Abgasrückführung

Aufbau eines Abgasrückführventils

Die Abgasrückführung (AGR) wird zur Minderung der Emission von Stickoxiden (NO_x) verwendet, welche bei der Verbrennung von Kraftstoff in Ottomotoren, Dieselmotoren, Gasturbinen, Heizkesseln usw. entstehen. Beim motorischen Verbrennungsprozess ist es aus Umweltgründen sinnvoll, bereits früh die Entstehung von Stickoxiden während der Verbrennung zu vermindern bzw. zu reduzieren. Denn alleine mit Maßnahmen der Abgasnachbehandlung (selektive katalytische Reduktion, NOx-Speicherkatalysator), die zu einer chemischen Reduktion der Stickoxide führen, sind die vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte nicht einhaltbar, das gilt insbesondere nach Einführung der Euro-VI-Grenzwerte im September 2014. Bei Dieselmotoren ist die Abgasrückführung eine der wichtigsten Maßnahmen zur Senkung der Stickoxidemissionen. Bei Otto-Motoren trägt die Abgasrückführung zu einer Senkung der Ladungswechselverluste bei und reduziert damit auch den Kraftstoffverbrauch. Bei einer geschichteten AGR wird das rückgeführte Abgas bewusst inhomogen verteilt, mit dem Ziel, im Kernbereich der Verbrennung einen geringeren Abgasanteil zu haben ^[1].

Zielsetzung

Bei der Beschreibung der Zielsetzung muss zwischen Otto- und Dieselmotoren unterschieden werden. Grundsätzlich jedoch gilt folgender Zusammenhang: Bei der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum eines Verbrennungsmotors werden die Kohlenwasserstoff-Moleküle des eingesetzten Kraftstoffs mit Luftsauerstoff oxidiert. Der eingesetzte Sauerstoff wird – theoretisch – vollends aufgebraucht, so dass sich im Abgas nahezu keine Sauerstoff-Moleküle mehr befinden.

Wird der eingesetzten Reinluft Abgas zugemischt, sinkt die Sauerstoffkonzentration des Gemisches. Bleibt die Menge des eingesetzten Kraftstoffs nun unverändert, wird wegen der geringeren Sauerstoffkonzentration nicht jedes Kraftstoffmolekül während der kurzen Zeitspanne des Verbrennungsprozesses einen Reaktionspartner finden können und bleibt demnach zumindest teilweise unverbrannt. Um nun trotzdem eine vollständige Reaktion herbeizuführen, muss eine größere Menge Reinluft eingesetzt werden und demzufolge eine größere Ladungsmasse durch die Energiefreisetzung aufgeheizt werden. Dadurch sinkt die Reaktionsgeschwindigkeit und die Verbrennungstemperatur.

Laut dem Zeldovich-Mechanismus hängt die Reaktionsgeschwindigkeit der Stickoxidbildung jedoch exponentiell von der Verbrennungstemperatur ab. Daher sinkt die Stickoxidbildung im beschriebenen Zusammenhang. Wird das rückgeführte Abgas zusätzlich gekühlt, wird dieser Effekt noch verstärkt.

