Turbosprężarka i zawór EGR. Małżeństwo z rozsądku czy wybuchowa para?

Nowoczesne silniki muszą sprostać stawianym przed nimi wymogom. Przede wszystkim muszą być ekonomiczne, dlatego w większości wyposażone są w system turbodoładowania, ponadto podlegają restrykcyjnym normom emisji spalin.

Wraz z wprowadzeniem kolejnej normy silników EURO, ogranicza się ilość dopuszczalnych szkodliwych składników spalin powstałych w wyniku procesu spalania. Najmocniej ograniczane są oczywiście uznane za najbardziej niebezpieczne tlenki azotu, tzw. NOx. W tym celu rozbudowuje się system oczyszczania spalin o dodatkowe podzespoły, jednak kluczowym w całym układzie okazuje się system recyrkulacji spalin, czyli EGR. Żeby osiągnąć zakładany cel, zarówno system turbodoładowania, jak i oczyszczania spalin muszą ze sobą współpracować. Czy jednak zawsze udaje się to osiągnąć bez przeszkód?

Po co nam EGR?

Turbosprężarka czerpie energię z gazów spalinowych, które zanim trafią do układu wydechowego, napędzają wirnik turbiny. Ten, połączony wałkiem z kołem kompresji umożliwia sprężanie dodatkowej dawki powietrza zasysanej uprzednio z filtra powietrza. Dzięki zastosowaniu tego rozwiązania możemy spełnić pierwszy warunek – zwiększyć ekonomiczność poprzez tzw. downsizing, czyli zmniejszenie pojemności silnika bez utraty parametrów jego pracy (mocy i momentu obrotowego).

Zasada działania zaworu EGR jest bardzo prosta. Ma on za zadanie zawrócić część spalin, powstałych w wyniku procesu spalania, z kolektora wydechowego z powrotem do kolektora dolotowego. W jakim celu? Aby w wyniku przedostania się do komory spalania silnika większej ilości gazów obojętnych i wyparcia tym samym części tlenu, zmniejszyć temperaturę spalania do poziomu, w którym nie powstają szkodliwe związki NOx.

Jak zatem widać, działanie obu systemów zależne jest od spalin i tu zaczyna się problem.

Jakość spalin będzie bowiem miała jednocześnie wpływ na wydajność turbosprężarki i potencjalne awarie zaworu EGR.

Recyrkulacja wysokociśnieniowa i niskociśnieniowa spalin a turbina.

Umiejscowienie zaworu EGR, w zależności od typu systemu recyrkulacji spalin może być różne. W systemie klasycznym, zwanym recyrkulacją wysokociśnieniową, zawór umiejscowiony jest przed turbosprężarką. Zatem powrót części spalin do kolektora dolotowego odbywa się, zanim napędzą one wirnik turbiny. Rozwiązanie to jest bezproblemowe do momentu, kiedy zawór EGR działa prawidłowo. Kiedy jednak część niespalonego paliwa w postaci sadzy zacznie gromadzić się w zaworze, z czasem go przyblokuje. Jeśli blokada nastąpi w pozycji otwartej, znacznie zmniejszy się energia spalin potrzebna do prawidłowego napędzenia turbosprężarki, obniżając jej wydajność. Dodatkowo niezależnie od prędkości obrotowej silnika i jego temperatury, mieszanka paliwowa będzie zawsze uboższa w tlen z racji otwartej pozycji zaworu.

W nowszych rozwiązaniach stosuje się recyrkulację niskociśnieniową. W tym przypadku zawór EGR znajduje się za turbosprężarką oraz za filtrem cząstek stałych DPF. Ten rodzaj recyrkulacji nazywa się również tzw. recyrkulacją czystą, ponieważ sadza powinna być teoretycznie zatrzymana w filtrze DPF i spaliny powinny być oczyszczone. Dlatego ich powrót następuje przed kompresor turbosprężarki, gdzie łączą się razem z powietrzem zasysanym z filtra. Łatwo sobie wyobrazić, jakie niesie to za sobą ryzyko. Jeśli z filtra DPF wydostaną się cząstki sadzy, trafią bezpośrednio na koło kompresji turbosprężarki, powodując jego uszkodzenie. W tym przypadku wręcz zabójcze jest, wciąż stosowane przez niektórych użytkowników, trwałe usunięcie filtra cząstek stałych.

Jak zatem widać, potwierdza się reguła, że nie ma „związków idealnych”. Chociaż turbosprężarka i zawór EGR muszą się wzajemnie uzupełniać, by czynić nowoczesny silnik wydajnym i ekologicznym, poprzez własne słabości potrafią zaszkodzić sobie nawzajem. Wówczas ten „związek” przybiera dosłownie toksyczny charakter.

Zdjęcia: BorgWarner