Система рециркуляции выхлопных газов (EGR)

Cистема рециркуляции выхлопных газов двигателей ЗМЗ-4025, 4026
Cистема рециркуляции выхлопных газов двигателей ЗМЗ-4061, 4063

Экология и автомобиль.... До 60-х годов прошлого столетия об этом мало кто задумывался. Количество автомобилей было незначительным, ущерб от их выхлопа был незаметен. Все изменилось с началом автомобильного бума. В одних странах раньше, в других позже, но людям физически стало нечем дышать! Вспомните Японию - на улицах стали появляться автоматы по продаже чистого воздуха. Или смог над крупными городами - когда из-за него видны только верхушки небоскребов...

Экологи забили тревогу, и в законодательном порядке были установлены требования по оборудованию автомобилей системами, снижающими вредные выбросы. Самой первой явилась система вентиляции картерных газов. Закон о ее внедрении вышел в 1961 году, и по праву может считаться родоначальником экологического движения в автомобилестроении. Далее появилась система бортовой самодиагностики OBD, следящая за исправностью узлов и агрегатов, влияющих на повышенные выбросы, система катализатора и многое другое.

Рассмотрение экологических систем автомобиля начнем с системы рециркуляции выхлопных газов (EGR -Exhaust Gas Recirculation). Несмотря на обилие информации по работе этой системы, до сих пор существует достаточно много неясностей по ее работе и способам ее проверки.

На рис.1 показаны компоненты,образующиеся при сгорании топлива.

Рис. 1. Компоненты выхлопных газов

Первые 4 компонента достаточно подробно расписаны в литературе и руководствах по ремонту. Поэтому мы более внимательно остановимся на последнем компоненте, механизмах его образования и способами его снижения.

При высоких температурах и давлении в камере сгорания азот воздуха N способен соединяться с кислородом воздуха О с образованием NO₂ и NO₃, коротко называемые окислы азота NOx. Воздух начинает гореть! Само себе - бурый ядовитый газ, но в сочетании с водой Н₂O образует азотную кислоту HN0₃. При наличии серы (а наше топливо славится повышенным ее содержанием) часть азотной кислоты превращается в серную кислоту H₂SO₄. Таким образом, в выхлопе любого автомобиля находится (кроме обычных вредных компонентов СН и СО) также смесь азотной и серной кислот. Хорошее сочетание, неправда ли? В виде кислотных дождей этот "букет" выпадает на поверхность нашей планеты, убивая все живое вокруг.

Рис. 2. Концентрация окислов азота в выхлопе (с учетом угла опережения зажигания)

Вот почему во всем мире объявлена настоящая война окислам азота. В наших странах экологическое движение, к сожалению, развито не сильно. Но помним - другой планеты у нас с вами не будет, и мы обязаны оставить ее нашим детям чистой и уютной.

Итак, как образуется этот "враг № 1" современного автомобилестроения? Рассмотрим график образования окислов азота в зависимости от состава смеси и угла опережения зажигания.

1. Богатые смеси (коэффициент лямбда меньше 1). Образование окислов азота крайне незначительно. Температура начала горения азота в камере сгорания составляет около 1100 -1200 градусов, а температура начала горения бензина около 500 градусов. При нехватке кислорода первым начинает гореть бензин, для азота кислорода уже практически не остается. Также избыток топлива охлаждает камеру сгорания, что способствует снижению выбросов NOx.

2. Стехиометрические смеси (коэффициент лямбда равен 1). Появляется свободный кислород. Давление и температура в камере сгорания повышаются, эффективность работы двигателя растет. Также растут выбросы окислов азота.

3. Бедные смеси (коэффициент лямбда больше 1). Имеется избыток кислорода. Но при нехватке топлива температура и давление в камере сгорания падают, температура начала горения азота не достигается. Выбросы окислов азота падают.

4. Ранний угол зажигания. Давление и температура в камере сгорания растут, увеличивается концентрация окислов азота в выхлопе.

5. Поздний угол зажигания. Давление и температура в камере сгорания падают, концентрация окислов азота в выхлопе уменьшается.

Итак, обратите внимание на коварство этого компонента. Возникает только в режимах наибольшей эффективности работы двигателя! Как уменьшить эти выбросы? Способ только один - снизить температуру и давление в камере сгорания. Мощность и экономичность при этом снижаются (приносится в жертву экологии). Как добиться экологических параметров, не снижая эффективности работы двигателя? Изменить состав смеси нельзя - возрастут выбросы других компонентов при одновременном ухудшении характеристик двигателя. По тем же причинам нельзя изменить угол опережения зажигания (угол опережения впрыска на дизеле).

