Systémy pre redukciu výfukových splodín z dieselových motorú

Recirkulácia výfukových plynov, známa pod skratkou EGR (Exhaust gas recirculation), je dnes neoddeliteľnou súčasťou riadiaceho systému dieselových motorov, pretože vďaka svojej vysokej účinnosti má veľmi pozitívne účinky na zníženie koncentrácie oxidov dusíka (NOx) vo výfukových splodinách. Tento recirkulačný systém znamená, že sa výfukové plyny privádzajú späť do nasávania motora, čím sa znižuje množstvo kyslíku a teplota spaľovania. Ako inertný plyn obsahuje zmes výfukových plynov aj veľké množstvo vodnej pary, ktorá pomáha znížiť teplotu zahriateho motora, kým v prvých minútach po naštartovaní, kedy je motor studený, sa naopak pomocou recirkulácie výfukových plynov jeho teplota zvyšuje.

 

Existujú pritom dva základné typy recirkulačných systémov: 

• vysokotlakové recirkulačné systémy, v ktorých sa výfukové plyny odvádzajú z výfukového potrubia a privádzajú sa späť do nasávacieho potrubia,
• nízkotlakové recirkulační systémy, v ktorých sa výfukové plyny odvádzajú z miesta za filtrom pevných častíc a privádzajú sa pred turbodúchadlo. 
  

2.1. Vysokotlakový recirkulačný systém 

 

Systém vysokotlakovej recirkulácie je klasická konštrukcia, ktorá sa v automobilovom priemysle vyvíja už dlhé roky. Dnešné recirkulačné systémy sú veľmi dômyselné a okrem samotného ventilu EGR obsahujú často chladič výfukových plynov a spínací systém, ktorý sa dá vypnúť. Dôležitou súčasťou je tiež vzduchová klapka, pomocou ktorej môže riadiaca jednotka motora vynútiť vyšší obsah výfukových plynov v procesu recirkulácie. Ventil pre recirkuláciu výfukových plynov má dnes prakticky každý moderný automobil s dieselovým motorom, pretože tento systém dokáže veľmi účinne znižovať objem oxidov dusíka, a to hneď vo fázach po naštartovaní motora.

Horké výfukové plyny sa tu z výfukového potrubia presmerujú cez ventil 7 do chladiča 5 alebo na ďalší ventil 6. Ak je ventil 6 zavretý, prechádzajú výfukové plyny cez chladič; ak je ventil 6 otvorený, obchádzajú ho. Dokým je totiž motor studený a jeho teplota nepresahuje zhruba 30 °C, je výhodnejšie s výfukovými plynmi chladič obísť a ohriať tak spaľovaciu komoru rýchlejšie. Algoritmy pre riadení celého mechanizmu sa môžu líšiť podľa konkrétneho systému, pretože chladič výfukových plynov sa často používa na ohrievanie chladiaceho média pre vyhrievanie kabíny vozidla. Pri vysokých prevádzkových teplotách a vysokej záťaži motora je chladič so svojou činnosťou nevyhnutný, pretože znižuje teplotu cirkulujúcich výfukových plynov a tým znižuje ich objem. Tento proces je jednak veľmi výhodný pre zníženie emisií oxidov dusíka, jednak má zároveň pozitívne účinky na proces spaľovania, pretože motor beží pokojnejšie a má „mäkčí“ chod. Výfukové plyny privedené späť do nasávacieho potrubia znamenajú zníženie objemu vzduchu nasávaného do nasávacej sústavy motora. Riadiaca jednotka motora kontroluje zmenu objemu vzduchu pomocou merača prietoku (10) a upravuje podľa neho činnosť ventilu EGR. Ak nie je objem výfukových plynov dostatočný, zatvorí riadiaca jednotka vzduchovú klapku a vynúti si tak vyšší prívod splodín. Keď motor pracuje pod záťažou, musí sa recirkulácia výfukových plynov vypnúť, pretože by kolidovala s činnosťou turbodúchadla a pretože motor potrebuje v tomto okamžiku maximálny objem čerstvého vzduchu. Ak je motor pod záťažou, emisie oxidov dusíka tiež výrazne rastú.

