Zawory EGR – aby spaliny były czystsze

Ograniczenie toksycznych tlenków azotu w spalinach jest niezwykle ważnym zadaniem z punktu widzenia ekologii. Aby to osiągnąć, opracowano zawory recyrkulacji spalin EGR.

Aby wyjaśnić sens stosowania zaworów recyrkulacji spalin, konieczne jest wytłumaczenie podstawowych reguł tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej spalającej się w cylindrze. Otóż co do zasady silniki spalinowe dzielą się w zależności od realizowanego w nich obiegu termodynamicznego. Pierwszy to obieg Otta opracowany w 1876 roku z doprowadzeniem ciepła w stałej objętości. Stanowi on teoretyczny model obiegu spotykanego w dzisiejszych czterosuwowych silnikach z zapłonem iskrowym. Drugi to obieg Diesla, z doprowadzeniem ciepła przy stałym ciśnieniu, czyli model silnika z zapłonem samoczynnym. Trzeci z obiegów – Seiligera-Sabathego ­– łączy cechy dwóch poprzednich. Polega on na doprowadzeniu ciepła początkowo w stałej objętości, a następnie przy stałym ciśnieniu. Obieg ten, nazywany też mieszanym, jest uznawany za teoretyczny model obiegu dla nowoczesnych, szybkoobrotowych silników z zapłonem samoczynnym.

Opisane modele zakładają działanie z abstrakcyjnym gazem doskonałym, bez strat i przy całkowicie szczelnych cylindrach. W rzeczywistości jednak praktyczne obiegi termodynamiczne silników spalinowych różnią się od modeli teoretycznych. Niemniej przyjąć można w uproszczeniu, że obowiązuje zasada, że silniki z zapłonem iskrowym pracują według obiegu Otto, natomiast te z zapłonem samoczynnym według obiegu Diesla. Podstawową różnicą są tu wartości ciśnienia osiągane podczas sprężania gazów w cylindrze i moment doprowadzenia paliwa, które wraz z powietrzem tworzy mieszankę. Wynika to między innymi z samych właściwości paliwa, które jest spalane.

Spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku z zapłonem iskrowym inicjuje iskra, więc mieszanka nie wymaga tak wysokiego ciśnienia sprężania, jak w silnikach wysokoprężnych, w których dochodzi do samozapłonu oleju napędowego przy odpowiednio wysokiej temperaturze osiąganej dzięki kompresji.

Spalanie mieszanki

Aby paliwo zostało spalone, konieczne jest doprowadzenie odpowiedniej ilości tlenu. Idealnymi warunkami do spalania mieszanki jest uzyskanie proporcji stechiometrycznej, czyli takiej, która gwarantuje dokładne spalenie całego paliwa. Na 1 kg benzyny powinno przypadać 14,7 kg powietrza, natomiast w przypadku oleju napędowego proporcja ta w warunkach idealnych wynosi 14,5 kg powietrza na 1 kg paliwa.

 Współczynnik lambda (λ) składu mieszanki

Współczynnik lambda jest podstawową wielkością charakteryzującą skład mieszanki paliwowo-powietrznej. To stosunek rzeczywistej masy powietrza, w której spalane jest paliwo, do ilości stechiometrycznej, czyli takiej, która jest potrzebna do całkowitego jego spalenia.

W przypadku, gdy w spalaniu bierze udział dokładnie stechiometryczna ilość powietrza, współczynnik lambda (λ) równy jest 1. Jeśli powietrza w mieszance jest wiecej, mamy do czynienia z mieszanką ubogą i wartością λ>1. Jeśli mieszanka jest bogata, czyli występuje w niej nadmiar paliwa, mówimy o współczynniku λ<1.

Wynika to ze wzoru na współczynnik λ:  λ= L/L_t , gdzie L to rzeczywista masa suchego powietrza, w którym następuje spalanie paliwa, a Lt – teoretyczne zapotrzebowanie na suche powietrze.

Współczynnik λ może też być obliczony na podstawie analizy spalin. W tym celu korzysta się z następującego algorytmu:
λ = 21/{21-79/[(O2-0.5 CO)/N2]}, gdzie: O2, N2, CO to udział objętościowy danych gazów w spalinach.

Dlaczego współczynnik λ jest taki ważny?

Silniki o zapłonie iskrowym nie pracują dobrze na mieszankach ubogich. Podwyższa się bowiem wówczas temperatura spalin, a samo spalanie jest wydłużone w czasie i zachodzi także podczas rozprężania się gazów nad tłokiem. Skutkuje to znacznym wzrostem temperatury między innymi na wszystkich przeszkodach stojących na drodze gazów wylotowych, czyli przede wszystkim w okolicach gniazd zaworów i zaworów wydechowych, powodując ich zwiększone obciążenie cieplnym, co stwarza ryzyko trwałego uszkodzenia tych elementów.

Współczynnik nadmiaru powietrza nie jest natomiast tak istotny w silniku wysokoprężnym – tu zapłon paliwa następuje samoczynnie, a silnik cały czas pracuje na mieszance ubogiej. To ważna różnica pomiędzy tymi silnikami. Duży udział tlenu w masie ładunku sprzyja jednak powstawaniu tlenków azotu, co eliminuje się przez zastosowanie układów recyrkulacji spalin.

Kolejną istotną kwestią jest sam skład spalin, w którym poszczególne składniki mają określone normami limity. Spalanie stechiometryczne w bardzo wąskim zakresie regulacji współczynnika lambda w granicach od 0,997 do 1,003 umożliwia utrzymanie odpowiedniego składu spalin.

Rola zaworu EGR

Podczas procesu spalania dochodzi do syntezy tlenków azotu (NOx). Powstają one, kiedy wysoka temperatura spalania umożliwia połączenie azotu i tlenu obecnych w mieszance paliwowo-powietrznej. Aby ograniczyć emisję tych szkodliwych substancji, zawór EGR przepuszcza określoną ilość spalin z kolektora wydechowego do kolektora dolotowego, gdzie mieszają się one ze świeżym powietrzem. Powoduje to zmniejszenie ilości tlenu w powietrzu zasysanym przez silnik, przez co dochodzi do obniżenia temperatury spalania i w efekcie do zmniejszenia emisji tlenków azotu.

Występują trzy podstawowe typy zaworów EGR:

• Pneumatyczne EGR są wyposażone w membranę sterowaną podciśnieniem. Zawory te umożliwiają uzyskanie wyższego natężenia przepływu, które jest wymagane w nowszych silnikach wysokoprężnych.
• Elektryczne zawory EGR są kontrolowane bezpośrednio przez sterownik silnika i mogą być regulowane z dużo większą precyzją.
• Stosowane są również elektryczne zawory EGR wyposażone w jednostkę chłodzącą, która dodatkowo obniża temperaturę spalin.

Nowa gama zaworów EGR dostępna w ofercie NGK charakteryzuje się równie wysoką jakością jak pozostałe produkty, z których znana jest marka NGK SPARK PLUG – podkreślają przedstawiciele firmy. Aby to zagwarantować, zawory każdego typu poddawane są testom w ekstremalnych warunkach. Obejmują one badanie szoku termicznego w temperaturach od -40°C do 150°C, testy szczelności zaworów, komór i układu chłodzenia, a także oporu elektrycznego i cyklu życia.