Ab Gas Ruck Fuh Rung

7/23/2019 Ab Gas Ruck Fuh Rung

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Gino Decoster ([email protected]) Seite 1

Hintergrundwissen

Die Abgasrckfhrung

Die ersten externen Abgasrckfhrungssysteme (AGR) kamen in den achtziger Jahren auf demMarkt und sind heute mehr den je notwendig um die strengen Abgasnormen Euro 4, 5 und 6 zuerfllen. Die neusten Abgasrckfhrungen werden elektronisch gesteuert und sind meist zustzlichmit einem Abgaskhler versehen.

Heutige Dieselmotoren haben im Vergleich zum Benzinmotoren einen 25 bis 35 % niedrigerenKraftstoffverbrauch und einen 22 bis 31 % geringer CO2-Aussto. Jedoch stt der Dieselmotorwesentlich mehr Russpartikel (PM) und Stickoxide (NOx) aus. Damit der Aussto an Schadstoffenbegrenzt wird, hat der Gesetzgeber stufenweise Grenzwerte erlassen. In Europa wurden dieersten Grenzwerte fr den Partikelaussto im Juli 1992 mit der Euro 1 eingefhrt. Der Grenzwertbetrug damals 0,18 g/km und darf bei der heutigen Euro 4, maximal 0,025 g/km betragen. MitEinfhrung der Euro 5 im September 2009 sinkt der Wert auf 0,005 g/km. Die Begrenzung derNOx-Emissionen wurde in Europa erst im Januar 2001 mit Einfhrung der Euro 3 eingefhrt. DerGrenzwert betrug 0,50 g/km. Dieser Grenzwert betrgt heute 0,25 g/km und betrgt 0,180 g/km beiEinfhrung der Euro 5 (Bild 1).

Bild Decoster

Bild 1 Abgasgrenzwerte fr Pkw.

Die Problematik fr die Motorentwickler besteht darin, eine Reduzierung aller Schadstoffe zuerreichen, obwohl ihre Entstehung durch unterschiedliche Ursachen hervorgerufen wird.

Beispielsweise, hat eine bessere Verbrennung einen geringeren Partikelaussto zur Folge, erhhtjedoch die NOx-Emissionen (Bild 2). Einige innermotorische Vernderungen reduzierengleichzeitig unter bestimmten Voraussetzungen diese beiden Schadstoffe: Optimierte Brennrume,verbesserte Kraftstoffeinspritzung und die Abgasrckfhrung.

Bild Decoster

Bild 2 Gratwanderung: Nur in einem kleinen Verbrennungsbereich arbeiten Dieselmotoren auch ohne Nachbehandlungdes Abgases recht umweltfreundlich.


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Mit Einfhrung der Euro 3 wurde bei allen Pkw-Dieselmotoren die externe Abgasrckfhrungeingesetzt, reduziert sie doch sehr wirksam und konomisch die NOx-Emissionen imTeillastbereich (Bild 3). AGR-Systeme wurden vorher meistens nur in Verbindung mitleistungsstarken Benzinmotoren verwendet.

Hinweis: Eine interne Abgasrckfhrung lsst sich durch Ventilberschneidung mit verstellbarenNockenwellen realisiert.

Bild Mercedes

Bild 3 AGR-Ventil eines Mercedes 280 von 1985. Die Abgasrckfhrung ist eine erprobte und bewhrte Methode zurSchadstoffreduzierung.

Das AGR-System leitet einen Teil der Auspuffgase zum Ansaugkrmmer zurck. Sie besteht ausmindestens einem Verbindungsrohr aus rostfreiem Stahl und ein Ventil, dass das ffnen undSchlieen der Rckfhrungsverbindung im Volllastbereich begrenzt (Bild 4). Die im Folgendenbeschriebenen anderen Einrichtungen ergnzen das System.

Bild BMW

Bild 4 Schema einer Abgasrckfhrung beim BMW 2;0 Diesel (N47).


