Recyrkulacja spalin w silnikach ZS

Zasada zewnętrznej recyrkulacji spalin w silnikach ZS 

Jeśli silnik ZS nie ma układu recyrkulacji, lub jest on wyłączony, to przy każdej prędkości obrotowej, do komór spalania silnika ZS wpływa zawsze maksymalna masa powietrza m_pow1,  (rys.1a), dla tej prędkości obrotowej. Ilość tlenu znajdującego się w powstałej mieszaninie powietrza i resztek spalin, która wypełnia komorę spalania silnika ZS, musi być zawsze większa od masy tlenu, wymaganej do spalenia dawki paliwa, która zostanie wtryśnięta do komory spalania. 

Jeśli silnik ZS pracuje w zakresie małych i średnich obciążeń, to dla prawidłowego procesu przygotowania i spalania mieszanki nie jest konieczne, aby masa powietrza w komorze spalania była wielokrotnie większa od masy powietrza wymaganej do spalenia wtryśniętej dawki paliwa - wystarczy mniejszy naddatek powietrza. Można więc w tych warunkach pracy silnika zastąpić część powietrza przez spaliny. 

Nie można ich bowiem dodać do masy powietrza, która została wprowadzana do komory spalania, przy zewnętrznej recyrkulacji spalin, np. m_pow1(rys.1a), ponieważ nie ma tam dla nich miejsca. 

Przykładowo jeśli przy wyłączonym układzie zewnętrznej recyrkulacji spalin, do komory spalania silnika wpłynęła masa powietrza m_pow1 (rys. 1a), to otwarcie zaworu recyrkulacji spalin spowodowało, że:

- do komory spalania wpływają recyrkulowane spaliny, o masie m_rsp2 (rys. 1b) 

- masa powietrza wpływającego do komory spalania, zmniejszyła się od wartości m_pow1do m_pow2(rys. 1b). 

Przy zastępowaniu części powietrza wpływającego do komory spalania silnika ZS, przez spaliny, czyli przy wykorzystaniu recyrkulacji spalin w silniku ZS, musi być spełniony warunek, wynikający ze sposobu przygotowania spalania mieszanki w silniku ZS. Warunek ten określa, że masa tlenu w komorze spalania musi być większa od masy tlenu, która wynika z równań chemicznych procesu spalania (taka masa tlenu jest w mieszance stechiometrycznej, składającej się z 1 kg paliwa 14,5 kg powietrza), aby proces przygotowania mieszanki i jej spalania w silniku ZS przebiegał prawidłowo i nie nastąpiło przekroczenie dopuszczalnej granicy zadymienia spalin. 

Jak w silniku ZS następuje zastępowanie części powietrza przez spaliny? Gdy układ recyrkulacji spalin jest wyłączony (rys. 2a), do silnika dopływa układem dolotowym, maksymalna możliwa ilość powietrza. Otwarcie zaworu recyrkulacji spalin (rys. 2b) powoduje, te do silnika mogą dopływać również spaliny. Płyną one pod wpływem różnicy ciśnień pomiędzy miejscem poboru spalin z kolektora wylotowego a miejscem wprowadzenia spalin do kolektora dolotowego. To ile spalin a ile powietrza wpłynie do komór spalania silnika, zależy od oporów na drodze przepływu spalin oraz powietrza.

Małe otwarcie zaworu recyrkulacji spalin powoduje, że: 

- tylko mała ilość spalin (ich masa) dopływa do komory spalania, 

- ilość powietrza (jego masa), która dopływa do komory spalania, jest mniejsza o ilość spalin, która dopływa do komory spalania z układu recyrkulacji spalin. 

Jeśli potrzebna jest większa ilość dopływających spalin, to w pierwszej kolejności należy zmniejszyć opory przepływu na drodze spalin, przez zwiększenie otwarcia zaworu recyrkulacji spalin (rys. 2b). Zwiększenie ilości spalin wpływających do komór spalania silnika powoduje zmniejszenie ilości wpływającego powietrza. Może się jednak okazać, że większe otwarcie zaworu recyrkulacji spalin nie powoduje zwiększenia ilości spalin wpływających do komór spalania. 

Jest to spowodowane za małą różnicą ciśnień, wymuszających przepływ spalin. Wówczas, dla zwiększenia ilości przepływających spalin, należy zmniejszyć pole przepływu powietrza wokół przepustnicy 4 (rys. 2d), przez przymknięcie jej o określony kąt, celem obniżenia ciśnienia za przepustnicą, czyli w miejscu wlotu spalin z układu recyrkulacji spalin. 

