در زمینه فناوری موتورهای دیزلی برای خودروهای تجاری، سیستم چرخش گازهای خروجی اگزوز (EGR) همیشه در هسته اصلی نبرد بین مصرف سوخت، قدرت و آلایندگی بوده است. این سیستم به ظاهر ساده و در عین حال بسیار پیچیده به طور مداوم نوآوری و توسعه فناوری موتورهای دیزل را هدایت می کند.
I. اصل کار و طبقه بندی سیستم EGR
اصل اصلی سیستم EGR این است که بخشی از گاز خروجی را به سمت ورودی وارد کند و با کنترل دقیق نسبت رفلاکس گاز خروجی، محیط احتراق داخل سیلندر را تغییر دهد. سیستمهای EGR مدرن عمدتاً از دو مسیر فنی تشکیل شدهاند: مدار فشار بالا و مدار فشار پایین.
سیستم EGR فشار بالا مستقیماً گاز اگزوز را از منیفولد اگزوز میکشد، آن را از طریق خنککننده EGR خنک میکند و سپس ورود آن را به منیفولد ورودی از طریق دریچه EGR دقیقاً کنترل میکند. این سیستم به سرعت پاسخ میدهد، اما ممکن است بر کارایی توربوشارژر در شرایط بار{2} بالا تأثیر بگذارد.
سیستم EGR فشار پایین، گاز خروجی را از پشت فیلتر ذرات بیرون می کشد، تحت گوگرد زدایی و عملیات حذف ذرات قرار می گیرد و سپس توسط کمپرسور ورودی دوباره به سیلندر وارد می شود. این چیدمان تاثیر نسبتا کمی بر بازده توربین دارد و برای کاربردهایی با نرخ EGR بالا مناسب تر است.
II. تاثیر عمیق EGR بر ویژگی های انتشار
مکانیسم کنترل اکسید نیتروژن (NOx).
اثر EGR در کاهش انتشار NOx بسیار قابل توجه است. مکانیسم اثر آن عمدتاً در سه جنبه نهفته است:
· اثر حرارتی: گازهای 3 اتمی مانند دی اکسید کربن و بخار آب موجود در گاز خروجی دارای ظرفیت گرمایی ویژه بالاتری هستند و به طور موثر دمای اوج احتراق را کاهش می دهند.
· اثر رقیق سازی: گاز خروجی غلظت اکسیژن را در هوای تازه ورودی رقیق می کند و سرعت واکنش احتراق را کاهش می دهد.
· اثر شیمیایی: برخی از اجزای موجود در گاز خروجی ممکن است در واکنش های شیمیایی میانی شرکت کنند و بیشتر از تشکیل NOx جلوگیری کنند.
مطالعات نشان دادهاند که در شرایط بار متوسط، به ازای هر 10 درصد افزایش در نرخ EGR، انتشار NOx میتواند تقریباً 30 تا 50 درصد کاهش یابد. این اثر کاهشی EGR را به یک فناوری ضروری برای رعایت مقررات سختگیرانه انتشار مانند استاندارد ملی VI تبدیل می کند.
چالش انتشار ذرات معلق
EGR نه تنها انتشار NOx را کاهش می دهد بلکه مشکل افزایش انتشار ذرات معلق را نیز به همراه دارد. گردش مجدد گاز خروجی منجر به گسترش منطقه با مخلوط بسیار غنی می شود و در نتیجه تولید دوده افزایش می یابد. این مشکل به ویژه زمانی برجسته می شود که نرخ EGR بالا با شرایط بار سنگین ترکیب شود.
موتورهای دیزلی مدرن به طور موثر این تناقض را از طریق تلاشهای ترکیبی فناوری خنککننده EGR، کنترل دقیق تزریق سوخت و فیلترهای ذرات کارآمد (DPF) برطرف کردهاند.
III. تاثیر پیچیده EGR بر مصرف سوخت
تاثیر EGR بر مصرف سوخت وابستگی قابل توجهی به شرایط عملیاتی نشان می دهد و نمی توان آن را به سادگی به عنوان افزایش یا کاهش طبقه بندی کرد.
اثر صرفه جویی در مصرف سوخت در شرایط بار کم-
در شرایط-سرعت و بار کم-، نرخ EGR مناسب میتواند مصرف سوخت را بهبود بخشد. دلایل اصلی این امر عبارتند از:
· کاهش تلفات پمپاژ، به ویژه در موتورهای دیزلی مجهز به دریچه گاز موثرتر است
· کاهش دمای احتراق و کاهش تلفات حرارتی منتقل شده از طریق دیواره سیلندر
· بهینه سازی فاز احتراق و بهبود راندمان احتراق
دادههای تجربی نشان میدهند که تحت شرایط معمول سرعت متوسط-و بار ۲۵ درصدی در جادههای شهری، استفاده از نرخ EGR تقریباً ۱۵ درصد میتواند منجر به بهبود حدود ۲ تا ۳ درصدی در مصرف سوخت شود.
هزینه مصرف سوخت در شرایط بار بالا-
با این حال، در شرایط بار{0} بالا، EGR معمولاً منجر به افزایش نرخ مصرف سوخت میشود:
· ضریب هوای اضافی کاهش می یابد و در نتیجه راندمان احتراق کاهش می یابد.
· برای حفظ توان خروجی، حجم عرضه سوخت در چرخه باید افزایش یابد.
· نقطه کار سیستم تقویت کننده تغییر می کند که منجر به کاهش کارایی می شود.
در نزدیکی نقطه قدرت نامی، استفاده از EGR ممکن است منجر به افزایش 3-5٪ در مصرف سوخت شود. این هزینه ای است که برای دستیابی به آلایندگی کم باید پرداخت شود.
