موتور EGR و DPF چگونه تمیز می‌ماند؟

سفرهای کوتاه و مکرر شهری، اجازه خودتمیزکاری DPF را نمی‌دهند و به همین دلیل موتور را به تدریج و بی‌سروصدا به گرفتگی محکوم می‌کنند.
سفرهای کوتاه و مکرر شهری، اجازه خودتمیزکاری DPF را نمی‌دهند و به همین دلیل موتور را به تدریج و بی‌سروصدا به گرفتگی محکوم می‌کنند.

این صفحه را به اشتراک بگذارید

سیستم‌های EGR و DPF/GPF دو فناوری مکمل کنترل آلایندگی هستند که به پاکیزه ماندن موتور کمک می‌کنند: EGR با بازگرداندن بخشی از گازهای خروجی به سیلندر، دمای احتراق را پایین می‌آورد و از تشکیل اکسیدهای نیتروژن (NOx) از همان ابتدا جلوگیری می‌کند؛ DPF و در موتورهای بنزینی GPF نیز ذرات دوده ایجادشده را در اگزوز به دام انداخته و با بازسازی دوره‌ای می‌سوزانند. هر دو سیستم برای پاکیزگی طراحی شده‌اند، اما به‌ویژه در سفرهای کوتاه و مکرر شهری که چرخه‌های خودتمیزشونی خود را کامل نمی‌کنند، به مرور مسدود می‌شوند.

نکات برجسته

  • EGR در موتورهای بنزینی به‌طور معمول در حدود ۵ تا ۱۵ درصد گاز خروجی را به موتور برمی‌گرداند؛ در موتورهای دیزلی در برخی شرایط این نسبت می‌تواند تا ۵۰ درصد برسد.
  • NOx از ترکیب نیتروژن و اکسیژن در دمای بالا ایجاد می‌شود؛ EGR با کاهش این دما، تشکیل آن را از همان ابتدا کاهش می‌دهد.
  • برای سوزاندن دوده داخل DPF، دمای اگزوز حدود ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد لازم است.
  • در سفرهای کوتاه‌تر از ۱۵ تا ۲۰ کیلومتر، موتور به‌ندرت به دمای لازم برای بازسازی غیرفعال می‌رسد.
  • GPF در موتورهای بنزینی از نوع جریان دیواره‌ای با ساختار لانه‌زنبوری سرامیکی است و نزدیک کاتالیزور یا یکپارچه با آن نصب می‌شود.

چرا EGR گاز خروجی را به سیلندر برمی‌گرداند؟

در نگاه اول ایده‌ای متناقض به نظر می‌رسد: چرا گازی که سوخته و تمام شده را به جای هوای تازه به موتور برگردانیم؟ پاسخ در شیمی نهفته است. NOx از ترکیب نیتروژن و اکسیژن در دمای بالای محفظه احتراق ایجاد می‌شود. هرچه دما بالاتر باشد، تشکیل آن بیشتر است. سیستم EGR با مخلوط کردن بخشی از گاز خروجی با هوای ورودی، مقدار اکسیژن داخل سیلندر را رقیق می‌کند؛ با کاهش اکسیژن، مقدار سوخت در حال احتراق نیز کم می‌شود و دمای اوج سیلندر پایین می‌آید. با کاهش دما، تشکیل NOx از همان ابتدا مهار می‌شود.

علاوه بر این، بخار آب و CO2 موجود در گاز خروجی ظرفیت گرمایی متفاوتی نسبت به هوا دارند؛ این موضوع دمای شعله آدیاباتیک را باز هم بیشتر پایین می‌برد. در موتورهای دیزلی مدرن، گاز بازگردانده‌شده معمولاً از یک خنک‌کننده EGR، یعنی یک مبدل حرارتی، عبور می‌کند. به لطف خنک‌سازی می‌توان از نسبت EGR بالاتری استفاده کرد و دمای شارژ ورودی به سیلندر پایین می‌ماند.

