EGR z elektroniką cz. 1.

24.6.2019

Recyrkulacja spalin jest jednym ze sposobów ograniczania emisji tlenków azotu (NO_X) oraz niespalonych węglowodorów (HC) przez ich utlenianie w spalinach wylotowych.

Układ recyrkulacji spalin umożliwia przepływ ściśle określonej ilości spalin z układu wylotowego z powrotem do komór spalania silnika. Ma to spowodować częściowe wypełnienie komór roboczych silnika gazem obojętnym, tzn. niebiorącym udziału w spalaniu, co prowadzi do obniżenia temperatury spalania i w konsekwencji zmniejszenia emisji tlenków azotu NO_X. Prawidłowa praca układu recyrkulacji spalin wynika z precyzyjnego dawkowania ilości spalin uczestniczących w procesie spalania. Regulacja ilości powracających spalin bazuje na charakterystyce zapisanej w sterowniku silnika oraz sygnałach wyjściowych z czujników umożliwiających określenie chwilowych warunków pracy silnika. Po uwzględnieniu tych informacji następuje odpowiednie wysterowanie położenia zaworu recyrkulacji spalin EGR (ang. Exhaust Gas Recirculation) regulującego ilość spalin dopływających do układu dolotowego silnika. Coraz bardziej rygorystyczne normy emisji spalin oraz większe oczekiwania użytkowników pojazdów co do mocy i momentu obrotowego silnika sprawiły, że w prawie każdym nowoczesnym silniku niezależnie od sposobu inicjacji zapłonu mieszanki palnej stosuje się recyrkulację spalin. W nowych typach układów recyrkulacji spalin zrezygnowano z pneumatycznego sterowania stopniem otwarcia zaworu, a jego położenie zależne od obciążenia i prędkości obrotowej silnika nadzorowane jest przez sterownik silnika i regulowane za pomocą elektrycznego silnika krokowego. Chwilowe zmiany położenia zaworu recyrkulacji spalin i jego zmiany w czasie mają bardzo duży wpływ na pracę tłokowego silnika spalinowego. Analiza w czasie rzeczywistym chwilowego położenia zaworu w porównaniu z innymi parametrami opisującymi zachowanie głównie układu zasilania silnika i układu oczyszczania spalin umożliwia ocenę poprawności jego działania w zależności od warunków pracy silnika.

Optymalizacja procesu spalania ładunku w silniku o ZS przy wieloetapowym wtrysku paliwa węglowodorowego lub z dodatkiem biokomponentów w systemach Common Rail stanowi obecnie jedno z najważniejszych wyzwań technologicznych dla producentów pojazdów.

EGR z Common Railem

Układ recyrkulacji spalin silników o zapłonie samoczynnym wyposażonych w zasobnikowy układ wtryskowy Common Rail zawiera m.in. zespół przepustnicy z potencjometrem, zawór recyrkulacji spalin EGR z potencjometrem recyrkulacji spalin i zaworem sterującym recyrkulacji spalin, przewód dopływu spalin z chłodnicy recyrkulowanych spalin do zaworu recyrkulacji spalin, czujnik temperatury silnika, sondę lambda, kolektor wylotowy, turbosprężarkę, chłodnicę recyrkulowanych spalin, zawór chłodnicy recyrkulowanych spalin, silnik klap kierujących z potencjometrem położenia klap oraz sterownik silnika.

Obecne modyfikacje zmierzają w kierunku stworzenia układu umożliwiającego zachowanie homologacyjne z limitami emisji toksycznych składników spalin, w szczególności CO, HC, NO_X oraz cząstek stałych PM (ang. Particulate Matter). W tym celu coraz częściej stosuje się złożone układy oddziałujące na skład chemiczny spalin silnika, wyposażone nie tylko w układ EGR, ale także konwertery katalityczne i filtry cząstek stałych DPF (ang. Diesel Particulate Filter). Wraz z rozwojem technologicznym układów EGR dla potrzeb obniżenia poziomu stężenia NOX wprowadzane są układy SCR (ang. Selective Catalytic Reduction) z wykorzystaniem reduktora AdBlue lub DEF (ang. Diesel Exhaust Fluid), które spełniają wymogi jakościowe normy ISO-22241.

