W układach Common Rail stosowane są zawory EGR recyrkulacji spalin prześledźmy ich budowę, a będziemy mieć dużą wiedzę jaki ma wpływ na prawidłowa pracę silnika z systemem CR.

Elektryczny AGR, EGR
Recyrkulacja gazów spalinowych, nazywana skrótem AGR (z niem. Abgasrückführung) lub EGR (z ang. Exhaust Gas Recirculation), jest stosowana od ponad 30 lat. Może być realizowana metodą zewnętrzną i wewnętrzną.

Przy recyrkulacji zewnętrznej część spalin z rury wydechowej jest zawracana i wprowadzana przez przewody dolotowe z powrotem do komory spalania. Recyrkulacja wewnątrz silnika odbywa się przez wykorzystanie pokrycia zaworów (fazy przepłukania cylindra). Im większe pokrycie zaworów, tym więcej spalin miesza się ze świeżym ładunkiem. Do takiego sposobu recyrkulacji nadają się zwłaszcza silniki ze zmiennymi fazami rozrządu. Do dzisiaj jednak ta koncepcja, także w nowych konstrukcjach, nie jest brana pod uwagę. Dopiero rozrząd sterowany elektromagnetycznie będzie w stanie zapewnić precyzyjną kontrolę ilości wewnętrznie recyrkulowanych spalin.
Recyrkulacja jest zarówno w silnikach benzynowych, jak i Diesla jedyną skuteczną metodą na zmniejszenie ilości tlenków azotu w spalinach.
W silnikach benzynowych dostarczenie do cylindra, wraz ze świeżym ładunkiem, odpowiedniej porcji spalin sprawia, że mieszanka paliwowo-powietrzna zostaje rozrzedzona spalinami. Spaliny wymieszane ze świeżym ładunkiem zmniejszają prędkość spalania, co powoduje ograniczenie maksymalnej temperatury. Zmniejszenie temperatury spalania ogranicza tworzenie się tlenków azotu już na etapie procesu spalania. Taki sposób ograniczania emisji tlenków azotu nazywany jest redukcją naturalną. Redukcja naturalna emisji tlenków azotu (przed katalizatorem) wynosi w silnikach benzynowych do 40%.
W silnikach Diesla jest podobnie. Tutaj recyrkulacja zmniejsza koncentrację tlenu w świeżym ładunku i w konsekwencji zmniejsza temperaturę spalania, co ogranicza tworzenie tlenków azotu. Z zasady działania silnika wysokoprężnego wynika, że dla danej prędkości obrotowej ilość powietrza doprowadzona do cylindra jest zawsze taka sama, a rozwijana moc zależy jedynie od ilości wtryśniętego paliwa. Zatem najwięcej wolnego tlenu (nie biorącego udziału w spalaniu paliwa) jest na biegu jałowym i w tym zakresie pracy powstaje najwięcej tlenków azotu. Aby zmniejszyć emisję tlenków azotu, należy doprowadzić do cylindra spaliny, które zmniejszają nadmiar tlenu sprzyjający powstawaniu tlenków azotu. Im obciążenie silnika większe, tym mniejsza musi być ilość recyrkulowanych spalin, aby znajdujący się w cylindrze tlen wystarczył na spalenie wtryśniętego paliwa. Redukcja naturalna tlenków azotu w silnikach Diesla sięga 50%.
Obecnie stosowana recyrkulacja zewnętrzna polega na sterowaniu za pomocą zaworu AGR ilością spalin dostarczanych do rury wydechowej z powrotem do kolektora ssącego. Recyrkulacja w silnikach benzynowych i wysokoprężnych odbywa się w zakresie obciążeń częściowych. W zakresie biegu jałowego w silnikach ZI recyrkulacja nie występuje, natomiast w silnikach ZS osiąga swoje najwyższe wartości. Wadą zewnętrznej recyrkulacji jest to, że zarówno w silnikach benzynowych, jak i wysokoprężnych zawory AGR i przewody są ciągle pokrywane osadami z sadzy oraz innych substancji stałych. Dlatego ilość recyrkulowanych spalin spada wraz ze wzrostem przebiegu silnika, na skutek ciągle rosnącej warstwy osadów pokrywającej wnętrze zaworu i przewodów. Ciągłe odkładanie osadów (tzw. koksowanie) na elementach ruchomych zaworu może prowadzić nawet do jego zablokowania. W silnikach Diesla zawór AGR zostaje przeważnie zablokowany w pozycji otwartej, a benzynowym – w zamkniętej. Naturalnie nie zawsze tak jest. Są od tej reguły wyjątki.
Zablokowanie zaworu AGR w silniku Diesla, w pozycji otwartej, nie wpływa na bieg jałowy, ponieważ na biegu jałowym zawór ma być otwarty. Zaburzenia pojawiają się w czasie pracy na obciążeniach częściowych i pełnej mocy. Polegają one na tym, że silnik traci moc i zaczyna dymić.
W silniku benzynowym zablokowanie zaworu AGR w pozycji zamkniętej nie wpływa na bieg jałowy, lecz może być przyczyną poważnych komplikacji w zakresie obciążeń średnich. Jeżeli zgromadzone na grzybku zaworu AGR osady uniemożliwiają jego szczelne zamknięcie na biegu jałowym, to objawem tego jest nierównomierna praca silnika na biegu jałowym, zmniejszenie mocy przy pełnym obciążeniu, wypadanie zapłonów przy przyspieszaniu itd.
Nowoczesne silniki Diesla Common Rail CR są zawsze wyposażone w zawór AGR, silniki benzynowe – w większości. Stopień recyrkulacji jest w Dieslach nieco większy niż w benzynie, za wyjątkiem silników z bezpośrednim wtryskiem benzyny. Stopień recyrkulacji wynosi w dieslu maksymalnie 60%, w wyniku czego zmniejszenie emisji tlenków azotu sięga 50%. Dzięki recyrkulacji można osiągnąć redukcję cząstek stałych o 10%, a także zmniejszenie emisji CO2 (w wyniku zmniejszenia zużycia paliwa). Obecnie w silnikach benzynowych recyrkulacja wynosi 20%, dzięki czemu możliwe jest zmniejszenie emisji tlenków azotu o 40%. Ponadto można zmniejszyć zużycie paliwa i emisję CO2.


