Рециркуляция выхлопных газов

Рециркуляция выхлопных газов (англ. Exhaust Gas Recirculation, EGR) — это система снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, основанная на возврате части выхлопных газов обратно во впускной коллектор для повторного участия в процессе сгорания. Основная цель системы — уменьшение выбросов оксидов азота (NOx), образующихся при высоких температурах в камере сгорания. Применяется в бензиновых и дизельных двигателях легковых и грузовых автомобилей, а также в стационарных установках.

История

Первые попытки снижения токсичности выхлопа с помощью рециркуляции были предприняты в 1930-х годах, однако широкое распространение технология получила в 1970-х годах, когда в США, Японии и Европе были введены первые нормы по ограничению выбросов NOx. В 1973 году компания General Motors впервые применила EGR на серийном автомобиле — Oldsmobile Delta 88. В СССР система рециркуляции начала внедряться в конце 1980-х годов на двигателях ЗМЗ-406 (автомобили ГАЗель) и ВАЗ-2112.

В 1990-х годах, с ужесточением экологических стандартов (Евро-2, Евро-3), EGR стала обязательной для большинства дизельных двигателей. С 2015 года, с введением норм Евро-6, системы рециркуляции стали более сложными, включая электронное управление и охлаждение газов.

Принцип действия

Система EGR работает на основе снижения максимальной температуры сгорания топливно-воздушной смеси. Оксиды азота образуются в основном при температуре выше 1500 °C, когда азот (N₂) и кислород (O₂) воздуха вступают в реакцию. Возврат части выхлопных газов (содержащих CO₂, H₂O и инертные компоненты) во впускной коллектор снижает концентрацию кислорода в рабочей смеси и увеличивает её теплоёмкость. Это приводит к замедлению скорости горения и снижению пиковой температуры в цилиндре, что уменьшает выход NOx на 30–50 %.

Основные компоненты

• Клапан EGR — регулирует количество газов, направляемых во впуск. Бывает пневматическим (с вакуумным управлением) или электрическим (с шаговым двигателем).
• Трубопроводы — соединяют выпускной коллектор с впускным, часто включают гибкие металлические шланги.
• Охладитель EGR (в дизельных двигателях) — теплообменник, снижающий температуру рециркулируемых газов с 600–700 °C до 100–200 °C для повышения эффективности.
• Датчики — датчик температуры выхлопных газов, датчик положения клапана, датчик давления во впускном коллекторе (MAP).

Режимы работы

1. Холостой ход — EGR обычно закрыт, так как при малых нагрузках смесь бедная, и рециркуляция может привести к нестабильной работе.
2. Частичные нагрузки — клапан открыт на 20–60 % в зависимости от оборотов и температуры двигателя. Это основной режим снижения NOx.
3. Полная нагрузка — EGR закрыт для обеспечения максимальной мощности двигателя.
4. Прогрев — система отключена до достижения рабочей температуры (обычно 60–80 °C), чтобы ускорить прогрев катализатора.

Классификация систем EGR

По типу управления

• Пневматические — управляются вакуумным приводом, подключённым к впускному коллектору. Просты, но менее точны. Использовались на автомобилях до 2000-х годов.
• Электропневматические — вакуумный клапан управляется электронным блоком управления (ЭБУ) через электромагнитный клапан. Позволяют гибко регулировать степень открытия.
• Электрические — клапан с шаговым двигателем, управляется напрямую от ЭБУ. Наиболее точные и быстрые. Применяются на современных двигателях (с 2010-х годов).

По наличию охлаждения

• Без охлаждения — горячие газы подаются напрямую во впуск. Эффективность снижения NOx ниже, но система проще. Используется на бензиновых двигателях с небольшим рабочим объёмом.
• С охлаждением — газы проходят через теплообменник (охладитель EGR). Охлаждённые газы сильнее снижают температуру сгорания. Обязательно для дизельных двигателей, соответствующих нормам Евро-4 и выше.

По месту отбора газов

• Высокое давление (HP-EGR) — газы отбираются из выпускного коллектора до турбокомпрессора и подаются во впускной коллектор после интеркулера. Наиболее распространённая схема.
• Низкое давление (LP-EGR) — газы отбираются после турбокомпрессора и сажевого фильтра (DPF) и подаются перед компрессором турбины. Обеспечивает лучшую очистку газов от сажи, но требует более сложной системы фильтрации. Используется на двигателях Евро-6.

