Systémy pro redukci výfukových zplodin z dieselových motorů

Recirkulace výfukových plynů, známá pod zkratkou EGR (Exhaust gas recirculation), je dnes nedílnou součástí řídicího systému dieselových motorů, protože díky své vysoké účinnosti má velice pozitivní účinky na snížení koncentrace oxidů dusíku (NOx) ve výfukových zplodinách. Tento recirkulační systém znamená, že se výfukové plyny přivádějí zpět do sání motoru, čímž se snižuje množství kyslíku a teplota spalování. Jako inertní plyn obsahuje směs výfukových plynů také velké množství vodní páry, která pomáhá snížit teplotu zahřátého motoru, zatímco v prvních minutách po nastartování, kdy je motor studený, se naopak pomocí recirkulace výfukových plynů jeho teplota zvyšuje.

 

Existují přitom dva základní typy recirkulačních systémů: 

• vysokotlaké recirkulační systémy, ve kterých se výfukové plyny odvádějí z výfukového potrubí a přivádějí se zpět do sacího potrubí,
• nízkotlaké recirkulační systémy, ve kterých se výfukové plyny odvádějí z místa za filtrem pevných částic a přivádějí se před turbodmychadlo. 
  

2.1. Vysokotlaký recirkulační systém 

Systém vysokotlaké recirkulace je klasická konstrukce, která se v automobilovém průmyslu vyvíjí už mnoho let. Dnešní recirkulační systémy jsou velice důmyslné a kromě samotného ventilu EGR obsahují často chladič výfukových plynů a spínací systém, který je možné vypnout. Důležitou součástí je také vzduchová klapka, pomocí níž může řídicí jednotka motoru vynutit vyšší obsah výfukových plynů v procesu recirkulace. Ventil pro recirkulaci výfukových plynů má dnes prakticky každý moderní automobil s dieselovým motorem, protože tento systém dokáže velice účinně snižovat objem oxidů dusíku, a to hned ve fázích po nastartování motoru.

Horké výfukové plyny se zde z výfukového potrubí přesměrují přes ventil 7 do chladiče 5 nebo na další ventil 6. Pokud je ventil 6 zavřený, procházejí výfukové plyny přes chladič; pokud je ventil 6 otevřený, obcházejí jej. Dokud je totiž motor studený a jeho teplota nepřesahuje zhruba 30 °C, je výhodnější s výfukovými plyny chladič obejít a ohřát tak spalovací komoru rychleji. Algoritmy pro řízení celého mechanismu se mohou lišit podle konkrétního systému, protože chladič výfukových plynů se často používá na ohřívání chladicího média pro vyhřívání kabiny vozidla. Při vysokých provozních teplotách a vysoké zátěži motoru je chladič se svojí činností nezbytný, protože snižuje teplotu cirkulujících výfukových plynů a tím snižuje jejich objem. Tento proces je jednak velmi výhodný pro snížení emisí oxidů dusíku, jednak má zároveň pozitivní účinky na proces spalování, protože motor běží klidněji a má „měkčí“ chod. Výfukové plyny přivedené zpět do sacího potrubí znamenají snížení objemu vzduchu nasávaného do sací soustavy motoru. Řídicí jednotka motoru kontroluje změnu objemu vzduchu pomocí měřiče průtoku (10) a upravuje podle něj činnost ventilu EGR. Není-li objem výfukových plynů dostatečný, zavře řídicí jednotka vzduchovou klapku a vynutí si tak vyšší přívod zplodin. Jakmile motor pracuje pod zátěží, musí se recirkulace výfukových plynů vypnout, protože by kolidovala s činností turbodmychadla a protože motor potřebuje v tomto okamžiku maximální objem čerstvého vzduchu. Pokud je motor pod zátěží, emise oxidů dusíku také výrazně rostou.

2.2. Nízkotlaký recirkulační systém 

Ve vozidlech vyráběných v souladu s normou Euro 6 se kromě vysokotlaké recirkulace používá ještě nízkotlaká recirkulace, kdy se recirkulované výfukové plyny odváděné z výfukového potrubí přivádějí do sacího systému ještě před turbodmychadlo (obr. 2).

Zde se tedy výfukové plyny přivádějí na místo před kompresní kolo turbodmychadla, které ovšem vyžaduje vysokou čistotu, a proto je u tohoto typu EGR nezbytný dodatečný filtr. Tuto roli přebírá v motoru filtr pevných částic, který zde již máme (položka 6 na obrázku). V systému je dále chladič výfukových plynů (9), tentokrát ale bez možnosti odpojení (přemostění) – osazen je zde trvale. Ventil EGR zde tvoří škrticí klapka výfukových plynů (8). Z důvodu mírného rozdílu tlaků mezi výfukovým potrubím a sáním kompresoru je zde dále osazena takzvaná hromadící klapka výfukových plynů, která upravuje jejich řádný tok. Když motor pracuje pod zátěží (a kdy je tedy zapnuté turbo), je klapka výfukových plynů vypnutá. Pro řízení toku výfukových plynů se opět používá měřič průtoku vzduchu. Ve smíšených systémech (nízkotlaké plus vysokotlaké EGR) bývá dodatečný „diferenční tlakový snímač pro nízkotlakou recirkulaci“, osazovaný mezi výstup z filtru pevných částic a vstup do kompresoru.

Podle konkrétního chybového kódu DTC můžeme zjistit chybnou činnost toku, mechanické zablokování, nesprávný signál ze snímače polohy, příliš nízké nebo příliš vysoké napětí, a mnoho dalších závad. Následující seznam je jen výňatkem ze seznamu chybových kódů DTC spojených se systémem recirkulace výfukových plynů.

