Для чего нужна рециркуляция отработавших газов: Рециркуляция отработавших газов. Что такое EGR? Автомобильный портал 5 Колесо

Система рециркуляции отработавших газов, Exhaust Gas Recirculation, EGR

Система рециркуляции отработавших газов (EGR – Exhaust Gas Recirculation) предназначена для снижения в отработавших газах оксидов азота за счет возврата части газов во впускной коллектор.

Оксиды азота образуются в двигателе под действием высокой температуры. Чем выше температура в камерах сгорания, тем больше образуется оксидов азота. Возврат части отработавших газов во впускной коллектор позволяет снизить температуру сгорания топливно-воздушной смеси, и, тем самым, уменьшить образование оксидов азота. При этом соотношение компонентов в топливно-воздушной смеси остается неизменным, а мощностные характеристики двигателя изменяются незначительно.

Система рециркуляции отработавших газов применяется как на дизельных, так и на бензиновых двигателях. На бензиновых двигателях внутреннего сгорания, оборудованных турбонаддувом, система рециркуляции отработавших газов не применяется.

В зависимости от стандарта токсичности отработавших газов, на дизельных двигателях внутреннего сгорания применяются различные схемы системы рециркуляции отработавших газов: высокого давления, низкого давления и комбинированная система рециркуляции.

Система рециркуляции отработавших газов высокого давления применяется на дизельных двигателях, отвечающих требованиям Евро 4 (содержание оксида азота в отработавших газах не более 0,25 г/км). Система обеспечивает отвод части отработавших газов непосредственно из выпускного коллектора перед турбокомпрессором и подачу в канал перед впускным коллектором.

Конструктивно система объединяет клапан рециркуляции и патрубки отвода отработавших газов. Клапан рециркуляции осуществляет перепускание отработавших газов из выпускной системы во впускной коллектор. Клапан имеет пневматический или электрический привод.

Работа пневматического клапана основана на разряжении, возникающем во впускном коллекторе (бензиновые двигатели) или создаваемым вакуумным насосом (дизельные двигатели). Величину разряжения, подающегося на клапан рециркуляции, регулирует управляющий клапан, представляющий собой электромагнитный клапан.

Интенсивность рециркуляции отработавших газов зависит от разницы давлений в впускной и выпускной системах. Величина давления в впускной системе регулируется с помощью дроссельной заслонки. При закрытии дроссельной заслонки уменьшается давление на впуске и соответственно повышается интенсивность рециркуляции. Вместе с тем с ростом объема рециркуляции уменьшается поток отработавших газов, проходящих через турбину компрессора, что снижает давление наддува.

Система рециркуляции отработавших газов не работает на холостом ходу, при холодном двигателе, а также при полностью открытой дроссельной заслонке.

Рециркуляция отработавших газов производится под контролем системы управления двигателем. По сигналу блока управления перемещается дроссельная заслонка и срабатывает клапан рециркуляции. Положение дроссельной заслонки контролируется потенциометрическим датчиком.

На отдельных двигателях в системе рециркуляции отработавших газов применяется охлаждение отработавших газов, которое дополнительно снижает температуру сгорания и, тем самым, уменьшает образование оксидов азота. Охлаждение производится путем прохождения охлаждающей жидкости через специальный радиатор, включенный в систему охлаждения двигателя. Для защиты от перегрева в систему охлаждения включен и корпус клапана рециркуляции.

На дизельных двигателях, отвечающих нормам Евро 5 (содержание оксида азота в отработавших газах не более 0,18 г/км) применяется система рециркуляции отработавших газов низкого давления. В такой системе отработавшие газы отводятся после сажевого фильтра, охлаждаются в радиаторе системы рециркуляции, проходят через клапан (заслонку) рециркуляции и подаются в впускную систему непосредственно перед турбокомпрессором.

Система низкого давления обеспечивает меньшую температуру отработавших газов, отсутствие частиц сажи и, в конечном счете, меньшее содержание оксидов азота в выхлопе. Помимо этого все отработавшие газы проходят через турбину компрессора, поэтому давление наддува не снижается.

