Jak utrzymać silnik z EGR i DPF w czystości?

Częste krótkie trasy miejskie po cichu skazują silnik na zapchanie, ponieważ filtr DPF nie ma możliwości samoczynnego się wyczyszczenia.
Częste krótkie trasy miejskie po cichu skazują silnik na zapchanie, ponieważ filtr DPF nie ma możliwości samoczynnego się wyczyszczenia.

Udostępnij tę stronę

EGR i DPF/GPF to dwa uzupełniające się systemy ograniczania emisji, które pomagają silnikowi pozostać czystym: EGR obniża temperaturę spalania, zawracając część spalin do cylindra, dzięki czemu od początku zapobiega powstawaniu tlenków azotu (NOx); natomiast DPF oraz GPF w silnikach benzynowych wychwytują powstałe cząstki sadzy w układzie wydechowym i spalają je podczas okresowej regeneracji. Oba systemy zostały zaprojektowane z myślą o czystości, jednak zwłaszcza przy częstych krótkich trasach miejskich nie są w stanie dokończyć cykli samoczyszczenia i z czasem się zapychają.

Najważniejsze informacje

  • EGR w silnikach benzynowych zawraca zazwyczaj 5-15% spalin; w silnikach wysokoprężnych przy pewnych warunkach wskaźnik ten może osiągać 50%.
  • NOx powstaje, gdy azot łączy się z tlenem w wysokiej temperaturze; EGR obniżając tę temperaturę od początku zmniejsza jego powstawanie.
  • Aby wypalić sadzę w DPF, w układzie wydechowym potrzebna jest temperatura około 600 °C.
  • Podczas tras krótszych niż 15-20 km silnik rzadko osiąga temperaturę wymaganą do regeneracji pasywnej.
  • GPF w silnikach benzynowych ma ceramiczną strukturę plastra miodu z przepływem przez ścianki i jest montowany w pobliżu katalizatora lub zintegrowany z nim.

Dlaczego EGR zawraca spaliny do cylindra?

Na pierwszy rzut oka wydaje się to sprzeczne z intuicją: Po co wprowadzać do silnika spalone gazy zamiast świeżego powietrza? Odpowiedź kryje się w chemii. NOx powstaje, gdy azot i tlen łączą się w wysokiej temperaturze panującej w komorze spalania. Im wyższa temperatura, tym większa produkcja. System EGR, mieszając część spalin ze strony ssącej, rozcieńcza ilość tlenu w cylindrze; gdy tlenu jest mniej, spala się mniej paliwa, a szczytowa temperatura cylindra spada. Gdy temperatura spada, powstawanie NOx zostaje od początku zablokowane.

Ponadto para wodna i CO2 w spalinach mają inną pojemność cieplną niż powietrze; to dodatkowo obniża adiabatyczną temperaturę płomienia. W nowoczesnych silnikach wysokoprężnych zawracane gazy zazwyczaj przechodzą przez chłodnicę EGR, czyli wymiennik ciepła. Dzięki chłodzeniu można stosować wyższy stopień recyrkulacji EGR, a ładunek wchodzący do cylindra pozostaje chłodny.

W silnikach benzynowych kluczowa jest równowaga: Typowy stopień EGR mieści się w zakresie 5-15%. Jeśli podniesiesz go ponad potrzebę, zaburzy to ciągłość czoła płomienia; pojawią się wypady zapłonu i niepełne spalanie. Dlatego EGR nie działa w każdym warunku: Jest wyłączany przy wysokim obciążeniu, ponieważ zmniejsza moc szczytową, a na biegu jałowym, ponieważ destabilizuje spalanie. W silnikach wysokoprężnych przy stanach takich jak bieg jałowy, gdy nadmiar powietrza jest obfity, wskaźnik może osiągać znacznie wyższe poziomy. W benzynie EGR ma też efekty uboczne: bardziej otwarta praca na częściowym obciążeniu zmniejsza straty na przepustnicy; straty ciepła i rozpad chemiczny maleją.

Dlaczego zawór EGR z czasem się zapycha?

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

EGR zawraca spaliny bez ich filtrowania. Ścierające się cząstki węgla zawarte w gazie osiadają na zaworze; z czasem zawór się brudzi, ogranicza przepływ i może całkowicie się zaciąć. Zatkany zawór uniemożliwia redukcję NOx i może spowodować, że pojazd nie zaliczy testu emisji. Nagromadzenie sadzy nie pochodzi wyłącznie z cząstek wydobywających się z układu wydechowego: Mieszanie się gorących spalin z parami oleju pochodzącymi ze skrzyni korbowej również zasilają osad. W silnikach diesla i benzynowych, gdy EGR łączy się z wentylacją skrzyni korbowej (PCV), mieszanka spalin, świeżego powietrza i par oleju może zamienić się w lepkie, przypominające smołę osady w kolektorze dolotowym.

