Közvetlen befecskendezésű Otto-motorok kipufogógáz-visszavezetése

A nitrogén-oxid-emisszió csökkentésére a belső motorikus technikai megoldások mellett a kipufogógáz-visszavezetés a leghatékonyabb technológiai megoldás.

Az égésfolyamatban a visszavezetett kipufogógáz hatására a nitrogénoxidok létrejöttének csökkenése kémiailag és fizikailag a következőképpen írható le. A levegő, tüzelőanyag keverékben, az égés során a szénhidrogének a levegőben lévő oxigénnel reagálnak. A kipufogógáz hozzákeverése a friss töltet levegőjéhez, az oxigénkoncentrációt csökkenti a hengerben. Ennek következtében az égés lelassul, az égési hőmérséklet csökken. Mivel a nitrogénoxid képződés exponenciálisan az égési hőmérséklettől függ, az NO emisszió, a növekvő EGR aránnyal jelentősen csökken, miközben a szénhidrogén emisszió nő (1. ábra).

1. ábra
 

A direktbefecskendezéses Otto-motor bevezetése előtt a kipufogógáz visszavezetést jellemzően tüzelőanyagfogyasztás csökkentésre alkalmazták. Mivel az égéshez szükséges levegőmennyiséget a fojtószelep szabályozza, a fojtás hatására a részterhelési tartományban különösen jelentős töltési munkát kell kifejteni. Ez veszteséget jelent, mely hatásfokromlásban jelentkezik. A kipufogógáz fojtószelep után hozzákeverésével a fojtási veszteség csökkenthető. A hengertöltés az EGR hűtésével tovább növelhető.
A dízelmotorokkal összehasonlítva a konvencionális szívócső befecskendezéssel működő Otto-motoroknál csak a részteljesítmény alsó tartományában, a fojtási veszteség csökkentésére használnak kipufogógáz visszavezetést. A jellemző EGR arány itt 20% körül van.
A 2. ábrán egy EU 5-ös közvetlen befecskendezésű Otto-motor jellemző EGR működési tartományai láthatóak.
Direktbefecskendezéses Otto-motornál, a motorterheléstől függően, két működésmódot különböztetünk meg. Részterhelésnél a fojtás nélküli. ún. réteges töltési üzemmódban – a dízelmotorokhoz hasonlóan – tiszta levegővel töltünk, és a tüzelőanyag dózis a mindenkori motornyomaték igénynek felel meg. A légviszonytényező akár λ = 5,00 is lehet. Homogén üzemmódban (nagyobb terhelésnél) a levegő/tüzelőanyag aránya, mint a hagyományos Otto-motornál, közel sztochasztikus (λ = 1,00), vagy a motor egy csekély légfelesleggel üzemel. A NOx emisszió csökkentésére itt az EGR arány akár 30% is lehet, ami hozzájárul a tüzelőanyag jobb elpárolgásához. Közepes fordulatszám felett és a részteljesítmény felső tartományban a közvetlen-befecskendezésű, EU 5-ös Otto-motorok üzemelése jellemzően homogén keverékű, EGR nélküli. A maximális teljesítmény tartományban λ < 1, vagyis dúsított, az égéstér hűtése érdekében.

2. ábra
 

Követelmények a direktbefecskendezésű Otto-motorok kipufogógáz visszavezetésével szemben

