V oblasti technologie vznětových motorů pro užitková vozidla byl systém recirkulace výfukových plynů (EGR) vždy jádrem boje mezi spotřebou paliva, výkonem a emisemi. Tento zdánlivě jednoduchý, ale vysoce komplexní systém neustále pohání inovace a vývoj technologie vznětových motorů.
I. Princip činnosti a klasifikace systému EGR
Základním principem systému EGR je přivádět část výfukových plynů na stranu sání a přesným řízením zpětného toku výfukových plynů mění spalovací prostředí ve válci. Moderní systémy EGR se skládají především ze dvou technických cest: vysokotlakého -okruhu a nízkotlakého- okruhu.
Vysokotlaký -systém EGR přímo nasává výfukové plyny z výfukového potrubí, ochlazuje je přes chladič EGR a poté přesně řídí jejich zavedení do sacího potrubí prostřednictvím ventilu EGR. Tento systém reaguje rychle, ale může ovlivnit účinnost turbodmychadla při vysokém-zatížení.
Nízkotlaký systém EGR nasává výfukové plyny zpoza filtru pevných částic, prochází odsiřováním a odstraňováním pevných částic a poté je kompresorem sání znovu přiváděn do válce. Toto uspořádání má relativně malý vliv na účinnost turbíny a je vhodnější pro aplikace s vysokými hodnotami EGR.
II. Hluboký dopad EGR na emisní charakteristiky
Řídicí mechanismus oxidu dusíku (NOx).
Vliv EGR na snižování emisí NOx je mimořádně významný. Jeho mechanismus účinku spočívá především ve třech aspektech:
· Tepelný efekt: Tří{0}}atomové plyny, jako je oxid uhličitý a vodní pára ve výfukových plynech, mají vyšší specifickou tepelnou kapacitu, čímž účinně snižují špičkovou teplotu spalování.
· Ředicí efekt: Výfukové plyny ředí koncentraci kyslíku v čerstvém nasávaném vzduchu, čímž zpomalují reakční rychlost spalování.
· Chemický účinek: Některé složky ve výfukových plynech se mohou podílet na přechodných chemických reakcích, které dále inhibují tvorbu NOx.
Studie ukázaly, že za podmínek středního{0}}zátěže lze na každých 10 % zvýšení rychlosti EGR snížit emise NOx přibližně o 30–50 %. Tento redukční efekt dělá z EGR nezbytnou technologii pro splnění přísných emisních předpisů, jako jsou normy National VI.
Problém emisí částic
EGR nejen snižuje emise NOx, ale přináší také problém zvýšených emisí pevných částic. Recirkulace výfukových plynů vede k rozšíření oblasti s nadměrně bohatou směsí, což má za následek zvýšení produkce sazí. Tento problém je zvláště významný, když je vysoká rychlost EGR kombinována s podmínkami vysokého zatížení.
Moderní vznětové motory tento rozpor účinně vyřešily pomocí kombinovaného úsilí technologie chlazení EGR, přesného řízení vstřikování paliva a účinných filtrů pevných částic (DPF).
III. Komplexní dopad EGR na spotřebu paliva
Vliv EGR na spotřebu paliva vykazuje značnou závislost na provozních podmínkách a nelze jej jednoduše klasifikovat jako zvýšení nebo snížení.
Efekt-úspory paliva při nízkém-zatížení
Při nízké-rychlosti a nízkém{1}}zatížení může vhodná rychlost EGR snížit spotřebu paliva. Mezi hlavní důvody patří:
· Snižte ztrátu čerpání, zvláště účinnější u dieselových motorů vybavených škrticí klapkou
· Nižší teplota spalování a snížení tepelných ztrát přenášených stěnou válce
· Optimalizace spalovací fáze a zlepšení účinnosti spalování
Experimentální údaje ukazují, že při běžné střední{0}}rychlosti a zatížení 25 % na městských silnicích může použití rychlosti EGR přibližně 15 % vést ke snížení spotřeby paliva o 2–3 %.
Náklady na spotřebu paliva při vysokém-zatížení
Při vysokém-zatížení však EGR obvykle vede ke zvýšení spotřeby paliva:
· Koeficient přebytečného vzduchu se snižuje, což má za následek snížení účinnosti spalování.
· Pro udržení výkonu je třeba zvýšit objem dodávky paliva v cyklu.
· Pracovní bod posilovacího systému se posouvá, což vede ke snížení účinnosti.
V blízkosti jmenovitého výkonu může použití EGR vést ke zvýšení spotřeby paliva o 3–5 %. To je cena, kterou je třeba zaplatit, aby bylo dosaženo nízkých emisí.