 

2.2. Nízkotlakový recirkulačný systém 

 

Vo vozidlách vyrábaných v súlade s normou Euro 6 sa okrem vysokotlakovej recirkulácie používa ešte nízkotlaková recirkulácia, kedy sa recirkulované výfukové plyny odvádzané z výfukového potrubia privádzajú do nasávacieho systému ešte pred turbodúchadlo (obr. 2).

Tu sa teda výfukové plyny privádzajú na miesto pred kompresné kolo turbodúchadla, ktoré ale vyžaduje vysokú čistotu, a preto je u tohto typu EGR potrebný dodatočný filter. Túto úlohu preberá v motore filter pevných častíc, ktorý tu už máme (položka 6 na obrázku). V systéme je ďalej chladič výfukových plynov (9), tentokrát ale bez možnosti odpojenia (premostenia) – osadený je tu trvalo. Ventil EGR tu tvorí škrtiaca klapka výfukových plynov (8). Z dôvodu mierneho rozdielu tlakov medzi výfukovým potrubím a nasávaním kompresora je tu ďalej osadená takzvaná hromadiaca klapka výfukových plynov, ktorá upravuje ich riadny tok. Keď motor pracuje pod záťažou (a keď je teda zapnuté turbo), je klapka výfukových plynov vypnutá. Na riadenie toku výfukových plynov sa opäť používa merač prietoku vzduchu. V zmiešaných systémoch (nízkotlakové plus vysokotlakové EGR) býva dodatočný „diferenčný tlakový snímač pre nízkotlakovú recirkuláciu“, osadzovaný medzi výstup z filtra pevných častíc a vstup do kompresora.

Podľa konkrétneho chybového kódu DTC môžeme zistiť chybnú činnosť toku, mechanické zablokovanie, nesprávny signál zo snímača polohy, príliš nízke alebo príliš vysoké napätie, a veľa ďalších závad. Nasledujúci zoznam je jen výberom zo zoznamu chybových kódov DTC spojených so systémom recirkulácie výfukových plynov.

3.1. Interpretácia významu chybových kódov DTC P0400 – P0402 

Chybové kódy DTC číslo P0400 až P0402 vyjadrujú nenormálny prietok. Diagnostika týchto závad vychádza prevažne z údajov merača prietoku vzduchu. Riadiaca jednotka motora porovnáva nameraný prietok vzduchu s referenčnou alebo vzorovou hodnotou, odvodenou z riadiacej mapy ventilu EGR (obrázok 4). Mapa ventilu EGR má pritom 2 vstupy a 1 výstup – vstupom je rýchlosť otáčok motora a dávkovanie paliva v mg na 1 cyklus, kým výstupom je požadovaný objem vzduchu, tiež udávaný v mg na 1 cyklus. Riadiaca jednotka motora (ECU) otvára ventil EGR tak, aby prítok vzduchu vyrovnala, a ak sa tu objaví závada, ktorá prispieva k narušeniu prietoku (ako sú uhoľnaté usadeniny, upchatý výmenník, alebo vadná škrtiaca klapka EGR), zaznamená riadiaca jednotka príslušný kód chyby DTC.

3.2. Interpretácia významu chybových kódov DTC P0403 – P0404

 

Chybové kódy DTC číslo P0403 a P0404 súvisia s pohonnou mechanikou ventilu EGR. Riadiaci modul jednosmerného (DC) motora v riadiacej jednotke ECU, teda motora, ktorý pohybuje mechanizmom ventilu, analyzuje aktuálnu spotrebu paliva v motore a pomocou vstavaného potenciometru ako polohového senzoru zistí jeho polohu. Ak je aktuálny odber elektrického motora, ktorý poháňa mechanizmus ventilu EGR, príliš vysoký alebo príliš nízky, deteguje jednotka ECU chybu P0403. Tu môže spôsobiť nielen závada v samotnom ventile EGR, ale tiež chybná funkcia elektrickej sústavy. Chyba číslo P0404 sa prejaví v okamžiku, kedy počas testu koncovej polohy nie je z polohového senzoru ventilu dosiahnuté požadovaného napätia. Test koncovej polohy pohonu sa vykonáva veľmi často, napríklad po vypnutí motoru a spínača zapaľovania.