A közvetlen befecskendezésű Otto-motorok által támasztott követelmények teljesítése érdekében, mint a gyors állítás és pontos mennyiségszabályozás, elektromos működtetésű EGR-szelepeket alkalmaznak, jellemzően emelő szelepes megoldásban. A hi-tech EGR elektromos szelepek jellemzően egy, a házba integrált szelepülék és szelepvezető, egy tányérszelep, szelepszár tömítés, rugó és egy mechanizmus, mely az aktuátor forgó mozgását egyenes irányú mozgása alakítja, állnak. Az aktuátor házában helyzetjeladó (útadó) is van.
A szigorodó emissziós előírások kikényszerítik a visszavezetett kipufogógáz mennyiségnek egyre pontosabb bemérését és ezáltal egyre rövidebb nyitó és záró időket követelnek az EGR-szeleptől. Például ezért szükséges teljesítményváltozásoknál, mint például fokozat váltás az EGR-arány azonnali igazítása. Egy szabályozási kör teszi lehetővé az EGR-szelep számára, hogy a szennyeződéssel, súrlódással és az alkatrészek kopásával járó befolyásokat kompenzálja. Az alkalmazások döntő többségében a központi motorECU végzi a szabályozást, PWM-jelet küld az EGR aktuátor motorjára és pozíció visszajelzést fogad.
A környező elektromos alkatrészek sugárzása zavarhatja az EGR-szelep funkcióját és szabályozását. Az ilyen hibás működés megelőzése érdekében, az EMV (elektromágneses védelem) és ESD-re (elektrosztatikus kisülés) vonatkozó előírásokat be kell tartani.
Közvetlen befecskendezésű Otto-motoroknál az EGR-üzemben akár 550 °C hőmérsékletű kipufogógázzal számolhatunk az EGR-szelepnél. A lehetséges 30% EGR-aránynál bevitt hőmennyiség meghatározó kritérium az alkatrészek anyagválasztásánál. Olyan nem kívánt üzemi körülmények elkerülése érdekében, mint például a motorrángatás falslevegő beszívás miatt, az EGR-szelep tömítettsége nagyon fontos. Direktbefecskendezéses Otto-motoroknál, turbófeltöltés nélkül 2 bar kipufogógáz ellennyomást mérhetünk, melyek a szelepnyitásnál maximálisan 1 bar nyomáskülönbséget jelentenek, melyet az aktuátornak és az állító mechanizmusnak kezelnie kell. Turbómotoroknál kétszer ekkora nyomáskülönbségek is ismertek. Azért, hogy az EGR szelep a folyamatosan növekvő élettartam elvárásnak mely legalább 250 000 km megfeleljen, a széria gyártás megkezdése előtt, egy minden befolyásoló körülményre kiterjedő, átfogó vizsgálatnak kell megelőznie.
A kipufogógáz további hűtése, az ezzel elérhető sűrűség növelés EU 5-re kifejlesztett direktbefecskendezésű Otto-motoroknál még nem játszik szignifikáns szerepet.

Egy elektromos EGR-szelep felépítése

Az EGR-szelep motortérben, valamint az EGR-rendszerben történő elhelyezése meghatározza a szelep belépésnél mérhető kipufogógáz hőmérsékletét, a nyomásviszonyokat a be- és kiáramló csőcsatlakozásoknál, a környezeti hőmérsékletet és a rezgési igénybevételt. Ezek a paraméterek határozzák meg az EGR szelephez az anyagválasztást, a szelep méreteit. Szívó, közvetlen befecskendezésű Otto-motoroknál a kipufogógázt a kipufogócsonknál, feltöltött motoroknál a turbó előtt szokták elvenni. Az akár 900 °C hőmérsékletű kipufogógáz lehűtését egy megfelelő hosszúra választott EGR-cső biztosítja. Az EGR-szelep pozicionálását úgy kell megválasztani, hogy a belépőgáz hőmérséklet ne lépje át az 530 °C-ot, ami az optimális árú nyomásos öntésű alumínium ház alkalmazását még lehetővé teszi.
A szelepátmérő kialakításához szükséges kritériumok, a kipufogógáz tömegáram, a nyomásviszony és a kipufogógáz hőmérséklet. Az optimális szelepátmérő kiszámítását egy méretező program végzi a beáramlási geometria figyelembevételével CFD szimulációval. A szelepülék szivárgásának lehető legalacsonyabb értéken tartása, valamint, hogy a kis mennyiségű szabályozás is lehetséges legyen a szelep/szelepülék geometria kialakításának fontos szerep jut. Mivel a tányérszelep a kipufogógáz árammal szemben nyit, ez a nyomás javítja zárt állapotban a tömítettséget. Kialakítástól függően a szelep egy már kialakított házba helyezhető, vagy önálló alkatrészként kerül kialakításra.