Регулирование интенсивности рециркуляции отработавших газов осуществляет система управления двигателем с помощью дроссельной заслонки, заслонки рециркуляции и выпускной заслонки. Заслонки имеют электрический привод. Величина открытия каждой из заслонок фиксируется потенциометрическими датчиками. Степень открытия заслонок определяется на основании заложенной в блок управления цифровой модели, учитывающей наполнение цилиндров, давление наддува и интенсивность рециркуляции отработавших газов.

На дизельных двигателях, отвечающих требованиям перспективного стандарта Евро 6 (содержание оксида азота в отработавших газах не более 0,08 г/км) применяется комбинированная система рециркуляции отработавших газов. Система имеет две отдельные магистрали рециркуляции отработавших газов – высокого и низкого давления.

Рециркуляция отработавших осуществляется аналогично рециркуляции на двигателях Евро 5. Кроме того в определенных режимах работы двигателя происходит дополнительная подача отработавших газов из магистрали высокого давления, что еще больше уменьшает содержание оксидов азота. Магистраль высокого давления не имеет охладителя отработавших газов.

 

 

Узнаем как устроен клапан рециркуляции отработавших газов?

Мало кто знает, но именно благодаря рециркуляции отработавших газов можно существенно уменьшить расход топлива автомобиля, повысить производительность мотора, нормализовать его работу и снизить уровень детонации. Существует такая система достаточно давно, и на данный момент ее применяют абсолютно на всех транспортных средствах. Даже на отечественной «Ниве» есть такое устройство.

Для чего нужна данная система?

Рециркуляция отработавших газов нужна для того, чтобы двигатель не терял свою мощность при выбросе несгоревших остатков топлива. А происходит это следующим образом. При повышении температуры в камере сгорания азот вместе с кислородом начинают образовывать окиси азота. В бензиновом моторе О2 нужен для эффективного сжигания топлива, а поскольку азот уменьшает его количество, жидкость сгорает не до конца. В результате этого бензин попросту вылетает в трубу, увеличивается расход топлива, и при этом уменьшается производительность ДВС. Клапан рециркуляции отработавших газов дает топливу возможность догореть до конца, вследствие чего нормализируется мощность и расход горючего в автомобиле.

Что такое этот клапан?

На вид это небольшой диск с трубкой, который соединяется с впускным коллектором и крепится на головке блока цилиндров. В спокойном состоянии клапан рециркуляции отработанных газов («Ауди» в том числе) закрыт. Но как только в двигателе происходит подача топлива, он приводится в действие. Разряжение воздуха, образованное в коллекторе, заставляет двигаться мембрану, а она, в свою очередь, открывает клапан рециркуляции отработавших газов.

Разновидности

На данный момент существует несколько типов данных устройств. Клапан рециркуляции отработавших газов бывает механическим (в свою очередь, делится на 5 модификаций) и электронным (существует 3 модификации).

Что он делает?

Данный механизм является ключевой составляющей системы рециркуляции. Он возвращает обратно часть сгоревших веществ во впускной коллектор и смешивает их с воздухом. Последний, в свою очередь, повышает температуру горения (за счет кислорода – О2). Таким образом, за счет искусственного уменьшения его содержания в составе топливно-воздушной смеси происходит снижение градуса сгорания. Кислород при этом взаимодействует с азотом, а поскольку градус температуры уменьшается, его становится больше, поэтому в камере бензин сгорает полностью.

Помимо этого, клапан рециркуляции отработанных газов (БМВ в том числе) существенно снижает насосные потери, поскольку нет такого сильного перепада в давлении на дроссельной заслонке. Низкая температура сгорания снижает уровень детонации, а это большой плюс для мотора (нет потери крутящего момента). Что касается дизельных установок, здесь клапан рециркуляции отработавших газов нормализирует «жесткую» работу мотора на холостых оборотах: благодаря пониженной температуре сгорания снижается давление в камере, поэтому нет сильных вибраций.