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Funktion der Abgasrckfhrung beim DieselmotorStickoxide entstehen in groer Menge bei Sauerstoffberschuss und hohenVerbrennungstemperaturen (oberhalb 1800 C). Die R ckfhrung von sauerstoffarmem undkohlendioxidhaltigem Abgas verdrngt Frischluft im Ansaugrohr und senkt den Sauerstoffanteil derFrischgase, wodurch die Verbrennungsgeschwindigkeit abnimmt. Die hhere Wrmekapazitt desAbgases gegenber Frischluft senkt die Verbrennungstemperatur, da das vorhandeneKohlendioxid ein Teil der Verbrennungswrmemenge absorbiert. Durch das Verkleinern desSauerstoffanteils und das Absenken der Verbrennungstemperatur reduzieren sich die

Verbrennungstemperatur und damit die Abgastemperatur von den blichen 700C bis auf 500C.Durch die Absenkung der Verbrennungstemperatur entsteht ein groer Teil der Stickoxide garnicht mehr.

Was die anderen Schadstoffemissionen anbelangt, kann eine hohe Abgasrckfhrungsrate denAnteil an Kohlenmonoxid (CO) und an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) im Abgas durchLuftmangel im Zylinder ansteigen lassen. Dieser zustzliche Anteil kann durch die Behandlung ineinem Oxydationskatalysator reduziert werden. Die Abgasrckfhrung hat auch einen direktenEinfluss auf die Entstehung von Russpartikeln. Der Motorentwickler muss entweder einenKompromiss zwischen der Bildung von NOx und Partikeln finden, oder den Einbau eines Diesel-Partikelfilters akzeptieren damit ein optimierter Verbrennungsablauf den NOx Anteil bestmglichreduziert.

Die Abgasrckfhrung erfolgt im Teillastbereich bis etwa 3000 1/min wobei ein hoherLuftberschuss vorhanden ist. Die Abgasrckfhrung erfolgt auch manchmal im Leerlauf, jedochmit begrenzter Dauer. Eine Rckfhrung der Abgase bei Volllast wrde wegen des erzeugtenLuftmangels zur Schwarzrauchbildung und zu Leistungsverlust fhren (Bild 5). DieRckfhrungsphasen werden durch das ffnen und Schlieen des AGR Ventils, das durch dasMotorsteuergert geregelt wird, bestimmt.

Bild VW

Bild 5 Abgasrckfhrungsrate bei einem 5-Zylinder-Motor TDI von Volkswagen.

Bei einem Saugmotor ist der Druck der Abgase beim Verlassen des Zylinders im Verhltnis hherals auf der Ansaugseite (Unterdruck) wodurch keine Durchflussprobleme verursacht werden. Beiaufgeladenen Motoren ist der Abgasdruck im Auspuff manchmal im Teillastbereich unzureichend.Es ist deshalb notwendig zwischen dem Lader und dem Einstrmen der rckgefhrten Abgase,den Ansaugkanal durch eine Saugdrossel teilweise zu verschlieen (Bild 4). Eine andereMglichkeit wre, den Ladedruck zu senken.


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Gekhlte AbgasrckfhrungGekhltes Abgas senkt die Verbrennungstemperatur und erhht die Dichte des Abgases, wodurchAbgasrckfhrungsraten von 60 % mglich sind. Der AGR-Khler hat sich mit Einfhrung der Euro4 bei Dieselmotoren durchgesetzt. Die Abgastemperatur die beim Eintritt, je nach Lastzustand desMotors, zwischen 400C und 700C betrgt, kann so b ei den leistungsfhigsten Systemen auf 150C abgekhlt werden (Bild 6).

Bild BMW

Bild 6 AGR-Einheit mit Bypasskanal eines BMW 2,0 Diesel. Das Abgas wird vor dem Eintritt in das Ansaugrohr mitKhlmittel gekhlt. 1 = AGR-Khler; 2 = Stellungssensor; 3 = AGR-Ventil; 4 = Heies Abgas; 5 = Unterdruckdose der

Umschaltklappe; 6 = Einstrmen der Khlflssigkeit; 7 = Ausstrmen der Khlflssigkeit; 8 = Gekhltes Abgas.

