EGR چیست و چگونه در راندمان موتور نقش دارد

نگاهی به سیستم EGR و نقش آن در افزایش راندمان موتور

برای بهبود توان موتور  و مصرف سوخت موتور های احتراق داخلی از طریق خنک کاری موتور موجب  کاهش ویسکوزیته روغن کاهش تنش ها و اتلافات اصطکاکی  و در نتیجه کاهش تلفات توانی می شود. این اثرات بر روی موتور های بنزینی به دلیل دمای پایین تر روغن و غالب بودن الاینده های تاثیر بیشتری می گذارد مصرف سوخت به میزان بیشتر از10 در صد در شرایط بی باری با افزایش خنک کاری بهبود می یابد . افزایش دمای خنک کاری موتور تاثیر منفی  در الاینده های خروجی دارد چرا که در محفظه احتراق حساسیت زیادی  به تغییرات دمایی محفظه احتراق دارد کاهش دمای خنک کاری واستفاده از EGR سرد باعث کاهش توان ترمزی موتور میشود. و جلو انداختن پاشش سوخت، تا حد معین ، توان موتور رابهبود میبخشد.

باز خورانی گاز اگزوز به داخل سیلندرهای موتور،که اختصارا EGR نامیده می­شود، یکی از موثرترین روش­های کاهش آلاینده­های NO_x محسوب می­شود. در این سیستم به دو صورت که بعدا اشاره خواهد شد مقداری از گازهای اگزوز دوباره به سیلندر باز گردانده می شود. این مقدار گاز اگزوز برگشتی همراه با هوا در کورس مکش وارد سیلندر موتور شده و همراه گازهای باقی مانده از چرخه قبل نقش رقیق کنندگی مخلوط را ایفا می کند (کاهشO₂). در نتیجه­ی این اختلاط، سرعت شعله و دمای اوج احتراق کاهش یافته و در نتیجه مقدار NO_x کمتر می شود.

وقتی گاز EGR که از گونه­های اصلی N₂، CO₂ و H₂O تشکیل شده، به کار گرفته می­شود، اجزاء تشکیل دهنده آن باید از دمای اولیه خودشان تا دمای شعله گرم شوند، بدین جهت ضمن گرم شدن، مقداری از گرمای محفظه احتراق را جذب می­کنند.

چون فرآیند تجزیه، یک تحول گرماگیر است، بدین جهت این گازها به هنگام تجزیه نیز مقداری از گرمای محفظه احتراق را جذب کرده و در نتیجه دمای گازهای داخل محفظه کاهش بیشتری می یابد.

بنابراین، تاثیر اصلی گاز  EGR ورودی در روند تشکیل آلاینده NO، کاهش دمای شعله و گازهای سوخته شده به علت افزایش ظرفیت حرارتی بار داخل سیلندر به ازاء واحد جرم سوخت می باشد.

 در هر دو نوع موتور(دیزل و بنزینی) ، افزایش EGR، تاثیر زیادی در کاهش مقدار آلاینده NO_x  دارد ولی کاهش انتشار NO_x ناشی از EGR در موتورهای SI شدیدتر است.

با اعمالEGR، در موتورهای دیزلی نسبت هوا به سوخت کاهش می یابد زیرا به جای مقداری از هوای ورودی گازهای اگزوز وارد محفظه احتراق می شود. ولی در موتورهای بنزینی این نسبت ثا بت میماند