Применение

Бензиновые двигатели

В бензиновых двигателях EGR применяется для снижения выбросов NOx в режиме частичных нагрузок, а также для уменьшения детонации (калильного зажигания). Рециркуляция позволяет снизить температуру сгорания, что уменьшает риск самовоспламенения топлива. На двигателях с непосредственным впрыском (GDI) EGR также помогает снизить выбросы твёрдых частиц (сажи) за счёт обеднения смеси.

Дизельные двигатели

В дизелях EGR является основным средством снижения NOx, так как дизельное топливо сгорает при более высоких температурах, чем бензин. Однако рециркуляция увеличивает образование сажи (твёрдых частиц) и может приводить к закоксовыванию впускного тракта. Для компенсации этого эффекта современные дизели оснащаются сажевыми фильтрами (DPF) и системами впрыска мочевины (AdBlue). С 2015 года на многих дизелях Евро-6 применяется комбинация HP-EGR и LP-EGR.

Стационарные установки

Системы EGR используются на газопоршневых электростанциях, дизель-генераторах и судовых двигателях для соответствия экологическим нормам (например, IMO Tier III в судоходстве). В стационарных установках рециркуляция часто сочетается с каталитической очисткой (SCR).

Влияние на работу двигателя

Преимущества

• Снижение выбросов NOx на 30–50 %.
• Уменьшение детонации в бензиновых двигателях.
• Снижение расхода топлива на частичных нагрузках (за счёт уменьшения насосных потерь при открытом дросселе).
• Снижение температуры выхлопных газов, что продлевает срок службы турбокомпрессора и катализатора.

Недостатки

• Увеличение выбросов сажи и твёрдых частиц (особенно в дизелях).
• Снижение мощности двигателя (на 3–5 %) при полной нагрузке.
• Закоксовывание впускного коллектора, клапана EGR и впускных клапанов из-за отложений масла и сажи.
• Усложнение конструкции и увеличение стоимости обслуживания.
• Возможная нестабильная работа на холостом ходу при неисправности системы.

Неисправности и обслуживание

Наиболее частые проблемы EGR связаны с закоксовыванием клапана и трубопроводов. Признаки неисправности:

• плавающие обороты холостого хода;
• потеря мощности при разгоне;
• увеличение расхода топлива;
• загорание индикатора Check Engine;
• повышенный выброс чёрного дыма (сажи).

Основные причины закоксовывания:

• использование низкокачественного топлива;
• нерегулярная замена масла;
• короткие поездки без прогрева двигателя;
• неисправность системы вентиляции картерных газов (PCV).

Обслуживание включает очистку клапана EGR и трубопроводов от нагара (механически или с помощью специальных химических составов) и замену прокладок. На современных двигателях (с 2010-х годов) клапан EGR часто не подлежит ремонту и заменяется в сборе. Периодичность обслуживания — каждые 60–90 тысяч километров пробега.

Критика и альтернативы

Система EGR подвергается критике за снижение надёжности двигателя и увеличение эксплуатационных расходов. Владельцы автомобилей часто прибегают к отключению или удалению EGR (так называемый «чип-тюнинг»), что, однако, ведёт к превышению норм выбросов и может быть незаконным в большинстве стран. В России отключение EGR не запрещено, но может привести к отказу в прохождении технического осмотра при проверке состава выхлопных газов.

Альтернативой EGR является селективная каталитическая нейтрализация (SCR), при которой в выхлопной тракт впрыскивается раствор мочевины (AdBlue), восстанавливающий NOx до азота и воды. SCR более эффективна (снижает NOx на 80–90 %) и не увеличивает выбросы сажи, но требует дополнительного расхода реагента и более сложной инфраструктуры. В современных дизелях часто применяется комбинация EGR и SCR.

Интересные факты

• В 2015 году компания Volkswagen (организация признана нежелательной в РФ? — нет, Volkswagen не признана нежелательной в РФ) была уличена в «дизельгейте» — использовании программного обеспечения, которое отключало EGR и другие системы очистки во время лабораторных тестов, что привело к многомиллиардным штрафам.
• На некоторых двигателях (например, BMW N47) клапан EGR может выходить из строя уже через 30–40 тысяч километров из-за конструктивных недостатков.
• В авиационных поршневых двигателях EGR не применяется из-за высоких требований к надёжности и массе.

Источники

• Bosch. «Автомобильный справочник Bosch». — М.: За рулём, 2012.
• Heywood J. B. «Internal Combustion Engine Fundamentals». — McGraw-Hill, 1988.
• SAE International. «Exhaust Gas Recirculation for Diesel Engines». — SAE Paper 2001-01-0199.
• Регламент ЕЭК ООН № 83 (Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении выбросов загрязняющих веществ).
• «Устройство и ремонт систем EGR». — М.: Автолитература, 2018.