Emelőszelep

A 3. ábra egy direktbefecskendezésű Otto-motor EGR-szelepének sematikus felépítését mutatja. Az aktuátor ennél a felépítésnél közvetlenül a szelepházhoz rögzített forgó elektromágnes (9), tengelye (3) egy bütyköstárcsával (5) van összehegesztve. A szelep (10) a forgó elektromágnesre (1) merőleges elhelyezésű és a (8) csapágy által vezetett. A szelep felső vége villaként van kialakítva, mely egy golyóscsapágyat vesz fel, ami a bütyköstárcsa-pályán halad. Ennek a mechanikának a segítségével alakul a forgómozgás a tányérszelep egyenes irányú mozgásává. A bütyköstárcsa-pályája úgy van kialakítva, hogy a forgó elektromágnes forgásszögével progresszívan növekszik a szelep nyitása. Ezáltal a szelepnyitásnál nagyobb erő érhető el a kipufogógázzal szemben. Valamint pontosabb kismennyiségű szabályozás érhető el. A bütyköstárcsa és golyóscsapágy közti minimális játék csökkenti a hiszterézist az egyenes irányú mozgás irányváltásánál. Árammentes állapotban a szelep zárva van. Ezt a forgó elektromágnes tengelyére helyezett rugóval érjük el. A szelepszár és a szelepvezető közti rést szelepszártömítéssel (7) zárják el. Egy műanyag fedő (2) védi az átalakító mechanizmust a külső szennyeződésektől és a sérüléstől.
A szeleptányér (12) a szelepszárral össze van hegesztve. A szeleptányér alsó és felső kontúrja is arra a célra optimált, hogy egyrészt minimalizálja a kipufogógáz nyomásveszteségét, másrész kis elmozdulásnál biztosítsa a kismennyiségű szabályozást. A szelepülék (11) a direktbefecskendezésű Otto-motorok jellemző nagy hőmérsékletekre való tekintettel az alumínium szelepház öntésekor kerül behelyezésre.
Azért, hogy a forgó elektromágnes és különösen a szenzorika a nagy hőmérsékletektől védve legyen, adott esetben a szelepházat a motor hűtési rendszerére kell kötni, hogy a kipufogógáz és az elektromágnes által leadott hőt elvezessük. A hűtés nagyon hatékony módja az, amikor a szelepházon hűtőfuratokat (6) vezetnek át.

3. ábra
 

Beavatkozó és érzékelő

Az EGR-szelep meghatározó eleme a beavatkozó (aktuátor) a pozíció (útadó) szenzorral. A érintkezésmentes forgó elektromágnes megbízhatósága, kompakt mérete és kiváló hőelvezető képessége miatt az elektromos EGR-szelepek nagy részénél bevált aktuátor. A forgó elektromágnes egy kefe és hajtómű nélküli meghajtás, amelynek munkaszektora 70 – 75 °. Működési elve a mágneses kölcsönhatáson alapszik (4. ábra), az állórész vas pólusra (1) szerelt tekerccsel (2) és a forgórész között 4 pólusú állandó mágnessel. Ez a kölcsönhatás forgatónyomatékot hoz létre, melynek iránya és ereje az elektromágnesre táplált áram polaritásától és áramerőségétől függ (5. ábra).

4. ábra
 

M = 8·B_f·L/S·Z·n·l·r_m

Az M forgatónyomaték egyenesen arányos az állandó mágnes mágneses indukciójától (Br), a tekercsek számától (n) és gyűrű formájú állandó mágnes méretétől, úgymint vastagság (L), szélesség(Z) és átlagos rádiusz (r_m). A nyomaték fordítottan arányos a légréssel (s), amit az axiális golyóscsapágy (5) állandó értéken tart a mágneses erővel szemben. Nagy áramerőnél mágneses telítődés lép fel a munkamező felső tartományában, ezért növekvő áramerőséggel a forgatónyomaték nem nő egyenes arányban. A nagy nyomatékdinamikának köszönhetően hirtelen teljesítménycsúcsok is elérhetők, ami egyrészt előnyős a szelep megindító nyomatékánál, másrészt a hajtómű nélküli megoldásnak köszönhetően, így nagyon jók a reakcióidők. A kis rögzítő nyomaték árammentes állapotban gyengébb visszatérítő rugó alkalmazását tesz lehetővé, ami kisebb áramfelvételt eredményez a szabályozási tartományban.

