeugprüfstand:

Hier wird das gesamte Fahrzeug getestet. Es sind also alle Fahrzeugteile vorhanden. Das Fahrzeug steht mit fixierten Rädern auf rotierenden Rollen, die den Kontakt der Reifen auf der Straße simulieren. Auch hier kommt eine Belastungsmaschine zum Einsatz, die beispielsweise den Luftwiderstand oder eine Steigung der Straße simuliert.

Die Trägheit des Fahrzeugs beim Beschleunigen wird elektrisch oder durch das Anhängen von Schwungmasse simuliert. Anders als beim Motorprüfstand, sitzt beim Fahrzeugprüfstand meist ein Testfahrer im Auto und führt Anweisungen aus, die er über einen Monitor erhält.

In beiden Fällen wird auf sehr ähnliche Art und Weise der Abgasausstoß gemessen und analysiert. Das ausgestoßene Abgas wird über den Auspuff in Beuteln gesammelt. Anschließend werden die Bestandteile analysiert. So kann die genaue Menge an ausgestoßenen Stickoxiden, Partikeln und weiteren Abgasen gemessen werden.

Was stößt mein Dieselfahrzeug genau aus?

Schadstoffe, die Dieselfahrzeuge in großen Mengen ausstoßen:

  • Partikel:

Diese entstehen durch die unvollständige Verbrennung bei niedrigen Verbrennungstemperaturen. Diese Partikel bestehen hauptsächlich aus Ruß. Auf der Oberfläche befinden sich zudem PAK (polyzyklische aromatische Wasserstoffe), die hochgradig krebserregend sind. Insbesondere Dieselmotoren erzeugen sehr große Mengen an Partikeln.

  • Stickoxide:

Die beiden Stickoxide, Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2), entstehen bei hohen Verbrennungstemperaturen. NO wird als Blutgift bezeichnet, welches die Transport- und Stoffwechselfunktionen im Blutsystem beeinträchtigen kann. Es wird diskutiert, ob NO an der Entwicklung von Krebserkrankungen beteiligt ist.

NO2 kann zu Reizung der Atemwege führen und trägt zudem zu saurem Regen bei. NO2 kann mit Bestandteilen der Luft zum Schadstoff Peroxyacetylnitrat (PAN) reagieren, was wiederum zum Treibhauseffekt beiträgt.

  • Kohlenstoffdioxid (CO2):

Die Entstehung von CO2 ist bei der Verbrennung im Motor kaum zu vermeiden, denn selbst wenn diese ideal abläuft, entsteht Kohlenstoffdioxid. Dieses ist nicht gesundheitsgefährdend – schadet also uns Menschen nicht. Jedoch wird angenommen, dass CO2 in großem Maße zum Treibhauseffekt und somit zur Erderwärmung beiträgt.

Wo im Motor fand die Manipulation genau statt?

In einem Motor sind sehr viele Sensoren verbaut, die

  • Drehzahl,
  • Temperatur von Kühlmittel, Luft und Abgas,
  • Einspritzdruck,
  • Luftmasse und weitere physikalische Größen erfassen.

All diese Informationen leiten die Sensoren an das Motorsteuergerät weiter. Hier befinden sich alle Mess-, Regel-, Diagnose- und Steuerfunktionen. Auch die Abgasnachbehandlung wird über eine solche Software gesteuert. Das Steuergerät gibt wiederum Informationen an die Stellglieder weiter, sodass der Motor "optimal" arbeiten kann.

Die Steuergeräte produzieren die Fahrzeughersteller nicht selbst, sondern geben sie bei Zulieferern wie Bosch oder Continental in Auftrag. Jedoch lässt die Software zu, dass Dritte – in diesem Fall VW, Audi, BMW selbst – eigene Komponenten entwickeln und die Software des Steuergeräts ergänzen.

Hier beginnt der Abgasskandal rund um die Manipulation der Dieselfahrzeuge. Denn fast alle Autohersteller haben eine Softwarekomponente entwickelt oder zumindest verbaut, die erkennt, ob sich das Fahrzeug in einer Testsituation auf einem Prüfstand befindet oder im Realbetrieb auf der Straße fährt.

Diese Softwarekomponente nennt sich Abschalteinrichtung, da diese bestimmte Funktionen automatisiert kontrollieren kann. Da es sich meist um Funktionen handelt, die auf dem Prüfstand aktiver genutzt und im Realbetrieb heruntergeregelt oder sogar abgeschaltet werden, wird diese Software Abschalteinrichtung (englisch: Defeat Device) genannt.

Die Funktionen einer Abschalteinrichtung sind also:

  • Erkennen des Prüfzyklus oder einer Straßenfahrt und
  • Eingriff in die Abgasnachbehandlung oder andere Motorfunktionen.

