Abgasrückführventil

Aufbau eines Abgasrückführventils

Die Abgasrückführung (AGR) wird zur Minderung von Stickoxiden (NO_x) verwendet, welche bei der Verbrennung von Kraftstoff in Ottomotoren, Dieselmotoren, Gasturbinen, Heizkesseln usw. entstehen. Diese Reduktion ist nötig, um die vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte einzuhalten. In Dieselmotoren dienen sie zusätzlich der Geräuschreduzierung, in Otto-Motoren der Senkung des Kraftstoffverbrauches. Besondere Bedeutung hat die AGR bei magerem Verbrennungsgemisch.

Funktionsweise

Abgasrückführventil vom Opel Astra H (CDTI)

starke Verrußung führte zum Defekt des AGR

Bei hohen Verbrennungstemperaturen entstehen im Motor zunehmend umweltschädliche Stickoxide. Um diese zu reduzieren, muss die Verbrennungstemperatur gesenkt werden. Ein Teil des Abgases wird deshalb im Teillastbereich über ein Rohr der angesaugten Frischluft zugemischt. Die Regelung hierzu übernimmt ein außerhalb des Motors angebrachtes Abgasrückführventil (externe Abgasrückführung). In gewissen Grenzen regelbar, wird zudem systembedingt bei allen 4-Takt-Motoren das Abgas während des Ansaugtaktes durch ein offenes Auslassventil wieder angesaugt (interne Abgasrückführung).

Das bei beiden Varianten entstehende Gemisch aus Frischluft und Abgas besitzt einen, bezogen auf das Volumen, niedrigeren Sauerstoffgehalt und erreicht daher nicht mehr die für die Stickstoffoxidbildung erforderliche Temperatur im Brennraum.

Eine noch bessere Reduktion von Stickoxiden kann erreicht werden, wenn das Abgas vor der Beimengung in einem Abgasrückführungskühler gekühlt wird. Diese Kühlung wird aufgrund der zusätzlichen Kosten nur bei leistungsstärkeren Motoren durchgeführt.

Bei Ottomotoren wird die Abgasrückführung zudem bewusst zum Absenken des spezifischen Kraftstoffverbrauchs im Teillastbereich eingesetzt. Das Hinzufügen nicht brennbaren Gemisches ermöglicht es, bei gleicher gewünschter Motorleistung die Drosselklappe weiter zu öffnen und die Strömungsverluste an dieser Stelle zu verringern. Bei vernünftigem Einsatz einer Abgasrückführung kann der Verbrauch in der Teillast ohne Nachteile in der Fahrbarkeit um bis zu 5 % abgesenkt werden. Hierzu werden aber diagnostizierbare AGR-Systeme benötigt (Lagerückmeldung des offenen Ventilquerschnitts oder indirekte Überwachung über den Luftmassenmesser).

Da bei dieselbetriebenen Motoren die Rußpartikelemissionen stark vom Abgasrückführsystem beeinflusst werden, ist dort eine hohe Regelgenauigkeit erforderlich. Dies begründet den Einsatz eines zusätzlichen Sensors für die Ventilposition.

Die Abgasrückführung findet nur im Teillastbereich statt. Die maximalen Abgasrückführungsraten betragen bei Dieselmotoren etwa 60 %, bei Direkteinspritzer-Otto-Motoren etwa 50% und bei konventionellen Saugrohr-Ottomotoren etwa 20 %.

Die interne AGR wird über verstellbare Nockenwellen gesteuert.

Bei OBD-Fahrzeugen erfolgt die Überwachung der Abgasrückführung (je nach Fahrzeughersteller) über Temperaturfühler im Ansaugkanal, Druckfühler im Ansaugkanal oder Potentiometer am Abgasrückführventil. Die Sensoren melden dem Steuergerät, ob das System funktioniert. Bleibt die Rückmeldung aus, wird vom Steuergerät die OBD-Lampe angesteuert.

Verbreitung

Viele PKW mit Euro 3 Abgasnorm und zwingend alle PKW mit Euro 4 und Euro 5 Abgasnorm verfügen über ein System zur Abgasrückführung.

Im Nutzfahrzeugbereich ist bis zur Euro 3 Norm eine gekühlte AGR der Standard. Ab Euro 4, welche im Oktober 2005 für neu entwickelte Fahrzeugtypen zur Pflicht wurde, gibt es die gekühlte AGR zum Teil noch bei MAN und Scania. Andere Hersteller setzten auf das aufwendigere Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR), bei der zusätzlich wässrige Harnstofflösung (AdBlue®) getankt werden muss.

Zielkonflikte und Problemlösungen

Generell besteht ein Zielkonflikt zwischen geringen Ruß- und Stickoxid-Emissionen. Erstere entstehen vermehrt bei geringen Brennraumtemperaturen, während sich bei hohen Temperaturen deutlich mehr NO_x bildet. Auch die Leistung wird durch AGR negativ beeinflusst, die höchstmögliche Leistung kann mit Rücksicht auf die Stickoxid-Emissionen nicht erreicht werden.

Aus dem Einsatz niedriger Verbrennungstemperaturen folgt zudem ein Anstieg an Kohlenmonoxid und an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas. Eine Lambdasonde, die die Sauerstoffkonzentration im Abgas misst und entsprechend die Kraftstoffzufuhr regelt, kann diesen unerwünschten Effekt in Verbindung mit einem Fahrzeugkatalysator weitestgehend minimieren. Um diesen Zielkonflikt völlig zu umgehen und um die zukünftigen Abgasnormen zu erfüllen, werden bei modernen PKW vermehrt NOx-Speicherkatalysatoren eingebaut. Die meisten Nutzfahrzeughersteller setzen hingegen auf SCR. Dabei wird der Motor auf maximale Leistung und minimale Rußbildung optimiert, was beides nur bei hohen Verbrennungstemperaturen möglich ist. Das dadurch entstandene Stickoxid wird dann in einem zweiten Schritt im SCR-Katalysator zu Stickstoff und Wasser reduziert.

Mechanische Probleme

Vermehrte Rußansammlung im Abgasrückführventil führt häufig zum Defekt. Schlechte Gasannahme und schließlich starker Leistungsverlust oder erhöhter Verbrauch können dann die Folge sein, je nachdem, in welcher Position das Ventil stehen bleibt. Die meisten Fahrzeuge, die mit einem AGR System ausgestattet sind, zeigen den Defekt aber auch durch Aufleuchten von Motorkontroll- oder Werkstattlampe und durch Speichern eines Fehlercodes an. Um weiterhin die Abgasgrenzwerte der entsprechenden Euro Norm zu erfüllen, ist auf jedenfall ein Austausch nötig. Bei neueren Fahrzeugen mit Euro 4 und Euro 5 Norm ist mit gängigen Mitteln, im Gegensatz zu vielen PKW mit Euro 3 Norm, ohnehin keine Stilllegung des AGR-Ventils mehr möglich.

Quellen

• Kolbenschmidt Pierburg AG (pdf) Herstellerbroschüre mit Informationen zur Funktionsweise von AGR-Ventilen
• F. Schäfer, R. Basshuysen: Schadstoffreduzierung und Kraftstoffverbrauch von Pkw-Verbrennungsmotoren, Springer-Verlag Wien New York, 1993
• F. Schäfer, R. Basshuysen: Handbuch Verbrennungsmotor: Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven, Vieweg+Teubner Verlag, 2007
• Wallentowitz, Reif: Handbuch Kraftfahrzeugelektronik: Grundlagen, Komponenten, Systeme, Anwendungen, Springer-Verlag, 2006