Dieselmotoren

Die Anwendung der AGR beim Dieselmotor ist seit jeher geprägt von dem Zielkonflikt, geringe Stickoxidemissionen bei gleichzeitiger Minimierung der Partikelemissionen zu gewährleisten. Hohe Abgasrückführraten ziehen geringe Stickoxidemissionen nach sich, fördern jedoch die Bildung von Rußpartikeln während der Verbrennung. Da beides durch die bestehenden Abgasnormen, beispielsweise die zur Zeit in Europa gültige Norm Euro 5, limitiert ist, gilt es hier genau abzuwägen, wie viel Abgas der Verbrennung wieder zugeführt werden kann. Bei steigender Motorlast nimmt die Neigung des Dieselmotors zur Emission von Rußpartikeln zu. In solchen Betriebszuständen ist also dafür Sorge zu tragen, dass die zusätzlich rußfördernde hohe Rückführrate zurückgenommen wird, um sichtbare Rußausstöße – etwa bei einer Beschleunigung des Fahrzeugs – zu vermeiden. Hierfür ist das Motormanagement verantwortlich. Eine schnelle Erfassung des jeweiligen Motorbetriebspunktes und eine schnelle Ansteuerung des Rückführventils ermöglichen eine zeitgerechte Anpassung der Rückführrate. Dies ist nur möglich, wenn die Konstruktion des Rückführventils solch schnelle Reaktionen ermöglicht. Mit einer pneumatischen Ansteuerung, wie sie früher üblich war, oder einer elektromagnetischen Betätigung, ist man möglicherweise nicht schnell genug. Will man trotzdem auf ein solches Konzept bauen, etwa aus Kostengründen, muss man generell die Höhe der Rückführraten begrenzen und versuchen, die Stickoxide mit anderen Maßnahmen zu begrenzen.

Ottomotoren

Beim Ottomotor ist die Zielsetzung für den Einsatz eines Abgasrückführsystems eine andere. Hier steht nicht die Minimierung von Schadstoffausstoß im Vordergrund, sondern die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Dieser wird, insbesondere bei Teillast, durch die Ladungswechselverluste beeinflusst.

Im Teillastbetrieb eines konventionellen Ottomotors erzeugt die Drosselklappe einen Unterdruck im Ansaugkanal, wodurch die angesaugte Luftmasse sinkt und die Motorleistung demzufolge reduziert ist. Gleichzeitig nimmt der thermodynamische Wirkungsgrad des Motorprozesses ab und die Ladungswechselarbeit zu. Das ist seit jeher das Prinzip der Leistungsregulierung beim Ottomotor. Durch Zumischung von Abgas wird für eine gegebene Kraftstoffmenge die Drosselung der Reinluft stark verringert, folglich werden die zugehörigen Verluste (Ladungswechselverluste) größtenteils vermieden.

Handelt es sich um einen Ottomotor mit direkter Einspritzung in den Brennraum, erfolgt die Verbrennung im Teillastbetrieb von vorneherein bei Luftüberschuss, d.h. mit weit geöffneter Drosselklappe. Hierdurch sind die Drosselverluste bereits weitgehend minimiert, der Verbrauch bereits reduziert. Ein zündfähiges Gemisch befindet sich nur rings um die Zündkerze. In diesen Betriebszuständen hat die AGR eine ähnliche Wirkung wie beim Dieselmotor: die Verbrennungstemperatur wird abgesenkt und die Stickoxidemissionen verringert.

Funktionsweise

Verlauf der Schadstoffkonzentrationen im Abgas als Funktion vom Verbrennungsluftverhältnis λ

Abgasrückführventil des Opel Astra H (CDTI)

Starke Verrußung führte zum Defekt des AGR

Bei hohen Verbrennungstemperaturen entstehen im Motor umweltschädliche Stickoxide. Je höher die Verbrennungstemperaturen im Zylinder sind und je länger der Zeitraum oberhalb 2300 K Verbrennungstemperatur, desto höher ist auch der Anteil von Stickoxiden im Abgas. Dieser Zusammenhang wird in den Gleichungen des Zeldovich-Mechanismus beschrieben. Ein entscheidendes Kriterium ist dabei das Verbrennungsluftverhältnis, wie man nebenstehender Grafik entnehmen kann. Unterhalb eines stöchiometrischen Luftverhältnisses λ = 1 (also bei fetten Gemischen) ist der NOx-Anteil sehr gering, weil die Sauerstoffmoleküle für die Oxidation der Kohlenstoff- und Kohlenwasserstoffmoleküle benötigt werden. Bei Luftverhältnissen oberhalb λ = 1 (also bei zunehmend mageren Gemischen) steigen zunächst die Stickoxidemissionen deutlich an, denn zum einen wächst das Angebot an Sauerstoff, zum anderen steigen die Verbrennungstemperaturen an. Je größer das Luftverhältnis λ eingestellt ist, desto größer ist auch das Sauerstoffangebot, allerdings sinkt die Verbrennungstemperatur bei weiter steigendem Luftverhältnis wieder. Das Maximum ist in der Grafik bei λ = 1,1 erreicht. Wird in diesem Beispiel der Motor noch magerer betrieben, fallen die Stickoxidanteile aufgrund der sinkenden Verbrennungstemperatur wieder.