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Solche Softwarekomponenten sind per se nicht verboten. Sie sind in einigen Fällen sogar sinnvoll. Ein Beispiel dafür ist die Deaktivierung des Antiblockiersystems (ABS) in der Prüfsituation. Auf dem Prüfstand steht das Fahrzeug mit blockierten Reifen. Diesen Zustand erkennt das Fahrzeug und schaltet das ABS, welches im Realbetrieb eingreifen würde. Diese Abschalteinrichtung ist sinnvoll, da das aktive ABS den Zyklus negativ beeinflussen würde.

Seit 2007 ist klar geregelt, wann eine Abschalteinrichtung erlaubt und wann sie illegal ist. Für alle EU-Staaten gilt der Artikel 5 (2) der Verordnung (EG) Nr. 715/2007, welcher besagt, dass

die Verwendung von Abschalteinrichtungen, die die Wirksamkeit des Emissionskontrollsystems unter Bedingungen, die bei normalem Fahrzeugbetrieb vernünftigerweise zu erwarten sind, verringern, unzulässig ist.

Es gibt einige Ausnahmefälle, in denen die Abschalteinrichtung auf die Abgasnachbehandlung eingreifen darf, beispielsweise beim Schutz des Motors bei bestimmten Außentemperaturen.

Die Abschalteinrichtung, wie sie in aktuellen Dieselfahrzeugen gefunden wurde, ist jedoch illegal und darf so nicht verbaut werden.

Was hat die illegale Abschalteinrichtung manipuliert?

Sie wissen nun bereits, dass sich im Motor Sensoren befinden, die Informationen an das Motorsteuergerät weitergeben. Erkennen diese Sensoren bestimmte Zustände, wie die fixierten Reifen oder eine nicht angetriebene Achse, weiß das Motorsteuergerät, dass sich das Fahrzeug auf einem Prüfstand befindet.

An sich ist die Tatsache weder illegal noch negativ, wie das Beispiel ABS zeigt. Jedoch gibt das Motorsteuergerät nun andere Befehle an die Abgasnachbehandlung weiter. Der Prüfmodus ist erkannt und die Emissionskontrollsysteme arbeiten deutlich optimierter als sie es im Realbetrieb auf der Straße tun würden.

Zwei wesentliche Faktoren werden manipuliert, sobald das Fahrzeug die Testsituation auf dem Prüfstand erkennt:

  • die Abgasrückführungsrate (AGR)

Die Rate der Abgasrückführung bestimmt, wie viel Abgasluft über den Auspuff abgegeben wird, und wie viel wieder zurück in die Verbrennung geführt wird. Mit der AGR-Rate steht im direkten Zusammenhang, die Stickoxidemission gering zu halten und parallel auch die Rußpartikelemission zu reduzieren.

Denn arbeitet ein Fahrzeug mit einer hohen AGR-Rate, werden zwar geringere Mengen an Stickoxiden an die Luft abgeben, dagegen gelangt aber mehr Abgasluft in den Motor und es entstehen mehr Rußpartikel. Im Umkehrschluss erhöhen sich bei einer niedrigen Rate der Abgasrückführung die Stickoxidemissionen, dagegen entstehen bei der Verbrennung weniger Rußpartikel.

  • die Menge der Harnstofflösung (AdBlue)

Die selektive katalytische Reduktion (SCR) wird verwendet, um den Ausstoß von Stickoxiden zu reduzieren. Bei dieser Methode werden die Stickoxide durch Ammoniak reduziert. Hierfür wird eine wässrige Harnstofflösung benötigt, diese ist bekannt unter dem Namen AdBlue.

Richtig eingesetzt, sorgt diese Methode dafür, dass Stickoxide deutlich reduziert werden können und aus dem Auspuff nur ungefährlicher Stickstoff und Wasserdampf herauskommt. Jedoch kritisieren Experten, dass der AdBlue-Tank in den meisten Modellen zu klein und zu leicht ausfällt.

