Σύστημα Ανακυκλοφορίας Καυσαερίων
EGR

Σύστημα Ανακυκλοφορίας Καυσαερίων

Χρησιμοποιείται από τις αρχές της δεκαετίας του  ́70, με στόχο τη μείωση των εκπομπών ΝΟx. Για να επιτευχθεί αυτό, το σύστημα αξιοποιεί τα καυσαέρια, καθώς ένα ποσοστό αυτών οδηγείται ξανά στον θάλαμο καύσης, κατά τη διάρκεια της εισαγωγής.

Το σύστημα ανακυκλοφορίας ή ανακύκλωσης καυσαερίων EGR (Exhaust Gas Recirculation) μειώνει τις εκπομπές οξειδίων του αζώτου σε κινητήρες ντίζελ και βενζίνης, ακριβώς στη φάση σχηματισμού τους, μειώνοντας τη θερμοκρασία καύσης και την περιεκτικότητα οξυγόνου στον αέρα εισαγωγής. Η ταχύτητα καύσης επιβραδύνεται και πέφτει η θερμοκρασία των καυσαερίων. Προσθέτοντας καυσαέρια στο καύσιμο μίγμα, αυξάνεται το ποσοστό πλήρωσης των κυλίνδρων, καθώς μειώνονται οι παρασιτικές απώλειες λόγω άντλησης. Η τεχνολογία αυτή, σε συνθήκες χαμηλού φορτίου, εξασφαλίζει μείωση στις εκπομπές καυσαερίων, ειδικά των οξειδίων αζώτου.

Στους βενζινοκινητήρες, η ανακυκλοφορία καυσαερίων χρησιμοποιείται στην περιοχή λειτουργίας υπό μερικό φορτίο. Ανάλογα με τη σχεδίαση του κινητήρα, τα ποσοστά των καυσαερίων που ανακυκλώνονται από το σύστημα EGR μπορεί να αυξηθούν. Οι βενζινοκινητήρες με άμεση έγχυση και λειτουργία στρωματοποιημένου φορτίου έχουν τα υψηλότερα ποσοστά ανακυκλοφορίας καυσαερίων από το σύστημα EGR. Κατά τη λειτουργία των βενζινοκινητήρων με άμεση έγχυση σε φτωχό μίγμα, οι τριοδικοί καταλυτικοί μετατροπείς δεν μπορούν να είναι αποτελεσματικοί. Γι’ αυτό, απαιτούνται υψηλότερα ποσοστά ανακυκλοφορίας καυσαερίων από το σύστημα EGR, ώστε να μειωθούν οι εκπομπές οξειδίων του αζώτου. Με την ανακυκλοφορία των καυσαερίων, τα οξείδια του αζώτου στα πρωτογενή καυσαέρια μειώνονται έως και 70%. 

Στους κινητήρες diesel χρησιμοποιούνται οξειδωτικοί καταλυτικοί μετατροπείς και φίλτρα σωματιδίων για τη μείωση των υδρογονανθράκων (HC) και των σωματιδίων (PM). Για να μειωθούν τα NOx, η ανακύκλωση των καυσαερίων έχει καθιερωθεί ως μία καλά σχεδιασμένη και οικονομικά αποδοτική τεχνική λύση, παράλληλα με τα μέτρα βελτίωσης του κινητήρα, όπως ο χρονισμός της έναρξης της έγχυσης.

Τα οξείδια του αζώτου – Nox

Τα οξείδια του αζώτου σχηματίζονται σε υψηλές θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια της καύσης. Ενώ το Οξυγόνο και το Άζωτο μεταξύ τους δεν αντιδρούν σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος, στους 1500 με 2000°C, ενώνονται και δίνουν ενώσεις που τις ονομάζουμε οξείδια του Αζώτου. Με  χημικό συμβολισμό NOx μπορεί να είναι ένα μίγμα από NO, NO2, NO3, N2O4 κλπ. -αυτό που, συνήθως, κυριαρχεί είναι το ΝΟ σε ποσοστό της τάξης του 98%. Για τον σχηματισμό αυτών των οξειδίων υπάρχουν δύο βασικές προϋποθέσεις: να υπάρχει οξυγόνο και υψηλή θερμοκρασία. Υπάρχουν, όμως, αρκετοί παράγοντες που επηρεάζουν τον σχηματισμό τους, όπως:

  1. Η αναλογία μίγματος
  2. Το αβάνς του σπινθήρα (σε βενζινοκινητήρες)
  3. Το φορτίο του κινητήρα
  4. Οι στροφές του κινητήρα
  5. Η σχέση συμπίεσης

Η προσπάθεια μείωσής τους με παρέμβαση στους παραπάνω παράγοντες δεν έχει σημαντικά αποτελέσματα, καθώς δημιουργεί πρόσθετα προβλήματα στους σχεδιαστές των κινητήρων. Η παρουσία των NOx στην ατμόσφαιρα είναι ιδιαίτερα ενοχλητική και το 40% όσων εκπέμπονται στην ατμόσφαιρα προέρχεται από τα αυτοκίνητα. Γι’ αυτό, οι τεχνολογίες που μειώνουν τον σχηματισμό τους έχουν εφαρμογή στην αυτοκινητοβιομηχανία από τις αρχές της δεκαετίας του  ́70. Από τότε, η σημαντικότερη τεχνολογία για τη μείωση των NOx ήταν και παραμένει η ανακυκλοφορία ή ανακύκλωση των καυσαερίων, που χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από την εταιρεία GM.

Τύποι βαλβίδων EGR

Τα πρώτα συστήματα EGR ήταν μηχανικά. Από το 1990 και μετά, η ενεργοποίηση της βαλβίδας EGR γίνεται από την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου του κινητήρα. Οι βαλβίδες EGR χωρίζονται σε κατηγορίες, ανάλογα με τον τρόπο ενεργοποίησης:

  1. Πνευματικές (ενεργοποίηση με κενό)
  2. Ηλεκτρικά ενεργοποιούμενες (με πηνίο, με κινητήρα DC, με βηματικό μοτέρ)

Σήμερα, οι περισσότεροι κατασκευαστές προτιμούν ηλεκτρικά ενεργοποιούμενες βαλβίδες EGR ή βαλβίδες EM EGR. Αυτές χαρακτηρίζονται από εξαιρετική δυναμική προσαρμογής και, ταυτόχρονα, υψηλές δυνάμεις ενεργοποίησης. Είναι αξιόπιστες και ανθεκτικές στη μόλυνση, ενώ προσφέρουν χαμηλότερες απώλειες πίεσης και υψηλή ταχύτητα ροής.

Μηχανική διάταξη EGR

Τα πρώτα συστήματα EGR ήταν μηχανικά ενεργοποιούμενα στους βενζινοκινητήρες (στους πετρελαιοκινητήρες τα αντίστοιχα συστήματα ήταν εξ αρχής ηλεκτρικά ενεργοποιούμενα). Αποτελούνται από τα εξής εξαρτήματα: βαλβίδα EGR, βαλβίδα-οδηγός, θερμοβαλβίδα, σωλήνες για τη μεταφορά των καυσαερίων, σωληνάκια για τη μεταφορά της υποπίεσης.

 Η λειτουργία τους

Η βαλβίδα EGR επιτρέπει σε μία ποσότητα καυσαερίων να περάσει από την πολλαπλή εξαγωγής στην πολλαπλή εισαγωγής, μόλις ανασηκωθεί το έμβολό της. Για να ανοίξει η βαλβίδα EGR και να ανασηκωθεί το έμβολό της, πρέπει στον άνω χώρο της βαλβίδας να φτάσει υποπίεση. Η υποπίεση προέρχεται από την πολλαπλή εισαγωγής και πρέπει να είναι ανοικτές δύο βαλβίδες, η θερμοβαλβίδα και η βαλβίδα-οδηγός.

Η θερμοβαλβίδα είναι κλειστή σε θερμοκρασίες κάτω από 30°C και ανοικτή σε υψηλότερες. Άρα, με τον κινητήρα κρύο δεν λειτουργεί η EGR. Στη βαλβίδα-οδηγό, έρχονται στο κάτω μέρος της καυσαέρια. Όταν η πίεση των καυσαερίων είναι χαμηλή (κατάσταση ρελαντί) ή υψηλή (κατάσταση πλήρους φορτίου), η βαλβίδα-οδηγός είναι κλειστή. Είναι κλειστή στο ρελαντί και με πατημένο το γκάζι. Ανοίγει και επιτρέπει να περάσει υποπίεση, μόνο σε καταστάσεις μεσαίου φορτίου.

