Innovationen bei Nutzfahrzeugmotoren durch verschärfte Abgasgrenzwerte

Frischluft und Abgas gut vermischen: An modernen Euro-6-Motoren, wie dem D13K von Volvo findet sich neben anderen Komponenten zur Schadstoffreduzierung auch ein AGR-Mixer. Zur Begriffserklärung: AbBlueNozzle (AdBlue-Dosiereinheit), 7th injector (Einspritzdüse für Diesel zur DPF-Regeneration, Closed Loop Butterfly (Klappe Motorbremse), Diesel Oxidation Catalyst (Katalysator), EGR-Mixer (AGR-Mixer), Slip Cat (Vorkatalysator). Foto: Volvo

Durch verschärfte Abgasgrenzwerte finden sich immer neue Komponenten an Nutzfahrzeugmotoren – KRAFTHAND-Truck stellt zwei davon näher vor. Um den Schadstoffausstoß im Allgemeinen zu reduzieren und vor allem um den richtigen Trimm für die ab 2014 für Fahrzeuge über 3,5 t geltende Euro 6 zu erreichen, setzen die Nutzfahrzeughersteller auf einen Mix an technologischen Maßnahmen. Beispielsweise kommen an entsprechenden Triebwerken der sogenannte AGR-Mixer und (in Zukunft) der Abgasmassenstromsensor zum Einsatz.

Welchen Vorteil die beiden Komponenten in Hinblick auf reduzierten Schadstoffausstoß mit sich bringen und wie sie arbeiten erklärt KRAFTHAND-Truck.
Um beim Verbrennungsprozess entstehende Schadstoffe zu reduzieren gibt es mehrere, teils ineinandergreifende Ansätze: Natürlich trägt einerseits die Abgasnachbehandlung via Partikelfilter, Oxikat und SCR-System dazu bei. Andererseits versuchen die Hersteller das Übel schon an der Wurzel zu packen. Was nichts anders heißt, wie für einen verbesserten Kraftstoffverbrauch und geringere Rohemissionen den Wirkungsgrad des Motors zu steigern.
Mit Blick auf die Euro 6 heißt das für die Fahrzeughersteller: Es besteht beziehungsweise bestand Optimierungsbedarf. Beispielsweise, indem innermotorischen Maßnahmen zum tragen kommen. Eine davon stellt das Verringern der inneren Reibung dar. Etwa durch eine im Vergleich zu konventionellen Kolben geänderten Deachsierung des Kolbenbolzens, was weniger Reibung zwischen Kolben und Laufbuchse zur Folge hat. Optimierte Kolbenringe können noch einen zusätzlichen Beitrag leisten.
Neben solchen Maßnahmen ist eine verbesserte, möglichst ‚saubere’ Verbrennung ein weiterer und wegen des höheren Einsparungspotenzials wohl auch wichtigerer Baustein auf dem Weg zu geringerem Schadstoffausstoß. Zumal weniger Rohemissionen auch den Aufwand für die Angasnachbehandlung reduzieren.
AGR-Rate messen
Dazu, dass im Motor geringe Schadstoffmengen bei der Verbrennung entstehen soll der Abgasmassenstromsensor beitragen. Und zwar indem er die tatsächlich zurückgeführte Abgasrate – die zu einem geringeren Rohausstoß an NOX führt – exakt misst. Anders als das bei herkömmlichen AGR-Systemen der Fall ist. Hier werden die AGR-Massenströme nämlich nicht direkt gemessen, sondern anhand verschiedener Parameter errechnet. Zum Beispiel zieht das Motorsteuergerät dafür die über das Tastverhältnis vorgegebene Öffnungszeit des AGR-Ventils und die Motordrehzahl heran. Ist ein Luftmassenmesser vorhanden haben dessen Informationen ebenfalls gewichtigen Einfluss auf die AGR-Rate.
Doch worin liegt der Gewinn, die zurückgeführte Abgasmenge exakt messen, und nicht nur errechnen zu können? Da sich mit dem Abgasmassenstromsensor der AGR-Rate kontrollieren lässt ergibt sich ein geschlossener Regelkreis. Somit kann das Motormanagement die in den Ansaugtrakt beizumischende AGR-Menge noch präziser auf die herrschenden Betriebsbedingungen anpassen. Nach Ansicht des Zulieferers Kolbenschmid Pierburg (KSPG), der einen solchen Sensor entwickelt hat, stellt das nicht nur einen wichtigen Schritt hinsichtlich der Erfüllung der Euro-6-Abgasnorm dar, sondern ist auch die Grundlage zur Erfüllung weiterer verschärfter Grenzwerte.
Technisch gesehen beruht der Abgasmassenstromsensor auf der sogenannten Hitzdraht-Anemometrie. Übrigens ein Prinzip, dass auch in Luftmassenmessern zur Anwendung kommt. Damit der direkt im zurückgeführten Abgasstrom sitzende Fühler den hier herrschenden rauen Bedingungen über einen kompletten Motorlebenszyklus hinweg standhält, besteht die Messeinheit aus einem Sensor mit zwei Keramikträgern. Zudem verfügt sie über einen Temperatursensor aus Platin und eine Heizwendel.
Insgesamt gesehen soll der Massenstromsensor damit in der Lage sein, den auftretenden Schwingbelastungen standzuhalten und sich selbst zu reinigen. Letzteres erfolgt wie beim Luftmassenmesser über einen Freibrennvorgang. Dazu wird der Sensor auf bis zu 650 °C erhitzt. Die daraus resultierende Entfernung von Partikeln ist für eine hohe Sensorgenauigkeit über die gesamte Lebensdauer von Bedeutung. Um die von der Abgasgesetzgebung geforderte OBD-Fähigkeit zu gewährleisten, ist der Sensor voll CAN-Bus-fähig. Wo und (seit) wann diese Komponente in Serie zum Einsatz kommt, darüber schweigt sich KSPG leider noch aus.
AGR-Mixer
Etwas anders verhält es sich mit dem AGR-Mixer. Diesen liefert KSPG beispielsweise an Deutz und MAN. Aber was hat es mit diesem Bauteil auf sich? Damit die Abgasrückführung bei großvolumigen Motoren im Nutzfahrzeugsegment seine Wirkung optimal entfaltet, setzen verschiedene Hersteller seit einiger Zeit den AGR-Mixer ein. Dieser ist bei Motoren von schweren Vehiceln, deren Zylinder in hohen Lastbereichen mit bis zu 30 Prozent Abgas gefüllt werden, sehr wichtig. An solchen Triebwerken stellt sich nämlich das Problem, jedem Zylinder die gleiche AGR-Menge zuzuführen. Geschieht dies nicht, besteht die Gefahr einer erhöhten Partikelemission. Um diesen Negativeffekt zu vermeiden, muss es im Ansaugtrakt zu einer möglichst homogenen Mischung von zurückgeführtem Abgas und Frischluft kommen – was der AGR-Mixer durch seine spezielle Gestaltung sicherstellt.