همانگونه که ذکر شد، رقیق کننده­های اضافه شده به هوای ورودی (همچون بازخورانی گاز اگزوز) در کاهش تشکیل NO و بنابراین انتشار NO_x از گازهای اگزوز موثر است. اثر اولیه این رقیق کننده ها روی کاهش دمای گازهای سوخته است. ظرفیت گرمایی CO₂ در دماهای احتراق دیزل حدود دو برابر گاز N₂ است. ظرفیت گرمایی گازهای اگزوز نیز کمی بیشتر از گاز N₂ است. ترکیب گازهای اگزوز در موتور دیزلی با بار روی موتور تغییر می کند. در دور آرام، مقدار CO₂ و H₂O کم بوده و تفاوت زیادی بین ترکیب گازهای اگزوز با هوای بیرون وجود ندارد ولی در بارهای زیاد همچنانکه غلظت های  CO₂ و H₂O در گازهای اگزوز زیاد می­گردد، ظرفیت گرمایی نیز افزایش می­یابد. افزایش رقیق کننده­هایی همچون EGR، دمای اوج شعله را کاهش داده بنابراین مقدار انتشار NO_x نیز کاهش می یابد. همچنین افزایش اکسیژن باعث بالا رفتن دماهای شعله و بنابراین افزایش انتشار NO_x می گردد.

ظرفیت گرمایی رقیق کننده از میزان جریان جرمی آن در کاهش مقدار NO اهمیت بیشتری دارد. مقدار EGR قابل تحمل برای یک نوع طراحی محفظه احتراق خاص بستگی به مشخصات احتراق آن، سرعت و بار و نسبت هم ارزی  دارد.

انواع روشهای EGR:

سیستم باز خورانی گازهای اگزوز به دو صورت زیر انجام می شود :

1.  EGR   سرد خارجی (External EGR)

2.  EGR   گرم داخلی (Internal EGR)

EGR سرد خارجی

در این روش درصدی از گازهای حاصل از احتراق که از طریق سوپاپ تخلیه به خارج سیلندر و اگزوز منتقل می­شوند به وسیله یک مسیر فرعی برگردانده شده و دوباره از طریق سوپاپ مکش با هوای تازه مخلوط شده و وارد سیلندر می شود .

  در مسیر اگزوز یک شیر برقی قرار دارد که تنظیم کننده میزان جریان عبوری گازهای برگشتی به سیلندر است و به صورت الکترونیکی از ECU  فرمان می­گیرد. زمانی که نیاز به شارژ کامل هوای تازه باشد این شیر کاملا بسته است و تمامی گازهای حاصل از احتراق از مسیر اگزوز خارج شده و گاز برگشتی وجود ندارد. بر حسب نیاز و با توجه به شرایط کاری موتور فرمان باز شدن شیر برقی صادر می شود و درصدی از گازهای خروجی از مسیر فرعی به سیلندر برگردانده می شود. بعنوان مثال اگر 50 درصد EGR داشته باشیم، یعنی اینکه نیمی از هوای ورودی به سیلندر از سوپاپ مکش (شارژ تازه) و نیم دیگر، گازهای برگشتی از اگزوز است. گازهای برگردانده شده ابتدا وارد EGR Cooler شده، سرد می شود و سپس با هوای تازه مخلوط شده و وارد سیلندر می­گردد. EGR    خارجی باعث عقب افتادن شروع احتراق می شود و احتراق دیرتر آغاز می­شود. 

EGR گرم خارجی

این روش نیز بر اساس زمان بندی باز و بسته شدن سوپاپ­های مکش و تخلیه است. در حالت طبیعی در مرحله تخلیه سوپاپ تخلیه باز است، تا زمانی که پیستون به نقطه مرگ بالا ((TDC می رسد و تمامی گازهای حاصل از احتراق از سوپاپ تخلیه خارج می شود. به محض حرکت پیستون به سمت پایین و شروع مرحله مکش سوپاپ تخلیه بسته می شود و سوپاپ مکش باز شده و شارژ تازه به درون سیلندر مکیده می شود.