Durch Zuführen eines inerten Gases wird die Entstehung von Stickoxiden gesenkt. Ein solches inertes Gas ist beispielsweise Abgas, von dem ein kleiner Teil zurück in den Brennraum geleitet wird. Die schnelle Oxidation von Kraftstoffmolekülen wird durch das Vorhandensein von Abgasmolekülen behindert. Die Temperaturspitzen und die NO_x-Emissionen werden somit abgesenkt. Unterstützt wird dieser Effekt durch die höhere Wärmekapazität der Hauptbestandteile des Abgases Kohlendioxid und Wasser (in gasförmigem Zustand)^[2].

Das Abgas wird in den Ansaugraum zurückgeführt, indem ein Teil über ein Rohr der angesaugten Frischluft zugemischt wird. Der Anteil des zurückgeführten Abgases darf aber auch nicht zu hoch werden, da ansonsten die Partikelemission (Ruß) zu stark ansteigt. Die Grenze ist dabei von Last und Drehzahl des Motors abhängig. Die Regelung der Rückführung übernimmt ein außerhalb des Motors angebrachtes Abgasrückführventil (externe Abgasrückführung). In gewissen Grenzen regelbar wird zudem systembedingt bei allen 4-Takt-Otto-Motoren das Abgas während des Ansaugtaktes durch ein offenes Auslassventil wieder angesaugt (interne Abgasrückführung). Bei Dieselmotoren ist dies nicht möglich, da sie keinen Schadraum oberhalb des Kolbens, sondern eine Kolbenmulde aufweisen, so dass trotz der Ventiltaschen eine notwendige Ventilüberschneidung nicht darstellbar ist. Daher verfügen Dieselmotoren ausschließlich über externe AGR.

Da die rückgeführten Abgase der sogenannten heißen bzw. HD(Hochdruck)-AGR hohe Temperaturen aufweisen (bis zu 400 °C), würde es durch die Zumischung des inerten Abgases zur Frischluft im Saugrohr zu verringerten Luftmassen kommen. Dies hat zur Folge, dass die Füllung abnimmt, der Motor mit geringerem Luftverhältnis arbeitet und zudem die mittlere Temperatur der Frischladung zunimmt. Dies wäre kontraproduktiv. Euro-3-Konzepte verfügten noch über eine nicht gekühlte AGR. Fahrzeuge ab Euro 4 besitzen meist eine gekühlte AGR-Strecke. Dies gilt vor allem für schwerere Fahrzeuge. Mittlerweile existieren aber weitaus aufwendigere AGR-Konzepte. So ist die ND(Niederdruck)-AGR eine AGR-führende Strecke, die nach dem Dieselpartikelfilter (DPF) und vor dem Verdichter dargestellt wird. Damit handelt es sich um eine, weil weiter hinten im Abgasstrang entnommen, kühlere und vor allem partikelarme AGR. Hierdurch lassen sich zwei Nachteile der HD-AGR beseitigen. Zum einen wird die Ansaugluft nicht durch sehr warmes Abgas erwärmt und die Füllung vermindert, zum anderen wird der Abgasmassenstrom vor Turbine des Abgasturboladers (ATL) nicht reduziert, was eine Beibehaltung der hohen Abgasenthalpie ermöglicht, so dass der ATL besser anspricht und ein besserer Gaswechselprozess möglich ist. Nachteilig wirkt sich bei der ND-AGR aus, dass der Verdichter durch Kondensat, das aufgrund von Taupunktsunterschreitung des Abgases entsteht, stark beschädigt werden kann. Um dies zu verhindern, muss gesichert sein, dass das Wasser des Abgases nicht vor dem Verdichter kondensiert, sondern deutlich zuvor und abgeschieden wird.