در موتورهای بنزینی تعادل حیاتی است: نسبت معمول EGR در محدوده ۵ تا ۱۵ درصد قرار دارد. اگر آن را بیش از حد لازم افزایش دهید، پیوستگی جبهه شعله مختل می‌شود؛ احتراق ناقص و سوختن ناتمام آغاز می‌شود. به همین دلیل EGR در همه شرایط فعال نیست: در بار بالا چون توان اوج را کاهش می‌دهد و در دور آرام چون احتراق را ناپایدار می‌کند، خاموش می‌شود. در موتورهای دیزلی اما در شرایطی مانند دور آرام که هوای اضافی فراوان است، این نسبت می‌تواند به سطوح بسیار بالاتری برسد. در موتورهای بنزینی، EGR مزایای جانبی نیز دارد: بازتر بودن دریچه گاز، تلفات دریچه گاز را کاهش می‌دهد؛ تلفات حرارتی و تجزیه شیمیایی نیز کم می‌شود.

چرا سوپاپ EGR به مرور مسدود می‌شود؟

EGR supabını tıkaran yalnızca kurum değil; sıcak egzoz gazı, yağ buharı ve taze hava manifolddaki katran benzeri tortunun ana malzemesidir.

EGR گازهای اگزوز را بدون فیلتر کردن به موتور برمی‌گرداند. ذرات کربنی ساینده موجود در گاز روی سوپاپ رسوب می‌کنند؛ به مرور زمان سوپاپ کثیف می‌شود، جریان را محدود می‌کند و ممکن است کاملاً گیر کند. سوپاپ مسدودشده کاهش NOx را مختل می‌کند و می‌تواند باعث مردود شدن خودرو در آزمون آلایندگی شود. رسوب کربن تنها از دوده حاصل از اگزوز ناشی نمی‌شود: مخلوط شدن گاز اگزوز داغ با بخار روغن حاصل از پوسته میل لنگ نیز به تغذیه این رسوب کمک می‌کند. در موتورهای دیزلی و بنزینی، وقتی EGR با تهویه کارتر (PCV) ترکیب می‌شود، مخلوط گاز اگزوز، هوای تازه و بخار روغن می‌تواند در منیفولد مکش به رسوب چسبناکی شبیه قیر تبدیل شود.

نتیجه عملی این موضوع روشن است: پرهیز از عواملی که تشکیل رسوب را افزایش می‌دهند، به‌ویژه استفاده از سوخت باکیفیت، عمر سوپاپ را طولانی‌تر می‌کند. مشکلات حرارتی نیز در خرابی‌های EGR مؤثرند؛ این سیستم دائماً در معرض چرخه‌های دمایی بالا قرار دارد.

DPF چگونه دوده را به دام می‌اندازد: احیا (Rejenerasyon) چگونه کار می‌کند؟

EGR بهایی دارد: بازگرداندن گاز اگزوز به سیلندر در موتورهای دیزل انتشار ذرات، یعنی دوده را افزایش می‌دهد. دقیقاً به همین دلیل است که DPF در خط اگزوز موتورهای دیزل، در پایین‌دست موتور قرار گرفته است. فیلتر دوده را به دام می‌اندازد؛ اما دوده انباشته‌شده فشار برگشتی در اگزوز ایجاد می‌کند و این فشار به مرور زمان بازده سوخت را کاهش می‌دهد. برای اینکه فیلتر بتواند از خود محافظت کند، باید دوده‌ای را که به دام انداخته است بسوزاند - به این فرآیند احیا (Rejenerasyon) گفته می‌شود. این سیستم با تعادل پویا میان دوده به‌دام‌افتاده و دوده اکسیدشده کار می‌کند.

تفاوت میان احیای غیرفعال و فعال

احیای غیرفعال بدون دخالت اضافی رخ می‌دهد: در دماهای به‌قدر کافی بالا، ترکیب NO2 موجود در NOx، دوده داخل فیلتر را در دماهای کاری معمول اکسید می‌کند. فقط این فرآیند تا حدی مؤثر است و در نرخ‌های بالای EGR باز هم ضعیف‌تر می‌شود. احیای فعال اما فرآیندی احتراقی است که ECU در آن دخالت می‌کند: سوخت اضافی به کاتالیزور اکسیداسیون پاشیده می‌شود (با پاشش اضافی پس از تزریق سوخت، یعنی post injection فعال می‌شود)، دمای اگزوز بالا برده می‌شود و ذرات با اکسیژن باقی‌مانده در اگزوز می‌سوزند. دوده به خاکستر و CO2 تبدیل می‌شود.