Ta powoduje dalsze zwiększenie ilości recyrkulowanych spalin, a zmniejszenie ilości powietrza płynącego do komór spalania silnika. Częściowe przymykanie przepustnicy 4 w układzie dolotowym silnika, może być konieczne dla uzyskania dużych ilości recyrkulowanych spalin, charakteryzowanych przez duże wartości stopnia recyrkulacji spalin (SRS).

Korzyści ze stosowania recyrkulacji spalin w silnikach ZS 

Podstawową korzyścią ze stosowania recyrkulacji spalin silniku ZS jest obniżenie tlenków azotu (NO_X), do 50%, wskutek: 

- zmniejszenia masy spalin opuszczających układ wylotowy silnika; 

- obniżenie szczytowych, lokalnych temperatur procesu spalania dodatek spalin, pełniących rolę gazu obojętnego, który nie uczestniczy w procesie spalania, powoduje zmniejszenie prędkości spalania, co powoduje obniżenie lokalnych temperatur procesu spalania; 

- zmniejszenia stężenia tlenu w komorze spalania - recyrkulowane spaliny zawierają mniej tlenu niż powietrze, dzięki czemu tworzy się mniej tlenków azotu (NO_X), ale nadal ilość tlenu w komorze spalania jest wystarczająca dla prawidłowego przebiegu procesu spalania. 

Inne korzyści wynikające ze stosowania recyrkulacji spalin są następujące: 

- recyrkulacja niechłodzonych spalin bezpośrednia po uruchomieniu silnika i w fazie jego nagrzewania, pozwala uniknąć spalania stukowego, nierównej pracy silnika oraz zmniejszyć emisję węglowodorów; 

- spowolnienie procesu spalania, pozwala uzyskać również bardziej miękką pracę silnika - jest to praca z mniejszą ilością nagłych wzrostów ciśnień podczas procesu spalania, które powodują między innymi głośną pracę silnika; 

- obniżenie emisji cząstek stałych - do 10% według firmy Pierburg; według innych źródeł recyrkulacja spalin zwiększa emisję cząstek stałych, ale można ją obniżyć przez zastosowanie filtra cząstek stałych. 

Budowa zewnętrznych układów recyrkulacji spalin silników ZS 

Rysunek 3 pokazuje typowy zewnętrzny układ recyrkulacji spalin ZS, elektryczno-pneumatyczny, sterowany elektronicznie. O ilości recyrkulowanych spalin decyduje wielkość otwarcia zaworu recyrkulacji spalin 9. O wielkości tego otwarcia sterownik może być informowany przez opcjonalny czujnik B, położenie grzybka zaworu recyrkulacji spalin. 

Wielkość otwarcia zaworu recyrkulacji spalin zależy od wartości podciśnienia, które jest doprowadzone do siłownika tego zaworu. Wartość podciśnienia jest modulowana (zmieniana w czasie) w zakresie - np. od 0 do 0,025 MPa (od 0 do 250 mbar) przez zawór modulacji podciśnienia 7. Zawór ten jest zasilany podciśnieniem, o wartość np. 0,06 MPa (600 mbar) z pompy próżniową. Wartość podciśnienia, zasilającego zawór recyrkulacji spalin jest sterowana sygnałem ze sterownika. Przepustnica 4 w układzie dolotowym silnika, jest uruchamiana pneumatycznie. Podciśnienie jest włączane lub wyłączane przez elektryczny zawór przełącznikowy 5, sterowany sygnałem ze sterownika 1.Rysunek 4 przedstawia zewnętrzny układ recyrkulacji spalin ZS, w którym, wszystkie elementy układu są sterowane lub regulowane elektrycznie. Możemy tu mówić o regulacji, ponieważ sterownik 1 otrzymuje informacje o otwarciu zaworu recyrkulacji spalin 2 i dlatego na bieżąco może zmieniać stopień jego otwarcia. Podobnie sterownik 1 otrzymuje informacje o pozycji przepustnicy 6 w układzie dolotowym silnika. 

Jak widać na rys. 3 i 4, w przedstawionych układach w układzie dolotowym silnika, są zastosowane przepustnice, uruchamiane w różny sposób.

Przepustnica w układzie dolotowym silnika, może mieć także dwie dodatkowe funkcje: 

- zapobieganie drganiom silnika ZS podczas wyłączania - podczas wyłączania silnika, przepustnica zamyka dopływ powietrza do komór spalania, aby uniknąć napełniania ich powietrzem, co zapobiega przypadkowym procesom spalania paliwa, które może zostać wtryśnięte w trakcie wyłączania silnika, a ich przypadkowy samozapłon może spowodować drgania silnika; 

- regulacja temperatury filtra cząstek stałych, podczas procedury jego regeneracji - ta regulacja następuje przez regulację masowego natężenia przepływu powietrza przez układ dolotowy, a więc również masowego natężenia przepływu tlenu przez układ wylotowy,

To, które z funkcji może mieć przepustnica w układzie dolotowym silnika, zależy od jej konstrukcji. Są bowiem stosowane: 

- przepustnice uruchamiane pneumatycznie (rys. 5) przepustnica o takiej konstrukcji jest w układzie na rys. 3 (nie jest zintegrowana z zaworem recyrkulacji spalin, tak jak na rys. 5); 

- przepustnice uruchamiane elektrycznie (rys. 6)- przepustnica o takiej konstrukcji jest w układzie na rys. 4.

