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Abgas

  

Die Abgasrückführung - Das AGR Ventil

Abgasrückführung = AGR; engl.: EGR = Exhaust Gas Reduction

Aufgabe, Funktion der Abgasrückführung (AGR / EGR), Prüfung des Abgasrückführventils

Aufgabe Abgasrückführung

Bei hohen Verbrennungstemperaturen (über 1800°C) entstehen im Motor zunehmend umweltschädliche Stickoxide. Um diese zu reduzieren, muss bei der Abgasrückführung die Verbrennungstemperatur gesenkt werden.

Mit Hilfe der Abgasrückführung wird die Entstehung von NOx bei Otto- oder Dieselmotoren verringert.

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Um dies zu erreichen, wird bei der äußeren Abgasrückführung ein Teil des Abgases über ein Rohr zurück zur Saugseite geführt und dort dem Frischgas beigemischt. Die Regelung hierzu übernimmt ein außerhalb des Motors angebrachtes Abgasrückführventil

Systembedingt wird während des Ansaugtaktes etwas Abgas durch das offene Auslassventil wieder angesaugt (siehe interne Abgasrückführung).

Wie wirkt sich die AGR aus?

Die Rückführung von sauerstoffarmem und kohlendioxidhaltigem Abgas verdrängt Frischluft im Ansaugrohr und senkt den Sauerstoffanteil der Frischgase, wodurch die Verbrennungsgeschwindigkeit abnimmt. Die höhere Wärmekapazität des Abgases gegenüber Frischluft senkt die Verbrennungstemperatur, da das vorhandene Kohlendioxid ein Teil der Verbrennungswärmemenge absorbiert. Man könnte auch sagen: Das Abgas nimmt nicht an der Verbrennung teil, muss aber jedoch mit aufgeheizt werden. Als Folge sinkt die Verbrennungstemperatur.

Durch das Verkleinern des Sauerstoffanteils und das Absenken der Verbrennungstemperatur reduzieren sich die Verbrennungstemperatur und damit die Abgastemperatur von den üblichen 700°C bis auf 400°C. Durch die Absenkung der Verbrennungstemperatur entsteht ein großer Teil der Stickoxide erst gar nicht mehr.

Eine Absenkung der Verbrennungstemperatur hat immer eine Verringerung des NOx-Anteils im Abgas zur Folge!
 Abgasrückführung AGR Schema

Schematische Darstellung der Abgasrückführung (Bosch)

 

AGR Ventil Pierburg

AGR Ventil Pierburg

Die Abgasrückführung findet nur im Teillastbereich statt, da hier der Motor besonders mager läuft. Bei Kaltstart, Warmlauf und Volllast ist eine Abgasrückführung nicht sinnvoll. Die Abgasrückführung erfolgt manchmal auch im Leerlauf, jedoch nur mit begrenzter Dauer. Eine Rückführung der Abgase bei Volllast würde wegen des erzeugten Luftmangels zur Schwarzrauchbildung und zu Leistungsverlust führen.

AGR Schema BMW

AGR Schema BMW

Kühlung AGR

Eine noch bessere Reduktion von Stickoxiden kann erreicht werden, wenn das Abgas vor der Beimengung in einem Abgasrückführungskühler gekühlt wird. Das Abgas wird vor dem Eintritt in das Ansaugrohr durch das Kühlmittel gekühlt. Diese Kühlung wird aufgrund der zusätzlichen Kosten nur bei leistungsstärkeren Motoren durchgeführt. Seit der Einführung von Euro 4 ist es jedoch bei vielen Dieselmotoren Standard geworden. 

Bei kaltem Motor will man jedoch einen schnelleren Anstieg der Katalysatortemperatur erreichen, um die CO- und HC-Werte schneller umzuwandeln. Deshalb werden häufig geschaltete AGR-Kühler verwendet. Ein Bypass parallel zum AGR-Kühler, der durch eine unterdruckgesteuerte Klappe komplett geöffnet oder verschlossen wird, wird dies erreicht.

AGR BMW

 1 = AGR-Kühler; 2 = Stellungssensor; 3 = AGR-Ventil; 4 = Heißes Abgas; 5 = Unterdruckdose der Umschaltklappe; 6 = Einströmen der Kühlflüssigkeit; 7 = Ausströmen der Kühlflüssigkeit; 8 = Gekühltes Abgas

Saugrohrklappe

Bei aufgeladenen Motoren ist der Abgasdruck im Auspuff manchmal im Teillastbereich unzureichend. Es ist deshalb notwendig zwischen dem Lader und dem Einströmen der rückgeführten Abgase, den Ansaugkanal durch eine Saugrohrklappe (s. Bild AGR Schema BMW) teilweise zu verschließen.

