Vračanje izpušnih plinov (EGR): čemu?

Skica poteka vračanja izpušnih plinov v proces zgorevanja.

Vračanje zgorelih plinov ali s kratico EGR (Exhaust Gas Recirculation) v proces zgorevanja je namenjeno predvsem zmanjševanju emisij NOx, hkrati pa je mogoče na določen način vplivati oziroma krmiliti proces zgorevanja (homogena priprava in zgorevanje zmesi). Z dodajanjem zgorelih plinov v svežo zmes se spreminja sestava zmesi in sicer se zniža količina zraka (kisika), ker ga nadomestijo zgoreli plini, ki imajo lastnosti inertnih plinov.

Pri bencinskem motorju je običajen delež vrnjenih plinov od 5 do 25 odstotkov, pri čemer je zgornja meja omejena glede na pojav izpuščanja vžigov. Pri dizelskem motorju je delež vrnjenih zgorelih plinov lahko večji, običajno do 50 odstotkov, v primeru homogenega zgorevanja pa je ta odstotek lahko še večji, tudi 70 odstotkov. Sicer pa je zgornja meja deleža zgorelih plinov pri dizelskem motorju določena z opazno izgubo moči.

Delež vrnjenih zgorelih plinov predstavlja prostorninski odstotek v sveži zmesi, poleg zmanjšanja izpusta NOx lahko v določenih primerih pričakujemo tudi manjše porabo goriva, emisijo CO ter delcev. Posledice dovajanja izpušnih plinov v valj so:

–      Poraba goriva se zmanjša predvsem v področju večjih obremenitev, ker zaradi vračanja zgorelih plinov ni potrebno hladiti procesa z gorivom. Splošna priporočila izdelovalcev motorjev so, da največja temperatura izpušnih plinov ni višja od 900⁰ C. Pri tem sta poznana dva mehanizma, ki omogočata zmanjševati temperaturo plinov namesto dodatne količine goriva. Eden je povečanje srednje specifične toplote medija v valju z dodajanjem izpušnih plinov. Drugi mahanizem pa ob pomoči vrnjenih zgorelih plinov omogoča nastavitev večjega kota predvžiga – s tem se največja temperatura premakne na zgodnejši del cikla. Končni rezultat je zmanjšanje temperature izpušnih plinov za 5⁰ C na vsak odstotek vrnjenih izpušnih plinov. S tem ni potrebna obogatitev zmesi z gorivom, temperatura izpušnih plinov pa ostane pod 900⁰ C.

–      Zmanjšanje tlačnih izgub pri zamenjavi snovi (izgube pumpanja) pri delnih obremenitvah, ko je tlak v sesalnem zbiralniku nižji od tlaka okolice. Pri vračanju izpušnih plinov v proces se upori pri zamenjavi snovi zmanjšajo, prav tako se malo zmanjša poraba goriva. Vzrok temu je večji kot odprtja dušilne lopute (če želimo ohraniti enako moč) in s tem manjše tlačne izgube oziroma večji prostorninski izkoristek. Vendar je bistvo v tem, da večja količina zgorelih plinov v valju pri večjih obremenitvah vpliva na hitrost zgorevanja, kar je zaželjeno, ker isti mehanizem zmanjšuje tudi možnosti nepravilnega zgorevanja – klenkanja. To pa posredno omogoča oblikovanje motorja z manjšo prostornino – downsizing ali celo downspeeding. Mogoče pa je dvigniti prostorninsko razmerje, kar še poveča izkoristek motorja in možnosti za nižjo porabo goriva.

–      Zmanjšanje škodljivih emisij je tudi ena izmed posledic vračanja izpušnih plinov, ker se, kot je omenjeno, ob njihovi prisotnosti zmanjša temperatura zgorevanja, kar pripomore tudi k občutnemu zmanjšanju vsebnosti nekaterih plinov v izpuhu. Pri tem je najbolj opazno zmanjšanje vsebnosti NOx, saj se ta lahko ob primernem odstotku vrnjenih plinov zmanjša tudi za 80 odstotkov. Še je bolj zanimivo je zmanjšanje izpustov CO (ki je odvisno od temperature zgorevanja in tlaka kot posledica razpada CO₂ v CO in O2), ki je zelo odvisno od temperature, podobno kot količina NOx. Ob primerni količini izpušnih plinov v valju je mogoče doseči zmanjšanje količine CO za 50 odstotkov. Po drugi strani pa se pojavi rahlo povečanje emisije CH, ki jo lahko nadziramo tudi s katalitičnem pretvornikom in s hlajenjem vrnjenih izpušnih plinov. Osnovni mehanizem za dvig CH je povečanje izstiskovalnih površin pri širjenju v delovnem taktu in razmeroma počasnega zgorevanja, kar ima za posledico razmeroma dolgo dogorevanje. Z dodajanjem izpušnih plinov se poleg NOx in CO zmanjša tudi emisija delcev, ki se še bolj pojavi pri neposrednem vbrizgavanju goriva. Zmanjšanje emisije delcev pri večjem deležu izpušnih plinov v valju si razlagamo z manjšo temperaturo zgorevanja, ki upočasnjuje tudi njihovo nastajanje.

–      Izboljšanje lastnosti motorja pri dodajanju izpušnih plinov sledi strategiji največje količine izpušnih plinov pri nizkih obremenitvah in prehod na hlajene izpušne pline pri visokih obremenitvah. Količina vrnjenih hlajenih plinov je funkcija vrtilne hitrosti in obremenitve ob spoznanju, da se z manjšanjem količine plinov povečuje navor. Glede na vrtilno hitrost in obremenitev se poraba goriva z vračanjem plinov v povpečju zmanjša za od 5 do 30 odstotkov in to najbolj pri visokih obremenitvah zaradi zmanjšane možnosti klenkanja in odprave obogatitve zmesi.

Poseben pomen pa pridobivajo vrnjeni izpušni plini pri raziskavi napredne strategije zgorevanja, kot je na primer HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), ki združuje prednosti bencinskega in dieselskega motorja. Zgoreli plini omogočajo v kombinaciji s spremenljivo geometrijo krmiljenja ventilov zadržanje vročih zgorelih plinov v valju, kar ustvari razmere, ki omogočajo stabilen samovžig zmesi. Kot rezultat uporabe HCCI se poveča izkoristek pri bencinskem motorju, ki je večji od Ottovega procesa in se zelo približa Dieselskemu procesu. (AB)