To, jakie funkcje może mieć każda z obu przepustnic, jest ujęte w tabeli 1. 

Często liczne grono pracowników serwisów sądzi, że przepustnica powietrza w układzie dolotowym silnika ZS służy jedynie do zapobiegania drganiom silnika podczas wyłączania, dlatego w przypadku jej uszkodzenia jest ona często uznawana za zbędną i unieruchamiana. To była prawda, ale tylko tyko w odniesieniu do starszych silników. Im nowszy silnik ZS, tym przepustnica ta ma więcej funkcji. Niestety informacje serwisowe nie zawsze wyczerpująco informują o funkcjach przepustnicy w układzie dolotowym określonego silnika ZS. Dlatego w tabeli 2 zawarto sugestie, pomocne w ocenie, da poznania funkcji przepustnicy w układzie dolotowym silnika ZS, samochodu, który w danym momencie jest obsługiwany . 

W układzie recyrkulacji spalin silnika ZS, który jest przedstawiony na rys. 4, jest zastosowana chłodnica recyrkulowanych spalin 3, wprowadzenie do komory spalania silnika ZS, chłodzonych. spalin w porównaniu do wykorzystania niechłodzonych, recyrkulowanych spalin patrz rys. 7: 

- umożliwia większe obniżenie emisji tlenków azotu (NO_X); 

- powoduje wzrost emisji cząstek stałych (PM); 

Wzrost emisji cząstek stałych (PM) z silnika ZS jest zmniejszany do wymaganej wartości przez filtr cząstek stałych. 

Jak już wiadomo, spaliny płyną przez zewnętrzny układ recyrkulacji spalin, pod wpływem różnicy ciśnień pomiędzy miejscami poboru spalin z kolektora wylotowego a miejscem wprowadzenia spalin do kolektora dolotowego. Może się jednak zdarzyć, że w wyniku zjawiska pulsacji ciśnień w układzie dolotowym i wylotowym, chwilowo ciśnienie powietrza w kolektorze dolotowym jest wyższe niż ciśnienie spalin w układzie wylotowym, co powoduje, że układem recyrkulacji spalin będzie płynąć powietrze, od kolektora dolotowego do kolektora wylotowego. Jeśli taka sytuacja występuje, aby jej zapobiec w układzie recyrkulacji spalin jest montowany zawór zwrotny 7 (rys. 8). Umożliwia on przepływ tylko spalinom, w kierunku od kolektora wylotowego do dolotowego. Przepływ powietrza w drugą stronę, jest zamykany przez ten zawór. Rysunek 9 przedstawia zawór zwrotny, zastosowany w układzie recyrkulacji spalin rzędowego silnika ZS, o 6 cylindrach, dla samochodów ciężarowych i autobusów firmy MAN. Przy prędkości obrotowej silnika 2500 obr/min, sprężyste płytki zaworu zwrotnego ze stali szlachetnej, otwierają się i zamykają 3750 razy na minutę. 

Stopień recyrkulacji spalin w zależności od warunków pracy silnika ZS 

Wykres na rys. 10 przedstawia przykładowe wartości stopnia recyrkulacji spalin (SRS), dla różnych warunków pracy silnika ZS. 

Z wykresu można odczytać, że: 

- największa masa spalin jest recyrkulowana przy małych obciążeniach silnika, a maleje wraz ze wzrostem obciążeń silnika; 

- w zakresie dużych obciążeń silnika, spaliny nie są recyrkulowane. 

Jak widać z wykresu, wbrew często powtarzanej opinii, sprawnie pracujący układ recyrkulacji spalin, nie przeszkadza silnikowi osiągać maksymalnych wartości momentu obrotowego i mocy, bo gdy pedał gazu jest naciśnięty więcej niż o ok. 60% swojego maksymalnego skoku, recyrkulacja spalin jest wyłączona. 

Zdjęcia i tekst pochodzą z artykułu „Recyrkulacja spalin w silnikach ZS” w dodatku technicznym do Wiadomości IC Recyrkulacja spalin w silnikach cz. 1 nr 35/Czerwiec 2010