III. محدودیت ها و تعادل EGR بر عملکرد توان
تاثیر مستقیم توان خروجی
تأثیر EGR بر عملکرد قدرت موتور عمدتاً در دو جنبه نهفته است. ورود گاز خروجی مستقیماً میزان ورودی هوای تازه را کاهش می دهد و در نتیجه میزان کل اکسیژن درگیر در احتراق کاهش می یابد. در عین حال، اثر بازدارندگی گازهای خروجی بر روی فرآیند احتراق باعث کاهش راندمان تبدیل حرارت می شود.
آزمایش نشان میدهد که وقتی حجم عرضه سوخت ثابت میماند، به ازای هر 10 درصد افزایش در نرخ EGR، گشتاور خروجی موتور تقریباً 2-4 درصد کاهش مییابد. این اثر به ویژه در مناطق-سرعت بالا و بار سنگین قابل توجه است.
ویژگی های گذرا پاسخ دینامیکی
جدا از قدرت{0}حالت ثابت، EGR همچنین تأثیر قابل توجهی بر ویژگی های پاسخ گذرا موتور دارد. در طی فرآیند شتاب، گاز خروجی باقیمانده در سیستم EGR به طور موقت حساسیت پاسخ موتور را کاهش میدهد و در نتیجه پدیده «دود شتاب» نامیده میشود.
موتورهای مدرن با کاهش سریع نرخ EGR در شرایط عملیاتی گذرا، همراه با کنترل هماهنگ توربوشارژ هندسه متغیر (VGT) به طور موثر به این موضوع پرداخته اند.
IV. پیشرفت های تکنولوژیکی در استراتژی های پیشرفته کنترل EGR
در مواجهه با تضاد بین مصرف سوخت، توان خروجی و آلاینده ها، سیستم کنترل مدرن EGR راه حل های نوآورانه متنوعی را توسعه داده است.
کنترل پیشبینی مبتنی بر مدل-
سیستم کنترل پیشرفته به طور مداوم پارامترهایی مانند فشار ورودی، دما و غلظت اکسیژن را در زمان واقعی نظارت می کند و این را با وضعیت عملکرد موتور ترکیب می کند تا نرخ EGR بهینه را پیش بینی کند. این استراتژی کنترل پیشخور به طور قابل توجهی سرعت پاسخ و دقت کنترل سیستم را افزایش می دهد.
بهینه سازی مشارکتی چند-سیستم
EGR دیگر مستقل عمل نمیکند، اما درعوض با سیستم تزریق پرفشار پرفشار، توربوشارژر هندسی متغیر، و سیستم تصفیه پس{{1} و غیره کار میکند. از طریق هماهنگی بین این سیستمها، انطباق با استانداردهای انتشار را تضمین میکند و در عین حال اثرات منفی بر مصرف سوخت و عملکرد نیرو را به حداقل میرساند.
معماری سیستم EGR جدید
سیستم EGR با فشار کم{0} پیشرفته، همراه با یک خنک کننده داخلی کارآمد، عملکرد با نرخ بالای EGR را در محدوده وسیع تری از شرایط عملیاتی امکان پذیر می کند و در عین حال از تداخل با سیستم تقویت کننده جلوگیری می کند. برخی از جدیدترین طرحها حتی به نرخ EGR بیش از 40% رسیدهاند، الزامات انتشار NOx فوقالعاده-کم را برآورده میکنند و در عین حال تلفات برق را در محدوده قابل قبولی حفظ میکنند.
V. روندها و چشم اندازهای آینده
از آنجایی که مقررات انتشار به طور فزاینده ای سخت تر می شوند، فناوری EGR هنوز به طور مداوم در حال پیشرفت است. نسل بعدی فناوری EGR بر روی موارد زیر تمرکز خواهد کرد:
· کنترل نرخ EGR متغیر هوشمند: بهینه سازی پویا نرخ EGR بر اساس شرایط عملیاتی{0}زمان واقعی
· خنک کننده EGR در دمای بسیار پایین: دمای هوای ورودی را بیشتر کاهش می دهد و کارایی EGR را افزایش می دهد
· یکپارچه سازی سیستم بهبود یافته: کاهش افت فشار در مدار EGR و بهبود ویژگی های پاسخ
استفاده از فناوری EGR در زمینه موتورهای دیزلی به طور کامل حکمت مهندسان را در جستجوی تعادل بین اهداف متعدد نشان می دهد. این نه یک راه حل جهانی است و نه یک محصول سازش ساده، بلکه انتخاب بهینه در یک مرحله تکنولوژیکی خاص است.
انطباق با مقررات انتشار: استانداردهای انتشار NOx و ذرات معلق فاز ششم مقررات ملی و مرحله هفتم استانداردهای اروپایی الزامات سخت گیرانه تری را تعیین کرده اند و تولیدکنندگان را مجبور به اتخاذ سیستم های EGR کارآمدتر کرده است.
در بخش خودروهای تجاری، EGR به یک ویژگی استاندارد تبدیل شده است. با ارتقای استانداردهای ملی انتشار، مسیر اصلی SCR دیگر برای برآورده کردن الزامات انتشار به طور مستقل کافی نیست. فناوری درمان پست{2}}EGR بار دیگر به مسیر اصلی تبدیل شده است. موتورهای وسایل نقلیه تجاری سنگین معمولاً از طرحهای نرخ بالای EGR (برخی بیش از 30٪) همراه با سیستمهای SCR کارآمد برای برآوردن الزامات محدودیت NOx در مقررات ملی VI و VII استفاده میکنند.