Aby wyjaśnić sens używania zaworów recyrkulacji spalin (EGR) w sterowaniu silników trzeba zacząć od podstawowych reguł tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej spalającej się w cylindrze.

Z zasady silniki spalinowe dzielą się w zależności od obiegu termodynamicznego. Pierwszy z obiegów to obieg Otta z 1876 roku. Jest to obieg z doprowadzeniem ciepła w stałej objętości i stanowi teoretyczny pierwowzór obiegu spotykanego w dzisiejszych czterosuwowych silnikach z zapłonem iskrowym (zasilanych benzyną).

Drugi z obiegów to obieg Diesla. Jest to teoretyczny model obiegu z doprowadzeniem ciepła przy stałym ciśnieniu. Stanowi on pierwowzór silnika z zapłonem samoczynnym. Jego wynalazcą był Rudolf Diesel (1897). Od jego nazwiska ten silnik, popularnie, nazywa się silnikiem Diesla.

Trzecim z obiegów jest obieg łączący cechy dwóch poprzednich, czyli obieg Seiligera-Sabathego. Polega on na doprowadzeniu ciepła początkowo w stałej objętości, a następnie przy stałym ciśnieniu. Obieg ten nazywany jest też obiegiem mieszanym i jest uważany za teoretyczny model obiegu dla nowoczesnych, szybkoobrotowych silników z zapłonem samoczynnym.

Opisane obiegi są modelami teoretycznymi opisującymi przemiany dla gazów doskonałych, bez strat i w całkowicie szczelnych cylindrach. W rzeczywistości jednak obiegi termodynamiczne silników spalinowych różnią się od tych teoretycznych.

Przyjąć można w uproszczeniu, że zasada jest taka, że silniki z zapłonem iskrowym pracują według obiegu Otto, natomiast z zapłonem samoczynnym według obiegu Diesla. Podstawową różnicą są w tej kwestii ciśnienia osiągane podczas sprężania gazów w cylindrze i moment doprowadzenia paliwa do wytworzenia mieszanki. Wynika to między innymi z samych właściwości paliwa, które jest spalane.

Mieszanka paliwowo-powietrzna spalana w silniku z zapłonem iskrowym do zapłonu potrzebuje iskry, więc nie wymaga tak wysokiego ciśnienia sprężania, co olej napędowy, który z założenia ma ulec samozapłonowi w cylindrze. Samozapłon oleju napędowego jest skutkiem wysokiej temperatury, która jest osiągana przy podniesieniu ciśnienia w cylindrze do odpowiednio wysokiej wartości.

Spalanie mieszanki

Aby paliwo zostało spalone konieczne jest doprowadzenie odpowiedniej ilości tlenu, który zawarty jest w doprowadzanym do silnika powietrzu. Idealnymi warunkami do spalania mieszanki jest stworzenie proporcji stechiometrycznej, czyli takiej, która gwarantuje dokładne spalenie całego biorącego udział w procesie paliwa. Mieszanka stechiometryczna to taka mieszanka paliwa z powietrzem, która gwarantuje całkowite spalanie. W przypadku benzyny na 1 kg paliwa powinno przypadać 14,7 kg powietrza, natomiast w przypadku oleju napędowego wartość ta w warunkach idealnych wynosi 14,5 kg powietrza na 1 kg paliwa.

Współczynnik lambda (λ) składu mieszanki

Współczynnik lambda jest podstawową wielkością charakteryzującą skład mieszanki paliwowo-powietrznej. Jest to stosunek rzeczywistej masy powietrza, w której spalane jest paliwo, do ilości potrzebnej do całkowitego jego spalenia (ilość stechiometryczna). Stechiometryczną ilość powietrza można obliczyć przez równania reakcji chemicznych.

