A kipufogógáz visszavezetésének története

Volt olyan időszak a belső égésű motorok időszaka alatt, amikor semmilyen módon nem vették figyelembe, hogy milyen szennyezéssel jár a járművek működtetése. Amikor ez véget ért, a mérnökök minden lehetséges és könnyen kivitelezhető úton megpróbálták csökkenteni azt, hogy megfeleljenek a hatóságok által megszabott emissziós határértékeknek. Közelítőleg elmondható, hogy minden Euro szabvány megjelenésével a felére csökkent a károsanyagok kibocsátott mennyisége, és emiatt elérkezett a pont, amikor már az üzemanyag elégetési hatékonyságát is növelni kényszerültek a gyártók különböző segédberendezésekkel.

Ebben a cikkben a kipufogógáz motorba történő visszavezetését mutatjuk be általános jelleggel.

Probléma az égéssel

Legyen szó akár benzinről, akár gázolajról, CNG-ről, vagy bármilyen szénhidrogén-kombinációról, amelyet belső égésű motorban égetünk el, ideális esetben a végeredmény szén-dioxid és víz lesz. A valóságban azonban a levegő oxigénjével nitrogén is bekerül az égéstérbe, méghozzá nem is kevés – ebből pedig valamilyen nitrogén-oxid lesz, az égés minőségétől függően. Ez utóbbi jellemző persze befolyásolja azt is, hogy a szénhidrogénekből elégő szén milyen arányban tartalmaz majd szén-dioxidot, és mellette szén-monoxidot.

A kipufogógázban ezen túlmenően számos egyéb anyag is található (korom, kén-oxidok, el nem égett szénhidrogének), melyek közül egyik sem feltétlenül kívánatos a környezetben. Különösképpen a tökéletlen égésű szén- és nitrogén-oxidok veszélyesek. Ezek a gázok nem csak veszélyesek, de erősen mérgező hatással bírnak az élővilág jelentős részére nézve, beleértve az embert is. Ennek értelmében született meg a döntés, hogy ezeket az elemeket távol kell tartani a környezettől.

Megoldás: újra elégetés

Ezekben az esetekben azonban a tökéletlen égés tökéletessé tehető, ha újra energiát (és oxigént) közlünk a részecskékkel, azaz ha újból biztosítjuk az égés feltételeit. Ezt úgy érik el, hogy a kipufogógázt újra visszavezetik az égéstérbe, és újra elég azon része, amely még nem oxidálódott el tökéletesen. A folyamat természetesen így sem tökéletes, de az tökéletlen égésű részecskék jelentős része ezzel semlegesítésre kerül.

A rendszernek azonban vannak hátrányai is. Az extra bonyolultságon és a drágább szervizelhetőségen túl arra is rá kellett jönnie a mérnököknek, hogy nem minden üzemállapotban éri meg működtetni az EGR szelepet. Addig például, amíg a motor nem éri el az üzemi hőmérsékletét, a teljesen eltérő keverési arány miatt szinte egyáltalán nem keletkezik tökéletlen égés, így itt csak hátráltatnánk a bemelegedési folyamatot.

Ezért a Volkswagen-Audi konszern 1973-ban egy olyan EGR szeleppel állt elő, amelynek szenzorai a hűtőfolyadék hőmérsékletét figyelik, és amikor az eléri az üzemi hőfokot, akkor kapcsol be a rendszer. Ezt nevezték hűtőfolyadék-vezérelt kipufogógáz-visszavezetésnek.

Egy másik hasonló probléma a teljes terhelés esete. A kipufogógáz visszavezetése térfogatarányosan kiszorítja a térből a friss oxigént, ráadásul mivel magasabb hőmérsékletű, a sűrűsége is csekélyebb, így kevesebb üzemanyag éghet el egy adott ütemsor alatt. Ebből következően a leadott teljesítmény is kisebb lesz, ami teljes gázadásnál nagymértékben befolyásolja az autó menettulajdonságait. Részterhelésen ennek nyilvánvalóan nincs igazán jelentősége, ám emiatt a maximális teljesítmény közelében a rendszer szintén kikapcsol.

