Systeme zur Reduzierung der Abgasemissionen von Dieselmotoren

Die Abgasrückführung (AGR) ist ein integraler Bestandteil des Steuerungssystems von Dieselmotoren, da sich ihre hohe Effizienz nach wie vor in hohem Maße positiv auf die Reduzierung der Stickoxidkonzentration (NOx) auswirkt. Bei der AGR werden Abgase in das Ansaugsystem des Motors eingeleitet, um die Sauerstoffmenge und die Verbrennungstemperatur zu verringern. Als inerte Gase enthalten die Abgase große Mengen an Wasserdampf. Dieser trägt dazu bei, die Temperatur des warmgelaufenen Motors zu senken, während bei einem kalten Motor die Abgasrückführung die Temperatur in den ersten Minuten des Betriebs effektiv erhöht. 

 

Es gibt zwei Grundtypen von Rückführungssystemen:

• Die Hochdruck-Abgasrückführung besteht darin, Abgase aus dem Auspuffkrümmer in den Ansaugkrümmer zu leiten.
• Die Niederdruck-Abgasrückführung besteht darin, die Abgase hinter dem Partikelfilter zu entnehmen und diese vor dem Turbolader einzuleiten.

2.1. Hochdruck-Rückführungssystem

Das Hochdruck-Rückführungssystem ist ein klassisches System, das in der Automobilindustrie eine lange Entwicklung durchlaufen hat. Heutige Rückführungssysteme sind aufwendig. Neben dem eigentlichen AGR-Ventil gibt es oft einen Abgaskühler und ein Schaltsystem, mit dem es abgeschaltet werden kann. Eine weitere wichtige Komponente ist eine Luftklappe, mit deren Hilfe die Motorsteuerung erzwingen kann, dass Abgase vermehrt zurückgeführt werden. Praktisch jeder moderne Pkw mit Dieselmotor verfügt über ein Abgasrückführungsventil, da es bereits im Motorbetrieb eine sehr hohe Effizienz bei der Reduzierung von Stickoxiden aufweist.

Die heißen Abgase aus dem Abgaskrümmer werden über das Ventil 7 zum Kühler 5 oder zum Zusatzventil 6 geleitet. Ist das Ventil 6 geschlossen, wird das Abgas über den Kühler geleitet. Ist das Ventil 6 geöffnet, umgeht das Abgas den Kühler. Im Motortemperaturbereich bis etwa 30 °C ist es von Vorteil, den Abgaskühler zu umgehen, um die Brennkammer schneller aufzuheizen. Der Steuerungsalgorithmus kann je nach System variieren, da in vielen Fällen der Abgaskühler zur Erwärmung des Kühlschmierstoffs für die Innenraumheizung verwendet wird. Bei hohen Betriebstemperaturen und hoher Motorlast ist der Betrieb des Kühlers notwendig, da er die Temperatur des zirkulierenden Abgases senkt und so dessen Volumen verringert. Dieses Verfahren ist äußerst vorteilhaft für niedrige Stickoxidemissionen und wirkt sich gleichzeitig positiv auf den Verbrennungsprozess aus, der Motor läuft viel leiser und „weicher“. Die in den Ansaugkrümmer eingeleiteten Abgase führen zu einer Verringerung der durch das Ansaugsystem des Motors angesaugten Luftmenge. Die Motorsteuerung registriert die Volumenänderung der Luftmasse mit Hilfe des Durchflussmessers (Nr. 10) und nimmt Anpassungen am Betrieb des AGR-Ventils vor. Reicht die Abgasmenge nicht aus, schließt die Motorsteuerung die Luftklappe und erzwingt einen zusätzlichen Abgasstrom. Wenn der Motor unter Last steht, muss die Abgasrückführung abgeschaltet werden, da diese den Turbolader stören würde und der Motor in diesem Fall die maximale Luftmenge benötigt. Wenn der Motor unter Last steht, steigen die Stickoxidemissionen sprunghaft an.

