W historii silników spalinowych był okres, w którym nie zwracano uwagi na zanieczyszczenia związane z eksploatacją pojazdów. W późniejszych czasach inżynierowie starali się je zredukować, aby spełnić ustalone przez władze limity maksymalnej emisji. Wraz z pojawieniem się norm Euro, ilość emitowanych substancji szkodliwych została zmniejszona o połowę, a w rezultacie producenci zostali zmuszeni do zwiększenia wydajności spalanego paliwa dzięki rozmaitym urządzeniom pomocniczym.

Problem ze spalaniem

Idealnie byłoby, gdyby produktami spalania benzyny, oleju napędowego, gazu CNG czy innej dowolnej kombinacji węglowodorów, były tylko dwutlenek węgla i woda. W rzeczywistości jednak, wraz z powietrzem do komory spalania trafia spora ilość azotu, z którego powstają różne ilości tlenku azotu w zależności od jakości spalania. Oczywiście jakość spalania wpływa również na proporcje dwutlenku i tlenku węgla powstałe wskutek spalania węglowodorów.

Spaliny zawierają także wiele innych substancji (sadza, tlenki siarki, niespalone węglowodory) – wszystkie są niekorzystne dla środowiska. Szczególnie niebezpieczne jest niepełne spalanie tlenków węgla i azotu. Gazy te są niebezpieczne i mają wysoce toksyczny wpływ na świat żywy. W związku z tym podjęto decyzję o wyeliminowaniu tych substancji ze środowiska.

Jak rozwiązać problem?

Niepełne spalenie paliwa można poprawić przy zapewnieniu odpowiednich warunków. Osiągnąć je można dzięki recyrkulacji spalin z powrotem do komory spalania, w ramach której niewykorzystane produkty paliwowe ulegają ponownemu spaleniu. Choć proces ten pomaga w znaczny sposób zneutralizować szkodliwe substancje, to – rzecz jasna – nie osiąga stuprocentowej wydajności.

System ten ma swoje wady. Oprócz dodatkowej złożoności konstrukcyjnej i wyższych kosztów serwisowania, zawór ERG nie nadaje się do pracy w niektórych warunkach. Niedoskonałe spalanie nie występuje bowiem w silnikach, które nie osiągnęły temperatury roboczej, więc w tym przypadku zastosowanie recyrkulacji tylko skomplikowałoby sytuację. Dlatego w 1973 r. koncern Volkswagen-Audi opracował zawór EGR, którego czujniki monitorują temperaturę płynu chłodzącego, a gdy osiągnie on temperaturę roboczą, włączają system recyrkulacji. Technologia ta nosi nazwę recyrkulacji spalin sterowanej chłodziwem.

Podobny problem występuje w przypadku silników pod pełnym obciążeniem. Spaliny z drugiego obiegu nie tylko wypierają z komory spalania świeży tlen. Mają także podwyższoną temperaturę, a tym samym obniżoną gęstość, co oznacza mniejszą ilość energii uzyskanej w danej sekwencji suwów. W rezultacie dostarczana moc będzie niższa, a to znacznie wpłynie na właściwości jezdne samochodu przy pełnym otwarciu przepustnicy. Przy częściowym obciążeniu nie ma to oczywiście większego znaczenia, ale system działa również w pobliżu maksymalnej mocy wyjściowej.

Aby rozwiązać ten problem, konstruktorzy zaczęli używać przetworników ciśnienia wstecznego do sterowania zaworem EGR, dzięki czemu udało się dostosować pracę tego zaworu do warunków obciążenia silnika.

Działanie w praktyce

Recyrkulacja spalin, poza utratą wydajności – wiąże się z kilkoma innymi problemami. W silnikach Otta maksymalna ilość spalin, która może być zawrócona do komory spalania wynosi maksymalnie 15%. Powodem jest konieczność utrzymania ciągłego frontu płomienia przez mieszankę podczas spalania, w przeciwnym razie silnik może zgasnąć.

Istotnym problemem praktycznym jest to, że zawór EGR jak recyrkulator spalin może łatwo ulec zatkaniu, a tym samym zakoksowaniu, co wpływa negatywnie na skuteczność jego działania. Zatkane zawory można wyczyścić, ale często zdarza się, że zanieczyszczenie prowadzi do awarii, której można zaradzić jedynie poprzez wymianę części. Spaliny, które są zbyt gorące, a tym samym mają zbyt niską gęstość, znacznie pogarszają sprawność objętościową paliwa. Aby częściowo to zrekompensować, niektóre systemy zawierają również chłodnicę zwiększającą gęstość gazu.

Z drugiej strony, istnieją również pozytywne efekty recyrkulacji. Podczas działania EGR straty ciepła z powierzchni komory spalania są zmniejszone, a straty na przepustnicy również są mniejsze niż zwykle z powodu konieczności jej szerszego otwarcia w celu uzyskania określonej wydajności.

Choć zawory EGR występują powszechnie w dzisiejszych jednostkach napędowych, to nie można powiedzieć, że nie istnieją silniki bez tego elementu. W ostatnim czasie pojawiło się wiele innowacji, w których zrezygnowano z tego rozwiązania.

Silniki wysokoprężne

Chociaż zawór EGR może być również stosowany w silnikach wysokoprężnych, to w tym przypadku natura problemu przestawia się nieco inaczej.

Konstruktorzy starają się osiągnąć najwyższą możliwą temperaturę spalania oleju napędowego, ponieważ to właśnie wtedy zachodzi najdoskonalsze spalanie. Wadą jest to, że im wyższa temperatura spalania, tym większa tendencja do tworzenia się tlenków azotu. W przypadku silników wysokoprężnych prawie wszystkie układy EGR są chłodzone – wersje niechłodzone stosują „recyrkulację gorących gazów” (HGR).

Zaletą silników wysokoprężnych jest to, że nie są one ograniczone ciągłym frontem płomienia, a nadmiar powietrza nie stanowi w nich żadnego problemu, dzięki czemu do 50% spalin może być zawracanych do komory spalania (w odniesieniu do wskaźnika emisji tlenków azotu). Ważne jest, że stosunek ten można osiągnąć w praktyce tylko przy prędkości biegu jałowego, bowiem system wytwarza niższe wartości w innych warunkach roboczych.

Znaczącym zaletom można przeciwstawić spore wady: prawdopodobnie najważniejszą z nich jest skrócenie żywotności silnika. Zawór EGR zawraca do silnika spaliny o wysokiej zawartości sadzy bez jej uprzedniego odfiltrowania. To powoduje zużycie ścierne ścianek cylindra, a nawet awarię silnika w przypadku przedostania się sadzy przez pierścienie tłokowe. Nie jest więc przypadkiem, że urządzenie to dzieli kierowców i mechaników.