Rückführrate

Die Rückführrate des Abgases darf auch keinen Fall zu hoch sein, da sonst das Gemisch zu wenig Sauerstoff erhält und es sich zu viele Kohlenwasserstoffe (HC) bilden würden. Die maximalen Abgasrückführungsraten betragen bei Dieselmotoren etwa 60 %, bei Direkteinspritzer-Otto-Motoren etwa 50% und bei konventionellen Saugrohr-Ottomotoren etwa 20 %.

Positiver Nebeneffekt: Bei Ottomotoren bewirkt die gesteuerte und überwachte Abgasrückführung ein Absenken des spezifischen Kraftstoffverbrauchs um bis zu 5%. Das Hinzufügen nicht brennbaren Gemisches ermöglicht es nämlich, bei gleicher gewünschter Motorleistung die Drosselklappe weiter zu öffnen und die Strömungsverluste an dieser Stelle zu verringern. 

Steuerung AGR 

Die Steuerung der AGR-Ventile kann mechanisch, elektropneumatisch oder elektrisch erfolgen.

Elektropneumatische Steuerung AGR

Ein elektrisches Magnetventil steuert den Unterdruck zu einer membranbetätigten Unterdruckdose. Diese hat den Vorteil dass der elektrischen Teil von dem mit hohen Temperaturen ausgesetztem AGR-Ventil abgekoppelt ist. Das Magnetventil selbst wird durch ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM) angetaktet. Das AGR ist geschlossen bei einem Tastverhältnis von 10% und offen bei einem Tastverhältnis von 90%. Dadurch kann eine bestimmte Rückführrate der Auspuffgase eingestellt werden. Im Fehlerfall, bei Kabelbruch oder bei fehlendem Unterdruck ist das AGR-Ventil durch die Rückhaltefeder verschlossen.

. AGR System

AGR-System mit AGR-Ventil und EPW oder wahlweise mit EDW

Im weiteren Verlauf wurden auch AGR-Ventile mit einem Positions-Sensor (Lagerückmeldung) versehen, wodurch ein geschlossener Regelkreis möglich ist, was zu einer noch genaueren Abgasrückführrate führt.

Bei OBD-Fahrzeugen, wird das AGR-System vom Steuergerät überwacht und aktiviert. Die Abgase werden vom Motor über das getaktete AGR-Ventil angesaugt. Dadurch ändert sich die Ansaugtemperatur am NTC im Saugrohr. Somit weiß das Steuergerät, dass das AGR System in Ordnung ist. Bleibt der Temperatursprung aus, wird vom Steuergerät die MIL Fehler-Lampe angesteuert. Als Rückmeldungssensoren, werden auch der Luftmassenmesser, Drucksensoren, oder Potentiometer verwendet.

Rückmeldung per Luftmassenmesser

Bei geöffnetem AGR-Ventil wird ein Teil der normalerweise angesaugten Frischluft durch Abgase ersetzt, wodurch die zu messende Luftmasse entsprechend absinkt. Das AGR-Ventil wird nun so angesteuert, dass je nach Betriebszustand des Motors (Ladedruck, Drehzahl und Einspritzmenge) der Sollwert des Luftmassenmessers des AGR-Kennfelds erreicht wird.

Defekter Luftmassenmesser: Es wird meist ein zu geringer Luftmassenstrom gemeldet. Für den AGR-Regelkreis sieht es nun so aus, als wenn das AGR-Ventil schon etwas geöffnet wäre. Im Ergebnis wird die Abgasrückführrate daher um den Betrag reduziert, den der Luftmassenmesser zu wenig meldet.

Arten der Ansteuerung 

Die Ansteuerung des AGR-Ventils, erfolgt je nach Ausführung des AGR-Systems über

  • Mechanische Druckwandler, 

  • Elektro-Pneumatische Druckwandler (EPW) 

  • Elektrische Druckwandler (EDW). 

Es können aber auch Elektro-Umschaltventile (EUV) oder Thermoventile verbaut sein. 

Die Funktion von EPWs ist ähnlich einem "Dimmer" im elektrischen Stromkreis zu verstehen. Aus Unterdruck und Atmosphärendruck wird im EPW ein Mischdruck (Steuerdruck) gebildet, über den pneumatische Steller (Unterdruckdose beim Turbo bzw. AGR-Ventil) stufenlos eingestellt werden können. 

Elektrische Ansteuerung

 Das unterdruckgesteuerte Magnetventil wird hier durch einen elektrischen Antrieb ersetzt. Der elektrische Antrieb wandelt durch ein inneres Getriebe die Drehbewegung in eine Längsbewegung um.