5. ábra
 

Az állítás szabályozásához a forgó mágnes rendelkezik egy integrált útadó szenzorral, amely szintén az érintkezésmentes mágneses kölcsönhatás alapján működik. Egy műanyag szenzor sapka, integrált csatlakozóval (6) zárja le a motort. Ezenkívül a sapka tartalmaz egy félvezetőlapkát egy Hall-ASIC érzékelővel (7). Egy, a forgórészre rögzített állandó mágnes (8) a forgórész pozíciójától függő mágneses teret hoz létre, melyet a szembe lévő Hall-ASIC jeladóval értékel ki. A Hall-ASIC a mágneses mező alapján analóg vagy digitális kimenő jelet generál.
A bemutatott érintkezésmentes, hajtómű nélküli felépítésének köszönhetően extrém robusztus és megbízható aktuátor a belső égésű motoroknál történő alkalmazáshoz. Kompakt kialakításának köszönhetően kiválóan alkalmas szűk motorterekbe való integráláshoz. Az érintkezésmentes forgó mágnesek alapján az EMV követelményeknek való megfelelés a teljes élettartam alatt biztosított.
A hajtás és a szelepmechanika majdnem kopásmentes. A gyártás végén szenzorkalibrálással a gyártási tűréseket kiegyenlítik. Az EGR szabályozás napjainkban általában egy szabványosított egyszerű PID szabályozó segítségével történik a központi motorvezérlésben, miközben a szelep a PWM teljesítményjellel, hídkapcsoláson keresztül hajtott. A motorvezérlésbe történő pozícióvisszajelzés alapján az OBD-képesség adott.

Alkalmazáspéldák a motoron

Az első elektromos EGR-szelepeket, melyek direktbefecskendezésű Otto-motoroknál alkalmaztak, a 6. ábra (hathengerű motor) és a 7. ábra (négyhengerű motor) mutatja. Az EGR-szelep a hathengerű motornál a műanyag szívótorokra van rögzítve. A szívócsővet a kipufogógázvisszavezetés helyén, azért, hogy a termikus túlterhelését megelőzzük, egy kipufogógázbevezető tölcséren (2) keresztül juttatjuk be, ami a szívólevegővel az optimális keveredést is megadja. A bevezető tölcsér acéllemez karimára forrasztott, mely mindkét oldalára felvitt tömítéssel rendelkezik.
Ezzel érjük el a teljes működési hőmérséklet-tartományban megkövetelt abszolút tömítettséget. Ahhoz, hogy az EGR-szelep a megengedett működési hőmérsékletét ne lépje túl, a szelepház egy by-pass-on keresztül, csatlakozik a motor hűtési rendszeréhez.
Az EGR-szelep a négyhengerű motornál közvetlenül a hengerfej falára, a kihajtás felöli oldalra szerelt. A hűtést ebben az esetben nem átáramló hűtőfolyadék adja, hanem egy rövid cső (3), mely egy O gyűrűtömítéssel letömítve a hengerfej vízköpenyébe nyúlik, így gondoskodva a megfelelő hőleadásról.
A két EGR-szelep paramétereit a táblázatában olvashatjuk. Kiemelendően jó értékek a maximális EGR átáramlási mennyiség 70 kg/h (100 mbar nyomáskülönbség mellett) és a nagy megengedhető kipufogógáz hőmérséklet. A megengedett kipufogógáz nyomáskülönbség szelepnyitásnál akár 1 barig is elmehet. A motor EGR-követelményére beállított kismennyiségű szabályozás ezeknél a szeleptípusoknál megfelelő szelepülék és szelepkontúr mellet már 0,1 mm elmozdulással is realizálható.
Azért, hogy megakadályozzuk a negatív átöblítést, az EGR szelepet zárt állapotban aktívan zárjuk. Ezt úgy érjük el, hogy a forgó elektromágnest – más aktuátorokkal ellentétben – mindkét irányba áram alá helyezhetjük, és így aktívan működtethetjük.

