EGR یاسیستم بازگشت مجدد گازهای اگزوز چیست؟

سیستم بازگشت مجدد گازهای اگزوز چیست؟

در سال‌های اخیر توجه اکید به کاهش آلایندگی موتور خودرو و ماشین آلات سنگین به شدت افزایش پیدا کرده است؛ از یک سو قوانین زیست‌محیطی سال به سال سخت‌تر می‌شوند و از سوی دیگر تولید کنندگان خودرو و ماشین آلات سنگین تلاش می‌کنند با معرفی مدل‌های پاک‌تر، از پس اجرای این قوانین برآیند. در این میان ساز و کار ها و فن آوریهای مختلفی برای کاهش آلایندگی به وجود آمده است که EGR (Exhaust Gas Recirculation ) یا سیستم ” بازگشت مجدد گازهای اگزوز ” یکی از آنها است که در این مطلب بطور اجمالی  آن را بررسی خواهیم کرد. 

گازهای خروجی اگزوز ، آلاینده‌های متعددی را شامل می شوند که در بین آنها، اکسیدهای نیتروژن که به طور عمومی با NO_X نمایش داده می‌شوند بیشترین خطر زیست محیطی را ایجاد می نمایند. اکسیدهای نیتروژن بیشترین تاثیر را در تشکیل مه دود ایجاد کننده بیماریهای تنفسی در شهرهای بزرگ و بارش باران‌های اسیدی ایفا می کنند و به همین دلیل بیشترین اهمیت در قوانین آلایندگی معطوف به این ترکیبات شده است. ( ترکیبات آلاینده خروجی اگزوز موتورهای دیزل شامل منو اکسید کربن ، دی اکسید گوگرد ، ذرات دوده ، هیدروکربن های نسوخته و اکسید های نیتروژن می باشد .

سازندگان بزرگ خودرو و ماشین آلات در سال‌های اخیر راه‌های مختلفی را به این منظور آزموده‌اند که برای موتورهای دیزل، یکی از اصلی‌ترین راه حل‌ها استفاده از سیستم Exhaust Gas Recirculation   یا به طور مخفف EGR است که می‌توان آن را سیستم بازگشت مجدد بخشی از گازهای اگزوز به موتور ترجمه کرد.

 این سیستم وظیفه دارد سطح اکسیدهای نیتروژن را در خروجی موتور خودروها و به طور مشخص موتورهای دیزل تا حد امکان کاهش دهد.

تشکیل اکسیدهای نیتروژن

همانگونه که ذکر گردید یکی از اصلی‌ترین آلاینده‌های موتورهای درونسوز که تاکید زیادی نیز بر کاهش آن وجود دارد اکسیدهای نیتروژن یا NO_X است ، با اطلاع از منشأ و چگونگی تشکیل این آلاینده می‌توان آن را از مبدأ حذف نموده و مانع از تشکیل آن شویم. اکسیدهای نیتروژن همانگونه که از نامشان پیدا است حاصل ترکیب نیتروژن با اکسیژن می باشند.

این دو گاز در حالت طبیعی با یکدیگر ترکیب نمی‌شوند اما زمانی که هر دو گاز در دمای بسیار بالا در مجاورت یکدیگر قرار ‌گیرند، فعال شده و ترکیب می‌شوند منابع اصلی تولید این دمای بالا، محفظه احتراق موتور ماشین است. دمای حداکثری در موتور های دیزل در زمان پیک احتراق و در مرکز شعله از 1800 تا 2100 و در موتورهای بنزینی از 850 تا 1400 درجه سانتیگراد متغییر می باشد که این دما سبب انگیزش الکترونی و ایجاد پیوند فعال بین مولکولهای نیتروژن و اکسیژن خواهد شد.

 اما این دو گاز از کجا وارد محفظه احتراق می‌شوند و آیا می‌توان جلوی ورود آن‌ها را گرفت؟ متأسفانه جواب سوال دوم منفی است چرا که اکسیژن یکی از اضلاع احتراق و تولید توان در ماشین بوده که تولید توان بدون آن مقدور نمی باشد اکسیژن مورد نیاز موتور از هوای محیط به درون موتور مکیده می‌شود. اما بدلیل عدم خلوص اکسیژن در محیط و آمیختگی آن با نیتروژن هوای محیط ، در این مرحله نیتروژن نیز با نسبت بسیار بیشتر به موتور وارد خواهد شد.

چرا که هوای محیط دارای 78 درصد نیتروژن و 21 درصد اکسیژن است و به این ترتیب در زمان ورود هوا به موتور خودرو در مرحله مکش، حجم زیادی از این دو گاز وارد موتور می‌شوند و عملا امکان جلوگیری از ورود نیتروژن به موتور وجود ندارد اما همانگونه که ذکر  شد این دو ماده در حالت طبیعی و دمای معمول میلی به ترکیب با یکدیگر ندارند و اندک اکسیدهای نیتروژن طبیعی موجود در جو اطراف ما نیز ناشی از گرمای بسیار زیاد صاعقه‌هایی است که گاهی رخ می‌دهد.

