Το σύστημα ανακυκλοφορίας καυσαερίων (EGR – Exhaust Gas Recirculation) χρησιμοποιείται από τις αρχές της δεκαετίας του 70 με στόχο την μείωση των οξειδίων του αζώτου. Οι βαλβίδες EGR επιτρέπουν σε ένα ποσοστό καυσαερίων να οδηγείται ξανά στον θάλαμο καύσης κατά την διάρκεια της εισαγωγής.
Το σύστημα ανακυκλοφορίας καυσαερίων μειώνει τις εκπομπές οξειδίων του αζώτου σε κινητήρες diesel και βενζίνης ακριβώς στη φάση σχηματισμού των οξειδίων, μειώνοντας τη θερμοκρασία καύσης και την περιεκτικότητα οξυγόνου στον αέρα εισαγωγής. Με την ανακυκλοφορία των καυσαερίων μειώνεται η θερμοκρασία τους και επιβραδύνεται η ταχύτητα καύσης. Προσθέτοντας καυσαέρια στο καύσιμο μίγμα, αυξάνει το ποσοστό πλήρωσης των κυλίνδρων, αφου 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 την σχεδίαση του βενζινοκινητήρα, τα ποσοστά των καυσαερίων, που μπορεί να ανακυκλωθούν από το σύστημα EGR, μπορούν να αυξηθούν. Οι βενζινοκινητήρες με άμεση έγχυση με λειτουργία στρωματοποιημένου φορτίου έχουν τα υψλότερα ποσοστά ανακυκλοφορίας καυσαερίων από το σύστημα EGR. Καθώς κατά την λειτουργία των βενζινοκινητήρων με άμεση έγχυση σε φτωχό μίγμα, δεν μπορούν να είναι αποτελεσματικοί οι τριοδικοί καταλυτικοί μετατροπείς, απαιτούνται υψηλότερα ποσοστά ανακυκλοφορίας καυσαερίων από το σύστημα EGR, για να μειωθούν οι εκπομπές οξειδίων του αζώτου. Με την ανακυκλοφορία των καυσαερίων, τα οξείδια του αζώτου στα πρωτογενή καυσαέρια μειώνονται έως και κατά 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 στους κινητήρες diesel, η ανακύκλωση των καυσαερίων έχει καθιερωθεί ως μια καλά σχεδιασμένη και οικονομικά αποδοτική τεχνική λύση, παράλληλα με τα μέτρα βελτίωσης του κινητήρα, όπως ο χρονισμός της έναρξης της έγχυσης.
Η τοποθέτηση του συστήματος EGR
Υπάρχουν διάφορες θέσεις για την λήψη των καυσαερίων ανάλογα με την εφαρμογή. Η κλασική θέση λήψης των καυσαερίων του κινητήρα είναι πριν από τον υπερσυμπιεστή, με εν συνεχεία επανατροφοδότησή τους στην πολλαπλή εισαγωγής. Αυτή είναι γνωστή ως ανακύκλωση καυσαερίων υψηλής πίεσης (HP EGR). Αντιθετα, στην 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 η 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. Το μίγμα καυσαερίων και καθαρού αέρα αναμιγνύεται στον σωλήνα της πολλαπλής εισαγωγής ή στον σωλήνα μετά τον υπερσυμπιεστή.
Οι βαλβίδες ανακύκλωσης καυσαερίων πρέπει να στεγανοποιούν με ασφάλεια έναντι της αντίθλιψης των καυσαερίων και της πίεσης του υπερσυμπιεστή. Πρέπει επίσης να είναι ανθεκτικές στην ρύπανση, τη μόλυνση από αιθάλη και τα επιβλαβή συμπυκνώματα, τα οποία μπορούν να προκαλέσουν διάβρωση.
Οι βαλβίδες HP EGR έχουν γενικά έναν αισθητήρα διαδρομής χωρίς επαφή. Η μονάδα ελέγχου του κινητήρα μπορεί να χρησιμοποιήσει αυτές τις πληροφορίες για να ρυθμίσει την επιθυμητή διαδρομή της βαλβίδας – και συνεπώς τον απαιτούμενο ρυθμό ανακύκλωσης καυσαερίων – σε κλειστό βρόχο ελέγχου. Εάν είναι απαραίτητο, οι πληροφορίες από τον αισθητήρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για τη διάγνωση βλαβών των βαλβίδων EGR.
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 στις παρακάτω κατηγορίες, ανάλογα με τον τρόπο ενεργοποίησης:
- Πνευματικές (ενεργοποίηση με κενό)
- Ηλεκτρικά ενεργοποιούμενες
- με πηνίο
- με βηματικό μοτέρ
- με κινητήρα DC (χωρίς ψήκτρες)
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 στην επιμόλυνση. Προσφέρουν χαμηλότερες απώλειες πίεσης και υψηλή ταχύτητα ροής.
Προκειμένου να επιτευχθούν οι υψηλότεροι ρυθμοί ανακύκλωσης των καυσαερίων, που απαιτούνται για την συμμόρφωση με την αυστηρή νομοθεσία για τις εκπομπές ρύπων Euro 6, στο μέλλον αναμένεται να επικρατήσει η ανακυκλοφορία καυσαερίων χαμηλής πίεσης (LP EGR).