Der Wrmeaustauscher verwendet das Khlsystem des Motors. Die Khlmittelpumpe lsst dasKhlmittel durch den Khlmantel zirkulieren, der die Auspuffgase umschliet.

In Verbindung mit der Euro 4 werden immer mehr geschaltete AGR-Khler verwendet. Dies istnotwendig, um bei kaltem Motor einen schnelleren Anstieg der Katalysatortemperatur zu erreichenund so die CO- und HC-Werte schneller umzuwandeln. Parallel zum AGR-Khler gibt es einenBypass der durch eine unterdruckgesteuerte Klappe komplett geffnet oder verschlossen wird(Bild 7).

Hinweis: Durch die AGR-Khlung besteht eine neue Schnittstelle zwischen Abgas und Khlmittel,wodurch Khlflssigkeit im Abgasstrom gelangen knnte oder Abgase in denKhlmittelkreislauf.

Bild BMW

Bild 7 Funktionsprinzip eines geschalteten AGR-Khlers. Ab 60 C Khlmitteltemperatur schaltet die Klappe um.


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Ansteuerung AbgasruckfhrungsventilDie Steuerung der ersten Abgasrckfhrungsventile erfolgte pneumatisch oder elektromagnetisch.Ein elektrisches Magnetventil steuert den Unterdruck zu einer membranbettigten Unterdruckdose(Bilder 8). Diese Ausfhrung isolierte den elektrischen Teil von dem mit hohen Temperaturenausgesetztem AGR-Ventil.

Bild Renault

Bild 8 AGR-Ventil eines Renault Scenic 1,9 dCi. 1 = Gehuse; 2 = Eingang Abgase; 3 = Ausgang Abgase; 4 =Unterdruckanschluss; 5 = Membrane; 6 = Sekundrkammer; 7 = Kontaktfeder; 8 = Rckhaltefeder.

Das Magnetventil erhlt ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM). Das AGR ist geschlossen beieinem Tastverhltnis von 10% und offen bei einem Tastverhltnis von 90%. Ebenso ist es mglicheine bestimmte Rckfhrrate der Auspuffgase einzustellen. Im Fehlerfall, bei Kabelbruch oder beifehlendem Unterdruck ist das AGR-Ventil durch die Rckhaltefeder verschlossen. Im weiteren

Verlauf wurden auch AGR-Ventile mit einem Positions-Sensor versehen, wodurch eingeschlossener Regelkreis mglich war, dies fhrte zu einer genaueren Abgasrckfhrrate.

Seit Euro 3 wird vermehrt die Funktion des AGR-Ventils vom Motorregelungssystem berprft(Geschlossener Regelkreis). In den meisten Fllen verwendet das Motorsteuergert dazu dasSignal des Luftmassenmessers und/oder wie oben beschrieben einen Weggeberpotentiometer.Die gemessene Luftmasse dient als Rckmeldesignal. Bei geffnetem AGR-Ventil wird ein Teil dernormalerweise angesaugten Frischluft durch Abgase ersetzt, wodurch die zu messende Luftmasseentsprechend absinkt. Das AGR-Ventil wird so angesteuert, dass je nach Betriebszustand desMotors (Ladedruck, Drehzahl und Einspritzmenge) der Sollwert des Luftmassenmessers laut AGR-Kennfeld erreicht wird.

Hinweis: Bei defektem Luftmassenmesser wird meist ein zu geringer Luftmassenstrom gemeldet.Fr den AGR-Regelkreis sieht das so aus, als wenn das AGR-Ventil schon etwasgeffnet wre. Im Ergebnis wird die Abgasrckfhrrate daher um den Betrag reduziert,den der Luftmassenmesser zuwenig meldet.

Mit Einfhrung der Euro 4 wurde vermehrt eine elektrische Ansteuerung verwendet. Die einfachsteAusfhrung besteht aus einem simplen Elektromagneten der eine Drehscheibe bettigt. DasVerlangen der Motorentwickler nach noch genaueren Steuerungen der Abgasrckfhrungsrate,fhrte jedoch dazu, dass das unterdruckgesteuerte Magnetventil durch einen elektrischen Antriebersetzt wurde. Der elektrische Antrieb wandelt durch ein inneres Getriebe die Drehbewegung ineine Lngsbewegung um (Bilder 9 + 10).