Biopaliwa

Równolegle z badaniami nad rozwojem innowacyjnych procesów katalizy spalin i udoskonaleniem konstrukcji filtrów cząstek stałych DPF zwiększającej ich trwałość i skuteczność działania prowadzone są badania dotyczące poprawy cech fizyko-chemicznych biopaliw FAME z odpowiednio określonym zestawem dodatków uszlachetniających. Cząstki stałe PM powstające w wyniku silnikowego spalania paliw są następstwem miejscowego, niezupełnego i niecałkowitego spalania paliwa powodującego powstanie cząstek węgla i tworzenie się aglomeratów o różnej wielkości.

W przypadku silników o ZS przeznaczonych do napędu pojazdów osobowych zasilanych paliwami węglowodorowymi wzrostowi udziału FAME towarzyszy dążenie do poprawy precyzji działania układów EGR oraz systemów sterowania pracą układu. Ma to na celu obniżenie prędkości spalania, a tym samym istotne zmniejszenie poziomu stężenia NO_X w spalinach. Konsekwencją tych prac jest wprowadzenie elektrycznego sterowania zaworem EGR. W wyniku poprawy parametrów procesu zostaje obniżona maksymalna temperatura spalania, jak również następuje ograniczenie maksymalnej ilości tlenu w ładunku dostarczanym do cylindra.

Jest to zabieg konieczny dla zmniejszenia poziomu stężenia NO_X. Jednakże nadmierny udział spalin w całym ładunku dostarczanym do cylindra może prowadzić do znaczącego zmniejszenia mocy oraz znacznego wzrostu emisji cząstek stałych, a przez to do uzyskania niekorzystnych wartości innych wskaźników pracy silnika. Upowszechnienie systemów DPF oraz konwerterów katalitycznych w układzie wylotowym silników z ZS może częściowo ograniczyć niekorzystne efekty doprowadzenia zbyt dużej ilości spalin do komór spalania silnika. Jednak należy pamiętać, że stan działania zaworu EGR oraz precyzja sterowania ilością dozowanych przez niego spalin biorących udział w procesie spalania jest jednym z ważniejszych czynników decydujących o możliwości zmniejszenia poziomu stężenia NO_X w spalinach przy równoczesnym zachowaniu dobrych parametrów pracy silnika.

Zasadniczy wpływ na poprawność funkcjonowania układu recyrkulacji spalin ma wyznaczenie całkowitej masy ładunku zasysanego do cylindrów silnika stanowiącego mieszaninę powietrza i spalin w zmiennych proporcjach. Wartość ta jest obliczana na podstawie takich parametrów jak: masa powietrza zasysanego, prędkość obrotowa wału, ciśnienie doładowania oraz temperatury składników. Natomiast masa recyrkulowanych spalin jest określana na podstawie różnicy masy całkowitej ładunku i masy powietrza w odniesieniu do korekty temperaturowej powietrza zasysanego. Daje to możliwość obliczenia stopnia recyrkulacji jako stosunku masy spalin do masy powietrza i porównania tych wartości w czasie rzeczywistym w danych warunkach obciążeń silnika z wartościami zapisanymi w pamięci sterownika. Stopień otwarcia zaworu EGR – w większości określany procentowo – wyznacza masę spalin dla potrzeb zapewnienia chwilowej wartości stopnia recyrkulacji. Przedział błędu jest ściśle ustalony, a przekroczenie tej wartości świadczy o niesprawności układu recyrkulacji spalin, prowadząc do sygnalizacji awaryjnego stanu pracy silnika przez włączenie kontrolki MIL.