Schemat działania układu recyrkulacji spalin.

Nowoczesne silniki benzynowe pracujące przy λ = 1

Postępujące zaostrzanie się przepisów dotyczących emisji spalin zmusza producentów samochodów i ich kooperantów do ciągłego poszukiwania nowych, lepszych rozwiązań. Starsze rozwiązania zaworów AGR, ze sterownikiem podciśnieniowym, zostały zastąpione nowszymi – ze sterowaniem elektromagnetycznym. Silniki benzynowe z trój funkcyjnym katalizatorem potrzebują systemu recyrkulacji spalin dostosowanego do całego pola pracy. Zewnętrza recyrkulacja służy im nie tylko do redukcji tlenków azotu, lecz jednocześnie do zmniejszenia zużycia paliwa przez częściowe od dławienie silnika. Jest to możliwe przez stosowanie jeszcze wyższych szybkości recyrkulacji i rozszerzanie charakterystyki pracy układu recyrkulacji w kierunku wyższych obciążeń i momentów obrotowych. W tych jednak warunkach zaczyna brakować podciśnienia dla sterowania zaworem AGR, a ponadto wysoka dynamika procesów grozi „wypadaniem” zapłonów. Dlatego w nowszych silnikach benzynowych większość zaworów AGR jest sterowana elektromagnetycznie.
Ich integralną częścią jest potencjometr, którego sygnał zamyka pętlę regulacji ilości recyrkulowanych spalin. Stanowią więc wraz ze sterownikiem automatyczny układ regulacji. Ich sterowanie jest niezależne od podciśnienia w układzie dolotowym. Ilość recyrkulowanych spalin może być dobierana według potrzeb, a nie według możliwości, jakie daje aktualnie panujące w kolektorze dolotowym podciśnienie.
Ich wysoka dynamika (czas działania <50ms) oraz sterowanie niezależne od podciśnienia w kolektorze dolotowym, pozwalają uniknąć wypadania zapłonów oraz braku recyrkulacji spowodowanego zanikiem podciśnienia, co może występować w pneumatycznych zaworach AGR.
Elementem sterującym przepływem spalin jest, podobnie jak w zaworach pneumatycznych, grzybek, otwierany w celu zwiększenia ilości spalin i zamykany w celu ograniczania recyrkulacji. Dopasowanie ilości spalin do obciążenia i prędkości obrotowej silnika następuje przez zmianę współczynnika wypełnienia impulsu na cewce zaworu AGR. W zależności od współczynnika wypełnienia impulsu zmienia się położenie grzybka zaworu. Potencjometr stanowiący czujnik położenia trzonka zaworu jest elementem sprzężenia zwrotnego i umożliwia precyzyjne określenie pozycji zaworu, a co za tym idzie – ilości recyrkulowanych spalin. W połączeniu z dobrą powtarzalnością pozycjonowania czyni to ten zawór idealnym do stosowania w układach AGR z zamkniętym obwodem regulacji.



Elektromagnetycznie sterowany zawór AGR.

AGR w silnikach Diesla
Pierwsze dieslowskie zawory AGR były uruchamiane z serwa układu hamulcowego, ponieważ wtedy było to jedyne miejsce w silniku wysokoprężnym, z którego pobierano podciśnienie. Pneumatyczne zawory AGR do silników Diesla są w dalszym ciągu wytwarzane, jednak w coraz mniejszej liczbie. Są one zastępowane elektromagnetycznymi zaworami AGR. W 1999 r. Pierburg, jako pierwszy na świecie, rozpoczął produkcję sterowanych elektrycznie zaworów AGR do silników Diesla. W silniku Diesla zawór AGR musi być w sposób pewny uszczelniony, z uwagi na oddziałujące przeciwciśnienie spalin oraz wysokie ciśnienie doładowania, jak również bardzo szybko zamykać się przy wzroście obciążenia. Ponadto występują chwile silnego dymienia z podwyższoną emisją cząstek stałych. Żądaną wysoką dynamikę zaworu AGR zapewnia właśnie sterowanie elektromagnetyczne. Zawory z takim sterowaniem wyróżniają się wysokim przepływem gazów spalinowych, brakiem wrażliwości na pulsacje, dobrym uszczelnieniem przy podwyższonym przeciwciśnieniu gazów spalinowych oraz precyzyjnym i szybkim sterowaniem.
Użycie zatem elektromagnetycznych zaworów AGR umożliwia redukcję emisji tlenków azotu, cząstek stałych i węglowodorów. Zmniejszenie hałaśliwości jest korzyścią dodatkową, ponieważ pulsacje spalin w otworze zaworu nie powodują uderzania grzybka o gniazdo.
Dostosowanie przepływu do warunków pracy silnika Diesla następuje przez zmianę wzniosu grzybka zaworu za pomocą cewki, zgodnie ze współczynnikiem wypełnienia impulsu zadanym w mapie charakterystyk, zapisanej w sterowniku (EDC). W systemach AGR z zamkniętym obwodem regulacji, w których sygnał z przepływomierza powietrza służy jako parametr prowadzący, są stosowane elektryczne zawory AGR bez wysyłania zwrotnego sygnału o położeniu.
By osiągać wystarczającą dokładność sygnału w szerokim zakresie pracy, tzn. rejestrować reakcje sygnału wyjściowego czujnika przepływomierza także na małe zmiany szybkości recyrkulacji, konieczne jest zastosowanie dokładnego przepływomierza masowego. Takiego przepływomierza, który jest w stanie dokładnie zmierzyć masę powietrza dostarczaną do silnika, mimo występowania w przewodach dolotowych pulsacji oraz strumienia powrotnego. Mikroprocesor zintegrowany z przepływomierzem zapewnia właściwą liniową charakterystykę, dokładność pomiaru w szerokim zakresie temperatur, wysoką dynamikę i bardzo małą wrażliwość na zanieczyszczenia.

AGR w silnikach Diesla i benzynowych z bezpośrednim wtryskiem
Z powodu stale zaostrzających się przepisów dotyczących emisji spalin w nowoczesnych silnikach samochodów osobowych, zarówno wysokoprężnych, jak i benzynowych z bezpośrednim wtryskiem benzyny, recyrkulacja ma istotne znaczenie. Znacznie zmienione żądania w stosunku do funkcji, także odnośnie systemu sterowania silnikiem, wymuszają powstawanie nowych rozwiązań zaworów AGR. Przyszłość należy do zaworów AGR napędzanych elektrycznie i elektronicznie sterowanych. Pierburg rozpoczął seryjną produkcję zaworów AGR uruchamianych elektrycznie, za pomocą elektronicznie sterowanego silnika prądu stałego.
Sprawdzone w eksploatacji, pozytywne cechy mechanicznej konstrukcji zaworu AGR zostały połączone z nowymi elementami aktoryki (wykonawczymi), wysokotemperaturowej elektroniki i bezstykowej sensoryki (czujnikowymi), tworząc mechatroniczną całość. Modułowa budowa części składowych otwiera w przyszłość możliwość sprostania strukturalnym zmianom w systemie sterowania silnikiem.
Do najważniejszych korzyści ze stosowania zaworów AGR najnowszej generacji (mechatronicznych) należy zaliczyć: poprawione dawkowanie spalin i regulowanie ich przepływu przy zmniejszonej wrażliwości na zanieczyszczenia i blokowanie.

