Na področju tehnologije dizelskih motorjev za gospodarska vozila je bil sistem recirkulacije izpušnih plinov (EGR) vedno v središču bitke med porabo goriva, močjo in emisijami. Ta na videz preprost, a zelo zapleten sistem nenehno spodbuja inovacije in razvoj tehnologije dizelskih motorjev.
I. Načelo delovanja in klasifikacija sistema EGR
Osnovno načelo sistema EGR je, da del izpušnih plinov dovaja na sesalno stran in z natančnim nadzorom povratnega razmerja izpušnih plinov spremeni okolje zgorevanja v valju. Sodobni sistemi EGR so večinoma sestavljeni iz dveh tehničnih poti: visoko{1}}tlačnega kroga in nizkotlačnega-kroga.
Visokotlačni-sistem EGR črpa izpušne pline neposredno iz izpušnega kolektorja, jih ohladi prek hladilnika EGR in nato natančno nadzoruje njihov vnos v sesalni kolektor prek ventila EGR. Ta sistem se hitro odzove, vendar lahko vpliva na učinkovitost turbopolnilnika v razmerah visoke-obremenitve.
Niz{0}}tlačni sistem EGR črpa izpušne pline izza filtra za delce, je podvržen obdelavi za razžveplanje in odstranjevanje delcev, nato pa jih sesalni kompresor ponovno uvede v valj. Ta postavitev ima relativno majhen vpliv na učinkovitost turbine in je primernejša za aplikacije z visokimi stopnjami EGR.
II. Velik vpliv EGR na značilnosti emisij
Mehanizem za nadzor dušikovega oksida (NOx).
Učinek EGR pri zmanjševanju emisij NOx je izjemno pomemben. Njegov mehanizem delovanja je v glavnem v treh vidikih:
· Toplotni učinek: tri{0}}atomni plini, kot sta ogljikov dioksid in vodna para v izpušnih plinih, imajo višjo specifično toplotno kapaciteto, kar učinkovito zmanjša najvišjo temperaturo zgorevanja.
· Učinek redčenja: izpušni plini razredčijo koncentracijo kisika v svežem vsesanem zraku, kar upočasni hitrost reakcije zgorevanja.
· Kemični učinek: Nekatere komponente v izpušnem plinu lahko sodelujejo v vmesnih kemičnih reakcijah, kar dodatno zavira nastajanje NOx.
Študije so pokazale, da se lahko pri srednji-obremenitvi za vsakih 10 % povečanja stopnje EGR emisije NOx zmanjšajo za približno 30–50 %. Zaradi tega učinka zmanjšanja je EGR potrebna tehnologija za izpolnjevanje strogih predpisov o emisijah, kot so tisti iz nacionalnega standarda VI.
Izziv emisij trdnih delcev
EGR ne le zmanjša emisije NOx, ampak povzroča tudi problem povečanih emisij trdnih delcev. Recirkulacija izpušnih plinov povzroči razširitev območja s preveč bogato mešanico, kar povzroči povečanje proizvodnje saj. Ta težava je še posebej izrazita, ko je visoka stopnja EGR združena s pogoji velike obremenitve.
Sodobni dizelski motorji so to protislovje učinkovito odpravili s skupnimi prizadevanji tehnologije hlajenja EGR, natančnega nadzora vbrizga goriva in učinkovitih filtrov trdnih delcev (DPF).
III. Kompleksni vpliv EGR na ekonomičnost porabe goriva
Vpliv EGR na porabo goriva kaže znatno odvisnost od delovnih pogojev in ga ni mogoče preprosto opredeliti kot povečanje ali zmanjšanje.
Učinek-varčevanja z gorivom pri nizkih{1}}obremenitvah
V pogojih nizke-hitrosti in nizke-obremenitve lahko ustrezna stopnja EGR izboljša porabo goriva. Glavni razlogi za to vključujejo:
· Zmanjšajte izgube črpalke, še posebej učinkoviteje pri dizelskih motorjih, opremljenih z dušilnim ventilom
· Znižajte temperaturo zgorevanja in zmanjšajte toplotne izgube, ki se prenašajo skozi steno cilindra
· Optimizirajte fazo zgorevanja in izboljšajte učinkovitost zgorevanja
Eksperimentalni podatki kažejo, da lahko pri običajni srednji-hitrosti in 25-odstotni obremenitvi na mestnih cestah uporaba približno 15-odstotne stopnje EGR privede do izboljšanja porabe goriva za približno 2-3 %.
Stroški porabe goriva pri visoki{0}}obremenitvi
Vendar pa v pogojih visoke{0}}obremenitve EGR običajno povzroči povečanje stopnje porabe goriva:
· Koeficient presežka zraka se zmanjša, kar povzroči zmanjšanje učinkovitosti zgorevanja.
· Za ohranitev izhodne moči je treba količino goriva v ciklu povečati.
· Delovna točka sistema za povečanje moči se premakne, kar povzroči zmanjšanje učinkovitosti.