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Bild Mahle/Decoster

Bilder 9 + 10 Elektrisches AGR-Ventil (links). Das elektrisch angesteuerte AGR-Ventil ist beim DW-10 Motor von PSAdirekt am Zylinderkopf angeflanscht (rechts).

Bei den elektrisch angesteuerten AGR-Ventilen wird mitunter nach jedem Abstellen des Motorsvom Motorsteuergert ein Reinigungsmodus aktiviert, wobei das AGR-Ventil (durch maximaleAnsteuerung des Gleichstrommotors) von vollstndig geffneter in vollstndig geschlossenerPosition gefahren wird (Bild 11).

Bild Decoster

Bild 11 Man sieht deutlich den eingeleiteten Reinigungszyklus (DPFEGR) nach Abstellen des Motors (RPM = 0 1/min),der verhindert soll das sich AGR-Ventil festsetzt und dient gleichzeitig zur Adaptierung des Schliepunktes.

Mit steigender Betriebszeit des Motors ist es dennoch mglich, dass sich durch vorbeistrmendenAbgase Reststoffe am Ventilsitz des AGR-Ventils anlagern wodurch sich der mechanische


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Schliepunkt des AGR-Ventils verschieben knnte. Aus diesem Grund wird der Schliepunkt inregelmigen Abstnden neu adaptiert.

Hinweis: Wird ein neues AGR-Ventil eingebaut, muss das Motorsteuergert meist auf das neueVentil angelernt werden. Dies geschieht mittels eines Diagnosegertes im ArbeitsmodusAnpassung oder Grundeinstellung.

Mechanische, thermische und chemische BelastungenDas AGR-Ventil befindet sich in einem Bereich, in dem es hohen thermischen, mechanischen oderchemischen Belastungen ausgesetzt ist. Die hufigsten Beanstandungen werden durch einfesthngendes Ventil verursacht (Bild 12). Dies entsteht in den meisten Fllen durch eineAnhufung von Kohlenstoff (Verkokung), hervorgerufen durch ldmpfe (lverlust im Bereich desZylinderkopfes oder des Turbolasers, verschlissene Kolbenringe, zu hoher lstand, ).

Bild Decoster

Bild 12 Das Bild zeigt die Auswirkungen eines blockierten AGR-Ventils im voll geffneten Zustand. Verbrennen dieKohlenwasserstoff im Kraftstoff unvollstndig, entsteht der unerwnschte Dieselru.

Ein hoher Russanteil in den Abgasen kann ebenfalls das Ventil blockieren. Eine andere Ursache

ist das Phnomen, dass sich eine Lackschicht bildet, die sich auf allen Oberflchen absetzt,hchstwahrscheinlich hervorgerufen durch niedrige Verbrennungstemperaturen und dieAnwesenheit von Wasser oder bei bestimmten Temperaturen ausdampfende und beim Erkaltenerstarrende Motorladditive (Bild 13). Kraftstoff minderwertiger Qualitt kann die Korrosionbeschleunigen.

Hinweis: Wenn das AGR-Ventil dauernd offen bleibt, sinkt die angesaugte Frischluftmasse durchden hohen Abgasanteil. Das Steuergert nimmt daraufhin die Einspritzmenge und damitdie Motorleistung zurck.


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Bild Heusdens

Bild 13 Eingeschrnkte Arbeitsweise eines elektromotorisch angesteuerten AGR-Ventils. AGR-Ventil mit starkenAblagerungen (rechts), im Neuzustand (links) und bei normalem Einsatz (mitte).

Eine andere Beanstandung, welche durch das AGR hervorgerufen werden kann ist einBeschleunigungsloch. Dies entsteht durch ein verzgertes Schlieen des Ventils, wodurch wenigerAbgase die Turbine des Turboladers durchstrmen. Mitunter wird auch ein mechanischesKlickgerusch des Ventils festgestellt, das durch eine falsche Ansteuerung verursacht wird.