Полное руководство по рециркуляции отработавших газов (EGR)

— введение — x-engineer.

org

В этой статье основное внимание уделяется внедрению систем рециркуляции отработавших газов (EGR) . Для получения более подробной информации о компонентах и ​​типах (архитектурах) систем EGR читайте также следующие статьи:

• Полное руководство по рециркуляции отработавших газов (EGR) – компоненты
• Полное руководство по рециркуляции отработавших газов (EGR) – архитектуры

Система сгорания процесс топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания составляет неполный . Таким образом, выхлопные газы содержат выбросы загрязняющих веществ, таких как окись углерода (CO), оксиды азота (NOx), углеводороды (HC) и твердые частицы (PM). Все выбросы загрязняющих веществ от двигателей внутреннего сгорания оказывают вредное воздействие на жизнь человека и окружающую среду.

Оксиды азота образуются при высокой температуре и при избытке кислорода. Оба эти условия присутствуют в процессе сгорания дизельного двигателя в большинстве рабочих точек. Поскольку дизельные двигатели не дросселируются, всегда имеется избыток воздуха/кислорода и, особенно при высоких нагрузках, высокая температура сгорания. По этим причинам дизельный двигатель имеет больше оксидов азота в выхлопных газах по сравнению с бензиновым двигателем.

Изображение: Уровни выбросов загрязняющих веществ в зависимости от соотношения воздух-топливо – бензин ]

В бензиновом двигателе выбросы загрязняющих веществ в отработавших газах сильно зависят от соотношения воздух-топливо. Богатые смеси (недостаток воздуха, λ = 0,9) вызывают больше угарного газа (СО) и углеводородов (УВ). Бедные смеси (избыток воздуха, λ = 1,1) вызывают больше оксидов азота (NOx). В дизелях, которые всегда работают на бедных смесях (λ = 1,5), в выхлопных газах высокое количество оксидов азота.

Рециркуляция выхлопных газов (EGR) — это система, позволяющая рециркулировать выхлопные газы обратно во впускной коллектор. Этот процесс приводит к значительному сокращению выбросов оксидов азота (NOx), поскольку он уменьшает два элемента, лежащих в основе их образования: избыток кислорода и температуру горения.

Существует два типа EGR:

• внутренняя рециркуляция выхлопных газов (iEGR) : выхлопные газы всасываются обратно в цилиндр за счет перекрытия времени открытия впускного и выпускного клапанов
• внешняя рециркуляция выхлопных газов EGR : выхлопные газы рециркулируются обратно во впускной коллектор с помощью внешнего канала и дополнительного клапана (клапана EGR) ]. Долю остаточного газа можно определить как массу сгоревшего газа, деленную на общую массу в цилиндре (сгоревшую и несгоревшую) до начала сгорания (т.е. при закрытии впускного клапана). Количество выхлопных газов, попавших в цилиндр, зависит от таких факторов, как синхронизация клапанов, частота вращения двигателя и перепады давления. Средства регулировки доли остаточного газа обычно основаны на таких механизмах, как двухступенчатый подъем кулачка, фазирование распределительного вала, регулируемое срабатывание клапана и полностью регулируемое срабатывание клапана.

  Система рециркуляции отработавших газов (внешняя) является основной технологией, используемой производителями транспортных средств для снижения выбросов NOx в дизельных двигателях . Он более эффективен, чем iEGR, главным образом потому, что выхлопные газы могут быть охлаждены перед повторным входом в цилиндры, количество рециркулируемых выхлопных газов выше, а поток лучше контролируется.

  Изображение: уровень NOx и функция максимальной температуры сгорания от скорости рециркуляции отработавших газов
  Авторы и права: [1]

  0068 2 ), азот (N ₂ ), вода (H ₂ O) и кислород (O ₂ ), действует как разбавитель, что в сочетании с высокой удельной теплотой, связанной с трехатомными молекулами, приводит в прямом снижении температуры адиабатического пламени и кинетике образования оксидов азота (NOx). Поскольку удельная теплоемкость как CO ₂ , так и водяного пара больше, чем у кислорода, температура газа в цилиндре двигателя во время сгорания снижается.

  При рециркуляции выхлопных газов во впуске часть кислорода, необходимого для сгорания, заменяется инертными (выхлопными) газами, что приводит к уменьшению избыточного кислорода. Кроме того, поскольку выхлопные газы поглощают часть тепла, образующегося при сгорании, максимальная температура сгорания за цикл двигателя также снижается.