با در نظر گرفتن شرایط تشکیل اکسیدهای نیتروژن و عدم امکان جلوگیری از ورود نیتروژن به درون موتور ، به نظر می رسد که تنها گزینه کنترل و جلوگیری از تشکیل این ترکیب خطرناک کنترل شرایط ترکیب از طریق کاهش دمای محفظه احتراق می باشد.

البته کاهش دمای احتراق ، هزینه هایی هم خواهد داشت چرا که این کنترل دما بدلیل جلوگیری از آزاد شدن حداکثری انرژی سوخت باعث افت توان خروجی موتور خواهد شد بنابراین در صورت نیاز به حفظ ثبات توان خروجی جهت جبران آن می بایست سوخت بیشتری در هر سیکل بکار گرفته شود بسته به نوع سیستم EGR بکار رفته میزان سوخت اضافی جهت اخذ توان مساوی از دو موتور مشابه دارای سیستم EGR وبدون این سیستم بین 2 تا 10 درصد متغیر می باشد.

کنترل دمای احتراق

اکنون که به منبع و چگونگی شکل‌گیری NO_X به عنوان یکی از اصلی‌ترین آلاینده‌های موتور پی بردیم و دانستیم که این آلاینده در دمای حتراق بسیار بالا تولید می‌شود به نظر می رسد ایده‌آل‌ترین کار کاهش دمای احتراق موتور باشد اما علاوه بر افزایش هزینه سوخت ذکر شده این کار در عمل آنقدرها هم آسان و شدنی نیست چرا که احتراق به صورت لحظه‌ای رخ می‌دهد و با راه کارهایی نظیر خنک کردن بدنه سیلندر و … نمی‌توان کمکی به کاهش دمای احتراق کرد.

.یکی از راه حل های کاهش دمای احتراق ناهمگون کردن هوای ورودی موتور می باشد این ناهمگونی را می توان با برگرداندن قسمتی از گاز های خروجی به موتور ایجاد نمود.

ایده نظری ( تئوری ) در این سیستم ، بهره‌گیری از گازهای خروجی اگزوز و بازگرداندن مجدد بخشی از آن‌ به محفظه احتراق به همراه هوای ورودی است تا با این روش دمای احتراق کاهش پیدا کند و در نتیجه تولید NO_X محدود شود.

با ورود بخشی از گازهای اگزوز به ورودی هوای موتور و در نتیجه محفظه احتراق، میزان اکسیژن موجود در محفظه احتراق محدودتر می‌شود و با این کار دمای احتراق مخلوط سوخت و هوا کاهش پیدا می‌کند بدون آنکه از توان موتور خودرو کم شود چرا که اکسیژنی که در اینجا از محفظه کم می‌شود اکسیژنی اضافی است که در یک پروسه عادی با سوخت ترکیب نمی‌شده تا منجر به تولید نیرو شود و به همین دلیل موتور می‌تواند همچنان میزان مناسبی از اکسیژن را که برای ادامه کار خود نیاز دارد دریافت کند.

از سوی دیگر ورود گازهای خروجی موتور به درون محفظه احتراق باعث کند شدن سرعت واکنش‌ها در سیلندر می‌شود که این مسأله با توجه به تاخیر در آزاد شدن انرژی سوخت نیز خود به کاهش تولید اکسیدهای نیتروژن کمک بزرگی می‌کند ، این بخش بدلیل زمان بسیار محدود در اختیار جهت استفاده از انرژی سوخت در سیکل کاری موتور سبب کمی افت در بهره گیری کامل از انرژی سوخت خواهد شد اما ارزش جهش ایجاد شده در کاهش میزان آلاینده ها نسبت به افت اندک توان ایجاد شده قابل چشم پوشی می باشد. نام این سیستم یعنی  EGR یا بازگشت مجدد گازهای اگزوز نیز دقیقاً از همین جا می‌آید.

EGR  در اوایل دهه 70 میلادی که قوانین میزان آلایندگی موتورها و به ویژه موتورهای دیزل که در آن زمان نمادی از آلایندگی بودند سخت‌تر می‌شد مورد توجه جدی قرار گرفت. استفاده از این سیستم به مرور از دهه 80  گسترده‌تر شد و حتی بر روی برخی موتورهای بنزین‌سوز هم نصب گردید. اما اکنون عمده موتورهای دیزل جهان که قوانین زیست محیطی Tier3 ( Stag 3) و یا Euro4 را پاس می کنند چه در خودروهای سبک و چه در خودروهای سنگین از این سیستم برای کاهش آلایندگی موتور بهره می‌گیرند.

اساس کار EGR همان‌گونه که گفتیم بر مبنای بازگشت بخشی از گازهای خروجی موتور به محفظه احتراق می باشد. میزان بازگشت گازهای خروجی بسته به دور موتور ، میزان اکسیژن باقیمانده در دود خروجی ، دمای محیط ، دمای موتور ، ارتفاع محیط و… می باشد.