Usterka EGR

Identyfikacja usterki stanowi w tym przypadku złożoną procedurę diagnostyczną, gdyż analizowany jest układ wzajemnie sprzężonych sygnałów wyjściowych pochodzących z elektrozaworu sterującego siłownikiem pneumatycznym EGR lub wprost z siłownika elektrycznego układu w odniesieniu do sygnałów masowego natężenia przepływu, ciśnienia w układzie dolotowym, temperatur czynników oraz prędkości obrotowej wału. Układ EGR wyróżnia się stopniem znacznego przedziału tolerancji na chwilową zmianę stopnia recyrkulacji, zwłaszcza w zakresie nieustalonych obciążeń silnika. W dużym stopniu na poprawność sygnałów wyjściowych ma wpływ stan elementów mechanicznych tego układu, w szczególności stopień ich zanieczyszczenia sadzą i pochodnymi cząstkami stałymi będącymi następstwem normalnej eksploatacji podzespołów łańcucha sterowania recyrkulacją spalin. Do niesprawności układów pośrednich mających wpływ na stopień zanieczyszczenia tych podzespołów przyczynia się głównie zły stan techniczny i nieszczelność układu doładowania silnika, a także inne usterki mogące wpływać na przedostawanie się oleju i paliwa do układów dolotowego i wylotowego silnika spalinowego. Analiza bilansu energetycznego wymiany ciepła i masy zawiera w sobie pewien stopień uproszczeń weryfikacyjnych z uwagi na brak możliwości jednoznacznego opisania wszystkich czynników wpływających na dokładną parametryzację procesu recyrkulacji spalin. Na zmianę tych obliczeń ma wpływ także stopień zużycia mechanizmów głównych, rozrządu i pośrednich silnika powodujących zwiększanie udziału frakcji spalanego oleju smarującego. Zasadniczym problemem w takim przypadku jest poprawne określenie ciepła właściwego recyrkulowanych spalin na podstawie ciepła właściwego poszczególnych jego składników. Ponadto w wyniku stosowania biokomponentów domieszkowanych do oleju napędowego zaznacza się zróżnicowany, w stosunku do paliw węglowodorowych, udział takich składników jak: CO₂, CO, HC, NO_X. Następne przybliżenie stanu rzeczywistego zawarte jest w zapisie równania Clapeyrona powstałej mieszaniny powietrza i spalin. Zaznacza się brak wystarczająco precyzyjnych metod pomiaru masowego natężenia przepływu recyrkulowanych spalin. Przydatnym parametrem jest gęstość spalin w danych warunkach obciążeń silnika. Utrudnienie zapisu jest determinowane przez fakt, że doprowadzenie recyrkulowanych spalin, niezależnie od możliwości ich wcześniejszego ochłodzenia za pomocą chłodnicy powietrza dolotowego lub chłodnicy recyrkulowanych spalin, mimo wszystko powoduje istotny wzrost temperatury zasysanego powietrza. Ponadto dochodzi do wtórnego spadku temperatury mieszaniny w wyniku oddawania ciepła do powierzchni kolektora dolotowego i jego ekspansji do otoczenia zewnętrznego. Należy w tym przypadku uwzględnić powierzchnię wymiany ciepła wszystkich kanałów przepływu recyrkulowanych spalin, współczynnik przenikania ciepła przez strukturę materiałową kolektora dolotowego i wylotowego oraz czas wymiany ciepła przy różnicy temperatur ładunku i otoczenia dla zróżnicowanych warunków pracy silnika.

Ilustracja 1. Analiza przebiegu sygnału położenia zaworu EGR – wartość zadana i rzeczywista oraz procentowego udziału w cyklu pracy silnika w zależności od prędkości obrotowej silnika uzyskanego na podstawie diagnozy szeregowej. Przy gwałtownym wciśnięciu pedału przyspieszania można zaobserwować nieznaczne odchylenia wartości rzeczywistej od zadanej, ale mieszczące się w tolerancji błędu.
Nie występuje kod usterki.

Ilustracja 2. Analiza przebiegu sygnału położenia zaworu EGR sterowanego elektronicznie. Częściowe odchylenia wartości zadanej od rzeczywistej zwłaszcza podczas włączania pedału sprzęgła.

Ilustracja 3. Analiza przebiegu sygnału położenia zaworu EGR sterowanego elektronicznie. Odchylenie wartości zadanej od rzeczywistej w chwili wystąpienia dużego obciążenia silnika i gwałtownego wciśnięcia pedału przyspieszenia (5 bieg 9 m 35 s–9 m 50 s). Przy zmianie biegów i swobodnym przyspieszaniu przebiegi wartości zadanej i rzeczywistej prawie pokrywają się, co świadczy o poprawnej pracy zaworu EGR.