در زمان استفاده از EGR داخلی زمان بندی باز و بسته شدن سوپاپ­های مکش و تخلیه تغییر می کند. به این صورت که پس از رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالا در مرحله تخلیه و پایین آمدن پیستون و باز شدن سوپاپ مکش در مرحله مکش، سوپاپ تخلیه همچنان باز می­ماند. در اثر پایین آمدن پیستون در مرحله مکش در سیلندر خلاء نسبی ایجاد می شود که باعث مکش شارژ تازه از سوپاپ مکش به درون سیلندر می شود. همچنین این خلاء نسبی باعث می شود که مقداری از گازهای حاصل از احتراق نیز از سوپاپ تخلیه که همچنان باز است به سیلندر بازگردند.

برای EGR 10% مشاهده می شود IVO در نقطه مرگ بالا اتفاق می­افتد و EVC، 10 درجه بعد از نقطه مرگ بالا اتفاق می افتد. ولی مشاهده می شود که برای مقادیر EGR 20% و 40% زمان باز شدن سوپاپ مکش نیز تغییر کرده و سوپاپ مکش دقیقا در شروع مرحله مکش باز نمی­شود و چند درجه بعد از نقطه مرگ بالا باز می­شود و به همین دلیل مکش حاصل از پایین آمدن پیستون سبب می­شود که گازهای حاصل از احتراق از سوپاپ تخلیه وارد سیلندر شود.

مدت زمان باز و بسته بودن سوپاپ­ها بر اساس مقادیر مختلف گازهای برگشتی مورد نیاز، متفاوت است. هر چقدر نیاز به درصد بیشتری از گازهای برگشتی باشد سوپاپ تخلیه نیز مدت زمان بیشتری باز می ماند. البته نمی­توان مدت زیادی سوپاپ تخلیه را در مرحله مکش باز نگه داشت زیرا باعث خروج شارژ تازه از سوپاپ تخلیه می­شود.

جمع بندی کلی:

موتورهای درون سوز برای شروع به کار ، نیازمند رسیدن به یک سرعت اولیه ی مشخص می باشند ، این سرعت اولیه توسط استارت تامین می شود. پس از روشن شدن ، کمترین دور ممکن  برای ادامه ی کار موتور ، دور آرام (Idle) نامیده می شود . با افزایش دور موتور از دور آرام ، قدرت و گشتاور تولید شده توسط آن ابتدا به سرعت افزایش یافته و پس از رسیدن به یک دور مشخص گشتاور به ماکزیمم خود می رسد . از این دور به بعد گشتاور رو به کاهش می گذارد . علت اساسی این کاهش پایین آمدن راندمان حجمی موتور است ، که خود به دلیل کاهش زمان لازم برای پر و خالی شدن سیلندر ها ، افت فشار در سیستم تغذیه ی موتور و مشکلات ناشی از زمان بندی سوپاپ ها  که همه زایده ی دور زیاد موتور هستند ، ایجاد می گردد . معمولا ماکزیمم گشتاور در دوری بدست می آید که ماکزیمم راندمان حجمی وجود دارد . از این دور به بعد قدرت تا مدتی باز هم افزایش می یابد ولی با شدتی کمتر از قبل ؛ علت این موضوع با رابطه ی بین قدرت و گشتاور  توجیه می شود .  به این ترتیب که تا دور ماکزیمم گشتاور ، هم دور موتور و هم  گشتاور در حال افزایش هستند و لذا قدرت هم به شدت افزایش می یابد . از دور ماکزیمم گشتاور به بعد ، گشتاور رو به  کاهش می گذارد ؛ اما باز هم افزایش دور موتور،  تا دور مشخصی  ، بر کاهش گشتاور غالب است و لذا قدرت هنوز افزایش می یابد ولی با شدتی کمتر از قبل . از یک دور به بعد ،  که در آن دور قدرت به ماکزیمم خود رسیده ، اثر کاهش  گشتاور ، بیشتر از افزایش دور موتور می شود و از این دور به بعد قدرت هم کم می شود .که سه پارامتر اصلی (راندمان حجمی –راندمان مکانیکی- راندمان ترمودینامدکی)بر روی توان موتور تاثیر گذار می باشد.