III. Omezení a rovnováha EGR na výkonu
Přímý vliv výstupního výkonu
Vliv EGR na výkon motoru spočívá především ve dvou aspektech. Zavádění výfukových plynů přímo snižuje množství nasávaného čerstvého vzduchu, což má za následek snížení celkového množství kyslíku zapojeného do spalování. Inhibiční účinek výfukových plynů na spalovací proces zároveň snižuje účinnost přeměny tepla.
Experiment ukazuje, že když objem dodávky paliva zůstává konstantní, při každých 10% zvýšení rychlosti EGR se výkon motoru sníží přibližně o 2-4%. Tento efekt je zvláště významný v oblastech s vysokou-rychlostí a velkým zatížením.
Přechodové charakteristiky dynamické odezvy
Kromě výkonu v ustáleném stavu- má EGR také významný vliv na přechodovou charakteristiku odezvy motoru. Během procesu zrychlování zbytkové výfukové plyny v systému EGR dočasně snižují citlivost reakce motoru, což má za následek takzvaný jev -zrychlení kouře“.
Moderní motory tento problém účinně vyřešily rychlým snížením rychlosti EGR za přechodných provozních podmínek ve spojení s koordinovaným řízením přeplňování turbodmychadlem s proměnnou geometrií (VGT).
IV. Technologické průlomy v pokročilých strategiích řízení EGR
Tváří v tvář rozporu mezi spotřebou paliva, výkonem a emisemi vyvinul moderní řídicí systém EGR řadu inovativních řešení.
Prediktivní řízení-založené na modelu
Pokročilý řídicí systém nepřetržitě monitoruje parametry, jako je tlak sání, teplota a koncentrace kyslíku v reálném čase, a kombinuje je s provozním stavem motoru, aby předpověděl optimální rychlost EGR. Tato strategie dopředného řízení výrazně zvyšuje rychlost odezvy systému a přesnost ovládání.
Multi{0}}systémová kolaborativní optimalizace
EGR již nefunguje samostatně, ale místo toho úzce spolupracuje s vysokotlakým{0}}systémem vstřikování Common Rail, turbodmychadlem s proměnnou geometrií a systémem následného{1}}dočištění atd. Prostřednictvím koordinace mezi těmito systémy zajišťuje dodržování emisních norem a zároveň minimalizuje negativní dopady na spotřebu paliva a výkon.
Nová architektura systému EGR
Pokročilý nízkotlaký-systém EGR v kombinaci s účinným mezichladičem umožňuje provoz s vysokou rychlostí EGR v širším rozsahu provozních podmínek a zároveň zabraňuje interferenci s posilovacím systémem. Některé z nejnovějších konstrukcí dokonce dosáhly míry EGR vyšší než 40 %, čímž splňují požadavky na ultra-nízké emise NOx a zároveň udržují ztrátový výkon v přijatelném rozsahu.
V. Budoucí trendy a vyhlídky
Vzhledem k tomu, že emisní předpisy jsou stále přísnější, technologie EGR se stále neustále vyvíjí. Nová generace technologie EGR se zaměří na:
· Inteligentní proměnná regulace rychlosti EGR: Dynamicky optimalizuje rychlost EGR na základě{0}}provozních podmínek v reálném čase
· Ultra-nízkoteplotní chlazení EGR: Dále snižuje teplotu nasávaného vzduchu a zvyšuje účinnost EGR
· Vylepšená integrace systému: Snižuje tlakovou ztrátu v okruhu EGR a zlepšuje charakteristiku odezvy
Aplikace technologie EGR v oblasti dieselových motorů plně demonstruje moudrost inženýrů při hledání rovnováhy mezi více cíli. Nejde ani o univerzální řešení, ani o jednoduchý kompromisní produkt, ale spíše o optimální volbu v konkrétní technologické fázi.
Soulad s emisními předpisy: Normy pro emise NOx a pevných částic šesté fáze národních předpisů a sedmé fáze evropských norem stanovily přísnější požadavky, které nutí výrobce přijmout účinnější systémy EGR.
V sektoru užitkových vozidel se EGR stalo standardním prvkem. S modernizací národních emisních norem již původní cesta SCR nestačí k samostatnému plnění emisních požadavků. Technologie následného zpracování EGR-se opět stala běžnou cestou. Motory pro těžká-užitková vozidla obecně používají schémata vysoké míry EGR (některé přesahující 30 %) v kombinaci s účinnými systémy SCR, aby splnily požadavky na limity NOx v předpisech národních VI a VII.