Systemy zmniejszające emisję spalin silników wysokoprężnych

Recyrkulacja spalin jest nieodłącznym elementem systemu sterowania silników wysokoprężnych, ponieważ w dalszym ciągu jej wysoka skuteczność wpływa bardzo pozytywnie na redukcję stężenia tlenków azotu. Polega ona na wprowadzeniu spalin do układu dolotowego silnika w celu obniżenia ilości tlenu oraz temperatury spalania. Spaliny jako gazy obojętne zawierają dużą ilość pary wodnej, co sprzyja obniżaniu temperatury rozgrzanego silnika natomiast, gdy silnik jest zimny recyrkulacja spalin skutecznie podnosi jego temperaturę w pierwszych minutach pracy.

 

Wyróżnia się dwa podstawowe typy układów recyrkulacji: 

 

• system recyrkulacji wysokociśnieniowej, polegający na pobraniu spalin z kolektora wydechowego i wprowadzeniu ich do kolektora dolotowego,
• system recyrkulacji niskociśnieniowej, polegający na pobraniu spalin zza filtra cząstek stałych i wprowadzeniu ich przed turbosprężarkę.

2.1. High-pressure recirculation system

Recyrkulacja wysokociśnieniowa to klasyczny system, który w motoryzacji przeszedł długą drogę ewolucji. Współczesne układy recyrkulacji są obecnie rozbudowane, oprócz samego zaworu EGR, często występuje dodatkowo chłodnica spalin i układ przełączający, za pomocą którego można ją wyłączyć. Ważnym elementem jest też przepustnica powietrza, za pomocą której sterownik silnika może wymusić większy udział spalin w procesie recyrkulacji. Praktycznie każdy współczesny samochód z silnikiem wysokoprężnym posiada zawór recyrkulacji spalin, ponieważ charakteryzuje się on bardzo wysoką skutecznością obniżania tlenków azotu, już na etapie pracy silnika. 

Na rysunku 1, gorące spaliny, z kolektora wydechowego są kierowane przez zawór 7 do chłodnicy 5 lub dodatkowego zaworu 6. Jeżeli zawór 6 jest zamknięty to spaliny kierowane są przez chłodnicę natomiast, kiedy zawór jest otwarty spaliny omijają chodnicę. W zakresie temperatury cieczy chlodzącej do około 30°C korzystne jest omijanie chłodnicy spalin, w celu szybszego nagrzania komory spalania. Algorytm zarządzania może być różny, w zależności od systemu, ponieważ niejednokrotnie chłodnica spalin wykorzystywana jest do ogrzania płynu chłodzącego, kierowanego do nagrzewnicy przedziału pasażerskiego. Przy wysokich temperaturach pracy i dużych obciążeniach silnika działanie chłodnicy jest konieczne, ponieważ obniża to temperaturę recyrkulowanych spalin, a co za tym idzie zmniejsza ich objętość. Proces ten jest bardzo korzystny dla niskiej emisji tlenków azotu i jednocześnie wpływa korzystnie na proces spalania, silnik pracuje znacznie ciszej, a jego praca jest „bardziej miękka”. Wprowadzone spaliny do kolektora dolotowego powodują zmniejszenie objętości zasysanego powietrza przez układ dolotowy silnika. Sterownik silnika rejestruje zmianę ilościową masy powietrza z użyciem przepływomierza (element 10) i dokonuje korekty pracy zaworu EGR. W przypadku, gdy ilość spalin nie jest wystarczająca sterownik silnika przymyka przepustnicę powietrza, wymuszając dodatkowy przepływ spalin. Gdy silnik jest obciążony, recyrkulacja spalin musi być wyłączona, ponieważ zakłócałaby pracę turbosprężarki oraz silnik potrzebuje wówczas maksymalnej ilości powietrza. Gdy silnik jest obciążony emisja tlenków azotu gwałtownie rośnie.