Praktyczny wniosek z tego jest jasny: Unikanie czynników zwiększających powstawanie osadów, a zwłaszcza stosowanie paliwa dobrej jakości, wydłuża żywotność zaworu. Problemy termiczne również odgrywają rolę w awariach EGR; system jest bowiem nieustannie narażony na cykle wysokich temperatur.

Jak DPF łapie sadzę: Jak działa regeneracja?

EGR ma swoją cenę: Zawracanie spalin do cylindra zwiększa w silnikach diesla emisję cząstek stałych, czyli sadzy. Właśnie dlatego DPF umieszczony jest w układzie wydechowym silników diesla, w dolnej części strumienia za silnikiem. Filtr zatrzymuje sadzę; jednak nagromadzona sadza tworzy w wydechu ciśnienie wsteczne, które z czasem obniża efektywność paliwową. Aby filtr mógł się bronić, musi spalić wychwyconą sadzę - proces ten nazywa się regeneracją. System działa dzięki dynamicznej równowadze między wychwyconą a utlenioną sadzą.

Różnica między regeneracją pasywną a aktywną

Regeneracja pasywna zachodzi bez dodatkowej ingerencji: Wystarczająco wysokich temperaturach składnik NO2 zawarty w NOx utlenia sadzę w filtrze w normalnych temperaturach pracy. Tylko że proces ten jest częściowo skuteczny i słabnie jeszcze bardziej przy wysokich stopniach recyrkulacji EGR. Regeneracja aktywna to natomiast proces spalania, w którym włącza się ECU: Do katalizatora utleniającego wtryskiwane jest dodatkowe paliwo (wyzwalane przez dodatkowy wtrysk po wtrysku paliwa, czyli post injection), temperatura spalin jest podnoszona, a cząstki stałe są spalane z resztkowym tlenem obecnym w wydechu. Sadza zamienia się w popiół i CO2.

Niespalonych metalicznych i mineralnych zanieczyszczeń zawartych w paliwie i oleju silnikowym nie da się natomiast spalić podczas regeneracji; pozostają one w filtrze jako popiół. Po powtarzających się regeneracjach konieczne jest wyjęcie DPF i wyczyszczenie go specjalnym zabiegiem zewnętrznym albo jego wymiana. Regeneracja zarządza sadzą, ale nie zarządza popiołem.

GPF w silnikach benzynowych: Czym różni się od DPF?

Filtr cząstek stałych nie jest zarezerwowany wyłącznie dla silników diesla. GPF - znany również jako OPF lub PPF - wychwytuje drobną sadzę i cząstki stałe wydobywające się z silników benzynowych, zapewniając spełnienie norm emisji. Konstrukcyjnie jest to ceramiczny filtr o strukturze plastra miodu (honeycomb), który zazwyczaj działa w oparciu o konstrukcję przepływową przez ścianki (wall-flow): Podczas przepływu spalin cząstki stałe są zatrzymywane na ściankach komórek. Miejsce montażu ma znaczenie: GPF umieszczany jest w pobliżu katalizatora albo integrowany z nim jako jedna obudowa. Dzięki tej lokalizacji układ wydechowy szybko się nagrzewa; co jest korzystne pod względem czystości filtra.

Dlaczego częsta jazda miejska obciąża te systemy?

Warunkiem wstępnym regeneracji jest temperatura. Aby spalony nagar mógł wypalić się w DPF, w układzie wydechowym potrzebna jest temperatura około 600 °C. Jazda miejska poniżej 40 mph uniemożliwia osiągnięcie tej temperatury; pasywna regeneracja ustaje, a nagromadzenie sadzy w filtrze przyspiesza. W trasach krótszych niż 15–20 km silnik rzadko osiąga temperaturę roboczą wymaganą do pasywnej regeneracji. Podczas krótkich przejazdów regeneracja albo w ogóle się nie rozpoczyna, albo zostaje przerwana przed końcem trasy. Powtarzające się krótkie przejazdy żywią problemy z DPF, ponieważ pojazd nie osiąga pełnej temperatury wydechu lub nie może ukończyć regeneracji.

