Wie bleiben EGR und DPF am Motor sauber?

Häufige kurze Stadt Fahrten verweigern dem DPF die Selbstreinigung und verurteilen den Motor damit leise zum Verklemmen.
Häufige kurze Stadt Fahrten verweigern dem DPF die Selbstreinigung und verurteilen den Motor damit leise zum Verklemmen.

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EGR- und DPF/GPF-Systeme sind zwei sich ergänzende Emissionstechnologien, die dazu beitragen, dass der Motor sauber bleibt: Die EGR senkt die Verbrennungstemperatur, indem sie einen Teil des Abgases zurück in den Zylinder leitet, und verhindert so von vornherein die Bildung von Stickoxiden (NOx); der DPF sowie der GPF bei Benzinmotoren fangen die entstandenen Rußpartikel im Abgasstrang auf und verbrennen sie durch periodische Regeneration. Beide Systeme sind für die Sauberkeit ausgelegt, verstopfen jedoch mit der Zeit, weil sie insbesondere bei häufigen kurzen Stadtstrecken ihre Selbstreinigungszyklen nicht abschließen können.

Highlights

  • Die EGR führt bei Benzinmotoren typischerweise 5-15 % des Abgases zurück; bei Dieseln kann dieser Anteil unter bestimmten Bedingungen auf 50 % ansteigen.
  • NOx entsteht, wenn sich Stickstoff und Sauerstoff bei hohen Temperaturen verbinden; die EGR senkt diese Temperatur und reduziert so die Bildung von vornherein.
  • Damit der Ruß im DPF verbrannt wird, ist im Abgasstrang eine Temperatur von etwa 600 °C erforderlich.
  • Bei Fahrten unter 15-20 km erreicht der Motor selten die für die passive Regeneration erforderliche Temperatur.
  • Der GPF ist bei Benzinmotoren als wanddurchströmte keramische Wabenstruktur ausgeführt und wird in der Nähe des Katalysators oder in diesen integriert montiert.

Warum führt die EGR Abgas zurück in den Zylinder?

Auf den ersten Blick erscheint dies als widersprüchliche Idee: Warum sollen wir verbranntes Gas wieder in den Motor leiten, statt frische Luft? Die Antwort liegt in der Chemie. NOx entsteht, wenn sich Stickstoff und Sauerstoff bei den hohen Temperaturen im Brennraum verbinden. Je höher die Temperatur, desto stärker die Bildung. Das EGR-System verdünnt die Sauerstoffmenge im Zylinder, indem es einen Teil des Abgases mit der Ansaugseite mischt; nimmt der Sauerstoff ab, verringert sich auch die Menge des verbrannten Kraftstoffs, und die maximale Zylindertemperatur sinkt. Sinkt die Temperatur, wird die NOx-Bildung von vornherein verhindert.

Außerdem haben der Wasserdampf und das CO2 im Abgas eine andere Wärmekapazität als Luft, was die adiabatische Flammtemperatur weiter absenkt. Bei modernen Dieselmotoren wird das rückgeführte Gas in der Regel durch einen EGR-Kühler, also einen Wärmetauscher, geleitet. Dank der Kühlung kann eine höhere EGR-Rate verwendet werden und die Temperatur der in den Zylinder eintretenden Ladung bleibt niedrig.

Bei Benzinmotoren ist die Balance entscheidend: Die typische EGR-Rate liegt im Bereich von 5-15 % . Erhöht man die Rate über das erforderliche Maß hinaus, wird die Kontinuität der Flammenfront gestört; Zündaussetzer und unvollständige Verbrennung beginnen. Deshalb ist die EGR nicht unter allen Bedingungen aktiv: Bei hoher Last wird sie abgeschaltet, weil sie die Spitzenleistung verringert, im Leerlauf dagegen, weil sie die Verbrennung instabil macht. Bei Dieseln kann die Rate in Situationen mit Luftüberschuss, wie etwa im Leerlauf, deutlich höhere Werte erreichen. Beim Benziner hat die EGR auch Neben vorteile: Ein weiter geöffnetes Drosselklappenventil reduziert die Drosselverluste; Wärmeverluste und chemische Zersetzung nehmen ab.

Warum setzt sich das EGR-Ventil mit der Zeit zu?

EGR supabını tıkaran yalnızca kurum değil; sıcak egzoz gazı, yağ buharı ve taze hava manifolddaki katran benzeri tortunun ana malzemesidir.

