Abgassystem

Der 4-Zylinder-Ottomotor N14 erfüllt die Abgasnorm EURO 4 bzw. LEVII in der US-Ausführung (LEV = Low Emission Vehicle). Der Motor hat einen motornahen Katalysator. In der US-Ausführung ist zusätzlich ein Katalysator am Unterboden.
Für die Lambdaregelung werden 2 Lambdasonden eingesetzt. Eine Breitband-Lambdasonde (Fa. Bosch: Typ LSU 4.9) dient als Regelsonde vor dem motornahen Katalysator. Eine Sprungsonde (Fa. NTK: Typ FLO) dient als Monitorsonde nach dem Katalysator.

Bauteil-Kurzbeschreibung

Folgende Bauteile für das Abgassystem werden beschrieben:

Breitband-Lambdasonde

Die Sensorik der Breitband-Lambdasonde besteht aus Keramikschichten aus Zirkondioxid (Laminat). Das im Laminat eingefügte Heizelement sorgt schnell für die erforderliche Betriebstemperatur von mindestens 750 °C. Die Breitband-Lambdasonde besitzt 2 Zellen, eine so genannte Messzelle und eine Referenzzelle. Die beiden Zellen sind mit Elektroden aus Platin beschichtet.

Index	Erklärung	Index	Erklärung
1	Abgas	2	Messzelle
3	Elektrode zum Heizen	4	Elektrode der Messzelle
5	Heizelement	6	Spalt mit Umgebungsluft
7	Keramikschicht	8	Referenzzelle
9	Elektrode der Referenzzelle	10	Elektrode der Messzelle
11	Elektrode der Messzelle	12	Messspalt

Mit der Breitband-Lambdasonde kann ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis zwischen 0,6 und 2,5 stufenlos gemessen werden (stetige Kennlinie). Die Breitband-Lambdasonde arbeitet mit einer geringeren Heizleistung als eine konventionelle Lambdasonde. Zudem ist die Breitband-Lambdasonde schneller betriebsbereit. An der Messzelle wird Strom angelegt. Dadurch werden so viele Sauerstoffionen in die Referenzzelle gepumpt, bis sich zwischen den Elektroden der Referenzzelle eine Spannung von 450 mV einstellt. Der angelegte Strom an der Messzelle ist die Messgröße für das Kraftstoff-Luft-Verhältnis. Die Lambdaregelung kann dadurch jedes gewünschte Kraftstoff-Luft-Verhältnis im Brennraum herstellen.

Motornaher Katalysator

Der Katalysator reduziert die Schadstoffemission:

Das Kohlenmonoxid (CO) wird mit Sauerstoff (O₂) in Kohlendioxid (CO₂) umgewandelt.
Der Kohlenwasserstoff (HC) wird mit Sauerstoff (O₂) in Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) umgewandelt.
Das Stickoxid (NO_x) wird in Stickstoff (N) in Sauerstoff (O₂) umgewandelt.

Index	Erklärung	Index	Erklärung
1	Lambdasonde vor Katalysator	2	Katalysator
3	Lambdasonde nach Katalysator

Die Digitale Motor Elektronik (DME) regelt zu jedem Zeitpunkt das Kraftstoff-Luft-Gemisch hinsichtlich folgender Kriterien:

Abgasemission
Verbrauch
Leistungsentfaltung
Katalysatorschutz

Dazu erfasst die DME über die Lambdasonden den Sauerstoffgehalt im Abgas und korrigiert anhand dieser Daten die Einspritzmenge.

Ein in der DME integriertes Modell für die Abgastemperatur erfüllt unter anderem folgende Vorgaben:

Die Katalysatorheizung sorgt für schnelles Aufheizen und Konvertierungsfähigkeit des Katalysators nach dem Motorstart.
Der Katalysatorschutz bewirkt, dass die Abgastemperaturen insbesondere bei Volllast so geregelt werden, dass eine thermische Überlastung des Katalysators ausbleibt.

Systemfunktionen

Folgende Systemfunktion ist für das Abgassystem beschrieben:

Lambdaregelung

Für eine vollständige und einwandfreie Verbrennung ist ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis von 1 Kilogramm Kraftstoff und ca. 14,7 Kilogramm Luft notwendig. Die Luftmenge entspricht etwa 11 Kubikmetern. Das Verhältnis der tatsächlich zugeführten Luftmenge zur stöchiometrischen Luftmenge wird als Lambda bezeichnet. Im Normalbetrieb des Fahrzeugs schwankt der Wert Lambda. Der Motor hat seine beste Leistung bei Luftmangel (Lambda ca. 0,9 = fettes Gemisch). Der Motor hat seinen niedrigsten Verbrauch bei Luftüberschuss (Lambda ca. 1,1 = mageres Gemisch). Der Katalysator erzielt die beste Reduzierung der Schadstoffemission, wenn sich das Gemisch im Bereich Lambda = 1 befindet. Die Konvertierungsrate, also der Anteil der umgewandelten Schadstoffe, beträgt bei modernen Katalysatoren 98 bis nahezu 100 Prozent. Die optimale Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird von der Digitalen Motor Elektronik (DME) gesteuert. Die Lambdasonden liefern dabei die wesentlichen Informationen über die Abgaszusammensetzung.