И вот тут на помощь приходит система EGR - система рециркуляции выхлопных газов. Принципиально существуют 2 схемы построения данных систем - внешняя и внутренняя.

Принципы работы внешней системы рециркуляции выхлопных газов

Общий принцип работы показан на рис.З.

Часть выхлопных газов 1 через клапан EGR 3 направляется во впускной коллектор. Степень открытия клапана (и соответственно, количество выхлопных газов) регулируется электропневмоклапаном 2, управляемым электронным блоком управления 4. Попадая в камеру сгорания, они вытесняют часть свежей смеси. В выхлопных газах нет кислорода и нет топлива. Поэтому состав смеси в камере сгорания не меняется - просто ее в цилиндр попадает меньше. Соответственно, падает давление и температура, и как следствие -концентрация окислов азота уменьшается. Контроль над количеством подаваемых выхлопных газов осуществлялся по уменьшению показаний датчика массового расхода воздуха 5 (на ранних моделях FORD применялся также контроль по лямбда-зонду). При неизменном положении дроссельной заслонки 6 уменьшение потока свежего воздуха приводило к уменьшению времени открытия форсунки 7. Соотношение "топливо - воздух" оставалось неизменным, количество вредных выбросов СО и СН не увеличивалось. Так же отпадала необходимость смещения угла зажигания в позднюю сторону.

Для повышения точности и контроля над работой этой системы в последующих разработках стали появляться дополнительные датчики. Первым из них появился датчик высоты подъема клапана. Представлял собой обычный потенциометр, расположенный на штоке клапана. Сообщал блоку управления о реальной высоте подъема, тем самым, контролируя исправность привода клапана и точность его работы. Появление электронных компонентов в среде выхлопных газов резко снизило надежность этого узла.

Также для повышения точности работы пневмопривод был заменен электрическим приводом, что тоже не способствовало повышению надежности. На данный момент отказы электронных компонентов клапана являются достаточно частыми. Далее для контроля над работой данной системы стали устанавливаться датчик температуры на выходе клапана, датчик абсолютного давления во впускном коллекторе (на дизельных автомобилях для его работы пришлось устанавливать трубку Вентури в канале подачи отработавших газов) и ряд других датчиков. Любые отклонения в работе системы вызывали появление кодов ошибок и перевод автомобиля в аварийный режим.

Условия возникновения кодов ошибок системы EGR

Код ошибки "Датчик высоты подъема клапана EGR"

1. Неисправен датчик высоты подъема.

2. Привод неправильно отрабатывает команды блока управления.

3.Ошибки подключения вакуумных трубок (пневмопривод).

Код ошибки "Неэффективная работа системы EGR"

При открытии клапана на заданную величину поток отработавших газов не соответствует расчетному значению. Определяется по отклонениям показаний датчиков массового расхода воздуха, абсолютного давления и других датчиков от расчетных величин при открытии клапана. Возможные причины:

1 .Закоксован или прогорел клапан EGR.

2. Уменьшилось проходное сечение трубки подвода отработавших газов.

3. Неверные сигналы контрольных датчиков.

4. Клапан EGR заглушен.

Алгоритм работы системы EGR на бензиновых моторах

Работа бензинового мотора характеризуется внешним смесеобразованием (смесь готовится во впускном коллекторе). Нагрузка на двигатель регулируется изменением количест-

ва смеси, поступающей в цилиндр (цикловой наполняемостью цилиндра) за счет открытия или закрытия дроссельной заслонки. Существует несколько режимов работы бензинового мотора.

1. Холодный запуск. Температура в камере сгорания низкая, смесь богатая. Окислы азота не образуются, нужды в системе рециркуляции нет. Клапан EGR закрыт.

2. Прогрев двигателя. Смесь обогащенная. Клапан также закрыт.

3. Холостой ход (режим нулевых нагрузок). Дроссель закрыт, свежей смеси поступает мало. Температура и давление в камере сгорания небольшие, окислы азота образуются в крайне незначительных количествах. Открытие клапана в этом режиме не требуется, более того, является недопустимым. Попадание отработавших газов в камеру сгорания на холостом ходу (при низкой наполняемости цилиндра свежей смесью за счет закрытой дроссельной заслонки) приводит к катастрофическим последствиям в работе двигателя. Например, при прогорании или неплотном закрытии клапана EGR "лишние" отработавшие газы приводят к срывам процесса горения. При этом наблюдается нестабильная работа двигателя, выбросы СН резко возрастают. Клапан EGR на этом режиме должен быть закрыт. Исключение составляют моторы непосредственного впрыска. При работе на холостом ходу у них имеется избыток кислорода, что требует небольшого открытия клапана EGR. Например, на моторах GDI степень открытия клапана в этом режиме составляет от 4% до 19%.