  Система рециркуляции отработавших газов значительно снижает количество NOx, но если во впуск поступает слишком много выхлопных газов, это может повлиять на увеличение выбросов окиси углерода (CO), углеводородов (HC) и твердых частиц (PM ), в результате неполного сгорания из-за недостатка воздуха (кислорода). Система рециркуляции отработавших газов активна, главным образом, при частичных нагрузках двигателя, а также при низких и средних оборотах двигателя, при избытке кислорода. При высокой нагрузке двигателя (крутящем моменте) система рециркуляции отработавших газов отключается, цилиндры заполняются только воздухом, готовым к сгоранию.

  В зависимости от давления рециркулируемых выхлопных газов существует два типа внешних систем EGR:

  • EGR высокого давления : выхлопные газы собираются перед входом в турбину и повторно вводятся во впускной коллектор после компрессора
  • EGR низкого давления : выхлопные газы собираются после турбины и повторно подаются во впускной коллектор перед компрессором

  Изображение: Система EGR высокого давления (внешняя)
  Credit: Bosch

  1. compressor
  2. turbine
  3. oxygen sensor
  4. EGR valve (electro-pneumatic actuation)
  5. throttle
  6. intake manifold
  7. exhaust manifold
  8. fuel injector

  The exhaust gas recirculation in the intake коллектор не является непрерывным во время работы двигателя. Электронный блок управления (ECU) управляет клапаном EGR (4), позволяя выхлопным газам поступать во впускной коллектор. В двигателях с турбонаддувом управление потоком отработавших газов также осуществляется с помощью дроссельной заслонки (5), которая при закрытии снижает давление во впускном коллекторе и облегчает поступление газов из выпускного коллектора.

  Изображение: Предельные значения выбросов NOx для европейских стандартов выбросов загрязняющих веществ

  Управление рециркуляцией отработавших газов должно осуществляться таким образом, чтобы найти оптимальный компромисс между выбросами загрязняющих веществ и выходным крутящим моментом двигателя. Начиная с норм выбросов загрязняющих веществ Евро-3, система рециркуляции отработавших газов стала стандартным оборудованием для большинства автомобилей с дизельным двигателем. Система рециркуляции отработавших газов зарекомендовала себя как эффективная и недорогая система для снижения выбросов оксидов азота.

  Чем ниже температура выхлопных газов, тем выше плотность. За счет охлаждения выхлопных газов перед рециркуляцией во впускной коллектор повышается эффективность системы EGR. Более плотные инертные (выхлопные) газы во впуске снижают температуру сгорания, поглощая часть тепла и вытесняя часть кислорода в цилиндре. Начиная с Евро 4, дизельные двигатели EGR оснащены охладителем отработавших газов и перепускным клапаном.

  Изображение: Система EGR высокого давления с Cooler
  Кредит: Hitachi

  1. Вход охлаждающей жидкости двигателя
  2. Теплообменник
  3. Выпускной коллектор
  4. головка цилиндра
  5. Электронный Manifold
  6. Клапа EGR (электрическое действие)
  7. Electronic Manifold
  8. EGR Клапа (электрическое действие)
  9. Electronic Modake
  10. EGR (электрическое действие)
  11. Электронный мод.

  Чтобы выхлопные газы поступали во впускной коллектор, давление выхлопных газов должно быть выше давления всасываемого воздуха. На дизельном двигателе с турбонаддувом это может быть достигнуто либо за счет использования геометрии лопаток турбины (VGT), либо за счет установки дроссельной заслонки на впускном коллекторе. При закрытии лопаток VGT давление выхлопных газов возрастает выше давления на впуске, что позволяет выхлопным газам поступать во впуск. При использовании дроссельной заслонки во впускном коллекторе давление после дроссельной заслонки падает ниже давления выхлопных газов, что также приводит к попаданию выхлопных газов во впускной коллектор.