 

2.2. Niederdruck-Abgasrückführungssystem

Bei Euro-6-konformen Fahrzeugen wird neben dem Hochdruck-Rückführungssystem auch ein Niederdruck-Rückführungssystem eingesetzt. Das bedeutet, dass rückgeführtes Abgas aus dem Abgassystem entnommen und vor dem Turbolader in das Ansaugsystem des Motors geleitet wird (Abb. 2).

Die Abgase werden vor dem Verdichtungsrad des Turboladers eingeleitet und müssen daher sehr sauber sein. Daher ist für eine AGR dieses Typs ein zusätzlicher Filter erforderlich. Diese Aufgabe wird von dem bereits verwendeten Partikelfilter (Komponente 6) übernommen. Auch bei diesem System wird ein Abgaskühler (9) verwendet. Dieser kann jedoch nicht abgekoppelt (umgangen) werden, sondern ist fest eingebaut. Das AGR-Ventil ist in Form einer Abgasdrossel (8) vorhanden. Aufgrund des geringen Druckunterschieds zwischen dem Auspuffrohr und dem Kompressoreinlass wird eine so genannte Abgasstauklappe eingesetzt, um das Abgas zum richtigen Durchströmen zu zwingen. Wenn der Motor unter Last läuft (Turboladerbetrieb), wird die Abgasklappe abgeschaltet. Die Steuerung des Abgasstroms erfolgt mithilfe des Massendurchflussmessers. Bei Systemen mit gemischter Betriebsweise (Niederdruck-AGR + Hochdruck-AGR) gibt es einen zusätzlichen „Differenzdrucksensor für die Niederdruck-Rückführungssystem“, der zwischen dem Auslass des Partikelfilters und dem Einlass des Kompressors angebracht ist.

Je nach DTC-Fehlercode kann es sich um eine Durchflussstörung, eine mechanische Blockade, ein falsches Signal des Positionssensors, eine zu niedrige oder zu hohe Ausgangsspannung und vieles mehr handeln.  Nachfolgend finden Sie eine Beispielliste von DTC-Fehlercodes im Zusammenhang mit dem Abgasrückführungssystem.

3.1. Auswertung der Fehlercodes DTC P0400 - P0402

Die Fehlercodes (DTCs) von P0400 bis P0402 beziehen sich auf einen abweichenden Durchfluss. Die Diagnose dieser Fehler basiert hauptsächlich auf dem Betrieb des Massendurchflussmessers. Das Motorsteuergerät vergleicht die gemessene Luftmasse mit einer Referenz-/Mustermasse, die aus dem Steuerkennfeld des AGR-Ventils abgeleitet wird (Abbildung 4). Das Kennfeld des AGR-Ventils hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Die Eingänge sind: Motordrehzahl und Kraftstoffdosierung in mg/Zyklus, während der Ausgang die erforderliche Luftmasse ist, ebenfalls in mg/Zyklus. Die Motorsteuerung öffnet das AGR-Ventil, um diese Massen auszugleichen. Liegt eine Störung vor, die zur Unterbrechung des Durchflusses beiträgt (Kohlenstoffablagerung, verstopfter Kühler, defekte AGR-Drosselklappe), zeichnet das Motorsteuergerät den entsprechenden Fehlercode (DTC) auf.

3.2. Auswertung der Fehlercodes DTC P0403 - P0404

Die Fehlercodes (DTCs) P0403 und P0404 beziehen sich auf die Mechanik des AGR-Ventilantriebs. Nach der Ansteuerung eines elektrischen PWM-Signals mit variabler Polarität (Gleichstrom-Elektromotor, der den Ventilmechanismus bewegt) analysiert das DC-Antriebsmodul im Motorsteuergerät die Stromaufnahme des Motors und bestimmt seine Position mithilfe eines eingebauten potentiometrischen Positionssensors. Wenn die Stromaufnahme des Elektromotors für den Antrieb des AGR-Ventilmechanismus zu niedrig oder zu hoch ist, erkennt das Motorsteuergerät den Fehler P0403. Dies kann nicht nur durch den Defekt im AGR-Ventil selbst, sondern auch durch eine Fehlfunktion in der Elektronik verursacht werden. Der Fehler P0404 tritt auf, wenn die erforderlichen Spannungswerte des Ventilstellungssensors während der Endstop-Prüfung nicht erreicht werden. Der Test der Endpositionen des Stellantriebs wird sehr häufig durchgeführt, zum Beispiel nach dem Abstellen des Motors und der Zündung.