4. Режим частичных нагрузок (установившийся режим). Дроссель приоткрыт, его положение не меняется. Смесь стехиометрическая (или немного обедненная). Наполнение цилиндра возрастает, давление и температура в камере сгорания высокие. Создаются все условия для образования окислов азота. Степень открытия клапана EGR определяет блок управления в зависимости от степени открытия дросселя, расхода воздуха и ряда других параметров. Так как на установившемся режиме высокая мощность двигателя не требуется, открытие клапана на работе автомобиля не сказывается. Отказы клапана в этом режиме на работу автомобиля влияют незначительно.

5. Режим ускорения (переходной режим). Наблюдается обогащение смеси, образование окислов азота незначительно. От двигателя требуется максимальная отдача. Клапан должен быть закрыт. При его отказе наблюдается вялая динамика, провалы при наборе газа.

6. Мощностная нагрузка (кик-даун). Педаль газа выжата до отказа. Смесь богатая, от двигателя требуется максимальная отдача. Открытие клапана EGR приводит к падению мощности, ухудшению динамических характеристик автомобиля. Должен быть закрыт.

Подытожим все вышесказанное.

1. На бензиновом двигателе клапан EGR должен быть открыт только на установившемся режиме (частичные нагрузки). Все остальные режимы являются запрещающим условием работы этой системы.

2. Сбои в работе этой системы сказываются на работе во всех режимах, за исключением режима частичных нагрузок.

Но как всегда, есть одно "но". При открытии дросселя (режим ускорения и полной нагрузке) возрастает наполняемость цилиндра, давление и температуры в камере сгорания растут. Вероятность образования окислов азота хоть и незначительно, но возрастает. Из-за обогащения смеси на этих режимах также увеличиваются выбросы СО и СН. Поэтому для выполнения экологических норм на современных автомобилях длительность данных режимов ограничивается, клапан EGR приоткрывается, что негативно сказывается на мощности и динамике двигателя, но это вынужденная мера. Данные параметры приносятся в жертву экологии.

Алгоритм работы системы EGR на дизельных моторах

Работа дизельного мотора характеризуется внутренним смесеобразованием (смесь готовится непосредственно в цилиндре). Нагрузка на двигатель регулируется изменением количества топлива, подаваемого на 1 цикл (цикловая подача). Наполняемость цилиндра воздухом максимальна во всех режимах работы дизеля. Те. во всех режимах, исключая режим полной нагрузки (максимальная цикловая подача), наблюдается избыток свободного кислорода. Коэффициент избытка воздуха на холостом ходу может достигать 10, на полной нагрузке - 1,5, и только на спортивных автомобилях (например, Париж - Дакар) приближается к 1 .Учитывая более высокие степени сжатия (более высокие температуры и давления) и наличие свободного кислорода вероятность образования окислов азота резко возрастает. На систему EGR возлагаются более высокие требования по подавлению этих выбросов. Алгоритм работы в корне отличается от своего бензинового собрата, т.к. направлен на ограничение подачи воздуха. Вернемся к рис.З. На дизеле появляются устройства, совершенно для него нехарактерные: датчик массового расхода воздуха (5), дроссельная заслонка (6).

Узел дроссельной заслонки включает в себя непосредственно сам дроссель, датчик его положения и электронный привод. На более ранних моделях (TOYOTA, NISSAN) применялся механический привод с помощью тросика газа. На данный момент практически не используется. Достаточно часто клапан EGR и дроссель конструктивно выполняются одним узлом.

1. Холостой ход (режим нулевых нагрузок). Цикловая подача топлива минимальна. Исходя из ее величины, блок управления (для ограничения подачи воздуха) открывает клапан EGR , и закрывает дроссель до тех пор, пока показания датчика расхода воздуха не укажут, что желаемое соотношение "топливо - воздух" достигнуто. Количество поступающего воздуха полностью соответствует подаче топлива.

2. Режим частичных нагрузок. Цикловая подача топлива средняя, клапан EGR приоткрыт, дроссель занимает промежуточное положение. Количество подаваемого воздуха по прежнему полностью соответствует количеству топлива.

3. Режим полных нагрузок. Цикловая подача топлива максимальна, клапан EGR закрыт, дроссель открыт полностью. Подача свежего воздуха максимальна, соотношение "топливо - воздух" по-прежнему остается неизменным.