Im Prüfmodus sind die Abgasrückführungsrate und die Menge an AdBlue deutlich erhöht

Das passiert also, wenn die Abschalteinrichtung aktiv oder inaktiv ist:

Abgasnachbehandlung im Prüfmodus (Fahrzeug befindet sich auf dem Prüfstand):

  • sehr hohe Abgasrückführungsrate
    • Fahrzeug stößt geringe Mengen an Stickoxiden aus
    • Rußpartikelfilter wird stark belastet
  • sehr große Menge an AdBlue
    • Fahrzeug stößt geringe Mengen an Stickoxiden aus
    • deutlich geringere Reichweite mit vollem AdBlue-Tank

Abgasnachbehandlung im Realbetrieb (Fahrzeug fährt auf der Straße):

  • geringe Abgasrückführungsrate, teilweise sogar Abschaltung der Abgasrückführung
    • Fahrzeug stößt deutlich größere Mengen an Stickoxiden aus
    • Rußpartikelfilter wird weniger stark belastet
  • Menge an eingespritztem AdBlue stark oder sogar auf 0 reduziert
    • Fahrzeug stößt deutlich größere Menge an Stickoxiden aus
    • deutlich größere Reichweite mit vollem AdBlue-Tank

Wie reagiert mein Dieselfahrzeug auf die Software-Updates?

Das Software-Update bewirkt, dass die Komponente deaktiviert wird, die den Prüfmodus erkannt bzw. den Realbetrieb nicht erkannt hat. Der Prüfmodus wird quasi der Standardmodus, in dem das Fahrzeug von nun an fährt.

Abgasnachbehandlung nach Software-Update:

  • sehr hohe Abgasrückführungsrate
    • Fahrzeug stößt geringe Mengen an Stickoxiden aus
    • Rußpartikelfilter wird stark belastet und muss deutlich häufiger gereinigt bzw. ausgetauscht werden
    • AGR-Ventil wird stärker belastet und muss deutlich früher ersetzt werden
  • sehr große Menge an AdBlue
    • Fahrzeug stößt geringe Mengen an Stickoxiden aus
    • deutlich geringere Reichweite mit vollem AdBlue-Tank

Haben die Fahrzeugbauer noch auf weitere Art und Weise geschummelt?

Damit die Fahrzeuge aller Marken vergleichbare Ergebnisse erzielen, müssen sich Fahrzeughersteller bei ihren Tests an bestimmte Prüfmethoden halten, die europaweit identisch sind.

Bei den Prüfständen wird ein bestimmter Prüfzyklus gefahren. Dieser nennt sich NEFZ (neuer europäischer Fahrzyklus), oder auch NEDC (new european driving cyle). Dieser Zyklus wird verwendet, um den Abgasausstoß und den Verbrauch zu messen.

Experten kritisierten hier, dass der Zyklus realistische Bedingungen schaffen sollte, dies jedoch nicht tut.

  • Höchstgeschwindigkeit:

Die Höchstgeschwindigkeit des Zyklus von 120 km/h wird nur sehr kurz erreicht. Über diese Geschwindigkeit hinaus werden Verbrauch und Emission nicht getestet. Dies wird damit begründet, dass in den meisten EU-Ländern eine Tempobeschränkung auf Autobahnen von etwa 120 km/h vorherrscht.

Auf deutschen Autobahnen liegt die Durchschnittsgeschwindigkeit jedoch zwischen 130 und 150 km/h. So bleibt der Ausstoß von Abgasen bei höheren Geschwindigkeiten vollkommen ungeprüft.

  • Beschleunigung:

Im Prüfzyklus wird von 0 km/h auf 50km/h innerhalb von 26 Sekunden beschleunigt. Das ist vollkommen unrealistisch. Ein aktuelles Golf-Modell von VW braucht ca. 10 Sekunden, um auf die 100 km/h-Marke zu beschleunigen.

Gut zu wissen

Europäischer Prüfzyklus ist viel zu langsam

Ein neues Tesla-Modell schafft die Beschleunigung von 0 km/h auf 100 km/h in 1,9 Sekunden. Als "das lahmste Auto der Welt" wurde dagegen ein Ford Fiesta gekürt. Das Fahrzeuge brauchte ganz 18,6 Sekunden, um die 100 km/h auf dem Tacho zu erreichen. Doch selbst diese Schnecke ist ein Rennwagen im Vergleich zum Europäischen Prüfzyklus, mit dem neue Fahrzeuge getestet werden.

  • Temperatur:

Im Prüfzyklus wird eine Außentemperatur zwischen 20 und 30 Grad simuliert. Auch diese Konditionen sind nicht realistisch. Selbst im sonnigen Spanien liegt die durchschnittliche Jahrestemperatur nur bei +18 Grad.

Das Motorsteuerungsgerät erkennt die Temperatur über die angesaugte Luft und schaltet bei der Unterschreitung einer "unnormalen" Temperatur die Abgasreinigung aus oder regelt sie stark herunter. Diese für Mitteleuropa "unnormale Temperatur" setzen viele Hersteller bereits bei einer Außentemperatur von +17 Grad fest.