  Уровень рециркуляции отработавших газов определяется как процент выхлопных газов от общей массы газа, вводимого в двигатель. Например, степень рециркуляции отработавших газов 33 % означает, что треть газа, поступающего в цилиндры, фактически составляет выхлопные газы, а 67 % — свежий воздух.

  Чем выше скорость рециркуляции отработавших газов, тем ниже уровень выбросов NOx. Тем не менее, слишком большое количество выхлопных газов в цилиндрах может оказать негативное влияние на работу двигателя с точки зрения стабильности сгорания, что может привести к ухудшению выходного крутящего момента и увеличению выбросов углеводородов (HC) и твердых частиц (PM).

  Дизельные двигатели с турбонаддувом, оснащенные турбонагнетателями с фиксированной геометрией, могут рециркулировать до 45-50 % выхлопных газов обратно в цилиндры без существенного влияния на расход топлива и выбросы других загрязняющих веществ. Бензиновые двигатели в зависимости от режима работы способны рециркулировать до 20 % выхлопных газов без ущерба для стабильности горения [4].

  Изображение: Влияние уровня рециркуляции отработавших газов на выбросы загрязняющих веществ и расход топлива
  Авторы и права: Bosch

  Существует несколько исследований влияния системы рециркуляции отработавших газов на износ двигателя и деградацию масла. В исследовании [5] исследование рециркуляции отработавших газов и износа проводилось на тестовом двигателе, работающем при 2400 об/мин с определенной спецификацией масла и системой сгорания. Базовый двигатель был рассчитан на уровни выбросов Euro II и не был повторно согласован при применении EGR. Основные выводы исследования заключаются в том, что рециркуляция отработавших газов может влиять на износ двигателя, который сильно зависит от уровня сажи в выхлопных газах.

  Большая часть увеличения количества сажи в смазочном масле происходит из-за твердых частиц (ТЧ), которые прилипают к масляной пленке на стенке цилиндра и соскабливаются в картер поршневыми кольцами [6]. Что касается износа двигателя, существует два типа износа: коррозионный износ и абразивный износ. Серная кислота, образующаяся в выхлопных газах, и сажа вызывают разрушение масляной пленки и тем самым способствуют коррозии чугуна в области верхней мертвой точки (ВМТ) и нижней мертвой точки (НМТ). Коррозионный износ вызывается твердыми частицами (ТЧ), попавшими в масло.

  EGR имеет другое назначение на бензиновых (бензиновых) двигателях . Он используется в основном для снижения температуры выхлопных газов, чтобы защитить турбокомпрессор и каталитический нейтрализатор. Использование EGR для тепловой защиты компонента является альтернативой обогащению топливовоздушной смеси, особенно при высокой нагрузке, что приводит к значительному снижению расхода топлива . Кроме того, когда двигатель работает с частичными нагрузками, за счет использования системы рециркуляции отработавших газов снижаются насосные потери и повышается эффективность использования топлива.

  В бензиновых двигателях с турбонаддувом и непосредственным впрыском EGR используется для подавления детонации двигателя . Общий принцип рециркуляции выхлопных газов с широко открытой дроссельной заслонкой (WOT-EGR) с искровым зажиганием заключается в возврате охлажденных выхлопных газов в цилиндр при умеренных и высоких нагрузках, что снижает температуру несгоревших газов до такого уровня, при котором детонация может быть адекватно подавлена ​​и / или температура выходящих выхлопных газов достаточно низкая, чтобы сохранить компоненты выхлопа [7].

  Рециркуляция отработавших газов (EGR) была впервые представлена ​​на автомобилях в 1970 году. В настоящее время она используется на всех дизельных автомобилях в качестве основной системы для снижения уровня оксидов азота (NOx) .