Все отказы системы EGR на дизеле приводят к неправильному расчету подачи воздуха. Если его подается больше, чем нужно, на работе дизеля это не сказывается, только возрастают выбросы окислов азота. Если воздуха подается меньше, чем нужно, дизель начинает дымить черным дымом. Как правило, этот дефект очень заметен на полных нагрузках. Основные причины отказов:

1. Неплотное закрытие или неисправность клапана EGR.

2. Неверные показания датчика расхода воздуха.

3. Неисправности узла дроссельной заслонки.

При отказе данной системы дизель переходит в аварийный режим. Записывается код ошибки, зажигается лампочка контроля неисправностей (MIL). Система EGR отключается, цикловая подача топлива ограничивается на уровне не более 30%.

Поиск неисправностей системы EGR

Исправность системы можно оценить путем замера параметров двигателя при принудительном включении или отключении клапана EGR.

1. Бензиновый двигатель. При принудительном закрытии клапана работа двигателя не меняется. При принудительном открытии клапана на холостом ходу резко увеличивается давление во впускном коллекторе, показания датчика расхода воздуха падают, работа двигателя становится крайне нестабильной. Проверку лучше проводить сканером, просматривая поток данных. Внимательно сравниваем степень открытия клапана, показания расхода воздуха и абсолютное давление во впускном коллекторе. Если нужны более точные результаты - эти сигналы выводим на несколько лучей USB-осциллогра-фа. Все они должны меняться синхронно. Любая несинхронность однозначно говорит о подклинивании клапана и (или) его неисправности.

2. Дизельный двигатель. При принудительном закрытии клапана работа двигателя не меняется. При принудительном открытии клапана работа на холостом ходу также остается неизменной, но при перегазовке резко возрастает дымность. Проверку следует проводить с помощью дымометра.

На исправном дизеле коэффициент дымности "К" при перегазовке не должен превышать установленных пределов (1-1,5).Допустимые пределы указываются на подкапотной табличке или в базах данных. При отключении клапана кривая дымности не меняется. При принудительном включении клапана кривая дымности при перегазовке поднимается до значений К = 6-10. Если разность коэффициента дымности с принудительно отключенным и включенным клапаном невелика, это однозначно указывает на неисправность клапана EGR. Если кривая дымности в штатном режиме при перегазовке выше, чем при принудительно отключенном клапане EGR, можно судить о неисправности системы управления этой системой.

Рис. 4. Кривые дымности при перегазовке исправного двигателя

На рис.4 показаны кривые дымности исправного двигателя на перегазовке при принудительно включенном и выключенном клапане EGR. Для повышения точности замеров следует сделать несколько замеров (на экране показаны разным цветом).

Примечание. Если автомобиль оборудован сажевым фильтром, кривые дымности могут значительно отличаться от указанных значений.

Принципы работы внутренней системы рециркуляции выхлопных газов

Отличительной особенностью этой системы является отсутствие трубки, соединяющей выпускной и впускной коллекторы. Вместо нее устанавливается дроссельная заслонка в выпускном тракте отработавших газов. Структурная схема приведена на рис.5.

Рис. 5. Структурная схема внутренней рециркуляции выхлопных газов

Выхлопные газы не поступают снова в цилиндр, а просто его не покидают. Количество оставшихся отработанных газов регулируется углом открытия заслонки на выпуске. Привод этой заслонки может быть либо пневматическим, либо электрическим и управляется с блока управления. Исключение составляет ряд автомобилей китайского производства. У них эта заслонка приводится в действие троссиком из кабины водителя вручную.

На легковых автомобилях данная схема применяется редко. Устанавливается на ряде моделей BMW и некоторых других производителей. Большее распространение получили на средних и тяжелых грузовиках. Кроме функций рециркуляции, может являться элементом системы "горного тормоза", ускоренной остановки турбины и др. Преимуществом данной схемы является то, что выхлопные газы, оставшись в цилиндре, имеют большую температуру. Ускоряется прогрев двигателя, повышается его отдача по "низам". Но повышение температуры в камере сгорания приводит к повышению выбросов окислов азота - а именно с ними призвана бороться эта система! Поэтому на высокофорсированных двигателях применение системы внутренней рециркуляции (несмотря на все ее плюсы) нецелесообразно. Многие производители применяют комбинированную систему EGR. Разумное сочетание внутренней и внешней системы рециркуляции выхлопных газов позволяет добиться приемлемых экологических показателей, не ухудшающих (а порой и улучшающих) параметры работы двигателя.

Федор Рязанов
АвтоМастер