В двигателях внутреннего сгорания рециркуляция отработавших газов ( EGR ) представляет собой технологию снижения выбросов оксидов азота ( NOx ) , используемую в бензиновых , дизельных и некоторых водородных двигателях . [1] EGR работает путем рециркуляции части отработавших газов двигателя обратно в цилиндры двигателя . Отработавшие газы вытесняют атмосферный воздух и уменьшают содержание O2 в камере сгорания. Уменьшение количества кислорода уменьшает количество топлива, которое может сгореть в цилиндре, тем самым снижая пиковые температуры в цилиндре. Фактическое количество рециркулируемых отработавших газов зависит от рабочих параметров двигателя.
В цилиндре сгорания NO x вырабатывается высокотемпературными смесями атмосферного азота и кислорода, и это обычно происходит при пиковом давлении в цилиндре. В двигателе с искровым зажиганием дополнительным преимуществом рециркуляции выхлопных газов через внешний клапан EGR является повышение эффективности, поскольку разбавление заряда позволяет увеличить положение дроссельной заслонки и снижает связанные с этим потери на насосе. Турбированный бензиновый двигатель SkyActiv с непосредственным впрыском от Mazda использует рециркулированные и охлажденные выхлопные газы для снижения температуры в камере сгорания, тем самым позволяя двигателю работать на более высоких уровнях наддува, прежде чем воздушно-топливная смесь должна быть обогащена для предотвращения детонации двигателя . [2]
В бензиновом двигателе этот инертный выхлоп вытесняет некоторое количество горючего заряда в цилиндре, эффективно уменьшая количество заряда, доступного для сгорания, не влияя на соотношение воздуха и топлива. В дизельном двигателе выхлопной газ заменяет часть избыточного кислорода в смеси перед сгоранием. [3] Поскольку NO x образуется в первую очередь, когда смесь азота и кислорода подвергается воздействию высокой температуры, более низкие температуры в камере сгорания, вызванные EGR, уменьшают количество NO x , которое генерируется в процессе сгорания. Газы, повторно введенные из систем EGR, также будут содержать близкие к равновесным концентрации NO x и CO; небольшая фракция изначально в камере сгорания подавляет общее чистое производство этих и других загрязняющих веществ при отборе проб в среднем по времени. Химические свойства различных видов топлива ограничивают то, сколько EGR может быть использовано. Например, метанол более устойчив к EGR, чем бензин. [4]
Первые системы EGR были грубыми; некоторые из них были такими же простыми, как сопло между выпускным и впускным трактами, которое впускало выхлопные газы во впускной тракт всякий раз, когда двигатель работал. Неизбежно возникали трудности с запуском, грубый холостой ход, снижение производительности и потеря экономии топлива. [5] К 1973 году клапан EGR, управляемый вакуумом коллектора , открывался или закрывался, чтобы впускать выхлопные газы во впускной тракт только при определенных условиях. Системы управления становились все более сложными по мере того, как автопроизводители приобретали опыт; система Volkswagen «Coolant Controlled Exhaust Gas Recirculation» 1973 года стала примером этой эволюции: датчик температуры охлаждающей жидкости блокировал вакуум к клапану EGR, пока двигатель не достигал нормальной рабочей температуры . [5] Это предотвращало проблемы с управляемостью из-за ненужной индукции выхлопных газов; NO x образуется в условиях повышенной температуры, которая обычно отсутствует при холодном двигателе. Более того, клапан EGR частично контролировался вакуумом, отводимым из трубки Вентури карбюратора , что позволяло более точно ограничивать поток EGR только теми условиями нагрузки двигателя, при которых вероятно образование NO x . [6] Позднее датчики обратного давления были добавлены к управлению клапаном EGR для дальнейшей адаптации потока EGR к условиям нагрузки двигателя. Большинству современных двигателей теперь требуется рециркуляция выхлопных газов для соответствия стандартам выбросов NOx . Однако недавние инновации привели к разработке двигателей, которым это не требуется. Двигатель Chrysler Pentastar объемом 3,6 л является одним из примеров, которому не требуется EGR. [7]
Выхлопной газ содержит водяной пар и углекислый газ, которые оба имеют более низкое отношение теплоемкости, чем воздух. Таким образом, добавление выхлопного газа снижает давление и температуру во время изоэнтропического сжатия в цилиндре, тем самым снижая адиабатическую температуру пламени .