Nowy zawór recyrkulacji spalin Borg Warner
W silnikach firm Cummins i OEM znajduje się nowy zawór recyrkulacji spalin firmy Borg Warner.

We współczesnych silnikach powszechnie stosuje się recyrkulację spalin. Umożliwia ona zmniejszenie temperatury spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w komorze spalania cylindra, co prowadzi do redukcji emisji tlenków azotu (NOx). Zawór recyrkulacji spalin (AGR) nowej generacji firmy Borg Warner stosowany jest w silnikach wysokoprężnych Cumminsa typu QSX o pojemności skokowej 11,9 i 15 litrów i mocy od 224 kW do 447 kW oraz w silnikach amerykańskiej firmy OEM.

Zasada działania zaworu
Przepustnica zaworu recyrkulacji spalin jest sterowana bezszczotkowym silnikiem prądu stałego z przekładnią. Opatentowany układ elektroniczny sterowania umożliwia precyzyjną regulację spalin nawet w warunkach nieczystości spalin. Napęd elektryczny redukuje czas reakcji systemu do 150 milisekund. Ponadto tak zbudowany sterownik ma zwartą konstrukcję. W celu zapewnienia nieprzerwanej i prawidłowej regulacji zaworu czujniki umieszczone na silniku bezszczotkowym podają odpowiedni sygnał do modułu sterującego, umożliwiając w ten sposób precyzyjną rejestrację ilościową strumienia spalin pochodzących z recyrkulacji. Taką metodą można bezstopniowo regulować przepływ oraz precyzyjnie dawkować wymaganą ilość spalin. Odpowiednio dostosowany kształt kanału i przepustnicy gwarantuje nieduże straty przepływu spalin i zapobiega osadzaniu się nagaru. Zdaniem producenta nastawnik działa niezawodnie, nie wykazując dużej podatności na zanieczyszczenia. Także bezszczotkowy silnik jest odporny na wysokie obciążenia i nie wymaga konserwacji. Obudowa i przepustnica wykonane są ze stali odpornej na korozję. Dodatkowy układ chłodzenia cieczą umożliwia eksploatację zaworu w ekstremalnych warunkach.

Co przyniesie przyszłość?
Ustawodawcy w Europie, USA i Japonii zmniejszają nadal dopuszczalne ilości substancji szkodliwych w spalinach silników z wtryskiwaczami i pompami z Common Rail. Osiągająca obecnie dojrzałość koncepcja niezależnej recyrkulacji umożliwi w przyszłości, zwłaszcza dla silników benzynowych pracujących na ubogiej mieszance, zmniejszenie zawartości tlenków azotu w spalinach za pomocą ingerencji w silnik. Dzięki większej dynamice i precyzji działania nowych, mechatronicznych układów AGR, istnieje możliwość osiągnięcia wyższych sprawności w porównaniu z rozwiązaniami konwencjonalnymi. Ogromne wydatki ponoszone przez firmy na rozwój układów AGR wynikają z konieczności spełniania norm Euro 4, co bez sprawniejszej recyrkulacji wydaje się niemożliwe.

Wskazówka serwisowa
Elektromagnetycznych zaworów AGR nie można sprawdzać za pomocą ręcznej pompki podciśnienia. Zakłócenia w pracy tych zaworów powodują powstanie w pamięci sterownika kodu usterki EDC. Kod można wyświetlić przy użyciu odpowiedniego testera. Ponadto można sprawdzić za pomocą uniwersalnego multimetru rezystancję cewki zaworu, rezystancję potencjometru, napięcie zasilania oraz sygnał wysyłany do sterownika. Wartości zmierzone należy porównać z fabrycznymi.