3.1. Interpretace významu chybových kódů DTC P0400 – P0402 

Chybové kódy DTC číslo P0400 až P0402 vyjadřují nenormální průtok. Diagnostika těchto závad vychází převážně z údajů měřiče průtoku vzduchu. Řídicí jednotka motoru porovnává naměřený průtok vzduchu s referenční nebo vzorovou hodnotou, odvozenou z řídicí mapy ventilu EGR (obrázek 4). Mapa ventilu EGR má přitom 2 vstupy a 1 výstup – vstupem je rychlost otáček motoru a dávkování paliva v mg na 1 cyklus, zatímco výstupem je požadovaný objem vzduchu, rovněž udávaný v mg na 1 cyklus. Řídicí jednotka motoru (ECU) otevírá ventil EGR tak, aby přítok vzduchu vyrovnala, a pokud se zde objeví závada, která přispívá k narušení průtoku (jako jsou uhelnaté usazeniny, ucpaný výměník, nebo vadná škrticí klapka EGR), zaznamená řídicí jednotka příslušný kód chyby DTC.

3.2. Interpretace významu chybových kódů DTC P0403 – P0404

Chybové kódy DTC číslo P0403 a P0404 souvisí s pohonnou mechanikou ventilu EGR. Řídicí modul stejnosměrného (DC) motoru v řídicí jednotce ECU, tedy motoru, který pohybuje mechanismem ventilu, analyzuje aktuální spotřebu paliva v motoru a pomocí vestavěného potenciometru jako polohového senzoru zjistí jeho polohu. Pokud je aktuální odběr elektrického motoru, který pohání mechanismus ventilu EGR, příliš vysoký nebo příliš nízký, detekuje jednotka ECU chybu P0403. Tu může způsobit nejen závada v samotném ventilu EGR, ale také chybná funkce elektrické soustavy. Chyba číslo P0404 se projeví v okamžiku, kdy během testu koncové polohy není z polohového senzoru ventilu dosaženo požadovaného napětí. Test koncové polohy pohonu se vykonává velice často, například po vypnutí motoru a spínače zapalování.

3.3. Další diagnostické problémy systému EGR 

Jestliže provedená diagnostika poukáže na takovou závadu v recirkulačním ventilu výfukových plynů, která si žádá jeho výměnu, je třeba mít na paměti, že řídicí jednotka motoru diagnostikuje účinnost celého systému EGR; jeho součástí jsou ale i další díly, které je třeba zkontrolovat. Při diagnostice systému EGR je tak důležité věnovat pozornost i komponentám jako jsou ohebné hadice, potrubí výfukových plynů, chladič výfukových plynů, vzduchová klapka a měřič průtoku vzduchu. Na autech se smíšenou recirkulací je třeba tento seznam rozšířit o další součástky, jako je klapka výfukových plynů, chladič plnicího vzduchu, filtr pevných částic s čidlem pro měření tlaku výfukových plynů, diferenční tlakový snímač pro nízkotlakou recirkulaci a samotná klapka nízkotlaké recirkulace EGR. Každá z těchto komponent může vygenerovat celou řadu různých chybových kódů, a proto musíme vždy pečlivě zkontrolovat jejich správnou činnost.

 

Po výměně ventilu EGR je nutné provést přizpůsobení (adaptaci) pomocí diagnostického testeru, aby se tak řídicí jednotka motoru mohla znovu „naučit“ provozní rozsahy nainstalovaných součástí. Opomenutí potřebné adaptace systému může způsobit rychlé poškození ventilu EGR.

Jak zkontrolovat správnou činnost systému recirkulace výfukových plynů? 

 

Jestliže známe strukturu recirkulačního systému i principy jeho činnosti, můžeme se již zaměřit na analýzu jeho správné činnosti. K tomu potřebujeme diagnostický tester, který umí načíst množství naměřených skutečných hodnot parametrů v reálném čase (nejlépe všechny). Analýzu je možné provést za klidu, anebo během jízdy. V diagnostickém zařízení je pak třeba hledat například takovéto parametry:

• požadovaný objem vzduchu 
• naměřený objem vzduchu (z měřiče průtoku vzduchu)
• tlak v sacím potrubí (plnicí tlak)
• požadovaná hodnota plnicího tlaku 
• poloha otevření vysokotlakého ventilu HP EGR 
• poloha otevření nízkotlakého ventilu LP EGR 
• poloha klapky výfukových plynů (pro nízkotlaké EGR)
• dávka vstřikování paliva 
• lambda poměr (širokopásmová lambda sonda)
• koncentrace oxidů dusíku NOx (pokud je k dispozici sonda pro jejich měření)
• požadovaný proud výfukových plynů pro vysokotlakou recirkulaci (jen v určitých typech)
• požadovaný proud výfukových plynů pro nízkotlakou recirkulaci (jen v určitých typech)
• skutečný proud výfukových plynů pro vysokotlakou recirkulaci (jen v určitých typech)
• skutečný proud výfukových plynů pro nízkotlakou recirkulaci (jen v určitých typech)
• náplň válce (relevantní pro nízkotlakou recirkulaci)

Kromě těchto parametrů existuje ještě celá řada dalších, které jsou recirkulací výfukových plynů ovlivněny nepřímo.Jak analyzovat správnost detailních hodnot parametrů podle dělení na vysokotlaké systémy (HP EGR), nízkotlaké systémy (LP EGR) a smíšené systémy, to si povíme v navazujících článcích série věnované následnému zpracování výfukových plynů.

Zdroje informací:^[1] Konrad Reif: Diesel Engine Management Systems and Components, Bosch Professional Automotive Information, Springer Fachmedien Wiesbaden 2014.