ناخالصی‌های فلزی و معدنی نسوزِ موجود در سوخت و روغن موتور با احیا سوزانده نمی‌شوند؛ این‌ها به شکل خاکستر در فیلتر باقی می‌مانند. پس از احیاهای مکرر، باید DPF خارج شده و با یک فرآیند خاص خارجی تمیز شود یا تعویض گردد. احیا دوده را مدیریت می‌کند، اما خاکستر را نه.

GPF در موتورهای بنزینی: چه تفاوتی با دیزل دارد؟

فیلتر ذرات مختص دیزل‌ها نیست. GPF - که با نام‌های OPF یا PPF نیز شناخته می‌شود - دوده‌های ریز و ذرات خروجی از موتورهای بنزینی را به دام می‌اندازد تا استانداردهای آلایندگی برآورده شوند. از نظر ساختار، یک فیلتر لانه‌زنبوری سرامیکی است و معمولاً با طراحی جریان از دیواره (wall-flow) کار می‌کند: هنگام عبور گاز اگزوز از فیلتر، ذرات روی دیواره‌های سلول‌ها به دام می‌افتند. محل نصب اهمیت دارد: GPF نزدیک به مبدل کاتالیستی قرار می‌گیرد یا به‌صورت یکپارچه در یک بدنه با آن ادغام می‌شود. به لطف این موقعیت، خط اگزوز سریع گرم می‌شود؛ که از نظر پاکیزگی فیلتر مطلوب است.

چرا استفاده مکرر درون‌شهری این سیستم‌ها را به چالش می‌کشد؟

پیش‌نیاز بازجذب، دما است. برای اینکه DPF بتواند دوده انباشته‌شده را بسوزاند، دمای حدود 600 درجه سانتی‌گراد در اگزوز لازم است. رانندگی درون‌شهری با سرعت کمتر از 40 مایل در ساعت مانع رسیدن به این دما می‌شود؛ بازجذب غیرفعال متوقف می‌شود و انباشت دوده در فیلتر شتاب می‌گیرد. در سفرهای کوتاه‌تر از 15 تا 20 کیلومتر، موتور به‌ندرت به دمای کاری لازم برای بازجذب غیرفعال می‌رسد. در سفرهای کوتاه، بازجذب یا اصلاً آغاز نمی‌شود یا پیش از پایان سفر لغو می‌گردد. تکرار سفرهای کوتاه به‌دلیل نرسیدن خودرو به دمای کامل اگزوز یا ناتمام ماندن بازجذب، مشکلات DPF را تشدید می‌کند.

این واقعیتی است که کاربران خودروهای دیزلی مرتباً بیان می‌کنند: موتور ممکن است زیر کاپوت سالم باشد، اما زنجیره اگزوز به گرم شدن منظم نیاز دارد. یک دیزلی که فقط در مسافت‌های کوتاه استفاده شود، ممکن است هرگز نتواند فیلتر خود را پاکسازی کند. پرسشی که در ذهن خواننده شکل می‌گیرد، خاموش کردن کامل این سیستم است: در بحث‌های حذف EGR، در برابر ادعاهای افزایش توان، حذف سیستم دمای احتراق را بالا می‌برد و می‌تواند فرسایش موتور و فشار بر توربو را افزایش دهد؛ همچنین انتشار NOx را به‌طور جدی افزایش می‌دهد. علاوه بر این، اگر EGR همراه با DPF حذف نشود، بار دوده در DPF و دماهای بازجذب باز هم بیشتر می‌شود - این دو سیستم را نمی‌توان مستقل از یکدیگر در نظر گرفت.