Annak érdekében, hogy ez működhessen, az EGR szelep vezérléséhez ellennyomás-átalakítókat kezdtek el alkalmazni, és így könnyedén igazíthatták a működést a motor terhelési viszonyaihoz.

Működés a gyakorlatban

A kipufogógáz visszavezetése más problémákat is felvet a teljesítmény csökkenésén túl. Az Otto-motorokban a maximális kipufogógáz-mennyiség, amely visszavezethető az égéstérbe, nem több 15%-nál. Ennek elsődleges oka, hogy a keveréknek az égés során folyamatos lángfrontot kell fenntartania, különben a motor gyújtáskimaradást, vagy akár lefulladást is produkálhat.

Jelentős gyakorlati probléma, hogy az EGR szelep, mivel kipufogógázt vezet vissza, könnyen eltömődhet, csőrendszere elkokszosodhat, ez pedig nagymértékben befolyásolja működésének hatékonyságát. Az eltömődött szelepek szerencsésebb esetben tisztíthatók, de gyakran előfordul, hogy a szennyeződés olyan meghibásodáshoz vezet, mely csak az alkatrész cseréjével orvosolható.

A túl meleg, ezért pedig túl kis sűrűségű kipufogógáz jelentősen rontja a volumetrikus hatásfokot. Ennek részleges kompenzálására bizonyos rendszerek hűtőt is tartalmaznak, hogy a gáz sűrűségét megnöveljék.

Pozitív hatása viszont, hogy az EGR működése közben csökken az égéstér felületeinek hővesztesége, valamint a fojtószelep vesztesége is kisebb, mivel nagyobbra kell nyitni az adott teljesítmény eléréséhez.

Bár nagyon sok erőforrásban megtalálható, valójában nem szabad azt hinnünk, hogy nem létezik modern motor EGR szelep nélkül. Sok olyan innováció látott napvilágot a közelmúltban, melyekkel akár ma is nélkülözhető ez a megoldás (lásd: Chrysler Pentastar 3.6).

Dízelmotorok

Noha az EGR szelep a gázolajjal hajtott blokkoknál is alkalmazható, bizonyos tekintetben másképp kellett megközelíteni a problémát.

Gázolaj elégetésénél igyekeznek minél magasabb égési hőmérsékletet elérni a konstruktőrök, ugyanis itt megy végbe a legtökéletesebb égés. Hátránya azonban, hogy minél magasabb az égéshő, annál nagyobb a hajlam a nitrogén-oxidok kialakulására.

A dízelmotorok esetén majdnem minden EGR rendszer hűtött – a hűtés nélküli változatokat szokás meleggáz-visszavezetésnek (HGR) nevezni.

A dízelmotorok előnye, hogy nem korlátozza őket az összefüggő lángfront, valamint eleve állandó légfelesleggel működnek, így akár a kipufogógáz 50%-a is visszavezethető az égéstérbe (ami a nitrogén-oxid kibocsátási arányt illeti). Fontos azonban, hogy ez az arány a gyakorlatban csak alapjáraton érhető el, egyéb üzemállapotokban ennél kisebb értékeket produkál a rendszer.

A jelentős előnyök azonban jelentős hátrányokkal járnak: ezek közül valószínűleg a leglényegesebb a motor élettartamának csökkenése. Az EGR szelep a dízelmotor kipufogógázát szűrés nélkül juttatja vissza a motorba, mely nagyméretű koromrészecskéket tartalmaz, mégpedig jelentős mennyiségben. Ezek abrazív kopást okoznak a hengerfalon, a dugattyúgyűrűn átjutva pedig akár az egész motorban.

Nem véletlen tehát, hogy ez az eszköz, bár hozzájárul a környezetvédelmi normák teljesítéséhez, megítélése megosztó a sofőrök és a szerelők között egyaránt.