Die vordere Lambdasonde misst ständig den Restsauerstoff im Abgas. Die schwankenden Werte des Restsauerstoffs werden als Spannungssignal an das DME-Steuergerät weitergegeben. Die DME korrigiert die Gemischzusammensetzung durch die Einspritzung. Hinter dem Katalysator ist eine zweite Lambdasonde eingebaut (Monitorsonde). Der Katalysator hat eine hohe Sauerstoffspeicherfähigkeit. Dadurch befindet sich hinter dem Katalysator nur noch wenig Sauerstoff. Die Monitorsonde gibt eine nahezu konstante (gedämpfte) Spannung aus. Mit zunehmendem Alter nimmt die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators ab. Die Monitorsonde reagiert dann zunehmend mit Spannungsschwankungen auf Lambdaabweichungen. Dieses Verhalten wird über eine spezielle Diagnosefunktion zur Katalysatorüberwachung genützt. Eine Fehlfunktion des Katalysators wird durch die Emissionswarnleuchte angezeigt.

Hinweise für den Service

Allgemeine Hinweise

Achtung! Steckverbindung der Breitband-Lambdasonde vor Verschmutzung schützen.

Die Breitband-Lambdasonde benötigt Umgebungsluft im Inneren der Sonde. Die Umgebungsluft gelangt über die Steckverbindung durch das Kabel in das Innere. Deshalb muss die Steckverbindung vor Verschmutzung z. B. Wachs oder Konservierungsmittel geschützt werden. Bei Fehlern in der Lambdaregelung muss die Steckverbindung an der Breitband-Lambdasonde auf Verschmutzung kontrolliert werden. Gegebenenfalls muss die Steckverbindung gereinigt werden.

Diagnosehinweise

Folgende Überwachungsfunktionen prüfen den Zustand der Abgasanlage:

CO-Abgleich

Die Kohlenmonoxidemission im Leerlauf wird bei Fahrzeugen ohne Lambdaregelung über das BMW Diagnosesystem eingestellt. Dabei werden die Abgleichwerte vorgegeben.

Lambdaadaption

Die Lambdaadaption (Gemischadaption) dient zum Ausgleich von Gemisch beeinflussenden Bauteiltoleranzen und Alterungseinflüssen. Faktoren wie z. B. Falschluft und Kraftstoffdruck wirken ebenfalls auf die Lambdaadaption (teilweiser Ausgleich). Aus diesen Gründen können keine exakten Regelgrenzen für einen Fehler angegeben werden.
Bei der Lambdaadaption wird unterschieden wie folgt:

additive Gemischadaption
multiplikative Gemischadaption

Die additive Gemischadaption wirkt im Leerlauf beziehungsweise im Bereich nahe dem Leerlauf. Mit zunehmender Motordrehzahl wird der Einfluss immer geringer. Die multiplikative Gemischadaption wirkt über das gesamte Kennfeld. Wichtiger Faktor ist z. B. der Kraftstoffdruck.

Mit der Servicefunktion ”Adaptionswerte zurücksetzen” können die Adaptionswerte sowie die Ausstattungsvarianten auf den Auslieferzustand zurückgesetzt werden. Danach müssen die Adaptionswerte neu gelernt werden. Zum Lernen der Werte für die Gemischadaption ist ein längerer Betrieb zwischen Leerlauf und Teillast erforderlich.

Katalysatordiagnose

Die Katalysatordiagnose arbeitet mit stetigen Lambdasonden vor und Sprungsonden hinter dem Katalysator. Die Diagnose überprüft die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators. Die Sauerstoffspeicherfähigkeit ist ein Maß für die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators. Dazu wird während der 1. Phase der Katalysatordiagnose (ca. 3 Sekunden) ein fettes Gemisch vorgegeben, bis die Lambdasondenspannung einen festgelegten Wert erreicht. Da fettes Abgas sauerstoffarm ist, nimmt der gespeicherte Sauerstoff im Katalysator ab. In der 2. Phase wird ein mageres Gemisch mit sauerstoffreichem Abgas eingestellt. Je länger die Zeitdauer bis zum Erreichen der maximalen Sauerstoffspeicherfähigkeit ist, desto höher ist die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators.

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