6. ábra: EGR-szelep integrált hűtéssel, 6 hengerű motor műanyag szívócsővére szerelt változat, 1 – kipufogógáz belépés, 2 – kipufogógáz kilépés vezető tölcsérrel, 3 – hűtőcsatlakozások

7. ábra: EGR-szelep 4 hengerű motor hengerfejére szerelt változat, 1 – kipufogógáz belépés, 2 – kipufogógáz kilépés, 3 – hűtővíz csatlakozás

A jövőbeni fejlesztések

A jövőbeni CO_2-csökkentési előírásokon alapuló tüzelőanyagfogyasztási előírások és az emisszió értékhatárok intenzív továbbfejlesztést igényelnek a direktbefecskendezésű Otto-motor esetében. A jelenlegi trendek, mint a méretcsökkentés (downsizing) feltöltéssel való kombinálása, a réteges keverékképzés alkalmazásához szükséges többlyukú befecskendező kialakítás, változatlanok maradnak. Az EU 6-os motorok esetében a kipufogógáz visszavezetés nemcsak a réteges és homogén töltés üzem állapotra korlátozódik, mint az EU 5-ös motoroknál, hanem teljes terhelésnél is végbemegy (8. ábra).

8. ábra

A teljes terhelés melletti EGR-alkalmazása a tüzelőanyag dúsítása helyett további tüzelőanyag-csökkenéshez vezet, és ezzel CO₂ kibocsátás csökkenéséhez. Továbbá a kopogási hajlam is csökken maximális terhelés mellet kis és közepes fordulatszám tartományban. A motorba vezetett levegőmennyiség megnöveléséhez a motorok jelentős részénél szükséges lesz a visszavezetett kipufogógáz további hűtésére folyadékhűtött EGR-csővel vagy EGR-hűtő segítségével. Egy fontos kritériuma a jövőbeni direktbefecskendezésű Otto-motoroknak, az elektromos EGR-szelepek tömítettsége. Itt kínálják magukat a tányérszelepek, a működési elvűk alapján jó tömítettségükkel. Azért, hogy a levegő-tüzelőanyag keverék arányának nem kívánt eltéréseit és az ezzel járó egyenetlen motorjárást megelőzzük, az EGR-szelep átáramlási mennyiség tűrési sávját a teljes élettartam során, a fellépő befolyásoló tényezők, mint hőmérsékletingadozás vagy szennyeződés, szűken tartani kell.
Ezenkívül a jövő motorjainál a vezetésdinamikai terhelésváltozások megkövetelik a nagyfokú EGR-vezérlési jóságot. A folyamatosan változó levegő-/tüzelőanyag keverék optimális beállításához szükséges a motorvezérlés által előre kiszámolt EGR-arány. Ez egy termodinamikai modell segítségével lehetséges, mely az aktuális szelep pozícióból számolja ki az optimális EGR-arányt. Az eddig standard alkalmazott nagynyomású EGR mellet a motorfejlesztőknek ki kell állniuk az alacsony nyomású EGR (szenzorika, hűtés, kondenzáció) által támasztott kihívásokkal szemben is. Az itt bemutatott elektromos EGR-szelepforgó elektromágnes hajtásként súrlódásra optimált felépítésével, kis mozgó tömegével, kis hiszterézissel és egzakt pozíció visszajelzéssel kiválóan alkalmas a következő generációs közvetlenbefecskendezésű Otto-motorok jövőbeli emissziós előírásainak elérésére.

Dr.-Ing. Bernhard Flaig, szelep üzletág vezető, Gustav Wahler GmbH & Co. KG, Esslingen
Dr.-Ing. Uwe Beyer, projektmenedzser, Gustav Wahler GmbH & Co. KG, Esslingen
Dr.-Ing. Marc-Olivier André, Üzleti egység menedzser, Motor management, Sonceboz Automotive s.A., Sonceboz (Svájc)

Forrás: a cikk az MTZ 2010/1. számban (p. 35-40.) megjelent írás másodközlése a Gustav Wahler GmbH & Co. KG hozzájárulásával, a Wahler cég magyarországi képviseletének, az IHR Techmark Kft. közreműködésével