برای این منظور به بیان ساده یک مدار فرعی از خروجی اگزوز موتور می‌گیرم که می‌تواند بخشی از گازهای خروجی را از مسیر اصلی جدا ، آن را خنک کرده و به مسیر منیفولد هوای موتور وارد کند. همان‌گونه که ذکر شد EGR باید بتواند دمای احتراق را کاهش دهد اما با توجه به دمای بالای گازهای در حال خروج از موتور ( در برخی موتورها این دما بیش از 700 درجه سانتیگراد می باشد. )، اگر گاز خروجی موتور مستقیما به محفظه احتراق بازگردد عملاً نه تنها دما کاهش پیدا نمی‌کند بلکه موجب افزایش دمای محفظه احتراق هم خواهد شد.

به همین دلیل یک خنک‌کن (بخشی شبیه به رادیاتور) در مسیر نصب می‌شود تا گازهای اگزوز را پیش از ورود دوباره به منیفولد خنک کند تا از این طریق گازهای اگزوز هم با دمای کمتری وارد موتور گردند ( دمای ایده آل 80 تا 110 درجه سانتیگراد می باشد ) و هم فشرده‌تر شوند.

این خنک‌کن در برخی موتورهای سبک تنها بوسیله هوای محیط خنک می‌شود اما در مدلهای سنگین یک مدار جداگانه از سیستم خنک کاری موتور به این بخش کشیده می‌شود تا عملاً وظیفه کاهش دمای گازهای برگشتی را آب موتور بر عهده داشته باشد. در مسیر این خنک‌کن یک سوپاپ مخصوص وجود دارد که می‌تواند هوا را در مواقع لازم ( مثلا راه اندازی اولیه ماشین ) به طور مستقیم و بدون ورود به خنک‌کن به منیفولد ورودی برساند ضمن آنکه سوپاپی نیز در مسیر وجود دارد که وظیفه کنترل جریان گازهای اگزوز در مسیر را بر عهده دارد و به سوپاپ EGR  معروف است.

به این ترتیب بخشی از گازهای خروجی اگزوز پس از سرد شدن و فشرده‌تر شدن در مسیر هوای ورودی موتور وارد می‌شوند و می‌توانند با کاهش دمای احتراق، تولید NO_X را کاهش دهند.

مزایای جانبی سیستم EGR 

اکنون که ساختار کلی EGR و چگونگی کارکرد آن را بررسی کردیم زمان مناسبی است که EGR را در عمل مورد بررسی قرار دهیم چرا که علاوه بر مزیت بزرگ کاهش آلودگی  NO_X، EGR از روش‌های دیگری هم به بهبود عملکرد موتور کمک می‌کند.

همانگونه که می دانید بازده بهینه موتورها در دمای ایده‌آل موتور صورت می گیرد این دما برای موتورهای بنزینی در محدوده 75-73 و در موتورهای دیزل 81-79 درجه سانتیگراد می باشد. موتورهای درون سوز در زمان آغاز به کار و لحظاتی که دمای موتور هنوز به دمای کارکرد ایده‌آل نرسیده است دچار احتراق ناقص می شوند که این مسأله در مورد موتورهای دیزل مشهودتر است چرا که اساس کار این موتورها نه بر مبنای جرقه شمع که بر مبنای اشتعال ناشی از دمای بالای محفظه احتراق است.

مدامی که هوای ورودی ، سوخت و بلوک موتور سرد هستند حجم آلایندهای موجود در گازهای خروجی بالا است که این مسأله را در نمونه‌های سنگین می‌توان با خروج دود سیاه رنگ از اگزوز دید. از سوی دیگر در صورت وجود کاتالیست‌ در مسیر دود خروجی موتور این کاتالیست هم در زمان سرد بودن نمی‌تواند به خوبی به وظیفه خود عمل کنند و برای فعال شدن نیاز به افزایش دمای موتور و دمای گازهای خروجی می باشد بنابراین یک موتور سرد به ویژه اگر دیزلی باشد مستعد آلایندگی بالایی است و گرم کردن سریع‌تر موتور در کاهش هر چه بیشتر این آلایندگی موثر خواهد بود.

در موتور های دارای سیستم بازگشت گازهای خروجی در شروع کار موتور ، با توجه به دمای موتور و دمای گازهای خروجی توسط حسگرهای ویژه‌ای که به همین منظور طراحی شده است، سیستم مدیریت EGR وارد فاز گرم کردن موتور یا Warm Up می‌شود. و با برگشت مستقیم گازهای خروجی نسبتا گرم به هوای ورودی موتور سبب گرم تر شدن هوا ورودی به موتور و در نتیجه امکان رسیدن سریع موتور به دمای ایده‌آل و کوتاه شدن چرخه تولید آلاینده ها در ابتدای راه اندازی ماشین می گردد.