مبدل کاتالیستی و کل زنجیره اگزوز چگونه کار می‌کند؟

برای تکمیل تصویر، باید به حلقه اول زنجیره نگریست. مبدل کاتالیستی یک دستگاه کنترل انتشار است که گازهای سمی و آلاینده‌های خروجی از موتور را به مواد کم‌سم‌تر تبدیل می‌کند: مونوکسید کربن، هیدروکربن‌ها و اکسیدهای نیتروژن را کاهش می‌دهد. هم موتورهای بنزینی و هم دیزلی برای حذف آلاینده‌های اصلی از این دستگاه‌ها بهره می‌برند. در بیشتر خودروهای دیزلی مدرن، DPF و مبدل کاتالیستی برای انطباق با مقررات سخت‌گیرانه انتشار، با هم کار می‌کنند.

با نگاهی به کل زنجیره، تقسیم کار روشن است:

  • EGR - از ابتدا تشکیل NOx درون سیلندر را کاهش می‌دهد.
  • مبدل کاتالیستی / DOC - اجزای مونوکسید کربن، هیدروکربن و NOx در اگزوز را تبدیل می‌کند.
  • DPF - دوده را به دام می‌اندازد و با بازجذب خود را پاکسازی می‌کند.
  • SCR - با محلول اوره‌ی افزوده‌شده، NOxِ راهی به اگزوز را به نیتروژن و آب بی‌خطر تبدیل می‌کند.

کارنکردن یک حلقه، بار را بر دیگری می‌اندازد. اگر EGR درست کار نکند، کنترل NOx به بیرون از سیلندر واگذار می‌شود؛ اگر بازجذب کامل نشود، فشار برگشتی موتور را خفه می‌کند. آنچه موتور را تمیز نگه می‌دارد، عملکرد این زنجیره به‌صورت یکپارچه است.

آیا EGR عمر موتور را کوتاه می‌کند یا طولانی‌تر؟

پاسخ این پرسش یک‌سویه نیست. از یک سو، بازگشت بدون فیلتر گازهای اگزوز در موتورهای دیزلی می‌تواند باعث ورود دوده به سیلندر، سایش رینگ‌های پیستون و آلودگی روغن شود؛ از این منظر، EGR عمر موتور را کوتاه می‌کند. از سوی دیگر، چون EGR دمای سیلندر را کاهش می‌دهد، می‌تواند موتور را - به‌ویژه از نظر طول عمر سوپاپ اگزوز - محافظت کند. این دو اثر در جهت مخالف عمل می‌کنند و اینکه کدام‌یک غلبه می‌یابد به شرایط استفاده و میزان تمیز نگه‌داشتن سیستم بستگی دارد. در جبهه بازده هم وضعیت پیچیده است: در موتور دیزل، EGR می‌تواند بازده ترمودینامیکی را کاهش و انتشار ذرات معلق را افزایش دهد؛ اما در برخی موتورهای بنزینی می‌تواند بازده را افزایش دهد. سامانه‌های EGR خنک‌شده با کاهش بازده در حدود %3 مرتبط دانسته شده‌اند. به همین دلایل، برخی موتورهای مدرن ترجیح می‌دهند بدون استفاده از EGR به اهداف کنترل انتشار برسند - این فناوری تنها مسیر اجباری نیست، بلکه ابزاری برای ایجاد تعادل است.

نتیجه: موتوری که تمیز می‌ماند، موتوری که به‌طور منظم گرم می‌شود

EGR و DPF/GPF مکمل یکدیگرند، نه جایگزین هم: یکی تشکیل NOx را درون سیلندر سرکوب می‌کند و دیگری دوده باقی‌مانده را سرانجام در اگزوز می‌سوزاند. بزرگ‌ترین دشمن هر دو یکی است: استفاده‌های کوتاه و آرام که هرگز دمای اگزوز را بالا نمی‌برند. پیمودن منظم مسافت کافی با یک خودروی دیزلی، استفاده از سوخت باکیفیت و پرهیز از شرایطی که رسوب کربن را تغذیه می‌کنند، در صدر شرایط لازم و کافی برای عملکرد این سامانه‌ها همان‌طور که طراحی شده‌اند قرار دارند. هنگامی که سیستم مسدود می‌شود، راه‌حل اغلب یک بار تمیزکردن نیست، بلکه بازنگری در عادت‌های استفاده است.

منابع