Bei manchen elektrisch angesteuerten AGR-Ventilen wird nach jedem Abstellen des Motors vom Motorsteuergerät ein Reinigungsmodus aktiviert, wobei das AGR-Ventil von vollständig geöffneter in vollständig geschlossener Position gefahren wird.

 

 AGR Schema

1 Saugrohr, 2 Klappenstutzen, 3 Luftfilter, 4 Elektrischer Druckwandler, 5 Steuergerät, 6 AGR-Ventil mit Temperaturfühler, 7 Auspuffkrümmer, 8 Katalysator

Videoanimation AGR System von Audi

 

Interne Abgasrückführung

Bei allen Motoren kommt die interne Abgasrückführung durch die Überschneidung der Ventilöffnungszeiten an den Zylindern zustande.

Große Ventilüberschneidungen durch früheres Öffnen des Einlassventils erhöhen die innere Abgasrückführung und können daher zu einer NOx-Absenkung beitragen.

Da das zugeführte Abgas das vorhandene Frischgas verdrängt, führt ein frühes Öffnen des Einlassventils aber auch zu einer Absenkung des maximalen Drehmoments.

EEine zu hohe Abgasrückführrate im Leerlauf kann zu Verbrennungsaussetzern führen, die einen Anstieg der HC-Emissionen verursachen. Bei Motoren mit verstellbarer Nockenwelle (Variable Steuerzeiten) können die Überschneidung der Ventilöffnungszeiten und damit die interne Abgasrückführung durch das Motorsteuergerät verändert werden.

 

Defektes AGR-System

Ein defektes Teil im Abgasrückführsystem führt im Allgemeinen zu einer deutlichen Verschlechterung der Abgaswerte. 

Darüber hinaus kann es zu einer Verschlechterung des Fahrverhaltens führen (Leerlaufprobleme, Ruckeln, Leistungsverlust, Motor geht in Notlauf). 

Bei jeder Beanstandung und bei jeder Abgasuntersuchung (AU) ist daher auch das Abgasrückführsystem zu prüfen.

Vermehrte Rußansammlung (Verkokung), hervorgerufen durch Öldämpfe (z.B. Ölverlust im Bereich des Zylinderkopfes oder des Turboladers, verschlissene Kolbenringe, zu hoher Ölstand) im Abgasrückführventil führt häufig zum Defekt durch ein festhängendes Ventil.

Schlechte Gasannahme und schließlich starker Leistungsverlust oder erhöhter Verbrauch können dann die Folge sein, je nachdem, in welcher Position das Ventil stehen bleibt.

Wenn das AGR-Ventil dauernd offen bleibt, sinkt die angesaugte Frischluftmasse durch den hohen Abgasanteil. Das Steuergerät nimmt daraufhin die Einspritzmenge und damit die Motorleistung zurück

Die meisten Fahrzeuge, die mit einem AGR System ausgestattet sind, zeigen den Defekt aber auch durch Aufleuchten von Motorkontroll- oder Werkstattlampe (OBD) und durch Speichern eines Fehlercodes an.

 

 defektes AGR Ventil

Defektes Elektrisches AGR-Ventil - durch ölhaltige Ablagerungen verklebt (Ursache möglicherweise stark ölhaltige Ansaug- oder Ladeluft, häufige Kurzstreckenfahrten im Winter usw.)

Wie kfztech.de durch Werkstattmeister versichert wurde, hat seit Einführung von Euro 5 die Verkokung des AGR-Ventils stark zugenommen. Seit der EU 5 soll es schon teilweise Fälle geben, bei denen bereits nach 20.000 km ein spürbares Ruckeln und spätestens bei 50.000 km die Motorkontrolle aufgrund eines Luftmassenfehlers angeht. 

Video Ausbau, Zerlegung und Reinigung eines AGR-Ventils am Beispiel Toyota

Prüfung des AGR

Ein AGR-Ventil kann im Prinzip relativ einfach auf Funktion und Dichtheit geprüft werden. Am Beispiel eines AGR-Ventils von Pierburg soll dies exemplarisch verdeutlicht werden. Grundsätzlich sollte beim Aufleuchten der Fehlerlampe (MIL) die Werkstatt aufgesucht werden. 

Zuvor sollte jedoch eine Sichtprüfung der systemrelevanten Bauteile durchgeführt werden. Dazu sollten alle Unterdruckleitungen auf Dichtheit, richtigen Anschluss oder Knickung geprüft werden (Marderproblematik!).  Außerdem sollte ein Blick auf die elektrischen Stecker am Druckwandler geworfen werden.

Bei Einmembranausführungen (Pierburg) wird bei "Motor aus" mit der Handunterdruckpumpe eine Druckdifferenz von ca. 300 mbar  erzeugt (Diesel 500 mbar). Diese darf innerhalb von 5 min. nicht abfallen. Bei betriebswarmen Motor im Leerlauf wird ebenfalls eine Druckdifferenz von ca. 300 mbar erzeugt. Der Leerlauf muss sich nun deutlich verschlechtern bzw. der Motor kann ausgehen. 

Bei Einmembranausführungen mit Temperaturfühler (NTC) wird dieser aus dem Ventil herausgedreht und der Widerstand gemessen (Sollwerte: bei 20°C >1000 kΩ, 70°C 160-280 kΩ, 100°C 60-120 kΩ). Zum Erwärmen Thermopistole benutzen oder evtl. in heißes Wasser (80-100°C) halten. Das Signal des Temperaturfühlers wird nur zur Diagnose der Abgasrückführung durch das Steuergerät genutzt. Anhand des Signals erkennt die Eigendiagnose Fehler im AGR-System. Im Regelfall wird hier ein Fehlercode gesetzt. 

Abgasrückführventil (AGR-Ventil) 

Abgasrückführventil mit Temperaturfühler Einmembranausführung (Otto-Motor)

Zur Unterscheidung der Unterdruckanschlüsse bei Zweimembranausführungen sind diese mit Farb-Kennringen versehen, die je nach Fahrzeug unterschiedlich kombiniert sind (z.B. rot und braun, rot und blau oder schwarz und braun). An rot oder schwarz liegt die Unterdruckquelle an, die das AGR-Ventil öffnet. Im Zweifelsfall ausprobieren. Die Prüfung erfolgt analog zur Einmembranausführung.

Bei Einmembranausführungen mit Poti-Lagerückmeldung wird die Membran wie beschrieben geprüft. Am Potentiometer wird der Gesamtwiderstand an Pin 2 und 3 gemessen (Sollwert: 1,5 kΩ - 2,5 kΩ). Der Schleifer-Widerstand wird an Pin 1 und 2 gemessen, dabei wird mit der Handunterdruckpumpe das AGR-Ventil langsam geöffnet. Der Widerstandswert steigt dabei stetig an (Sollwert: von < 700 Ω auf 1,5 kΩ - 2,5 kΩ).

Prüfung mit Tester

Durch das Auslesen der Parameter (Messwertblock / Istwerte) kann der prozentuale Anteil der AGR-Steuerung und die gemessene Luftmasse (Falls möglich Soll- und Istwert) miteinander verglichen werden und Aufschluss über die einwandfreie Funktion des AGR-Ventils geben. Wird das AGR-Ventil angesteuert muss eine kleinere Luftmasse gemessen werden. Bei einigen Systemen mit Lagerückmeldungwird auch die Position des AGR-Ventils durch das Motorsteuergerät gemessen.

Durch eine Stellglieddiagnose können die elektrischen Umschaltventile oder die elektrisch angesteuerten Stellmotoren z.B. durch Fühlen oder Hören überprüft werden.

Hochdruck AGR / Niederdruck AGR

Die auf dieser Seite beschriebene Abgasrückrührung wird auch als Hochdruck-AGR bezeichnet. Hierbei wird das Abgas noch vor der Turbine des Turboladers und vor dem Katalysator entnommen und nach dem Ladeluftkühler (und Drosselklappe) eingeleitet. Wenn das Abgas nach dem Katalysator entnommen wird und vor dem Verdichter des Turboladers wieder zugeführt wird, spricht man vom Niederdruck AGR. Der Vorteil des Niederdruck-AGR-Systems liegt in einer höheren Abgasrückführrate, die dadurch eine weitere Senkung der Stickoxide ermöglicht.

Niederdruck AGR

Niederdruck-AGR Baukasten von Mann+Hummel (Grafik: Mann+Hummel)

Sämtliche Funktionsbauteile des ND-AGR von Mann+Hummel sind in einem modularen System vereint worden, was die Effizienz steigert (Bild). Der Baukasten besteht aus AGR-Mischer, Kondensatabscheider, AGR-Filter, integrierter Ansaugluftdrossel oder wahlweise Kombi-Ventil für Luft- und AGR-Drosselung.

Die Autohersteller nutzen immer mehr die Kombination aus Hochdruck-AGR und Niederdruck-AGR, um sämtliche Vorteile beider Systeme ausschöpfen zu können.

HD/ND-AGR

Kombination aus Hochdruck- und Niederdruck-AGR ( Grafik: Mann+Hummel)

 

Quelle: Pierburg, Hella, Bosch, BMW, ZAWM (Decoster), Mann+Hummel,



Autor: Johannes Wiesinger

bearbeitet: 27.05.2016

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