  Ссылки :

  [1] Передовые технологии двигателей внутреннего сгорания с непосредственным впрыском и разработка, Том 2: Дизельные двигатели, под редакцией Хуа Чжао, CRC Press, 2010
  [2] Verbrennungsmotoren, Institut für Maschinenmesstechnik und Kolbenmaschinen (IMKO)
  [3] Потенциал внутренней системы рециркуляции отработавших газов и работы с дроссельной заслонкой для расширения при низкой нагрузке двухтопливного этанол-дизельного топлива с регулируемой реактивностью воспламенения от сжатия в двигателе большой мощности, Vinícius B. Pedrozo, Ian May, Thompson D.M. Ланзанова, Хуа Чжао, Центр перспективных исследований силовых агрегатов и топлива (CAPF), Лондонский университет Брунеля.
  [4] Снижение установившихся уровней NOx в автомобильном дизельном двигателе с использованием оптимизированных графиков VGT/EGR, J.G. Хоули, Ф. Дж. Уоллес и А. Кокс, Р. В. Хоррокс и Г. Л. Берд, документ SAE, 1999-01-0835
  [5] Влияние EGR на износ дизельного двигателя, AJ Dennis, CP Garner and DHC Taylor, SAE paper, 1999-01-0839
  [6] Влияние EGR на деградацию масла и производительность системы впуска, Джеффри A. Leet, Terry Friesen, SAE paper, 980179
  [7] Усовершенствованные технологии двигателей внутреннего сгорания с непосредственным впрыском и разработка, Том 1: Бензиновые и газовые двигатели, Под редакцией Хуа Чжао, CRC Press, 2010

  Преимущества рециркуляции выхлопных газов

  13 декабря 2018 г. | Блоги, Двигатель, Охлаждение и Выхлоп

  С начала 1970-х годов некоторые формы системы рециркуляции выхлопных газов (EGR) использовались для снижения вредных выбросов выхлопных газов в автомобилях, продаваемых в Северной Америке.

  Эти системы рециркуляции отработавших газов варьируются от более ранних версий, которые работали просто за счет использования вакуума двигателя с отверстиями, до более современных конструкций, в которых используются линейные (с электронным управлением) клапаны рециркуляции отработавших газов. Клапан EGR является центральной частью любой системы EGR, но не всегда является причиной неисправности.

  Основным преимуществом этих систем рециркуляции отработавших газов (применительно к бензиновым и дизельным двигателям) является снижение содержания ионов оксида азота (NOx) в отработавших выхлопных газах. Когда клапан рециркуляции отработавших газов активирован (открыт), между выпускным коллектором и впускным коллектором создается перемычка. Этот «мост» между впускной и выпускной системами встречается самыми разными способами и может стать предметом гораздо более длинной и обширной статьи.

  Поскольку NOx образуется, когда экстремальные температуры в цилиндрах вызывают соединение кислорода и азота, замена части кислорода (O2) в цилиндрах инертными выхлопными газами (CO2) приводит к снижению образования NOx. Рециркуляция этой небольшой части выхлопных газов обратно через впускной коллектор может также обеспечить другие преимущества в дополнение к сокращению выбросов NOx.

  Одним из дополнительных преимуществ современной системы рециркуляции отработавших газов является поддержание температуры воздуха внутри двигателя (цилиндра и/или камеры сгорания). Термическая динамика играет решающую роль в распылении топлива в бензиновых и дизельных двигателях. По этой причине необходимо тщательно и точно регулировать внутреннюю температуру двигателя.

  Современные системы EGR разработаны с учетом этого.

  Горячие выхлопные газы часто используются для повышения температуры всасываемого воздуха при холодном двигателе. Это возможно, потому что выхлопные газы нагреваются намного быстрее, чем всасываемый воздух.

  Когда двигатель прогреется до нормальной рабочей температуры и всасываемый воздух станет менее плотным, замена части богатого кислородом воздуха в цилиндрах двигателя инертным CO2 (из выхлопных газов EGR) может привести к снижению температуры цилиндров и оптимизации распыления топлива. . Это означает увеличение расхода топлива и лучшую реакцию дроссельной заслонки в определенных условиях и при определенных условиях вождения.

  Системы рециркуляции отработавших газов в дизельных двигателях часто используют охладитель рециркуляции отработавших газов для снижения температуры газов системы рециркуляции отработавших газов, чтобы повлиять на внутреннюю температуру двигателя. Охладители системы рециркуляции отработавших газов, как правило, представляют собой воздухо-водяные охладители, и охлаждающая жидкость двигателя проходит через их сердцевину.