W przypadku, gdy w spalaniu bierze udział dokładnie stechiometryczna ilość powietrza, mówimy, że współczynnik lambda (λ) równy jest 1. Jeśli powietrza jest w mieszance zbyt dużo, to mamy do czynienia z mieszanką ubogą i wartością λ>1. Jeśli mieszanka jest bogata, czyli występuje w niej nadmiar paliwa, to mówimy o współczynniku λ<1.

Wynika to ze wzoru na współczynnik λ:

gdzie:

L – rzeczywista masa suchego powietrza, w którym następuje spalanie paliwa,

L_t – teoretyczne zapotrzebowanie na suche powietrze.

Współczynnik λ może też być obliczony na podstawie analizy spalin. W tym celu korzysta się z następującego algorytmu:

gdzie:

O₂, N₂, CO – odział objętościowy danych gazów w spalinach.

Dlaczego współczynnik λ jest taki ważny?

Silniki o zapłonie iskrowym nie pracują dobrze na mieszankach ubogich. W takim przypadku podwyższa się temperatura spalin, a samo spalanie jest wydłużone w czasie podczas rozprężania się gazów nad tłokiem. To powoduje znaczny wzrost temperatury między innymi na wszystkich przeszkodach stojących na drodze gazów wylotowych, czyli przede wszystkim w okolicach gniazd zaworów i zaworów wydechowych skutkując ich zwiększonym obciążeniem cieplnym i ryzykiem trwałego uszkodzenia.

Natomiast sam współczynnik nadmiaru powietrza nie jest tak istotny w silniku wysokoprężnym – tu zapłon paliwa następuje samoczynnie, a silnik cały czas pracuje na mieszance ubogiej. To istotna różnica pomiędzy tymi silnikami. Natomiast duży udział tlenu w masie ładunku sprzyja powstawaniu tlenków azotu, co eliminuje się poprzez układy recyrkulacji spalin. Kolejnym czynnikiem jest już sam skład spalin, których poszczególne składniki mają narzucone limity.

Spalanie stechiometryczne w bardzo wąskim zakresie regulacji współczynnika lambda w granicach od 0,997 do 1,003 umożliwia utrzymanie odpowiedniego składu spalin.

Rola zaworu EGR

Podczas procesu spalania wytwarzane są tlenki azotu (NOx). Powstają one, gdy wysoka temperatura spalania umożliwia połączenie azotu i tlenu obecnych w mieszance paliwowo-powietrznej. Aby ograniczyć emisję tych szkodliwych substancji, zawór EGR odbiera spaliny z kolektora wydechowego i wprowadza je ponownie do kolektora dolotowego, mieszając je ze świeżym powietrzem. Powoduje to zmniejszenie ilości tlenu w powietrzu zasysanym przez silnik, co skutkuje obniżeniem temperatury spalania i w efekcie obniżeniem emisji tlenków azotu w spalinach.

Istnieją trzy podstawowe typy zaworów EGR:

• Pneumatyczne zawory EGR są wyposażone w membranę sterowaną podciśnieniem. Zawory te umożliwiają uzyskanie wyższego natężenia przepływu, które jest wymagane w nowszych silnikach wysokoprężnych.
• Elektryczne zawory EGR są obsługiwane za pomocą zintegrowanej elektroniki. Są kontrolowane bezpośrednio przez sterownik silnika i mogą być regulowane z dużo większą precyzją.
• Istnieją również elektryczne zawory EGR wyposażone w jednostkę chłodzącą, która dodatkowo obniża temperaturę spalin.

Nowa gama zaworów EGR w ofercie NGK charakteryzuje się równie wysoką jakością jak pozostałe produkty, z których słynie marka NGK SPARK PLUG. Aby to zagwarantować, oferowane przez nas zawory każdego typu poddawane są testom w ekstremalnych warunkach. Testy obejmują badanie szoku termicznego w temperaturach od -40°C do 150°C, testy szczelności zaworów, komór i układu chłodzenia, a także oporu elektrycznego i cyklu życia.

Aby uzyskać więcej informacji, odwiedź stronę: www.ngkntk.com