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Abgasrückführung

Die Abgasrückführung ist ein bei Verbrennungsmotoren (z. B. Ottomotoren und Dieselmotoren) vor allem im Teillastbetrieb inzwischen sehr häufig angewandtes Verfahren. Es bedeutet, dass der Verbrennungsluft ein Anteil von Abgas zugeführt wird; man spricht von einer Ladungsverdünnung. Dadurch wird die Verbrennungstemperatur abgesenkt, weil der Sauerstoffgehalt reduziert wird. Vor allem bei Dieselmotoren und Magermotoren (die mit Luftüberschuss arbeiten) trägt dies zur Senkung der Stickoxidemissionen bei. Ebenso werden Komponenten des Motors, z. B. ein Abgasturbolader, geschont. Der Effekt der Abgasrückführung ist am besten, wenn das Abgas vor dem Zuführen gekühlt wird.

Die Abgasrückführung als innermotorische Maßnahme kann unter Umständen den Aufwand der nachträglichen Abgasreinigung bei Dieselmotoren vermindern oder die Abgasqualität zusätzlich verbessern. Bei Ottomotoren kann vor allem auch der Wirkungsgrad im Teillastbetrieb u. U. erhöht werden, da die Zuluftmenge weniger stark gedrosselt werden muss, die Drosselverluste also abnehmen. (Besonders bei Motoren mit Direkteinspritzung wird heute praktisch immer eine Abgasrückführung verwendet.) Dagegen ist bei Ottomotoren die Stickoxidreduktion oft weniger relevant, da der Drei-Wege-Katalysator hierfür bereits recht effektiv ist.

Bei der Hochdruck-Abgasrückführung wird das Abgas direkt am Auslass des Motors, d. h. am Abgaskrümmer entnommen. Es hat dann einen relativ hohen Druck, was die Zufuhr auch bei Volllast erleichtert, aber auch eine hohe Temperatur, was unerwünscht ist. Im Bereich mittlerer und kleiner Last ist die Niederdruck-Abgasrückführung günstiger, wo das Abgas erst hinter dem Katalysator zurückgeführt wird. Auch eine Kombination von Hochdruck- und Niederdruck-Abgasrückführung ist möglich, um in allen Betriebszuständen eine optimale Effizienz und Abgasqualität zu erzielen.

Eine einfache Variante (nur bei Ottomotoren) ist die interne Abgasrückführung, die über eine entsprechende Ansteuerung des Auslassventils (im Rahmen einer variablen Ventilsteuerung) erreicht werden kann. Hier ist allerdings eine Kühlung des zugeführten Abgases nicht möglich.

Der Grad der Abgasrückführung muss sorgfältig gewählt werden. Meist wird sie über ein Abgasrückführventil entsprechend den jeweiligen Betriebsbedingungen (Leistung, Drehzahl) automatisch gesteuert. Wenn man beim Ottomotor zu viel Abgas zurückführt, kann die verminderte Flammengeschwindigkeit dazu führen, dass die Verbrennung nicht mehr vollständig und zuverlässig verläuft, so dass der Motor unrund läuft und die Emissionen unverbrannter Kohlenwasserstoffe zunehmen. Deswegen muss der Anteil des Abgases beispielsweise auf 15 % begrenzt werden. In manchen Fällen werden solche Probleme durch eine geschichtete Abgasrückführung vermieden, die es erlaubt, den Abgasanteil im Bereich der Zündkerzen bzw. der Einspritzventile geringer zu gestalten als anderswo. Solche und andere Maßnahmen erhöhen die sogenannte Restgasverträglichkeit.

Bei einfachen Zweitaktmotoren tritt vor allem im Teillastbetrieb eine ungewollt starke Abgasrückführung auf, die häufig zu unrundem Motorlauf und hohen Schadstoffemissionen führt.

Beim Dieselmotor kann es vor allem bei Volllast zu erhöhten Partikelemissionen (Rußbildung) und Kohlenmonoxidemissionen kommen. Dagegen ist im Teillastbetrieb (v. a. bei mittleren Drehzahlen) häufig ein recht hoher Grad der Abgasrückführung (z. B. 40 oder 50 %) möglich, da ohnehin ein großer Luftüberschuss auftritt.

Im Prinzip könnte man bei einem Benzinmotor statt des Zufügens von Abgas auch einen Luftüberschuss verwenden. Ein solcher Magermotor kann auch einen besonders hohen Wirkungsgrad erreichen. Allerdings funktioniert ein Dreiwege-Abgaskatalysator mit hohem Sauerstoffgehalt des Abgases nicht mehr, sodass man auf andere Verfahren zur Entstickung (Reduzierung der Stickoxid-Emissionen) zurückgreifen muss; dieses Problem lässt sich durch die Abgasrückführung vermeiden. Auch die Rohemissionen bzgl. Stickoxiden und unverbrannten Kohlenwasserstoffen können so geringer ausfallen.

Nachteilig ist aber bei der Abgasrückführung, dass die Zündfähigkeit bei einer Ladungsverdünnung mit Abgas stärker herabgesetzt wird als durch einen Luftüberschuss. Vor allem im Falle von Motoren mit Direkteinspritzung besteht außerdem die Gefahr der Bildung von Ablagerungen beispielsweise in den Einlasskanälen (siehe unten).

Technische Probleme; eingeschränkte Wirksamkeit des Verfahrens bei Dieselmotoren

Im April 2016 ist bekannt geworden [1], dass viele Hersteller von Dieselfahrzeugen den Grad der Abgasrückführung stark reduzieren, sobald die Außentemperaturen z. B. unter 10 °C oder 15 °C fallen. Der volle Effekt der Abgasrückführung ist also nur innerhalb eines gewissen Temperaturfensters verfügbar, welches im Praxisbetrieb leider häufig verlassen wird. Der Grund hierfür ist, dass bei starker Abgasrückführung auch bei tieferen Temperaturen Ablagerungen im Abgaskühler, am AGR-Ventil oder in den Einlasskanälen (eine Versottung) befürchtet werden, die unter Umständen sogar zu schweren Schäden am Motor führen könnten oder wenigstens kostspielige Reparaturen notwendig machen könnten. Ebenfalls könnte es zu Kondensation und in der Folge zu Korrosion an Bauteilen kommen. (Einige Hersteller hatten anscheinend tatsächlich erhebliche Probleme solcher Art, bevor sie den Grad der Abgasrückführung über die Motorsteuerung reduzieren ließen.) Leider wird damit aber die Wirksamkeit der Abgasrückführung für die Reduktion insbesondere der Stickoxidemissionen im praktischen Fahrbetrieb stark reduziert (insbesondere im Winter), während diese Problematik bei offiziellen Abgasmessungen (→ Messverfahren für Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte) wegen der dort höheren Temperaturen nicht relevant ist. Die Folge ist also, dass die Fahrzeuge im normalen Fahrbetrieb häufig sehr hohe Stickoxidemissionen aufweisen, obwohl sie die offiziellen Abgastests nach wie vor problemlos bestehen können. Die verminderte Abgasrückführung ist jedenfalls eines von mehreren technischen Problemen, die hinter dieser Problematik stecken.

Mehrere Hersteller haben im April 2016 dem deutschen Kraftfahrt-Bundesamt versprochen, das Problem durch Software-Updates der Motorsteuerung (anzubringen im Rahmen großer Rückrufaktionen) zumindest deutlich zu vermindern. Wenn dies problemlos möglich wäre, müsste man sich freilich fragen, warum dies nicht gleich so gemacht wurde. Es ist aber auch denkbar, dass Fälle mit Störungen des Motorbetriebs oder sogar schweren Schäden wieder vermehrt auftreten könnten. Anscheinend ist kein technisches Mittel bekannt, um die Abgasrückführung konsequent einsetzen zu können, ohne die genannten technischen Probleme zu erhalten. Daraus folgt, dass andere Methoden benötigt werden, um eine effektive Entstickung im Praxisbetrieb zu erzielen – beispielsweise SCR-Katalysator.

Die genannte Problematik scheint im Wesentlichen Fahrzeuge mit Dieselmotor zu betreffen; bei Fahrzeugen mit Benzinmotor ist eine effektive Entstickung der Abgase durch den üblicherweise eingesetzten Drei-Wege-Katalysator einfacher zu erreichen.

Siehe auch: Abgas, Verbrennungsmotor, Ottomotor, Dieselmotor, Stickoxide, Ventile beim Hubkolbenmotor, RP-Energie-Blog 2015-09-21