V oblasti technológie dieselových motorov pre úžitkové vozidlá bol systém recirkulácie výfukových plynov (EGR) vždy jadrom boja medzi spotrebou paliva, výkonom a emisiami. Tento zdanlivo jednoduchý, no veľmi zložitý systém neustále poháňa inováciu a vývoj technológie dieselových motorov.
I. Princíp činnosti a klasifikácia systému EGR
Základným princípom systému EGR je privádzať časť výfukových plynov na stranu nasávania a precíznym riadením spätného pomeru výfukových plynov mení prostredie spaľovania vo valci. Moderné systémy EGR pozostávajú hlavne z dvoch technických ciest: vysoko-tlakového okruhu a nízkotlakového-okruhu.
Vysokotlakový-systém EGR priamo nasáva výfukové plyny z výfukového potrubia, ochladzuje ich cez chladič EGR a potom presne riadi ich zavádzanie do sacieho potrubia prostredníctvom ventilu EGR. Tento systém reaguje rýchlo, ale môže ovplyvniť účinnosť turbodúchadla pri vysokom-zaťažení.
Nízkotlakový systém EGR nasáva výfukové plyny spoza filtra pevných častíc, podrobuje sa odsíreniu a odstraňovaniu pevných častíc a potom sa pomocou sacieho kompresora opäť privádza do valca. Toto usporiadanie má relatívne malý vplyv na účinnosť turbíny a je vhodnejšie pre aplikácie s vysokými hodnotami EGR.
II. Hlboký vplyv EGR na emisné charakteristiky
Riadiaci mechanizmus oxidu dusíka (NOx).
Vplyv EGR na zníženie emisií NOx je mimoriadne významný. Jeho mechanizmus účinku spočíva hlavne v troch aspektoch:
· Tepelný efekt: Tri-atómové plyny, ako je oxid uhličitý a vodná para vo výfukových plynoch, majú vyššiu špecifickú tepelnú kapacitu, čím účinne znižujú maximálnu teplotu spaľovania.
· Efekt riedenia: Výfukové plyny riedia koncentráciu kyslíka v čerstvom nasávanom vzduchu, čím spomaľujú rýchlosť reakcie spaľovania.
· Chemický účinok: Niektoré zložky vo výfukových plynoch sa môžu podieľať na prechodných chemických reakciách, čím ďalej inhibujú tvorbu NOx.
Štúdie ukázali, že pri strednom{0}}zaťažení sa emisie NOx môžu znížiť na každých 10 % nárastu rýchlosti EGR približne o 30 – 50 %. Tento redukčný efekt robí z EGR nevyhnutnú technológiu na splnenie prísnych emisných predpisov, ako sú napríklad normy National VI.
Problém emisií tuhých častíc
EGR nielenže znižuje emisie NOx, ale prináša aj problém zvýšených emisií pevných častíc. Recirkulácia výfukových plynov vedie k rozšíreniu oblasti s nadmerne bohatou zmesou, čo vedie k zvýšeniu produkcie sadzí. Tento problém je obzvlášť výrazný, keď je vysoká rýchlosť EGR kombinovaná s podmienkami vysokého zaťaženia.
Moderné dieselové motory účinne riešia tento rozpor prostredníctvom spoločného úsilia technológie chladenia EGR, presného riadenia vstrekovania paliva a účinných filtrov pevných častíc (DPF).
III. Komplexný vplyv EGR na spotrebu paliva
Vplyv EGR na spotrebu paliva vykazuje značnú závislosť od prevádzkových podmienok a nemožno ho jednoducho klasifikovať ako zvýšenie alebo zníženie.
Efekt-úspory paliva pri nízkom{1}}zaťažení
Pri nízkej{0}}rýchlosti a nízkom{1}}zaťažení môže vhodná rýchlosť EGR znížiť spotrebu paliva. Medzi hlavné dôvody patria:
· Znížte stratu čerpania, obzvlášť účinnejšie pri dieselových motoroch vybavených škrtiacou klapkou
· Nižšia teplota spaľovania a zníženie tepelných strát prenášaných cez stenu valca
· Optimalizácia fázy spaľovania a zlepšenie účinnosti spaľovania
Experimentálne údaje ukazujú, že pri bežnej strednej{0}}rýchlosti a 25 % zaťažení na mestských cestách môže použitie rýchlosti EGR približne 15 % viesť k zníženiu spotreby paliva o približne 2 – 3 %.
Náklady na spotrebu paliva pri-vysokom zaťažení
Pri vysokom{0}}zaťažení však EGR zvyčajne vedie k zvýšeniu spotreby paliva:
· Koeficient prebytočného vzduchu klesá, čo má za následok zníženie účinnosti spaľovania.
· Na udržanie výkonu je potrebné zvýšiť objem dodávky paliva v cykle.
· Pracovný bod posilňovacieho systému sa posúva, čo vedie k zníženiu účinnosti.
V blízkosti menovitého výkonu môže použitie EGR viesť k zvýšeniu spotreby paliva o 3 – 5 %. Toto je cena, ktorú treba zaplatiť, aby sa dosiahli nízke emisie.