Ilustracja 4. Analiza przebiegu sygnału położenia zaworu EGR sterowanego elektronicznie. Poprawna praca zaworu EGR w większości okresu pracy silnika i zmiennego obciążenia – przebiegi sygnałowe bardzo zbliżone
do wartości zadanej.

Ilustracja 5. Analiza sygnału zaworu EGR – cykl pracy (%) – zawór działa swobodnie w pełnym zakresie dla różnych parametrów pracy silnika. Analiza chwili załączenia zaworu względem prędkości obrotowej silnika.

Odmienny charakter wymiany ciepła zaznacza się na odcinku kanału dolotowego zlokalizowanego w głowicy do przestrzeni stereometrycznej gniazda zaworu ssącego. Istniejące metody pomiarowe umożliwiają dokładne wyznaczenie czasu przepływu mieszaniny na omawianym odcinku, uwzględniając prędkość obrotową wału korbowego i sprawność napełnienia. Mimo zidentyfikowania wartości chwilowych tych parametrów trudno jest dokonać aproksymacji warunków przepływu czynnika przy zmiennej geometrii kanału w strefach o zróżnicowanych temperaturach ścianek, w szczególności w okresie chwilowych zmian położenia zaworu EGR. W większości systemów sterujących stosuje się uproszczenie polegające na przyjęciu kołowego przekroju kanału dla zastępczej jego średnicy, co skutkuje znacznym uproszczeniem zapisu powierzchni wymiany ciepła i zmniejszoną dokładnością w określaniu niezbędnych korekt położenia zaworu EGR. Dodatkowym utrudnieniem jest brak możliwości uwzględnienia zmiennych oporów przepływu spalin w strefie zaworu sterującego w wyniku zalegania nagaru lub chwilowych jego niedomagań albo zmiennych oporów ruchu trzpienia sterującego wpływających na szybkość reakcji zaworu na zmienne warunki obciążenia silnika. Stan funkcjonalny układu EGR można poprawić, wprowadzając szereg przetworników sygnałów w przestrzeni roboczej układu dolotowego i wylotowego silnika, co zwiększa stopień skomplikowania układu recyrkulacji spalin, a także dokonując modyfikacji oprogramowania sterownika ECU lub wprowadzając dodatkowe wyposażenie pomiarowe i wykonawcze sterowane elektronicznie.

Chłodnica spalin w układzie EGR

W niektórych układach recyrkulacji spalin silników o zapłonie samoczynnym stosuje się dodatkową chłodnicę spalin, aby zwiększyć ilość spalin doprowadzanych do silnika. Gdy termostat układu chłodzenia jest zamknięty, do chłodnicy spalin bezpośrednio z chłodnicy silnika jest doprowadzana ciecz chłodząca. Elektryczna pompa cieczy chłodzącej jest włączana przez sterownik silnika na podstawie przesyłanych sygnałów z czujników pomiarowych. Pracuje ona cały czas po uruchomieniu silnika.

Wymiana i naprawa tych elementów przebiega podobnie jak w przypadku chłodnicy cieczy chłodzącej oraz elektrycznej pompy cieczy chłodzącej. W praktyce elementy te w przypadku uszkodzenia wymienia się. W systemach recyrkulacji spalin z chłodzeniem wyróżnia się następujące podzespoły: elektronicznie lub elektropneumatycznie sterowany zawór EGR, klapa regulacyjna silnika o ZS, chłodnica EGR, przewody połączeniowe oraz elektropneumatyczny przetwornik ciśnienia. Wyznaczenie bardzo rygorystycznych granicznych wartości emisji spalin wymusza stosowanie chłodnic EGR – w innym przypadku spełnienie tych wartości jest praktycznie niewykonalne. Wprowadzane w silnikach o ZS klapy regulacyjne w przewodzie dolotowym wytwarzają niezbędną do poprawnego funkcjonowania układu recyrkulacji różnicę ciśnienia między stroną zasysania a stroną odprowadzania spalin umożliwiającą osiągnięcie wysokiego współczynnika recyrkulacji spalin.