Zwei Konzepte stehen zur ffnung des Ventils zur Auswahl: entweder entgegen derGasflussrichtung (wie bei einem Auslassventil), oder in Gasflussrichtung.

Ventil mit ffnung inGasflussrichtung

Ventil mit ffnung entgegen derGasflussrichtung

Vorteile Geringe Verschmutzung desVentilschaftes.Geringe Fllungsverluste.Geringere Neigung zur Verkrustung.

Das Ventil schliet unter dem Druck der Abgase.

NachteileVerlangt eine hhere Kraft zumSchlieen, wegen des Abgasdrucks.

Verschmutzung des Ventilschaftes.Fllungsverluste die den maximalen Druchfluss,durch Anwesenheit des Ventilschaftes,begrenzen.

Auch bei Kurzstreckenfahrer, die ihr Fahrzeug meist nur im Teillastbereich betreiben, kann es imLaufe der Zeit problematisch werden. Die im Ansaugtrakt zurckgeleitete Russmenge aus den

Abgasen vermischt sich mit den normalen ldmpfen aus der Kurbelgehuseentlftung zu einerschmierigen schwarzen Masse, die sich im Ansaugkrmmer und auf den Einlassventilen absetzt,den Ansaugquerschnitt erheblich verengen und dadurch die Motorleistung verringern kann. Wenndies zwischen den Zylindern ungleichmig geschieht, kann zudem "relativer Luftmangel"einzelner Zylinder entstehen, die dann verstrkt Ru produzieren, was das Anwachsen vonAblagerungen im Ansaugtrakt noch weiter beschleunigen kann.

Stellt das Motorsteuergert Strungen im AGR-System fest, wird die Abgasrckfhrungabgeschaltet und ein Fehler im Fehlerspeicher abgelegt was nicht dazu fhren muss, dass dieMotorleuchte aufleuchtet. Ab Euro 4 (2006) muss ein gesetzter Fehlercode die MIL-Leuchteaktivieren.


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berprfung der AbgasrckfhrungAllgemeine Prfung: Bei einigen Systemen wird die Position des AGR-Ventils durch das

Motorsteuergert gemessen. Mit einem Diagnosegert kann man ber dasAuslesen der Parameter bei laufendem Motor, die einwandfreie Funktion desVentils berprfen. Ein festhngendes Ventil wird so relativ schnellfestgestellt.Durch das Auslesen der Parameter kann der prozentuale Anteil der AGR-Steuerung und die gemessene Luftmasse (Falls mglich Soll- und Istwert)

miteinander verglichen werden und Aufschluss ber die einwandfreieFunktion des AGR-Ventils geben. Wird das AGR-Ventil angesteuert musseine kleinere Luftmasse gemessen werden.

Sichtprfung: Wird das AGR-System ber Unterdruck gesteuert, knnen die Unterdruckleitungendurch eine Sichtprfung kontrolliert werden. Bei elektrischen Ansteuerungenmssen die Steckverbindungen und Leitungen berprft werden.Das mechanische AGR-Ventil kann lediglich im ausgebauten Zustand einwandfreigeprft werden ob es nicht fest hngt oder gebrochen ist.

Stellglieddiagnose: Durch die Stellglieddiagnose knnen die elektrischen Umschaltventile oder dieelektrisch angesteuerten Stellmotoren z.B. durch fhlen oder hren berprft

werden. Schaltet es nicht hr- oder fhlbar, ist es auf innere Verschmutzung,Undichtigkeiten und elektrische Funktion hin zu prfen. Anschlieend wird dieUnterdruckversorgung des Druckwandlers mit dem Manometer gemessen.

Hinweis: Falls man vermutet, dass das AGR-Ventil sporadisch fest hngt, kann man bei lterenSystemen (Euro 3), ein geeignetes selbstangefertigtes Blechstck am Flansch zwischendem AGR-Ventil und dem Ansaugkrmmer einbauen. Tritt die Beanstandung bei deranschlieenden Probefahrt nicht mehr auf, mssen die Teile des AGR-Systemsgereinigt werden und das AGR-Ventil auf Verkokung geprft werden.

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