Blizu nazivne točke moči lahko uporaba EGR povzroči 3-5 % povečanje porabe goriva. To je cena, ki jo je treba plačati, da bi dosegli nizke emisije.
III. Omejitve in ravnovesje EGR glede na moč
Neposreden vpliv izhodne moči
Vpliv EGR na moč motorja je predvsem v dveh vidikih. Vnos izpušnih plinov neposredno zmanjša količino vsesanega svežega zraka, kar ima za posledico zmanjšanje skupne količine kisika, vključenega v zgorevanje. Hkrati zaviralni učinek izpušnih plinov na proces zgorevanja zmanjšuje učinkovitost pretvorbe toplote.
Poskus je pokazal, da se, ko količina dovoda goriva ostane konstantna, za vsakih 10 % povečanja stopnje EGR izhodni navor motorja zmanjša za približno 2-4%. Ta učinek je še posebej pomemben na območjih visoke-hitrosti in velike obremenitve.
Prehodne značilnosti dinamičnega odziva
Poleg moči-stacionarnega stanja ima EGR pomemben vpliv tudi na karakteristike prehodnega odziva motorja. Med postopkom pospeševanja preostali izpušni plini v sistemu EGR začasno zmanjšajo odzivno občutljivost motorja, kar povzroči tako-pojav "dima pri pospeševanju".
Sodobni motorji so to težavo učinkovito rešili s hitrim zmanjšanjem stopnje EGR v prehodnih pogojih delovanja v povezavi z usklajenim nadzorom turbopolnjenja s spremenljivo geometrijo (VGT).
IV. Tehnološki preboj v naprednih strategijah nadzora EGR
Spričo protislovja med porabo goriva, izhodno močjo in emisijami je sodoben nadzorni sistem EGR razvil vrsto inovativnih rešitev.
Napovedni nadzor-na podlagi modela
Napredni nadzorni sistem nenehno spremlja parametre, kot so polnilni tlak, temperatura in koncentracija kisika v realnem času, in to združuje z delovnim stanjem motorja za napovedovanje optimalne stopnje EGR. Ta strategija krmiljenja s posredovanjem občutno poveča hitrost odziva sistema in natančnost krmiljenja.
Več{0}}sistemska sodelovalna optimizacija
EGR ne deluje več neodvisno, temveč deluje v tesnem sodelovanju z visokotlačnim-sistemom vbrizgavanja preko skupnega voda, turbopolnilnikom s spremenljivo geometrijo in sistemom naknadne-obdelave itd. Z usklajevanjem med temi sistemi zagotavlja skladnost z emisijskimi standardi, hkrati pa zmanjšuje negativne vplive na porabo goriva in moč.
Nova arhitektura sistema EGR
Napredni nizkotlačni-sistem EGR v kombinaciji z učinkovitim hladilnikom polnilnega zraka omogoča delovanje z visoko stopnjo EGR v širšem razponu delovnih pogojev, pri čemer se izogiba motnjam v sistemu za pospeševanje. Nekateri najnovejši dizajni so celo dosegli stopnjo EGR nad 40 %, s čimer so izpolnili zahteve glede ultra-nizkih emisij NOx, medtem ko so izgube moči ohranile v sprejemljivem območju.
V. Prihodnji trendi in obeti
Ker postajajo predpisi o emisijah vse strožji, se tehnologija EGR še vedno nenehno razvija. Naslednja generacija tehnologije EGR se bo osredotočila na:
· Inteligentni spremenljiv nadzor stopnje EGR: dinamično optimizirajte stopnjo EGR glede na-delovne pogoje v realnem času
· Ultra-hlajenje EGR z nizko temperaturo: Dodatno znižajte temperaturo vsesanega zraka in povečajte učinkovitost EGR
· Izboljšana integracija sistema: Zmanjšajte izgubo tlaka v krogu EGR in izboljšajte odzivne lastnosti
Uporaba tehnologije EGR na področju dizelskih motorjev v celoti dokazuje modrost inženirjev pri iskanju ravnotežja med številnimi cilji. Ne gre niti za univerzalno rešitev niti za preprost kompromisni izdelek, temveč za optimalno izbiro v določeni tehnološki fazi.
Skladnost s predpisi o emisijah: Standardi za emisije NOx in trdnih delcev šeste faze nacionalnih predpisov in sedme stopnje evropskih standardov so postavili strožje zahteve, zaradi česar so proizvajalci prisiljeni sprejeti učinkovitejše sisteme EGR.
V sektorju gospodarskih vozil je EGR postal standardna funkcija. Z nadgradnjo nacionalnih emisijskih standardov prvotna pot SCR ne zadostuje več za samostojno izpolnjevanje zahtev glede emisij. Tehnologija naknadne-obdelave EGR je ponovno postala glavna pot. Motorji težkih-komercialnih vozil običajno uporabljajo sheme visoke stopnje EGR (nekatere presegajo 30 %) v kombinaciji z učinkovitimi sistemi SCR, da izpolnijo mejne zahteve NOx v predpisih držav VI in VII.