Zawór EGR

Zawór recyrkulacji spalin (zawór EGR) stanowi główny zespół wykonawczy układu recyrkulacji spalin. Jest on wbudowany w przewód obejściowy przepływu spalin między kolektorem wylotowym a kolektorem dolotowym przy zespole turbosprężarki. Zawór ten umożliwia dopływ odpowiedniej ilości spalin do komór spalania przy nagrzanym silniku. Układ recyrkulacji spalin może być sterowany zarówno podciśnieniowo, jak i elektromagnetycznie. Znajomość rodzaju rozwiązania zastosowanego w naprawianym silniku jest szczególnie istotna podczas diagnostyki, wymiany i regeneracji podstawowych elementów zaworu EGR i jego wyposażenia. Ze względu na znaczną prędkość recyrkulacji zawory EGR stosowane w silnikach o zapłonie samoczynnym mają znacznie większe przekroje otworów przepływu spalin niż zawory w silnikach o zapłonie iskrowym.

Niesprawność zaworów EGR objawia się zwiększonym zużyciem paliwa, nierównomierną pracą silnika lub jego działaniem w trybie awaryjnym, nadmierną zawartością substancji szkodliwych w spalinach lub przegrzewaniem się silnika i spalaniem stukowym.

Sterowanie elektryczne zaworu recyrkulacji spalin przy wykorzystaniu zasobnika podciśnienia umożliwia szybszą reakcję układu na zmiany parametrów pracy silnika. Zawory takie mogą być włączane niezależnie od podciśnienia oraz łatwo regulowane za pomocą zmiennego napięcia sterującego. Są one bezpośrednio montowane w kolektorze wylotowym lub na dolocie. Sterowanie położeniem zaworu może odbywać się za pomocą elektropneumatycznego przetwornika ciśnienia (EWP) lub elektrycznego przetwornika ciśnienia (EDW). Zawory są wyposażone w potencjometry do weryfikacji położenia, podobnie jak w przypadku przepustnic z pojedynczym lub podwójnym potencjometrem definiującym kątowe położenie klapy po uwzględnieniu zmiennego napięcia wyjściowego zgodnie z ich charakterystyką. Dzięki sygnałowi wyjściowemu z potencjometrów możliwa jest korekta otwarcia zaworu i stała kontrola jego funkcjonowania. Przy odpowiedniej weryfikacji jest możliwa ocena mechaniczna jego stanu, a nawet stopień zanieczyszczenia sadzą określany na podstawie analizy skrajnych wartości napięcia z tych czujników. Nowsze wersje zaworów recyrkulacji spalin są także wyposażone w czujniki temperatury. Jest to niezbędne do zachowania odpowiedniej trwałości zaworów elektrycznie sterowanych, które narażone są na uszkodzenia termiczne. Jeżeli temperatura zaworu jest zbyt wysoka, uruchamiany jest obwód chłodzenia. Często w silnikach o ZS zawory EGR są zintegrowane z korpusem przepustnicy. W starszych systemach zawory recyrkulacji spalin są uruchamiane pneumatycznie podciśnieniem za pośrednictwem elektrycznego zaworu przełączającego (EUV). Zawór taki posiada jedynie funkcję otwarty/zamknięty. W nowszych systemach sterowanie odbywa się za pomocą przetwornika elektro-pneumatycznego (EPW), dzięki czemu zawór może być ustawiany bezstopniowo. W ten sposób uzyskuje się dokładniejsze dopasowanie jego położenia w każdym punkcie roboczym pracy silnika. Pierwotnie w tych wersjach stosowano elektryczne przetworniki podciśnienia (EDW). Dziś w pełni elektryczne zawory EGR sterowane są za pomocą sterownika.

Recyrkulacja spalin włączana jest tylko w określonych punktach roboczych, np. w silnikach o ZS do około 3000 obr./min i przy średnim obciążeniu, a w silnikach o ZI – powyżej biegu jałowego aż do górnego obciążenia częściowego. Przy obciążeniu całkowitym nie następuje recyrkulacja spalin, dzięki czemu nie dochodzi do zmian wydajności krańcowej.