 

2.2. Recyrkulacja niskociśnieniowa

 

W pojazdach spełniających normę Euro 6, oprócz recyrkulacji wysokociśnieniowej stosuje się również recyrkulację niskociśnieniową, tzn. wykorzystywane spaliny pobierane są z układu wydechowego i doprowadzane do układu dolotowego silnika, przed turbosprężarkę (rys. 2).

Spaliny wprowadzane są przed wirnikiem sprężarki, co wymaga ich ogromnej czystości, dlatego w tym rozwiązaniu wymagany jest dodatkowy filtr. Tę rolę przejął wykorzystywany już wcześniej filtr cząstek stałych (element 6). W tym rozwiązaniu zastosowano również chłodnicę spalin (9), jednak bez możliwości jej odłączenia (obejścia), zamontowana jest na stałe. Zawór EGR występuje w formie przepustnicy spalin (8). Ze względu na nieznaczną różnicę ciśnienia pomiędzy rurą wydechową, a wlotem sprężarki, wykorzystuje się tzw. klapę spiętrzającą spaliny, która wymusza odpowiedni przepływ spalin. Gdy silnik pracuje z obciążeniem (praca turbosprężarki), to klapa spiętrzająca spaliny jest wyłączana. Kontrola nad przepływem spalin realizowana jest za pomocą przepływomierza masowego powietrza. Przy układach pracujących w trybie mieszanym (EGR LP + EGR HP) można spotkać dodatkowy „czujnik różnicy ciśnienia dla recyrkulacji niskociśnieniowej”, zamontowany pomiędzy wylotem filtra cząstek stałych, a wlotem sprężarki.

Diagnostyka układu recyrkulacji realizowana jest przez sterownik silnika w kilku obszarach. W zależności od numeru kodu błędu, może to być usterka przepływu, blokowanie mechaniczne, nieprawidłowy sygnał z czujnika położenia, zbyt niskie lub wysokie napięcie wyjściowe i wiele innych.  Poniżej przedstawiono przykładową listę kodów błędów, związanych z układem recyrkulacji spalin. 

3.1. Interpretacja kodów błędów P0400 – P0402

 

Kody błędów (DTC) od P0400 do P0402 dotyczą nieprawidłowego przepływu. Diagnostyka błędów związanych z przepływem opiera się w głównym stopniu na pracy przepływomierza masy powietrza. Sterownik silnika dokonuje porównania masy powietrza mierzonej, względem masy odniesienia/wzorcowej, wynikającej z mapy sterowania zaworu EGR (rysunek 4). Mapa zaworu EGR posiada 2 wejścia i jedno wyjście – na wejściu jest prędkość obrotowa silnika oraz dawka paliwa, w jednostce mg/cykl, natomiast na wyjściu jest wymagana masa powietrza podawana również w mg/cykl. Sterownik silnika dokonuje otwarcia zaworu EGR, celem zrównania mas i jeżeli wystąpi usterka, która przyczynia się do zakłócenia przepływu (nagromadzony nagar, zatkana chłodnica, uszkodzona przepustnica EGR) to ECU dokonuje zapisu odpowiedniego kodu błędu DTC. 

3.2. Interpretacja kodów błędów P0403 – P0404

 

Kody błędów (DTC) P0403 i P0404, związane są z mechaniką aktuatora/elementu wykonawczego zaworu EGR. Po wysterowaniu sygnałem elektrycznym PWM o zmiennej polaryzacji siłownika wykonawczego (silnik elektryczny DC poruszający mechanizmem zaworu), moduł DC-Driver wewnątrz ECU dokonuje analizy poboru prądu przez silnik oraz określa jego położenie, używając wbudowanego potencjometrycznego czujnika położenia. Jeśli pobór prądu silnika elektrycznego napędzającego mechanizm zaworu EGR jest zbyt niski lub zbyt wysoki, wówczas jednostka sterująca wykrywa błąd P0403. Może to być spowodowane nie tylko wadą samego zaworu EGR, ale również niesprawnością instalacji elektrycznej. Usterka P0404 występuje w sytuacji, gdy podczas testu zakresów końcowych wymagane wartości napięcia z czujnika położenia zaworu nie zostały osiągnięte. Test skrajnych położeń elementu wykonawczego realizowany jest bardzo często np. po unieruchomieniu silnika i wyłączeniu stacyjki. 