III. Obmedzenia a rovnováha EGR na výkone
Priamy vplyv výkonu
Vplyv EGR na výkon motora spočíva najmä v dvoch aspektoch. Zavádzanie výfukových plynov priamo znižuje množstvo nasávaného čerstvého vzduchu, čo má za následok zníženie celkového množstva kyslíka podieľajúceho sa na spaľovaní. Inhibičný účinok výfukových plynov na proces spaľovania zároveň znižuje účinnosť premeny tepla.
Experiment ukazuje, že keď objem dodávky paliva zostáva konštantný, pri každom zvýšení rýchlosti EGR o 10 % sa výstupný krútiaci moment motora zníži približne o 2-4 %. Tento efekt je obzvlášť významný v oblastiach s vysokou-rýchlosťou a veľkým zaťažením.
Prechodové charakteristiky dynamickej odozvy
Okrem stabilného-výkonu má EGR významný vplyv aj na prechodovú charakteristiku odozvy motora. Počas procesu akcelerácie zvyškové výfukové plyny v systéme EGR dočasne znížia citlivosť motora, čo vedie k takzvanému -javu „dymenia pri akcelerácii“.
Moderné motory účinne riešili tento problém rýchlym znížením rýchlosti EGR v prechodných prevádzkových podmienkach v spojení s koordinovaným riadením preplňovania turbodúchadlom s variabilnou geometriou (VGT).
IV. Technologické objavy v pokročilých stratégiách riadenia EGR
Tvárou v tvár rozporu medzi spotrebou paliva, výkonom a emisiami vyvinul moderný riadiaci systém EGR množstvo inovatívnych riešení.
Prediktívna kontrola-založená na modeli
Pokročilý riadiaci systém nepretržite monitoruje parametre, ako je tlak nasávania, teplota a koncentrácia kyslíka v reálnom čase, a kombinuje ich s prevádzkovým stavom motora, aby predpovedal optimálnu rýchlosť EGR. Táto stratégia dopredného riadenia výrazne zvyšuje rýchlosť odozvy systému a presnosť riadenia.
Multi{0}}systémová kolaboratívna optimalizácia
EGR už nefunguje samostatne, ale funguje v úzkej spolupráci s vysokotlakovým vstrekovacím systémom Common Rail, turbodúchadlom s variabilnou geometriou a systémom dodatočnej úpravy výfukových plynov- atď. Prostredníctvom koordinácie medzi týmito systémami zabezpečuje dodržiavanie emisných noriem a zároveň minimalizuje negatívne vplyvy na spotrebu paliva a výkon.
Nová architektúra systému EGR
Pokročilý nízkotlakový-systém EGR v kombinácii s účinným medzichladičom umožňuje prevádzku s vysokou rýchlosťou EGR v širšom rozsahu prevádzkových podmienok a zároveň zabraňuje interferencii s posilňovacím systémom. Niektoré z najnovších konštrukcií dokonca dosiahli mieru EGR viac ako 40 %, čím spĺňajú požiadavky na ultra-nízke emisie NOx a zároveň udržiavajú stratu výkonu v prijateľnom rozsahu.
V. Budúce trendy a vyhliadky
Keďže emisné predpisy sú čoraz prísnejšie, technológia EGR sa stále neustále vyvíja. Ďalšia generácia technológie EGR sa zameria na:
· Inteligentné ovládanie variabilnej rýchlosti EGR: Dynamická optimalizácia rýchlosti EGR na základe{0}}prevádzkových podmienok v reálnom čase
· Ultra-nízkoteplotné chladenie EGR: Ďalšie zníženie teploty nasávaného vzduchu a zvýšenie účinnosti EGR
· Vylepšená integrácia systému: Zníženie tlakovej straty v okruhu EGR a zlepšenie charakteristík odozvy
Aplikácia technológie EGR v oblasti dieselových motorov plne demonštruje múdrosť inžinierov pri hľadaní rovnováhy medzi viacerými cieľmi. Nejde ani o univerzálne riešenie, ani o jednoduchý kompromisný produkt, ale skôr o optimálnu voľbu v konkrétnej technologickej fáze.
Súlad s emisnými predpismi: Normy pre emisie NOx a tuhých častíc šiestej fázy národných predpisov a siedmej fázy európskych noriem stanovili prísnejšie požiadavky, čo núti výrobcov prijať efektívnejšie systémy EGR.
V sektore úžitkových vozidiel sa EGR stalo štandardnou výbavou. S modernizáciou národných emisných noriem pôvodná cesta SCR už nestačí na samostatné splnenie emisných požiadaviek. Technológia po{2}}úpravy EGR sa opäť stala hlavnou cestou. Motory ťažkých-úžitkových vozidiel vo všeobecnosti využívajú schémy vysokej miery EGR (niektoré presahujúce 30 %) v kombinácii s účinnými systémami SCR, aby splnili limitné požiadavky NOx v predpisoch národných VI a VII.