  • Fahrzeuggewicht:

Je nach Fahrzeugklasse, in die das zu prüfende Auto fällt, muss Schwungmasse installiert werden, welche die Trägheit des Fahrzeugs beim Beschleunigen simuliert. Den Fahrzeugbauern gelingt es häufig, so viele Teile aus den Autos auszubauen, dass das Prüffahrzeug in eine niedrigere Gewichtsklasse fällt, als es an den Endkunden verkauft wird. Das Auto ist beim Test also leichter als später auf der Straße.

  • Fahrwiderstand:

Der Prüfstand muss individuell für jedes Modell eingestellt werden. Hierfür muss im Vorfeld der Fahrwiderstand getestet werden. Dies wird über Ausrollversuche (Coast-down) auf Straßen gemessen. Explizit wird hier ein Gefälle von maximal 1,5 % verwendet, da das Fahrzeug so besser rollt und der Fahrwiderstand scheinbar geringer ausfällt.

Für diese Vorversuche werden gerne höher gelegene Straßen in Südeuropaverwendet, da sich der Luftdruck und die Temperatur ebenso positiv auf den Fahrwiderstand auswirken. Denn ein geringerer Fahr- und Luftwiderstand bedeutet ein geringerer Verbrauch und Emissionswert. Diese Ergebnisse müssen bei der Typzulassung zwar eingereicht werden, jedoch werden sie nicht veröffentlicht.

Der Fahrwiderstand wird auch noch auf weitere Art und Weise beeinflusst. So wird das Fahrzeug häufig vor dem Fahrzeugprüfstand speziell vorbereitet:

  • Aufziehen der Reifen auf einen Druck von bis zu 3,1 bar
  • Wegdrücken der Bremsbeläge
  • Einfahren des Fahrzeugs über mehrere 1000 km
  • Entfernen des rechten Außenspiegels für einen geringen Luftwiderstand

All diese kleinen Manipulationen führen dazu, dass der Verbrauch und Abgasausstoß aufgrund vieler Faktoren möglichst gering gehalten wird. Im Realbetrieb fallen all diese Maßnahmen weg und führen zu einem höheren, aber realistischen Messergebnis. Für den Endkunden heißt das jedoch, dass der angegebene Verbrauch und auch der Abgasausstoß vom Fahrzeughersteller nicht korrekt mitgeteilt wurde.

Was wurde getan, um den Manipulationen entgegenzuwirken?

  • Wechsel zu realistischerem Prüfzyklus

Schon seit einigen Jahren wird der Prüfzyklus NEFZ kritisiert. Experten halten ihn für zu definiert, vorhersehbar und kontrolliert. Zwar sorgen diese Attribute dafür, dass mit dem NEFZ vergleichbare Werte erhoben werden können, jedoch ist diese Wiederholbarkeit auch prädestiniert für Manipulationen. Denn ein so geregelter und immer gleich ablaufender Zyklus kann sehr einfach vom Motorsteuergerät erkannt werden.

Nach dem Dieselskandal wurden nun die Rufe nach einem realistischeren Zyklus laut. Hier kommt der WLTP (Weltweit einheitliches Leichtfahrzeuge-Testverfahren) ins Spiel. Dieser Prüfzyklus wird bereits seit Jahren verwendet, denn diese Methode simuliert Verkehrssituationen sehr realistisch. Diese Methode ist seit dem 01. September 2017 als standardisierter Zyklus in der EU vorgeschrieben. Experten erwarten einen Anstieg der durchschnittlichen Abgas- und Verbrauchswerte nach WLTP gegenüber NEFZ um bis zu 25 %.

  • Manipulationen sind nicht mehr zulässig

Auch weitere Manipulationen, die im Verlauf des Textes beschrieben wurden, sind nicht mehr umsetzbar. So kann das Fahrzeug für den Prüfstand nicht mehr dahingehend vorbereitet werden, dass Teile zur Gewichtsreduktion ausgebaut werden oder das Fahrwerk manipuliert wird.

  • Fahrten im Realbetrieb als zusätzliche Methode

Schon lange wird gefordert, dass neben den simulierten Fahrten auf dem Prüfstand, das Fahrzeug auch im Realbetrieb getestet wird. Jedoch war das lange nicht möglich, da die Abgasmesstechnik noch zu voluminös war. Nun gibt es aber Möglichkeiten, die Messungen nicht mehr in großen Schränken vorzunehmen, sondern in einem kleinen Kasten, der auf der Anhängerkupplung montiert wird.

Bei diesen realen Fahrten, die zwischen 90 und 120 Minuten dauern, wird der tatsächliche Ausstoß von Abgasen gemessen. Bei dieser Methode, die sich RDE (real driving emission) nennt, wird sogar die Klimaanlage in einem realistischen Ausmaß genutzt.

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