To rzeczywistość, którą użytkownicy samochodów z silnikiem Diesla często zgłaszają: Silnik pod maską może być w świetnym stanie, ale łańcuch wylotowy regularnie potrzebuje nagrzania. Diesel używany wyłącznie na krótkich dystansach może dojść do stanu, w którym filtr nigdy nie będzie w stanie sam się wyczyścić. Pytanie, które naturalnie przychodzi czytelnikowi do głowy, to całkowite wyłączenie układu: W dyskusjach o usuwaniu EGR (delete), mimo twierdzeń o zwiększeniu mocy, usunięcie układu podnosi temperatury spalania i może zwiększyć zużycie silnika oraz obciążenie turbosprężarki; natomiast poważnie zwiększa emisje NOx. Co więcej, jeśli EGR nie zostanie usunięty razem z DPF, obciążenie sadzą w DPF i temperatury regeneracji jeszcze rosną - obu układów nie można rozpatrywać niezależnie od siebie.

Jak działa katalizator i cały łańcuch wydechowy?

Aby dopełnić obrazu, trzeba spojrzeć na pierwsze ogniwo łańcucha. Katalizator to urządzenie kontrolujące emisje, które przekształca toksyczne gazy i zanieczyszczenia wychodzące z silnika w mniej szkodliwe: Redukuje tlenek węgla, węglowodory i tlenki azotu. Zarówno silniki benzynowe, jak i diesle korzystają z tych urządzeń w celu usunięcia głównych zanieczyszczeń. W większości nowoczesnych pojazdów z silnikiem Diesla DPF i katalizator działają razem, aby sprostać rygorystycznym normom emisji.

Patrząc na cały łańcuch, podział pracy jest jasny:

  • EGR - od początku zmniejsza tworzenie się NOx wewnątrz cylindra.
  • Katalizator / DOC - przekształca składniki spalin: tlenek węgla, węglowodory i NOx.
  • DPF - wychwytuje sadzę i czyści się sam dzięki regeneracji.
  • SCR - za pomocą wstrzykiwanego roztworu mocznika przekształca NOx kierowany do rury wydechowej w nieszkodliwe związki.

Gdy jedno ogniwo zawodzi, przenosi obciążenie na pozostałe. Jeśli EGR nie działa, kontrola NOx wypada poza cylinder; jeśli regeneracja nie może się zakończyć, rosnące ciśnienie zwrotne dławi silnik. To, co utrzymuje silnik w czystości, to praca tego łańcucha jako całości.

Czy EGR skraca czy wydłuża żywotność silnika?

Odpowiedź na to pytanie nie jest jednoznaczna. Z jednej strony, nieprzefiltrowany powrót spalin w silnikach Diesla może prowadzić do przedostawania się sadzy do cylindra, zużycia pierścieni tłokowych i zanieczyszczenia oleju; patrząc z tej perspektywy, EGR skraca żywotność silnika. Z drugiej strony, ponieważ EGR obniża temperatury w cylindrze, może chronić silnik - zwłaszcza pod względem żywotności zaworów wydechowych. Dwa te działania są przeciwstawne; która z nich przeważa, zależy od warunków użytkowania i od tego, jak czysty pozostaje układ. Na froncie efektywności obraz też jest złożony: W silnikach wysokoprężnych EGR może obniżać sprawność termodynamiczną i zwiększać emisję cząstek stałych; w niektórych silnikach benzynowych może natomiast zwiększać wydajność. Układy EGR z chłodzeniem wiążą się ze spadkiem sprawności o około 3%. Z tego względu część nowoczesnych silników osiąga cele emisyjne bez używania EGR w ogóle - technologia nie jest jedyną drogą, lecz narzędziem równowagi.

Podsumowanie: Czysty silnik to regularnie rozgrzewany silnik

EGR i DPF/GPF nie są dla siebie alternatywami, lecz uzupełnieniem: Jedno tłumi powstawanie NOx wewnątrz cylindra, drugie wychwytuje pozostałą sadzę w układzie wydechowym. Ich największym wrogiem jest to samo: Krótka i powolna eksploatacja, która nigdy nie osiąga temperatury spalin wymaganej do regeneracji. Regularne pokonywanie odpowiednich dystansów, używanie paliwa dobrej jakości i unikanie warunków sprzyjających odkładaniu się osadów węglowych to podstawowe warunki prawidłowej pracy tych układów. Gdy układ się zatyka, rozwiązaniem zwykle nie jest jednorazowe czyszczenie, lecz przegląd nawyków eksploatacyjnych.

Źródła