Βλάβες στα συστήματα EGR
Όπως όλα τα εξαρτήματα και μία βαλβίδα EGR μπορεί να αστοχήσει. Οι περισσότερες όμως βλάβες στο σύστημα συμβαίνουν από τρεις εξωτερικούς παράγοντες:
1. Ελαττωματικός αισθητήρας θερμοκρασίας ή MAF
Μια συνηθισμένη αιτία αστοχίας της EGR δεν αφορά στην πραγματικότητα την ίδια τη βαλβίδα. Εάν η πληροφορία για τη μάζα ή τη θερμοκρασία του αέρα εισαγωγής είναι λανθασμένη, το σύστημα EGR δεν θα λειτουργήσει όπως θα έπρεπε. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η ροή του συστήματος EGR θα είναι ανεπαρκής, και το σύστημα αυτοδιάγνωσης θα καταγράψει βλάβη στην βαλβίδα EGR.
2. Βουλωμένος σωλήνας EGR
Το σύστημα EGR οδηγεί καυσαέρια πίσω στον κινητήρα μέσω ενός ειδικού τμήματος σωλήνα, που συχνά αναφέρεται ως σωλήνας EGR. Τα καυσαέρια περιέχουν μεγάλο ποσοστό αιθάλης. Με την πάροδο του χρόνου, τέτοιες ουσίες τείνουν να συσσωρεύονται στα τοιχώματα του σωλήνα της EGR. Τελικά οι εναποθέσεις μπορούν να γίνουν αρκετά παχύρρευστες ώστε να διακόψουν τη ροή εντελώς.
Αυτό το ζήτημα οδηγεί στο ίδιο σύνολο προβλημάτων με έναν ελαττωματικό αισθητήρα θερμοκρασίας ή MAF. Δηλαδή, το σύστημα EGR να παρέχει ανεπαρκή ρυθμό ροής.
3. Κολλημένη βαλβίδα EGR
Οι ίδιοι ρύποι που μπορούν να φράξουν το σωλήνα της EGR συσσωρεύονται επίσης στην ίδια τη βαλβίδα. Με την πάροδο του χρόνου, αυτές οι ουσίες δυσκολεύουν το σωστό άνοιγμα και κλείσιμο της βαλβίδας. Η βαλβίδα μπορεί ακόμη και να κολλήσει σε μερικώς ανοιχτή ή μερικώς κλειστή θέση. Και τα δύο αυτά σενάρια προκαλούν βλάβη στο κύκλωμα της EGR.
Μια κολλημένη βαλβίδα EGR στην κλειστή θέση δεν θα επιτρέψει στα καυσαέρια να εισέλθουν στον κινητήρα. Ως αποτέλεσμα, οι θερμοκρασίες του κινητήρα αυξάνονται, με αποτέλεσμα το κροτάλισμα. Μια κολλημένη βαλβίδα EGR στην ανοιχτή της θέση επιτρέπει υπερβολική ποσότητα καυσαερίων να ανακυκλοφορήσει. Το αποτέλεσμα είναι: τραχύ ρελαντί και έλειψη απόδοσης που μερικές φορές φτάνει στο σημείο ο κινητήρας να σβήνει ή να ξεκινά δύσκολα.
EGR – Λίπανση/Λιπαντικά
Η χρήση συστημάτων EGR για τον έλεγχο των εκπομπών NOx έχει άμεσο αντίκτυπο στη λίπανση των κινητήρων, καθώς η εισαγωγή καυσαερίων στο θάλαμο καύσης καθιστά το περιβάλλον λειτουργίας του λιπαντικού περισσότερο δυσμενές. Η ανάγκη διαχείρισης υψηλότερων επιπέδων επιμόλυνσης εμπεριέχει τον κίνδυνο τόσο της υποβάθμισης του λιπαντικού όσο και της φθοράς του κινητήρα. Στην πράξη, η επαφή με διαβρωτικά/όξινα αέρια οδηγεί σε αύξησης της οξείδωσης και του κινηματικού ιξώδους του λιπαντικού καθώς και σε αύξηση της επιμόλυνσής του με αιθάλη και μικροσωματίδια. Οι συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας ευνοούν την εμφάνιση φθοράς σε διάφορα μέρη του κινητήρα, όπως στα χιτώνια των κυλίνδρων, στα ελατήρια των εμβόλων και στις βαλβίδες. Οι μηχανισμοί φθοράς στη συγκεκριμένη περίπτωση εντοπίζονται στη διαβρωτική συμπεριφορά των όξινων συστατικών των αερίων ανακυκλοφορίας και στην αποξεστική δράση του αυξημένου σωματιδιακού φορτίου που εισέρχεται στο θάλαμο καύσης όταν χρησιμοποιούνται συστήματα EGR.
Στην προσπάθεια περιορισμού των αρνητικών επιπτώσεων που προκύπτουν από τη χρήση συστημάτων EGR, οι κατασκευαστές κινητήρων σε συνεργασία με τις εταιρίες παραγωγής λιπαντικών και προσθέτων έχουν αναβαθμίσει τις προδιαγραφές των λιπαντικών κινητήρων, συμπεριλαμβάνοντας όλες τις απαραίτητες εργαστηριακές και μηχανικές δοκιμές. Οι σύγχρονες προδιαγραφές λιπαντικών κινητήρων προϋποθέτουν επανασχεδιασμό της σύνθεσης των λιπαντικών, έτσι ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις λίπανσης των κινητήρων με συστήματα EGR για βελτιωμένη προστασία έναντι της φθοράς, αυξημένη οξειδωτική σταθερότητα, και βελτιωμένες απορρυπαντικές και διασκορπιστικές ιδιότητες. Η χρήση λιπαντικών σύγχρονων προδιαγραφών διασφαλίζει αφενός την υψηλή προστασία του κινητήρα έναντι της φθοράς και αφετέρου τη διατήρηση μεγάλων διαστημάτων αλλαγής λιπαντικού.