 

3.3. Weitere Diagnoseprobleme im AGR-System

 

Wenn die durchgeführte Diagnose einen Defekt des Abgasrückführungsventils ergeben hat, der einen Austausch erforderlich macht, ist zu bedenken, dass das Motorsteuergerät die Effizienz des gesamten AGR-Systems diagnostiziert und dass dieses aus weiteren Komponenten besteht, die ebenfalls überprüft werden sollten. Bei der Diagnose des AGR-Systems sind unter anderem folgende Komponenten zu beachten: flexible Schläuche, Abgaskanäle, Abgaskühler, Luftklappe und Massendurchflussmesser. Bei Fahrzeugen mit kombinierter Rückführung kommen noch weitere Komponenten hinzu: die Abgasklappe, der Ladeluftkühler, der Partikelfilter mit Abgasdrucksensor, der Differenzdrucksensor für die Niederdruck-Abgasrückführung und das Niederdruck-AGR-Ventil selbst. Alle diese Komponenten können eine Reihe von Fehlercodes erzeugen, daher muss darauf geachtet werden, dass diese ordnungsgemäß funktionieren.

 

Nach dem Austausch des AGR-Ventils muss mit einem Diagnosetester eine Anpassung erfolgen, damit die Motorsteuerung die Betriebsbereiche der eingebauten Komponente neu „lernt“. Wird das System nicht angepasst, kann das AGR-Ventil schnell wieder beschädigt werden. 

Wie wird die ordnungsgemäße Funktion der Abgasrückführung überprüft?

 

Sobald wir den Aufbau und die Funktionsweise des Rückführungssystems kennen, können wir uns auf die Analyse seiner Funktionsweise konzentrieren. Dazu ist ein Diagnosetester erforderlich, mit dem viele, möglichst alle, Messwerte, sogenannte Echtzeitparameter (Ist-Werte), ausgelesen werden können. Die Analyse kann im Stillstand und während der Fahrt durchgeführt werden. Im Diagnosegerät sollten Sie zum Beispiel nach folgenden Parametern suchen:

 

• Sollwert der Luftmasse 
• Messwert der Luftmasse (vom Durchflussmesser)
• Ansaugkrümmerdruck (Ladedruck)
• Sollwert des Ladedrucks
• Geöffnete Stellung des HD-AGR-Ventils (Hochdruck)
• Geöffnete Stellung des ND-AGR-Ventils (Niederdruck)
• Stellung der Abgasklappe (für Niederdruck-AGR)
• Kraftstoffeinspritzdosierung – Lambda-Verhältnis (Breitband-Lambdasonde)
• NOx-Konzentration (falls eine NOx-Sonde vorhanden ist)
• Erforderlicher Abgasstrom für das Hochdruck-Rückführungssystem (kommt bei bestimmten Typen vor)
• Erforderlicher Abgasstrom für das Niederdruck-Rückführungssystem (kommt bei bestimmten Typen vor)
• Tatsächlicher Abgasstrom für das Hochdruck-Rückführungssystem (kommt bei bestimmten Typen vor)
• Tatsächlicher Abgasstrom für das Niederdruck-Rückführungssystem (kommt bei bestimmten Typen vor)
• Zylinderladung (relevant für Niederdruck-Rückführungssysteme)

Zusätzlich zu diesen Elementen gibt es viele andere, die indirekt von der Abgasrückführung betroffen sind. 

 

Die richtige Analyse der detaillierten Parameter, die in Hochdruck-AGR, Niederdruck-AGR und kombinierte Systeme unterteilt sind, wird in späteren Artikeln einer Serie über Abgasnachbehandlungssysteme erläutert.

 

Quellen:

^[1] Konrad Reif. : Diesel Engine Management Systems and Components, Bosch Fachinformation Automobil, Springer Fachmedien Wiesbaden 2014.