3.3. Ďalšie diagnostické problémy systému EGR

 

Ak vykonaná diagnostika poukáže na takú závadu v recirkulačnom ventile výfukových plynov, ktorá si žiada jeho výmenu, treba si uvedomiť, že riadiaca jednotka motora diagnostikuje účinnosť celého systému EGR; jeho súčasťou sú ale aj ďalšie diely, ktoré treba skontrolovať. Pri diagnostike systému EGR je tak dôležité venovať pozornosť aj komponentom ako sú ohybné hadice, potrubie výfukových plynov, chladič výfukových plynov, vzduchová klapka a merač prietoku vzduchu. Na autách so zmiešanou recirkuláciou treba tento zoznam rozšíriť o ďalšie súčiastky, ako je klapka výfukových plynov, chladič plniaceho vzduchu, filter pevných častíc s čidlom na meranie tlaku výfukových plynov, diferenčný tlakový snímač pre nízkotlakovú recirkuláciu a samotná klapka nízkotlakovej recirkulácie EGR. Každý z týchto komponentov môže vygenerovať celý rad rôznych chybových kódov, a preto musíme vždy starostlivo skontrolovať ich správnu činnosť.

 

Po výmene ventilu EGR treba vykonať prispôsobenie (adaptáciu) pomocou diagnostického testeru, aby sa tak riadiaca jednotka motora mohla znova „naučiť“ prevádzkové rozsahy nainštalovaných súčastí. Opomenutie potrebnej adaptácie systému môže spôsobiť rýchle poškodenie ventilu EGR.

Ako skontrolovať správnu činnosť systému recirkulácie výfukových plynov? 

 

Keď už poznáme štruktúru recirkulačného systému aj princípy jeho činnosti, môžeme sa zamerať na analýzu jeho správnej činnosti. Na toto potrebujeme diagnostický tester, ktorý vie načítať množstvo nameraných skutočných hodnôt parametrov v reálnom čase (najlepšie všetky). Analýzu možno vykonať v pokoji, alebo počas jazdy. V diagnostickom zariadení potom treba hľadať napríklad takéto parametre:

 

• požadovaný objem vzduchu 
• nameraný objem vzduchu (z merača prietoku vzduchu)
• tlak v nasávacím potrubí (plniaci tlak)
• požadovaná hodnota plniaceho tlaku 
• poloha otvorenia vysokotlakového ventilu HP EGR
• poloha otvorenia nízkotlakového ventilu LP EGR 
• poloha klapky výfukových plynov (pre nízkotlakové EGR)
• dávka vstrekovania paliva 
• lambda pomer (širokopásmová lambda sonda)
• koncentrácia oxidov dusíka NOx (ak je k dispozícii sonda na ich meranie)
• požadovaný prúd výfukových plynov pre vysokotlakovú recirkuláciu (len v určitých typoch)
• požadovaný prúd výfukových plynov pre nízkotlakovú recirkuláciu (len v určitých typoch)
• skutočný prúd výfukových plynov pre vysokotlakovú recirkuláciu (len v určitých typoch)
• skutočný prúd výfukových plynov pre nízkotlakovú recirkuláciu (len v určitých typoch)
• náplň valca (relevantná pre nízkotlakovú recirkuláciu)

Okrem týchto parametrov existuje ešte celý rad ďalších, ktoré sú recirkuláciou výfukových plynov ovplyvnené nepriamo.Ako analyzovať správnosť detailných hodnôt parametrov podľa delenia na vysokotlakové systémy (HP EGR), nízkotlakové systémy (LP EGR) a zmiešané systémy, to si povieme v nadväzujúcich článkoch série venovanej následnému spracovaní výfukových plynov.

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