Schließlich sind Euro-6-Motorkonzepte angedacht, die eine gekühlte ND-AGR-Strecke und aufgrund von dynamischen und Kaltstart-Aspekten eine ungekühlte HD-AGR-Strecke aufweisen.

Bei Ottomotoren wird die Abgasrückführung bewusst zum Absenken des spezifischen Kraftstoffverbrauchs im Teillastbereich eingesetzt. Das Hinzufügen nicht brennbaren Gases ermöglicht es, bei gleicher gewünschter Motorleistung, die Drosselklappe weiter zu öffnen und die Strömungsverluste an dieser Stelle zu verringern. Bei gezieltem Einsatz einer Abgasrückführung kann so der Verbrauch eines Ottomotors in Teillast mit nur geringen Nachteilen in der Fahrbarkeit abgesenkt werden. Hierzu, und zur grundsätzlichen AGR-Regelung, werden entsprechende Einrichtungen nötig. Die Lagerückmeldung dient dabei zur reinen Vorsteuerung der AGR-Rate, die eine Funktion von Druck und Temperatur vor der Turbine ist. Zur tatsächlichen Regelung der Luftmasse braucht es stets einen Luftmengen- oder Luftmassenmesser (HFM) und/oder gute Luftmassenmodelle, die eine Steuerung ermöglichen.

Die Abgasrückführung findet nahezu nur im Teil- und Mittellastbereich statt. Je schwerer das Fahrzeug, desto höher das Lastspektrum. Nutzfahrzeuge bedienen sich der AGR auch an der Vollast. Neue ottomotorische Konzepte kennen ebenso die Vollast-AGR als Alternative zur Anfettung. Die maximalen Abgasrückführungsraten betragen bei Dieselmotoren etwa 60 %, bei Direkteinspritzer-Otto-Motoren etwa 50 % und bei konventionellen Saugrohr-Ottomotoren etwa 20 %.

Die interne AGR (allein Ottomotoren) wird heute über verstellbare Nockenwellen gesteuert. Bei älteren Nockenwellenantrieben ohne Verstellung ist die interne AGR – soweit überhaupt vorhanden – konstruktiv festgelegt.

Bei Fahrzeugen mit On-Board-Diagnose (OBD) erfolgt die Überwachung der Abgasrückführung (je nach Fahrzeughersteller) über HFM (Luftmengenabweichung), über die Lagerückmeldung des AGR-Ventils und zum Teil über weitere Druck- und Temperatursensorik im Saugrohr, so vorhanden. Die Sensoren melden dem Steuergerät, ob das System regelt und aktuiert. Bleibt die Rückmeldung aus, wird vom Motormanagement bzw. vom Motorsteuergerät die MIL = (Malfuntion Indicator Light = Motorfehlerkontrollleuchte) im Kombiinstrument aktiviert.

Verbreitung

Viele PKW mit Euro-3-, die meisten mit Euro-4- und zwingend alle PKW mit 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 eine 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, welche 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 die selektive katalytische Reduktion (engl.: 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 jeden Fall 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.

Einzelnachweise

Quellen

• Kolbenschmidt Pierburg AG (pdf) Herstellerbroschüre mit Informationen zur Funktionsweise von AGR-Ventilen (563 kB)
• 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.
• Reif Wallentowitz: Handbuch Kraftfahrzeugelektronik: Grundlagen, Komponenten, Systeme, Anwendungen. Springer-Verlag, 2006.