Das AGR-System führt das Abgas ohne Filterung zurück. Die abrasiven Kohlenstoffpartikel im Gas lagern sich am Ventil ab; mit der Zeit verschmutzt das Ventil, schränkt den Durchfluss ein und kann vollständig klemmen. Ein verstopftes Ventil verhindert die NOx-Reduzierung und kann dazu führen, dass das Fahrzeug die Emissionstestung nicht besteht. Die Kohlenstoffablagerung stammt nicht nur vom Ruß aus dem Auspuff: Auch die Vermischung des heißen Abgases mit Öldämpfen aus dem Kurbelgehäuse speist den Belag. Wenn bei Diesel- und Benzinmotoren AGR mit der Kurbelgehäuseentlüftung (PCV) kombiniert wird, kann sich eine Mischung aus Abgas, Frischluft und Öldampf im Ansaugtrakt in zähe, teerartige Ablagerungen verwandeln.

Die praktische Konsequenz daraus ist klar: Das Meiden der Faktoren, die die Schlammbildung begünstigen, insbesondere die Verwendung von hochwertigem Kraftstoff, verlängert die Lebensdauer des Ventils. Auch thermische Probleme spielen bei AGR-Defekten eine Rolle; das System ist ständig hohen Temperaturzyklen ausgesetzt.

Wie der DPF Ruß einfängt: Wie funktioniert die Regeneration?

Das AGR-System hat einen Preis: Die Rückführung des Abgases in den Zylinder erhöht bei Dieselmotoren die Partikel- also die Rußemission. Genau deshalb ist der DPF in der Abgasanlage des Dieselmotors, stromabwärts des Motors, platziert. Der Filter fängt den Ruß ein; der angesammelte Ruß erzeugt jedoch einen Gegendruck im Auspuff, und dieser Druck senkt mit der Zeit die Kraftstoffeffizienz. Damit sich der Filter selbst schützen kann, muss er den eingefangenen Ruß verbrennen - dieser Vorgang wird Regeneration genannt. Das System arbeitet mit einem dynamischen Gleichgewicht zwischen eingefangenem und oxidiertem Ruß.

Der Unterschied zwischen passiver und aktiver Regeneration

Die passive Regeneration erfolgt ohne zusätzliches Eingreifen: Bei ausreichend hohen Temperaturen oxidiert die NO2-Komponente des NOx den Ruß im Filter bei normalen Betriebstemperaturen. Allerdings ist dieser Prozess nur teilweise wirksam und wird bei hohen AGR-Raten noch schwächer. Die aktive Regeneration hingegen ist ein Verbrennungsvorgang, bei dem das Steuergerät (ECU) eingreift: In den Oxidationskatalysator wird zusätzlicher Kraftstoff eingespritzt (ausgelöst durch eine Extraeinspritzung nach der Kraftstoffeinspritzung, also Post-Injection), die Abgastemperatur wird erhöht und die Partikel werden mit dem restlichen Sauerstoff im Abgas verbrannt. Der Ruß verwandelt sich in Asche und CO2.

Die nicht brennbaren metallischen und mineralischen Verunreinigungen im Kraftstoff und Motoröl können jedoch nicht durch Regeneration verbrannt werden; sie bleiben als Asche im Filter. Nach wiederholten Regenerationen muss der DPF ausgebaut und mit einem speziellen externen Verfahren gereinigt oder ausgetauscht werden. Die Regeneration managt den Ruß, aber nicht die Asche.

GPF bei Benzinmotoren: Was ist der Unterschied zu Diesel?

Der Partikelfilter ist nicht nur Dieselmotoren vorbehalten. Der GPF - auch als OPF oder PPF bekannt - fängt den feinen Ruß und die Partikel aus Benzinmotoren ab und stellt so die Einhaltung der Emissionsstandards sicher. Konstruktiv handelt es sich um einen keramischen Wabenkörper (Honeycomb-Filter), der typischerweise mit einem Wanddurchflussdesign (Wall-Flow) arbeitet: Während das Abgas den Filter durchströmt, werden die Partikel an den Zellwänden zurückgehalten. Die Einbauposition ist von Bedeutung: Der GPF wird nahe am Katalysator platziert oder mit diesem zu einem einzigen Gehäuse integriert. Dank dieser Position erwärmt sich die Abgasanlage schnell; das ist im Hinblick auf die Filtersauberkeit von Vorteil.

Warum belastet häufiger Stadtverkehr diese Systeme?

Die Voraussetzung für die Regeneration ist die Temperatur. Damit der DPF die angesammelte Rußmenge verbrennen kann, sind im Abgas etwa 600 °C erforderlich. Stadtverkehr mit weniger als 64 km/h verhindert das Erreichen dieser Temperatur; die passive Regeneration stoppt und die Rußansammlung im Filter beschleunigt sich. Bei Fahrten unter 15-20 km erreicht der Motor selten die Betriebstemperatur, die für die passive Regeneration nötig ist. Bei kurzen Fahrten beginnt die Regeneration entweder gar nicht oder wird vor Fahrtende abgebrochen. Wiederholte Kurzstrecken beeinträchtigen den DPF, weil das Fahrzeug die volle Abgastemperatur nicht erreicht oder die Regeneration nicht abschließen kann.