3.3. Dodatkowe problemy diagnostyczne układu EGR 

 

Jeżeli wykonana diagnoza wykazała usterkę zaworu recyrkulacji spalin, która według nas kwalifikuje go do wymiany należy pamiętać, że sterownik silnika diagnozuje sprawność całego systemu EGR, a on składa się z dodatkowych elementów, które również należy poddać weryfikacji. W procesie diagnostycznym układu EGR, należy bezwzględnie zwrócić uwagę na takie elementy jak, m.in.: przewody elastyczne, kanały prowadzące spalin, chłodnicę spalin, przepustnicę powietrza oraz przepływomierz masowy powietrza. W samochodach z recyrkulacją mieszaną, lista ta powiększa się o dodatkowe elementy, tj. np.:  klapa spiętrzająca spaliny, chłodnica powietrza doładowującego, filtr cząstek stałych z czujnikiem ciśnienia spalin, czujnik różnicy ciśnienia dla recyrkulacji niskociśnieniowej oraz sam zawór EGR niskociśnieniowy. Wszystkie te elementy mogą spowodować generowanie szeregu kodów błędów, dlatego należy zadbać, aby pracowały prawidłowo. 

 

Po wymianie zaworu EGR należy wykonać niezbędną adaptację z użyciem testera diagnostycznego, aby sterownik silnika na nowo „nauczył się” zakresów pracy zamontowanego elementu. Brak adaptacji systemu może spowodować ponownie szybkie uszkodzenie zaworu EGR.

Jak sprawdzić, czy układ recyrkulacji spalin działa prawidłowo? 

 

Gdy znamy już budowę i zasadę działania systemu recyrkulacji, możemy się skupić na analizie jego pracy. Aby to zrobić, niezbędny jest tester diagnostyczny z możliwością odczytu wielu, najlepiej wszystkich możliwych wartości mierzonych, tzw. parametrów rzeczywistych. Analizy można dokonać na postoju oraz w czasie jazdy pod obciążeniem. W urządzeniu diagnostycznym należy szukać takich parametrów jak, np.:  

 

• Masa powietrza wartość wymagana 
• Masa powietrza wartość zmierzona (z przepływomierza)
• Ciśnienie w kolektorze dolotowym (ciśnienie doładowania)
• Ciśnienie doładowania wartość wymagana
• Pozycja otwarcia zaworu EGR HP (wysokociśnieniowego)
• Pozycja otwarcia zaworu EGR LP (niskociśnieniowego)
• Pozycja klapy spalin (dla EGR niskociśnieniowego)
• Dawka wtryskiwanego paliwa 
• Współczynnik lambda (sonda lambda szerokopasmowa)
• Stężenie tlenków azotu NOx (jeśli występuje sonda Nox)
• Wymagany strumień spalin dla recyrkulacji wysokociśnieniowej (występuje w konkretnych rozwiązaniach)
• Wymagany strumień spalin dla recyrkulacji niskociśnieniowej (występuje w konkretnych rozwiązaniach)
• Rzeczywisty strumień spalin dla recyrkulacji wysokociśnieniowej (występuje w konkretnych rozwiązaniach)
• Rzeczywisty strumień spalin dla recyrkulacji niskociśnieniowej (występuje w konkretnych rozwiązaniach)
• Napełnienie cylindra (istotne przy recyrkulacji niskociśnieniowej)

 

Poza wymienionymi elementami, istnieje wiele innych, na które recyrkulacja spalin ma pośredni wpływ. 

 

Jak analizować poprawność szczegółowych parametrów, z podziałem na systemy EGR HP, EGR LP oraz mieszane, zostanie przedstawione w kolejnych artykułach z serii poświęconej układom oczyszczania spalin. 

Źródło:

 

^[1] Konrad Reif. : Diesel Engine Management Systems and Components, Bosch Professional Automotive Information, Springer Fachmedien Wiesbaden 2014.