Πνευματική βαλβίδα

Όταν η βαλβίδα είναι τύπου διαφράγματος, ενεργοποιείται με υποπίεση. Ένα σωληνάκι από την αντλία υποπίεσης φτάνει στη βαλβίδα και κάπου ενδιάμεσα παρεμβάλλεται μία ηλεκτροβαλβίδα. Η ενεργοποίηση με υποπίεση ρυθμίζεται από την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου του κινητήρα, μέσω ενεργοποίησης της ηλεκτροβαλβίδας. Η πνευματική βαλβίδα λειτουργεί καθαρά μηχανικά και δεν μπορεί να ελεγχθεί ηλεκτρικά.

Ένα διάφραγμα μέσα στο κέλυφος συνδέεται με το έμβολο. Ανάλογα με την πίεση που ασκείται στον θάλαμο κενού, το διάφραγμα κινείται και, έτσι, μεταβάλλεται η θέση του εμβόλου. Το έμβολο ανοίγει μία σύνδεση μεταξύ της πλευράς «εισαγωγής» και της «πλευράς των καυσαερίων».

Ανάλογα με τη θέση του εμβόλου,  αλλάζει η ποσότητα της ροής  των καυσαερίων, μέσω της βαλβίδας.

Η υποπίεση από την πολλαπλή εισαγωγής ή το εξόστερ οδηγείται σε μία ηλεκτροβαλβίδα-μεταγωγέα, που ρυθμίζει πότε και πόση υποπίεση θα περάσει στην πνευματική βαλβίδα.  Η ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα ενεργοποιείται από τη μονάδα ECM με σήμα PWM. Τροποποιώντας τον κύκλο λειτουργίας, αλλάζει η ροή του ρεύματος και, επομένως, το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το πηνίο. Ανάλογα με την ένταση του μαγνητικού πεδίου, ένας μεταλλικός δίσκος έλκεται έναντι της δύναμης ενός ελατηρίου, επιτρέποντας σε περισσότερο ή λιγότερο αέρα να περάσει.

Στις περισσότερες πνευματικές βαλβίδες υπάρχει ένας αισθητήρας θέσης που διαθέτει ένα ποτενσιόμετρο. Σε αυτό, όσο ανοίγει η βαλβίδα, αυξάνεται η αντίστασή του.

Βαλβίδα με ηλεκτροκινητήρα

Ένας ηλεκτροκινητήρας, μέσω ενός μειωτήρα, μεταβάλλει τη θέση του εμβόλου και ανοίγει ή κλείνει τη βαλβίδα, ανάλογα με τις απαιτήσεις σε ποσότητα ανακυκλοφορίας καυσαερίων. Η διέγερση του ηλεκτροκινητήρα γίνεται με σήματα τετραγωνικού παλμού από την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου. Ο κύκλος δραστηριότητας καθορίζει τη διατομή ανοίγματος της βαλβίδας. Συνήθως, στη βαλβίδα υπάρχει ενσωματωμένος στο περίβλημά της, ένας αισθητήρας που ανιχνεύει τη στιγμιαία θέση της. Κατά την απενεργοποίηση του κινητήρα, στα περισσότερα μοντέλα, το σύστημα διαχείρισης του κινητήρα ξεκινά έναν κύκλο καθαρισμού και προσαρμογής της βαλβίδας, ο οποίος μπορεί να επαναλαμβάνεται μερικές φορές.

Μετά από την αντικατάσταση μίας βαλβίδας με ηλεκτροκινητήρα, πρέπει να γίνει, μέσω του διαγνωστικού μηχανήματος, η διαδικασία αρχικοποίησης και επαναφοράς των παραμέτρων.

Βαλβίδα με βηματικό μοτέρ

Η κίνηση του εμβόλου της βαλβίδας γίνεται από ένα βηματικό μοτέρ, που αποτελείται από δύο συγκροτήματα πηνίων και έναν ρότορα με μόνιμους μαγνήτες. Στα συγκροτήματα των πηνίων υπάρχει η δυνατότητα αντιστροφής της πολικότητας. Ανάλογα με τον αριθμό των παλμικών σημάτων από την ηλεκτρονική μονάδα, η βαλβίδα EGR ανοίγει λιγότερο ή περισσότερο. Οι βαλβίδες με βηματικό μοτέρ δεν έχουν αισθητήρα θέσης. Η ηλεκτρονική μονάδα γνωρίζει τη θέση της από τον αριθμό των βημάτων που έχει ενεργοποιήσει το βηματικό μοτέρ. Στο σβήσιμο του κινητήρα, η ηλεκτρονική μονάδα δίνει αντίστοιχους παλμούς, ώστε να μηδενίσει τη θέση του εμβόλου. Οι βαλβίδες αυτές αποτελούν έναν συμπαγή μηχανισμό, ενώ ο μειωτήρας είναι προαιρετικός. Γενικά, πρόκειται για ένα απλό σύστημα ελέγχου. Ωστόσο, παρέχει αργό χρόνο απόκρισης, με περιορισμένη ακρίβεια θέσης και χαμηλή ροπή ενεργοποίησης.