Dies ist eine Realität, die Nutzer von Dieselfahrzeugen häufig beklagen: Der Motor kann unter der Haube intakt sein, aber die Abgasanlage braucht regelmäßig Wärme. Ein Diesel, der nur auf Kurzstrecken genutzt wird, kann es so weit bringen, dass sein Filter sich nie selbst reinigt. Eine Frage, die dem Leser in den Sinn kommt, ist die vollständige Deaktivierung des Systems: In den Diskussionen um das EGR-Delete wird zwar mehr Leistung behauptet, doch das Entfernen des Systems erhöht die Verbrennungstemperaturen und kann den Motorverschleiß und die Turbobelastung steigern; die NOx-Emissionen steigen jedoch erheblich. Wird das EGR zudem nicht zusammen mit dem DPF entfernt, steigen die Rußlast im DPF und die Regenerationstemperaturen noch weiter - beide Systeme lassen sich nicht unabhängig voneinander betrachten.

Wie arbeiten Katalysator und die gesamte Abgasanlage zusammen?

Um das Gesamtbild zu vervollständigen, muss man sich das erste Glied der Kette ansehen. Der Katalysator ist eine Abgasreinigungsvorrichtung, die giftige Gase und Schadstoffe aus dem Motor in weniger toxische Stoffe umwandelt: Er reduziert Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide. Sowohl Benziner als auch Diesel nutzen diese Vorrichtungen zur Beseitigung der wichtigsten Schadstoffe. Bei den meisten modernen Dieselfahrzeugen arbeiten DPF und Katalysator zusammen, um die strengen Abgasvorschriften zu erfüllen.

Betrachtet man die gesamte Kette, so ist die Arbeitsteilung klar:

  • Das AGR - reduziert die NOx-Bildung im Zylinder von vornherein.
  • Katalysator / DOC - wandelt die Komponenten Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und NOx im Abgas um.
  • Der DPF - fängt den Ruß ein und reinigt sich durch Regeneration selbst.
  • Die SCR - wandelt mit der zugegebenen Harnstofflösung das in den Abgaström gelangende NOx in harmlosen Stickstoff und Wasser um.

Fällt ein Glied aus, lastet es auf dem anderen. Funktioniert die AGR nicht richtig, verlagert sich die NOx-Kontrolle außerhalb des Zylinders; kann die Regeneration nicht abgeschlossen werden, erstickt der Gegendruck den Motor. Was den Motor sauber hält, ist das Funktionieren dieser Kette als Ganzes.

Verkürzt oder verlängert die AGR die Lebensdauer des Motors?

Die Antwort auf diese Frage ist nicht eindeutig. Einerseits kann die rückgeführte Abgasmenge ohne Filter bei Dieselmotoren dazu führen, dass Ruß in den Zylinder gelangt, die Kolbenringe verschleißen und das Öl verschmutzt wird; aus dieser Sicht verkürzt die AGR die Motorlebensdauer. Andererseits kann die AGR den Motor schützen, da sie die Zylindertemperaturen senkt - insbesondere im Hinblick auf die Lebensdauer des Auslassventils. Die beiden Effekte wirken entgegengesetzt; welcher überwiegt, hängt von den Nutzungsbedingungen und davon ab, wie sauber das System gehalten wird. Auch beim Wirkungsgrad ist die Lage unübersichtlich: Beim Diesel kann AGR den thermodynamischen Wirkungsgrad verringern und die Partikelemission erhöhen; bei manchen Benzinmotoren kann sie den Wirkungsgrad hingegen steigern. Gekühlte AGR-Anordnungen werden mit einem Rückgang des Wirkungsgrades von rund 3 % in Verbindung gebracht. Aus all diesen Gründen bevorzugen es einige moderne Motoren, ihre Emissionsziele ganz ohne AGR zu erreichen - die Technologie ist kein zwingender Weg, sondern ein Instrument zur Balance.

Fazit: Sauber bleibt der Motor, der regelmäßig warm wird

AGR und DPF/GPF sind keine Alternativen, sondern Ergänzungen zueinander: Das eine unterdrückt die NOx-Bildung im Zylinder, das andere verbrennt den verbleibenden Ruß im Auslass. Der größte Feind von beiden ist derselbe: kurze und langsame Fahrten, bei denen die Abgastemperatur nie erreicht wird. Regelmäßiges Fahren ausreichender Strecken mit einem Dieselfahrzeug, die Verwendung hochwertigen Kraftstoffs und das Vermeiden von Bedingungen, die den Rußansatz begünstigen, sind die wichtigsten Voraussetzungen dafür, dass diese Systeme wie konzipiert funktionieren. Wenn das System verstopft ist, liegt die Lösung meist nicht in einer einmaligen Reinigung, sondern in einer Überprüfung der Nutzungsgewohnheiten.

Quellen