В типичном автомобильном двигателе с искровым зажиганием (SI) от 5% до 15% выхлопных газов направляется обратно во впуск в виде EGR. Максимальное количество ограничено необходимостью смеси поддерживать непрерывный фронт пламени во время сгорания; чрезмерный EGR в плохо настроенных приложениях может вызвать пропуски зажигания и частичное сгорание. Хотя EGR заметно замедляет сгорание, это можно в значительной степени компенсировать за счет опережения зажигания. Влияние EGR на эффективность двигателя во многом зависит от конкретной конструкции двигателя и иногда приводит к компромиссу между эффективностью и выбросами NOx . В определенных ситуациях правильно работающая EGR теоретически может повысить эффективность бензиновых двигателей с помощью нескольких механизмов:
EGR обычно не используется при высоких нагрузках, поскольку это снижает пиковую выходную мощность. Это происходит потому, что это снижает плотность всасываемого заряда. EGR также не используется на холостом ходу (низкая скорость, нулевая нагрузка), поскольку это может вызвать нестабильное сгорание, что приведет к неровному холостому ходу.
Поскольку система EGR рециркулирует часть выхлопных газов, со временем клапан может засориться углеродистыми отложениями, что помешает ему работать должным образом. Засоренные клапаны EGR иногда можно очистить, но если клапан неисправен, необходима замена.
Поскольку дизельные двигатели зависят от тепла сжатия для воспламенения топлива, они принципиально отличаются от двигателей с искровым зажиганием. Физический процесс сгорания дизельного топлива таков, что наиболее полное сгорание происходит при самых высоких температурах. К сожалению, производство оксидов азота ( NO x ) увеличивается при высоких температурах. Таким образом, цель EGR состоит в том, чтобы уменьшить производство NO x за счет снижения температур сгорания.
В современных дизельных двигателях газ EGR обычно охлаждается теплообменником , чтобы обеспечить введение большей массы рециркулируемого газа. Однако существуют неохлаждаемые конструкции EGR; их часто называют рециркуляцией горячего газа (HGR). Охлажденные компоненты EGR подвергаются повторяющимся быстрым изменениям температур, что может привести к утечке охлаждающей жидкости и катастрофическому отказу двигателя. [9] [10]
В отличие от двигателей с искровым зажиганием , дизельные двигатели не ограничены необходимостью в непрерывном фронте пламени. Кроме того, поскольку дизели всегда работают с избытком воздуха, они выигрывают (с точки зрения снижения выхода NO x ) от показателей EGR до 50%. Однако показатель EGR в 50% подходит только для дизельного двигателя, работающего на холостом ходу, поскольку в противном случае наблюдается большой избыток воздуха.
Поскольку современные дизельные двигатели часто имеют дроссель, EGR может снизить необходимость в дросселировании, тем самым устраняя этот тип потерь таким же образом, как это происходит в двигателях с искровым зажиганием. В безнаддувном (т.е. нетурбированном) двигателе такое снижение дросселирования также снижает проблему всасывания моторного масла через поршневые кольца в цилиндр и вызывая там углеродистые отложения, полученные из масла. (Это преимущество применимо только к двигателям без турбонаддува.)
В частности, в дизельных двигателях системы EGR имеют серьезные недостатки, одним из которых является сокращение срока службы двигателя. Например, поскольку система EGR направляет выхлопные газы непосредственно обратно в впускной коллектор цилиндра без какой-либо формы фильтрации, эти выхлопные газы содержат частицы углерода . И поскольку эти крошечные частицы являются абразивными, рециркуляция этого материала обратно в цилиндр увеличивает износ двигателя. Это происходит потому, что эти частицы углерода будут продуваться поршневыми кольцами (вызывая износ интерфейса поршень-цилиндр в процессе), а затем попадать в масло картера, где они вызовут дальнейший износ во всем двигателе просто потому, что их крошечный размер проходит через типичные масляные фильтры. Это позволяет им рециркулироваться бесконечно (до следующей замены масла). [11]
Выхлопной газ, который в основном состоит из азота, углекислого газа и водяного пара, имеет более высокую удельную теплоемкость , чем воздух, поэтому он все еще служит для снижения пиковых температур сгорания. Однако добавление EGR к дизельному топливу снижает удельное теплосодержание газов сгорания в рабочем такте . Это уменьшает количество мощности, которое может быть извлечено поршнем, тем самым снижая термодинамическую эффективность.
EGR также имеет тенденцию к снижению полноты сгорания топлива во время рабочего хода. Это ясно видно по увеличению выбросов твердых частиц, что соответствует увеличению EGR. [12] [13]
Твердые частицы (в основном углерод, также известный как сажа), которые не сгорают в рабочем такте, представляют собой напрасную трату энергии. Из-за более строгих правил по твердым частицам (ТЧ) эффект увеличения сажи от EGR потребовал введения дополнительных мер контроля выбросов, чтобы компенсировать результирующее увеличение выбросов ТЧ. Наиболее распространенным устройством контроля сажи является дизельный сажевый фильтр (DPF), установленный ниже по потоку от двигателя в выхлопной системе. Он улавливает сажу, но приводит к снижению эффективности использования топлива из-за создаваемого противодавления.
