Udstødningsgas recirkulation

Opbygning af en udstødningsgasrecirkulationsventil

Den recirkulation af udstødningsgas ( EGR , engl. EGR recirkulation af udstødningsgas) betegner recirkulation af udstødningsgas i forbrændingscyklussen. Dens formål er at reducere emissioner af nitrogenoxider (NO _x ), hvilket ved forbrænding af brændstof i benzinmotorer , dieselmotorer , gasturbiner , kedler osv. Vil. Med recirkulation af udstødningsgas, der nitrogenoxider allerede reduceret under forbrændingen, fordi udstødningsgas efterbehandling foranstaltninger alene ( selektiv katalytisk reduktion , NO _x opbevaring katalysator ), som fører til en kemisk reduktion af nitrogenoxider, kan ikke opfylde de foreskrevne emissionsgrænseværdier , eller kun med stor indsats. Dette har især været tilfældet siden indførelsen af ​​Euro VI -grænseværdierne for biler i september 2014. Recirkulation af udstødningsgasser er en af ​​de vigtigste foranstaltninger til reduktion af nitrogenoxidemissioner i dieselmotorer. I benzinmotorer hjælper recirkulation af udstødningsgas også med at reducere tab på udveksling af gas og reducerer dermed også brændstofforbruget i delbelastningsområdet. Med lagdelt EGR fordeles den recirkulerede udstødningsgas bevidst inhomogent - uden for tændrøret eller injektionsventilområdet - for kun at have en lille andel udstødningsgas i forbrændingens kerneområde.

I forbindelse med store systemer betegnes processen som røggasrecirkulation .

Målopnåelse

Forløb af koncentrationen af forurenende stoffer i udstødningsgassen som funktion af luft -forholdet λ i en benzinmotor

Ved høje forbrændingstemperaturer produceres miljøskadelige nitrogenoxider i motoren. Jo højere forbrændingstemperaturer i cylinderen og jo længere periode over forbrændingstemperaturen på 2300 K, jo højere andel nitrogenoxider i udstødningsgassen. Dette forhold er beskrevet i ligningerne af Zeldovich -mekanismen . Et afgørende kriterium er forbrændingsluftforholdet , som det kan ses i den tilstødende grafik. Under et støkiometrisk luftforhold λ = 1 (dvs. i tilfælde af rige blandinger) er NO _x -andelen meget lav, fordi oxygenmolekylerne er nødvendige for oxidationen af ​​carbon- og carbonhydridmolekylerne. Med luftforhold over λ = 1 (dvs. med stadig mere magre blandinger) stiger nitrogenoxidemissionerne i første omgang betydeligt, efterhånden som tilførslen af ​​frit ilt stiger. Jo højere luftforholdet λ er indstillet, jo større iltforsyning, men forbrændingstemperaturen falder, når luftforholdet stiger yderligere. Maksimum for nitrogenoxiddannelse nås i grafen ved λ = 1,1. Hvis motoren drives endnu slankere i dette eksempel, falder nitrogenoxidkomponenterne igen på grund af den faldende forbrændingstemperatur.

Når målet beskrives, skal der skelnes mellem benzin- og dieselmotorer. Grundlæggende gælder imidlertid følgende forhold: Når en brændstof-luft-blanding brændes i forbrændingskammeret i en forbrændingsmotor, oxideres carbonhydridmolekylerne i det anvendte brændstof med atmosfærisk ilt. Den anvendte ilt er helt opbrugt i benzinmotoren ( støkiometrisk forbrænding ), så der næsten ikke er iltmolekyler i udstødningsgassen.

Ifølge Zeldovich -mekanismen øges dannelsen af ​​nitrogenoxid eksponentielt med forbrændingstemperaturen. Hvis der sættes udstødningsgas til den anvendte rene luft, falder iltkoncentrationen i blandingen. På grund af den lavere iltkoncentration, der forårsages på denne måde, injiceres mindre brændstof for stadig at brænde det helt. Dette reducerer blandingens varmeenergi samt reaktionshastigheden og forbrændingstemperaturen (og følgelig også motoreffekten). Derfor dannes færre nitrogenoxider; Afkøling af den recirkulerede udstødningsgas øger effekten.

Systematik

• Intern EGR: Udstødningsventilen - reguleret af knastakseljusteringen - forbliver midlertidig åben under indsugningsslaget , hvilket betyder, at udstødningsgassen suges tilbage i cylinderen.
• Ekstern EGR: Udstødningsgassen tages fra udstødningskanalen og føres til indsugningskanalen via en ledning, en køler og en ventil.

Der skelnes med ekstern EGR:

• Lavtryks EGR: Udsugningen finder sted efter udstødningsgassen efter behandling, introduktionen før turbo-kompressoren .
• Højtryks-EGR: Udsugningen finder sted før turboladeren på turboladeren og udstødningsgassen efter behandling, introduktionen efter mellemkøleren og gasventilen .
• Genanvendelig EGR: Dette er en kombination af lav- og højtryks -EGR. Det bruges f.eks. I Mercedes-Benz OM651- motoren til bilserien A 220 CDI.

Dieselmotorer

Brugen af ​​EGR i dieselmotorer har altid været kendetegnet ved de modstridende målsætninger om at sikre lave nitrogenoxidemissioner og samtidig minimere partikelemissioner. Høje udstødningsgasrecirkulationshastigheder resulterer i lave nitrogenoxidemissioner, men tilskynder til dannelse af sodpartikler under forbrænding. Da begge er  begrænset af de eksisterende udstødningsgasstandarder - f.eks. Euro 6 -standarden, der i øjeblikket er gældende i Europa - er det vigtigt omhyggeligt at overveje, hvor meget udstødningsgas der kan bringes tilbage til forbrænding. Med stigende motorbelastning øges dieselmotorens tendens til at afgive sodpartikler. I sådanne driftstilstande skal man derfor passe på med at reducere den høje returrate, som også fremmer sod, for at undgå synlige sodemissioner - f.eks. Når bilen accelererer. Motorstyringen er ansvarlig for dette. Hurtig registrering af det respektive motordriftspunkt og hurtig aktivering af tilbagekoblingsventilen gør det muligt at justere feedbackhastigheden i god tid. Dette er kun muligt, hvis konstruktionen af ​​tilbagekoblingsventilen tillader sådanne hurtige reaktioner. Pneumatisk kontrol, som det var almindeligt tidligere, eller elektromagnetisk aktivering er muligvis ikke hurtigt nok. Hvis du alligevel vil bygge videre på et sådant koncept, skal du af omkostningsgrunde generelt begrænse niveauet for returraterne og forsøge at begrænse nitrogenoxiderne med andre foranstaltninger.

Benzinmotorer

I tilfælde af en benzinmotor er formålet med at bruge et udstødningsgasrecirkulationssystem anderledes. Fokus her er ikke på at minimere forurenende emissioner, men på at reducere brændstofforbruget. Dette påvirkes af gasudvekslingstabet, især ved delbelastning.

Ved delvis belastning af en konventionel Otto -motor genererer gasventilen et undertryk i indsugningskanalen, hvilket reducerer indsugningsluftmassen og følgelig reduceres motorens ydelse. Samtidig øges gasudvekslingsarbejdet. Dette har altid været princippet om effektregulering i benzinmotorer. Ved blanding af udstødningsgas reduceres strypning af den rene luft for en given mængde brændstof, hvorfor de tilhørende tab (til pumpetab ) reduceres.

Hvis det er en benzinmotor med direkte indsprøjtning i forbrændingskammeret og ladestratificering , brænder brændstoffet fra starten med overskydende luft, dvs. H. med gasspjældsventil på vid gab. Som følge heraf er spjældtabet mindre, og forbruget er allerede reduceret. En antændelig blanding er kun omkring tændrøret. I disse driftstilstande har EGR en lignende effekt som en dieselmotor: Forbrændingstemperaturen sænkes, og nitrogenoxidemissionerne reduceres.

funktionalitet

Udstødningsventil til Opel Astra H ( CDTI )

Dannelsen af ​​nitrogenoxider reduceres ved tilførsel af en inert gas. En sådan inert gas er for eksempel udstødningsgas, hvis lille del føres tilbage til forbrændingskammeret. Den hurtige oxidation af brændstofmolekyler hindres af tilstedeværelsen af ​​udstødningsgasmolekyler. Temperaturtoppene og NO _x -emissionerne reduceres således. Denne effekt understøttes af den højere varmekapacitet for hovedkomponenterne i udstødningsgassen, kuldioxid og vand (i gasform).

Den udstødningsgas returneres til sugekammeret ved at blande nogle af den friske luft trækkes ind via et rør . Andelen af ​​den recirkulerede udstødningsgas må heller ikke blive for høj, da partikelemissionerne ( sod ) ellers stiger for kraftigt. Grænsen afhænger af motorens belastning og hastighed. Recirkulationen reguleres af en udstødningsventil, der er installeret uden for motoren (ekstern udstødningsgasrecirkulation). Afhængigt af systemet i alle 4-taktsmotorer kan udstødningsgassen reguleres inden for visse grænser under indsugningsslaget gennem en åben udstødningsventil (intern udstødningsgasrecirkulation).

Højtryksudstødningsgasrecirkulation (HP EGR)

Da de recirkulerede udstødningsgasser fra den såkaldte hot eller HP EGR har høje temperaturer (op til 400 ° C), ville tilførsel af den inerte udstødningsgas til den friske luft i indsugningsmanifolden resultere i reducerede luftmasser. Dette har den konsekvens, at påfyldningen falder, motoren arbejder med et lavere luftforhold, og også middeltemperaturen for den friske ladning stiger. Dette ville være kontraproduktivt. Euro 3-koncepter havde stadig et ikke-afkølet EGR. Køretøjer fra Euro 4 har normalt en afkølet EGR -linje. Dette gælder især for tungere køretøjer. I mellemtiden er der imidlertid meget mere komplekse EGR -koncepter.

Lavtryksudstødningsgasrecirkulation (LP EGR)

LP-EGR tages længere tilbage, efter dieselpartikelfilteret (DPF), fra udstødningssystemet og føres tilbage før turboladeren , hvilket giver nogle fordele i forhold til HP-EGR med sin køligere og lav-partikel EGR:

• Indblæsningsluften opvarmes ikke af varm udstødningsgas, hvilket forbedrer leveringsgraden .
• udstødningsgassens massestrøm reduceres kun efter turbinen i udstødningsgasturboladeren, som fungerer mere effektivt og reagerer bedre på belastningsændringer

Et teknisk problem med LP-EGR, der skal løses, er, at hvis udstødningsgasserne falder under dugpunktet, kan der dannes kondensat og forårsage korrosion, især på kompressoren.

Euro 6 -motorkoncepter overvejes også, der har en afkølet LP EGR -sektion og på grund af dynamiske og kolde startaspekter en uafkølet HP EGR -sektion.

Udstødningsgasrecirkulation i benzinmotorer

I benzinmotorer bruges udstødningsgasrecirkulation bevidst til at sænke det specifikke brændstofforbrug i delbelastningsområdet. Tilsætning af ikke-brandfarlig gas gør det muligt at åbne gashåndtaget yderligere med den samme motorkraft og reducere strømningstabet på dette tidspunkt. Med målrettet brug af udstødningsgasrecirkulation kan forbruget af en benzinmotor under delvis belastning reduceres med kun mindre ulemper med hensyn til køreegenskaber.

Kontrol af udstødningsgasrecirkulation

Udstødningsgasrecirkulation finder hovedsageligt sted i del- og mellemlastområdet. Jo tungere køretøjet er, desto højere er lastspektret; tunge erhvervskøretøjer bruger EGR selv ved fuld belastning. Nye benzinmotorkoncepter bruger også fuldlæsset EGR som et alternativ til berigelse. De maksimale udstødningsgasrecirkulationshastigheder er omkring 60% for dieselmotorer, omkring 50% for benzinmotorer med direkte indsprøjtning og omkring 20% ​​for konventionelle benzinmotorer til indsugningsmanifold.

Den interne EGR (kun benzinmotorer) styres nu via justerbare knastaksler . I ældre knastakseldrev uden justering er den interne EGR - hvis den overhovedet findes - strukturelt defineret.

Egnede faciliteter er nødvendige for EGR -kontrol. Positionstilbagemeldingen bruges udelukkende til forkontrol af EGR-hastigheden, som er en funktion af tryk og temperatur ved indløbet. Til selve reguleringen af ​​luftmassen kræves der altid en luftmængde eller luftmassemåler ( HFM ) og / eller gode luftmassemodeller, der muliggør kontrol.

I køretøjer med indbygget diagnostik (OBD) overvåges udstødningsgasrecirkulationen (afhængigt af bilproducenten) via HFM (luftmængdeafvigelse), via positionsfeedback fra EGR-ventilen og i nogle tilfælde via ekstra tryk og temperatursensorer i indsugningsmanifolden, hvis den er tilgængelig. Sensorerne rapporterer til styreenheden, om systemet regulerer og aktiverer. Hvis der ikke er nogen feedback, aktiverer motorstyringen eller motorstyringsenheden MIL = ( funktionsindikatorlampe ) i instrumentgruppen.

fordeling

Mange biler med Euro 3, de fleste med Euro 4 og absolut alle biler med Euro 5 emissionsstandard har et udstødningsgasrecirkulationssystem.

I erhvervskøretøjssektoren er afkølet EGR standarden op til Euro 3 -standarden. Fra Euro 4, som blev obligatorisk for nyudviklede køretøjstyper i oktober 2005, er den afkølede EGR stadig delvist tilgængelig fra MAN og Scania . Andre producenter er afhængige af det mere komplekse princip om selektiv katalytisk reduktion (SCR), hvor den vandige urinstofopløsning AUS 32 også skal tankes op.

Modstridende mål og problemløsning

Generelt er der en afvejning mellem lave sod- og nitrogenoxidemissioner. Førstnævnte forekommer i stigende grad ved lave forbrændingskammer temperaturer, mens der dannes betydeligt mere NO _x ved høje temperaturer . Ydeevnen påvirkes også negativt af EGR, den højest mulige ydelse kan ikke opnås med hensyn til nitrogenoxidemissionerne.

Anvendelsen af ​​lave forbrændingstemperaturer resulterer også i en stigning i kulilte , sod og uforbrændte kulbrinter i udstødningsgassen. En lambdasonde , der måler iltkoncentrationen i udstødningsgassen og regulerer brændstoftilførslen i overensstemmelse hermed, kan minimere denne uønskede virkning så vidt muligt i forbindelse med en køretøjskatalysator . For helt at undgå denne målkonflikt og for at opfylde fremtidige emissionsstandarder installeres NO _x lagerkatalysatorer i stigende grad i moderne biler . I modsætning hertil er de fleste erhvervskøretøjsfabrikanter og i stigende grad også bilproducenter afhængige af selektiv katalytisk reduktion (SCR). Motoren er optimeret til maksimal ydelse og minimal soddannelse, som begge kun er mulige ved høje forbrændingstemperaturer. Det resulterende nitrogenoxid reduceres derefter til nitrogen og vand i et andet trin i SCR -katalysatoren .

Mekaniske problemer

Kraftig sodning førte til en defekt i EGR -ventilen

Øget sodophobning i udstødningsgasrecirkulationsventilen fører ofte til en defekt. Dårlig gasspjældsrespons og i sidste ende et betydeligt effekttab eller øget forbrug kan derefter være resultatet, afhængigt af den position, hvor ventilen forbliver. En anden bivirkning er sodningen af ​​lufttilførselssystemerne (indsugningsmanifold) op til ventilerne, hvilket enten kræver grundig rengøring eller endda udskiftning af disse systemer. De fleste køretøjer, der er udstyret med et EGR -system, angiver fejlen ved at tænde motorstyringen eller værkstedslampen og ved at gemme en fejlkode. For fortsat at opfylde emissionsgrænserne for den relevante Euro -standard er en reparation absolut nødvendig.

Individuelle beviser

1. ↑ Udstødningsstratificering på en benzinmotor med BDE og jetstyret forbrændingsproces. Lagdelingen af ​​recirkuleret udstødningsgas giver et stort potentiale for at reducere emissioner af nitrogenoxid, især i benzinmotorer med direkte indsprøjtning og spraystyret forbrænding. Institute for Piston Machines - KIT , arkiveret fra originalen den 14. marts 2014 ; tilgået den 14. oktober 2016 . 
2. ^ K. Borgeest: Elektronik inden for køretøjsteknologi. Vieweg, 2. udgave, 2010.

kilder

• Kolbenschmidt Pierburg AG ( Memento fra 15. marts 2014 i internetarkivet ) Producents brochure med oplysninger om hvordan EGR -ventiler fungerer (PDF, 563 kB)
• F. Schäfer, R. Basshuysen : Forureningsreduktion og brændstofforbrug af bilers forbrændingsmotorer. Springer-Verlag Wien New York, 1993.
• F. Schäfer, R. Basshuysen: Håndbog Forbrændingsmotor: Fundamentals, Components, Systems, Perspectives. Vieweg + Teubner Verlag, 2007.
• Reif Wallentowitz: Håndbog i bilelektronik: Grundlæggende, komponenter, systemer, applikationer. Springer-Verlag, 2006.

Weblinks