Αισθητήρες

Προκειμένου το σύστημα EGR να ελέγχεται με την απαραίτητη ακρίβεια, απαιτούνται σήματα από μία ποικιλία αισθητήρων που μετρούν παραμέτρους, όπως τη θερμοκρασία, την πίεση και τη ροή. Οι πλέον συνηθισμένοι αισθητήρες που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο του συστήματος EGR είναι οι εξής:

  1. ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ, που μετρούν τη θερμοκρασία του αέρα στην πολλαπλή εισαγωγής. Εάν ο κινητήρας είναι εξοπλισμένος με μετρητή ροής μάζας αέρα, συχνά ενσωματώνεται ένας αισθητήρας θερμοκρασίας, που παρέχει μία μέτρηση της θερμοκρασίας του αέρα εισαγωγής πριν από τον συμπιεστή. Συνήθως, χρησιμοποιούνται αισθητήρες τύπου θερμίστορ.
  2. ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΠΙΕΣΗΣ, που μετρούν την πίεση στην πολλαπλή εισαγωγής και εξαγωγής, τη βαρομετρική πίεση ή/και την πτώση πίεσης, πριν και μετά από τη βαλβίδα EGR. Συνήθως, είναι πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες και οι γνωστότεροι από αυτούς είναι οι MAP, οι Boost PS και οι DPFE.
  3. ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΡΟΗΣ, όπως ο αισθητήρας MAF (mass air flow), που μετρούν τη ροή του αέρα εισαγωγής στην είσοδο του συμπιεστή. Οι σύγχρονοι αισθητήρες είναι σε θέση να ανιχνεύουν την κατεύθυνση της ροής και να δίνουν πληροφορία, με ακρίβεια, για τις αντιστροφές ροής. Οι περισσότεροι αισθητήρες MAF ενσωματώνουν και έναν αισθητήρα θερμοκρασίας αέρα.
  4. ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΘΕΣΗΣ, για τη βαλβίδα EGR και τη θέση των πτερυγίων του στροβίλου μεταβλητής γεωμετρίας. Οι αισθητήρες θέσης βαλβίδας EGR μπορούν να βασίζονται σε διάφορες αρχές, συμπεριλαμβανομένων των απλών διακοπτών, των ποτενσιόμετρων και των αισθητήρων φαινομένου Hall Effect.
  5. ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΛΑΜΔΑ, που μετρούν την περιεκτικότητα των καυσαερίων σε οξυγόνο. Συνήθως, χρησιμοποιούνται αισθητήρες λάμδα ευρέως φάσματος.

EGR και EOBD

Η λειτουργία του συστήματος EGR παρακολουθείται, για να εντοπίζονται τυχόν βλάβες που ενδέχεται να έχουν ως αποτέλεσμα την αύξηση των εκπομπών καυσαερίων, πάνω από τις οριακές τιμές του EOBD. Το συγκεκριμένο σύστημα έχει σχεδιαστεί, ώστε, εκτός από καλωδιακές βλάβες, να παρακολουθεί και τα χαρακτηριστικά ροής του συστήματος. Οι κωδικοί βλάβης που έχουν σχέση με τη ροή καυσαερίων είναι: P0401EGR – ανεπαρκής ροή, P0402 EGR – υπερβολική ροή, P0404 EGR – κύκλωμα εύρος / απόδοση, P0103 μάζα αέρα πολύ υψηλή, P0102 μάζα αέρα πολύ χαμηλή.

Εάν ανιχνευτεί βλάβη, το κύκλωμα EGR και το σύστημα παρακολούθησής του απενεργοποιούνται ως την επόμενη φορά που θα ενεργοποιηθεί ο κινητήρας και αποθηκεύεται εκκρεμής κωδικός βλάβης. Εάν η βλάβη εμφανιστεί και σε επόμενο κύκλο οδήγησης, ανάβει η προειδοποιητική λυχνία MIL. Ο ηλεκτρικός έλεγχος των εξαρτημάτων είναι διαρκής.

Οι έλεγχοι παρακολούθησης διεξάγονται με συγκεκριμένη σειρά. Σε ορισμένα μοντέλα, όταν βρεθεί κωδικός βλάβης, σταματά ο περαιτέρω έλεγχος, μέχρι η βλάβη να αποκατασταθεί. Οι έλεγχοι ξεκινούν με τους κωδικούς Ρ0400, Ρ0401 και Ρ0409. Ακολουθεί ο έλεγχος για τον κωδικό Ρ0402 και, τέλος, για τους κωδικούς Ρ0405, Ρ0406.

Η θέση της EGR

Υπάρχουν διάφορες θέσεις για τη λήψη των καυσαερίων, ανάλογα με την εφαρμογή. Η κλασική θέση είναι πριν από τον υπερσυμπιεστή και η επανατροφοδότησή τους στην πολλαπλή εισαγωγής, που είναι γνωστή ως ανακύκλωση καυσαερίων υψηλής πίεσης (HP EGR). Αντίστοιχα, με την ανακυκλοφορία καυσαερίων χαμηλής πίεσης (LP EGR), τα καυσαέρια λαμβάνονται μετά από τον υπερσυμπιεστή και τροφοδοτούνται στον συμπιεστή με χαμηλή πίεση.

Η ανάμειξη του καυσαερίου και του καθαρού αέρα, μέσω του συμπιεστή, θεωρείται ιδανική για τον κινητήρα. Στην περίπτωση των βαλβίδων υψηλής πίεσης, τα καυσαέρια λαμβάνονται απευθείας από την πολλαπλή εξαγωγής και τροφοδοτούνται, μέσω ενός σωλήνα, με υψηλή πίεση στην πλευρά της εισαγωγής. Στη διάταξη υψηλής πίεσης – HP EGR, ο αέρας εισόδου περνά μέσα από το φίλτρο αέρα και τον αισθητήρα ροής μάζας αέρα, πριν εισέλθει στον συμπιεστή του turbo. Στη συνέχεια, ο πεπιεσμένος αέρας ψύχεται από το ιντερκούλερ αέρα-αέρα και αναμιγνύεται με τα ψυχόμενα καυσαέρια της EGR. Η κατάσταση αυτού του μίγματος αέρα/EGR γίνεται αισθητή από τον αισθητήρα θερμοκρασίας αέρα στην πολλαπλή εισαγωγής και τον αισθητήρα MAP που μετρά στην πολλαπλή την απόλυτη πίεση, λίγο πριν εισέλθει στους κυλίνδρους.

Οι σύγχρονες τάσεις

Ο στόχος από το σύστημα EGR είναι η μείωση των NΟx, αλλά, ταυτόχρονα, πρέπει να διασφαλιστεί ότι:

  1. Οι εκπομπές PM δεν ξεφεύγουν από τα στάνταρ του κατασκευαστή
  2. Η κατανάλωση καυσίμου δεν αυξάνεται υπερβολικά
  3. Η απόδοση του αυτοκινήτου ανταποκρίνεται στις προσδοκίες των οδηγών.

Δεδομένου ότι το σύστημα EGR μπορεί να επηρεάσει τη διαδικασία καύσης, οι στρατηγικές ελέγχου της EGR αποσκοπούν στο να εξασφαλίσουν ότι η αναλογία καυσίμου είναι κατάλληλη σε όλες τις συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα για την επίτευξη των στόχων απόδοσης και εκπομπών, και ότι η συνολική μάζα οξυγόνου στον κύλινδρο είναι κατάλληλη για την ποσότητα ψεκασμού καυσίμου.

Προκειμένου να επιτευχθούν οι υψηλότεροι ρυθμοί ανακύκλωσης των καυσαερίων οι οποίοι απαιτούνται για τη συμμόρφωση με την αυστηρή νομοθεσία για τις εκπομπές ρύπων Euro 6, η ανακυκλοφορία καυσαερίων χαμηλής πίεσης (LP EGR) ή κάποια υβριδική λύση θα χρησιμοποιηθεί στο μέλλον.

Με λίγα λόγια, το σύστημα ελέγχου EGR αποτελεί αναπόσπαστο μέρος του συστήματος διαχείρισης του κινητήρα.

ΔΕΙΤΕ ΑΚΟΜΑ
Εγγραφείτε στο newsletter

Για να λαμβάνετε τα τελευταία νέα, ενημερώσεις και ειδικές προσφορές απευθείας στο email σας.