Дизельные сажевые фильтры имеют свой собственный набор очень специфических требований к эксплуатации и обслуживанию. Во-первых, поскольку DPF улавливает частицы сажи (которых становится гораздо больше из-за использования EGR), сам DPF постепенно наполняется сажей. Затем эту сажу необходимо сжигать, либо активно, либо пассивно.
При достаточно высоких температурах компонент диоксида азота в выбросах NO x является основным окислителем сажи, попавшей в DPF при нормальных рабочих температурах. Этот процесс известен как пассивная регенерация, и он лишь частично эффективен для сжигания попавшей сажи. И, особенно при высоких показателях EGR, эффективность пассивной регенерации еще больше снижается. Это, в свою очередь, требует периодической активной регенерации DPF путем сжигания дизельного топлива непосредственно в катализаторе окисления, чтобы значительно повысить температуру выхлопных газов через DPF до точки, где PM сжигаются остаточным кислородом в выхлопе.
Поскольку дизельное топливо и моторное масло содержат несгораемые (т. е. металлические и минеральные) примеси, сжигание сажи (PM) в DPF оставляет остаток, известный как зола. По этой причине после повторных регенераций DPF в конечном итоге должен быть либо физически удален и очищен в специальном внешнем процессе, либо заменен.
Как отмечалось ранее, подача отработавших газов с низким содержанием кислорода в воздухозаборник дизельного двигателя приводит к снижению температуры сгорания, тем самым снижая выбросы NOx . Заменяя часть свежего воздуха инертными газами, EGR также позволяет двигателю уменьшить количество впрыскиваемого топлива без ущерба для идеального соотношения воздушно-топливной смеси, тем самым снижая расход топлива в ситуации с низкой нагрузкой на двигатель (например, когда автомобиль движется накатом или на крейсерской скорости). Мощность не снижается EGR в любое время, поскольку EGR не используется в ситуациях с высокой нагрузкой на двигатель. Это позволяет двигателям по-прежнему выдавать максимальную мощность, когда это необходимо, но при этом снижать расход топлива, несмотря на большой объем цилиндра, когда частичная нагрузка достаточна для удовлетворения потребностей автомобиля и водителя в мощности.
EGR не имеет ничего общего с перенаправлением паров масла из системы положительной вентиляции картера (PCV), поскольку последняя предназначена только для снижения выбросов паров масла и может присутствовать в двигателях с системой EGR или без нее. Однако трехкомпонентная смесь, образующаяся в результате использования как EGR, так и PCV в двигателе (т. е. выхлопных газов, свежего воздуха и паров масла), может привести к накоплению липкой смолы во впускном коллекторе и клапанах. Эта смесь также может вызвать проблемы с такими компонентами, как вихревые заслонки , если они установлены. (Эти проблемы, которые фактически принимают форму нежелательного контура положительной обратной связи, будут ухудшаться по мере старения двигателя. Например, по мере постепенного износа поршневых колец в поток выхлопных газов будет попадать больше масла из картера. Одновременно в моторное масло попадет больше топлива, сажи и побочных продуктов сгорания.)
Конечным результатом этой рециркуляции как выхлопных газов, так и паров картерного масла снова становится увеличение образования сажи, которому, однако, эффективно противодействует DPF, который собирает их и в конечном итоге сжигает эти несгоревшие частицы во время регенерации, преобразуя их в выбросы CO2 и водяного пара, которые — в отличие от газов NOx — не оказывают отрицательного воздействия на здоровье. [14]
Современные охлаждаемые системы EGR помогают снизить износ двигателя, используя отработанное тепло, рекуперированное из рециркулируемых газов, чтобы помочь нагреть охлаждающую жидкость и, следовательно, блок двигателя быстрее до рабочей температуры. Это также помогает снизить расход топлива за счет сокращения времени после холодного запуска, в течение которого контроллер двигателя должен впрыскивать несколько большее количество топлива в цилиндры, чтобы противостоять эффектам конденсации паров топлива на стенках цилиндров и снижению эффективности сгорания из-за того, что блок двигателя все еще находится ниже идеальной рабочей температуры. Снижение температуры сгорания также помогает снизить окисление моторного масла, поскольку наиболее существенным фактором, влияющим на это, является воздействие на масло высоких температур. [15]
Хотя производители двигателей отказались публиковать подробности влияния EGR на экономию топлива, правила Агентства по охране окружающей среды 2002 года, которые привели к внедрению охлажденной EGR, были связаны с 3%-ным падением эффективности двигателя, тем самым нарушая тенденцию ежегодного роста на 0,5%. [16]
{{cite web}}: |last=имеет общее название ( помощь )CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )