Система EGR полезна или вредна? Что будет, если ее заглушить? Попробуем разобраться в этом вопросе.
Недавно на одном форуме поклонников больших зеленых автомобилей в теме о тюнинге двигателей разгорелся спор о системе EGR. Меня пригласили высказать свое мнение на этот счет, что я и сделал. Но спустя пару дней споры не утихли и, кажется, я только подлил масла в огонь. Что ж, раз эта тема настолько животрепещущая, давайте распалим огонь наших задниц и попробуем разобраться подробно, как работает эта система, зачем она сделана, как помогает или вредит двигателю и нужно ли ее отключать, глушить, вырезать и всячески выкорчевывать из своего двигателя? Погнали!
Что за зверь этот EGR
Аббревиатура EGR расшифровывается как Exhaust Gas Recirculation. По-русски это означает рециркуляцию выхлопных газов или систему этой рециркуляции, потому что в двигателях это действительно система из разных агрегатов и деталей, назначение которых мы далее рассмотрим.
Сделана эта система для того, чтобы брать часть выхлопа и подавать его обратно во впуск двигателя, чтобы выхлопные газы попадали в цилиндры и участвовали в процессе горения смеси топлива и воздуха. Обычно еще говорят, что она сделана чтобы уменьшать выбросы оксидов азота NOx.
В самом простом варианте система представляет из себя трубку от выпускного коллектора к клапану, сам клапан и трубку от клапана к впускному коллектору. Исполнена она может быть в сотнях разных вариаций - где-то клапан находится сразу на одном из коллекторов, где-то отсутствует одна из трубок, трубка забора выхлопа может быть как в выпускном коллекторе перед катализатором, так и после него или даже после сажевого фильтра. Где-то трубок нет вовсе и есть только клапан, который перекрывает канал, отлитый непосредственно в ГБЦ. Вариантов много, но всегда присутствует клапан. Он отвечает за то, сколько выхлопных газов пропускает система и управляется чаще всего электрически или электромеханически.
Зачем двигателю нюхать свой выхлоп?
Быстрый ответ “потому что так решили инженеры” или “чтобы снизить выбросы” не подходит. Мы с вами ребята в хорошем смысле дотошные, поэтому попробуем разобраться на конкретных примерах и в конкретных ситуациях.
Начнем с дизелей, потому что мой блог и опыт именно про этот тип двигателей, а потом порассуждаем про бензинки, потому что эта система актуальна для машин на обоих видах топлива. Забегая вперед, скажу что актуальна она, похоже, будет и для топлива будущего - водорода и аммиака. Но вернемся в наше время к нашим любимым тракторам.
Мы с вами помним, что дизельный двигатель управляется топливом - засасывает столько воздуха, сколько сможет, а потом впрыскивает туда топливо, ровно столько, сколько нужно для обеспечения запрашиваемого крутящего момента.
Подробно я писал об этом в статье про работу дизельного двигателя
Получается что в цилиндре всегда будет избыток воздуха, значит не весь кислород будет соединяться с топливом, а часть его будет оставаться. Воздух, если вспомнить школьную физику, состоит в основном из азота N2 - 75% и кислорода O2 - 23%. Соотношения по массе, взяты из Википедии и округлены. Температура при горении топлива тысяча с копейками градусов Цельсия, пиковое давление в камере сгорания может быть в районе 100-250 атмосфер. Если вспомним школьную же химию, то там нас учили, что при высокой температуре и давлении могут начинаться реакции, которые не протекают при нормальных условиях - комнатной температуре и атмосферном давлении.
И именно эта реакция и происходит в наших цилиндрах - при высокой температуре и давлении азот из воздуха начинает соединяться с кислородом, образовывая разные оксиды азота: NO, NO2, NO3, все вместе их называют NOx. Оксиды азота, помимо того, что являются ядом сами по себе, могут соединяться с водой, образовывая азотную кислоту. А еще они обладают мизерным парниковым эффектом. Газы вредные и ядовитые, значит срочно надо запретить снизить их выбросы!
Нормы Евро5 устанавливают предельно допустимое количество выбросов оксидов азота в 0.18 г/километр. При движении в каком-то заданном режиме, скорее всего очень плавном и равномерном, при минимальном потреблении топлива. Но это не важно, нормы есть нормы, их нужно выполнять. Требования по выбросам оксидов азота появились с норм Евро3, где их допускалось 0.5г/километр, примерно тогда же стали оснащать машины системами EGR.
За счет чего снижаются выбросы
Если в наших цилиндрах есть “лишний” кислород, который так и норовит соединиться с азотом, значит надо его убрать, но как это сделать? Отфильтровать из воздуха не получится - промышленную установку по сжижению воздуха не поставишь в машину. А вдобавок, машины без проблем потребляют по 500-1000 и больше килограммов воздуха в час на больших мощностях.
Как всегда инженеры нашли для этой проблемы элегантное решение - заменить часть воздуха выхлопными газами, содержание кислорода в которых уже низкое. Получается что в цилиндр подается воздух, необходимый для сжигания запрошенного количества топлива, с небольшим запасиком, а весь остальной воздух замещается выхлопом. Горение происходит как обычно - воздуха хватило, топливо сгорело полностью, а вот выхлоп просто сжался, нагрелся еще разок и вылетел из двигателя в неизменном виде. Именно неизменном - выхлопные газы не дожигаются, потому что гореть в них уже нечему, если конечно машина исправна. Они нужны просто как инертное наполнение “лишнего” объема.
Кислород не дали, с азотом он не соединился, выбросы не образовались. Крутящий момент получили все равно, как говорится профит! Зафиксировали.
EGR снижает количество выбросов NOx в выхлопных газах
Еще все постоянно говорят, что подача выхлопных газов в цилиндр снижает температуру горения. Так ли это и как это может помочь снижению выбросов?
Кратко я отвечал на этот вопрос в своей статье про экологические системы, можно освежить память
Если мы заменяем часть воздуха/кислорода выхлопом, то реакция горения будет протекать медленнее - молекулам топлива и кислорода нужно будет дольше искать друг друга чтобы сгореть, значит энергия от сгорания выделится не так резко и пиковая температура будет ниже, потому что стартовая энергия уже будет толкать поршень и совершать работу.
Обращаю внимание - если топливо горит медленно или быстро, выделяется одно и то же количество энергии. Все зависит от того, как резко оно выделится и успеет потратиться на нагрев железок двигателя и совершение работы или при резком сгорании все уйдет в нагрев газов в цилиндре и увеличение их давления. Если температура будет ниже, значит меньше вероятность образования оксидов азота - и это еще один плюс в копилку работы над снижением выбросов. Что именно влияет сильнее - температура или отсутствие лишнего кислорода - вопрос открытый. Я склоняюсь к последнему, но мне интересно выслушать и ваше мнение - напишите в комментарии.
Но если у нас снижается пиковая температура сгоревших газов, значит у нас снизится и пиковое давление (представим что горение происходит при мало изменяющемся объеме), а значит что у нас будет и ниже крутящий момент - вот это уже минус. Получается, что снижая количество выбросов мы уменьшаем максимальный крутящий момент. Значит, если мы захотим достигнуть пиковых значений, выхлоп в цилиндре будет нам мешать. Запомнили.
EGR снижает крутящий момент
Как еще EGR может повлиять на работу двигателя?
Мы разобрались, что при наличии выхлопа в цилиндре в момент сгорания, мы не получим того же пикового давления, как получили бы на чистом воздухе. Значит что с работающим EGR будет ниже нагрузка на поршень, шатун, вкладыши, масляную пленку и коленвал. Ниже крутящий, момент, но при этом и меньше скачок давления, а значит что двигатель будет работать мягче. Для тракторов это может быть актуальным - EGR может снизить шумность работы двигателя, вибрации и сделать его работу мягче.
EGR позволяет снизить шумность работы дизеля и сделать его работу мягче
Если выхлопные газы горячие, а даже на холостых, на только что заведенном и холодном дизеле, температура выхлопа будет в районе 100-150 градусов, то можно с их помощью разогреть воздух, подаваемый в камеру сгорания, чтобы облегчить работу двигателя в первые моменты после запуска в холодную погоду. Допустим у нас есть четырехцилиндровый 2.0 TDI, объем цилиндра в нем примерно 500 мл. В каждый цилиндр можно загнать округляя 500 г воздуха, потому что двигатель на холостых работает в атмосферном режиме, а у воздуха есть достаточно времени чтобы залететь в цилиндр и наполнить его. На холостых оборотах двигателю нужно будет обеспечивать около 50 Нм внутреннего крутящего момента, что соответствует цикловой подаче в 8.33 мг/такт. Для чистого сжигания этого количества топлива нужно примерно 170 мг воздуха. Значит мы можем подать в цилиндр 330 мг выхлопа, чтобы заместить остатки объема. Не видел, чтобы в цилиндры подавали больше 50% выхлопа, поэтому будем считать что у нас 250 мг воздуха при температуре 0 градусов ц
Цельсия и 250 мг воздуха температурой, допустим 80 градусов. Машина холодная, впуск еще не нагрелся, а выхлоп теряет часть тепла, пролетая по всем каналам, пока не достигнет цилиндра. Значит что температура смеси воздуха и выхлопа будет уже 40 градусов, при сжатии она дополнительно нагреется, но исходная температура уже достаточная для качественного поджига дизельного топлива. Получается что с работающей системой ЕГР двигателю легче работать в первые минуты после холодного запуска, пока не прогрелась ГБЦ. Еще один плюс.
EGR позволяет холодному двигателю работать мягче в первые минуты после запуска
Что еще можно придумать? Вспомним горение топлива и то, что лишний кислород воздуха может соединиться с азотом. Реакция присоединения кислорода к азоту эндотермическая - значит что во время этой реакции поглощается энергия. Давайте попробуем прикинуть, а сколько именно и значимо это или нет?
Термохимическая реакция соединения азота и кислорода выглядит так:
N2 + O2 = 2NO - 180.5 кДж/моль
Отрицательное значение энергии говорит о том, что энергия будет поглощаться. Давайте попробуем прикинуть, сколько энергии потребуется на образование оксидов азота. Для начала надо понять, сколько его будет вообще образовываться? Не будем погружаться в расчеты слишком сильно, просто посмотрим на содержание оксидов азота на холостом ходу на работающем двигателе. По штатным датчикам NOx на примере passat B8, на холостых в выхлопе будет примерно 220 ppm оксидов азота. Ppm - это parts per million - количество частиц на миллион. Допустим у нас было 500мг воздуха, 75.5% из него это азот, значит в нем было 377 мг азота N2. Молярная масса азота 14 г/моль, значит у нас в цилиндре 0.027 моль азота. Он сгорел не весь, оксидом азота стало 0.022% от этого количества, причем количество молекул оксида в два раза больше количества исходных молекул азота, значит сгорело 0.00000297 моль азота. И на это горение потребовалось 0.53 Джоуля энергии. Удельная теплота сгорания дизельного топлива 44 Дж/мг сожгли мы 7.25 мг, значит на реакцию образования оксида азота мы потратили 0.16% теплоты от сгорания нашего топлива.
Выдыхаем, расчеты закончились, дальше проще - если мы заменим половину воздуха выхлопными газами, значит потратим в два раза меньше теплоты на эту реакцию, а это аж 0.08%! Погрешности в расчетах двигателя обычно в 50 раз больше. Так что делаем вывод.
EGR не экономит топливо на отсутствии реакции образования NOx
Современные двигатели помимо прямой подачи EGR от выхлопа к впуску, часто обладают еще и системой EGR низкого давления. Выхлопные газы, проходят через теплообменник, затем регулируются клапаном и после этого попадают в цилиндры в охлажденном виде. Это снижает и температуру и давление газов, значит их можно будет добавить в цилиндры больше и система сделана только для этого - хорошенько наполнить цилиндр. Но в этом случае есть один побочный эффект - выхлопные газы нагревают антифриз в теплообменнике. Многие считают, что это помогает прогреться двигателю, а иногда даже что без EGR двигатель будет мерзнуть. Придется нам еще немного посчитать.
Для простоты будем округлять и допускать. Теплоемкость выхлопных газов 1200 кДж/кг. Допустим что у нас вместо антифриза залита вода теплоемкостью 4200 кДж/кг. У антифриза этот показатель будет меньше - воду никто не может обогнать. На холостом ходу в 840 оборотов мы наполняем половину цилиндра выхлопом. До теплообменника его температура 150 С, после 80 С. Плотность выхлопа 0.93 кг/м3. Значит что у нас через теплообменник пролетает 11.83 кг/ч выхлопных газов. Пролетая, они отдают 1.13 МДж/ч энергии - это уже некисло так. Допустим что у нас в системе 10 килограммов воды вместо антифриза. Итого, если у нас будут отсутствовать потери тепла и теплообменник будет работать только на нагрев антифриза, то за 15 минут работы на холостом ходу он нагреет наш объем антифриза на примерно 6 градусов. С учетом потерь это значение составит всего пару градусов.
Никакого значимого эффекта теплообменник EGR в прогрев двигателя не вносит
А вот проблем теплообменник доставить может - нередко они прогорают и становятся причиной утечки антифриза. Хорошо что утекает он просто в трубу выхлопа, но из-за этого становится сложно диагностировать проблему. И конечно часть выхлопа может попасть в антифриз - а это уже напрямую вредит уплотнениям системы охлаждения.
Раз уж затронули проблемы, то давайте попробуем разобрать их.
Какие же у системы минусы и почему ее вечно хотят отключить?
Все мы видели фотографии забитых сажей клапанов ЕГР и сразу же представляли себе весь свой остальной двигатель изнутри. К сожалению, для многих машин это действительно является реальностью. На дизелях без сажевого фильтра вся прилетающая сажа, которой пусть и немного на легких режимах работы двигателя, все равно прилетает во впуск и покрывает его тонким или совсем не тонким слоем. Это уменьшает сечение каналов как в патрубках, так и в ГБЦ, а интеркулер покрывает аккуратным одеялом, которое мешает теплообмену, что ведет к повышению температуры воздуха на впуске, уменьшению наполнения цилиндров и потенциально к его перегреву. Мойка всего впускного тракта потребует его снятия и больших затрат, поэтому многие предпочитают заглушить EGR, чтобы перекрыть поток сажи в свой двигатель. Совершенно здравое желание, если вы хотите продлить жизнь своему двигателю.
EGR на двигателях Евро3 и Евро4 сильно загрязняет весь впуск, что может привести к поломке двигателя
На двигателях с сажевым фильтром картина чуть лучше - основная сажа задерживается фильтром, но на самом деле не вся и в выхлоп все равно пролетают самые мелкие частички и делают все то же самое, просто медленнее. Если на Евро4 машинах можно увидеть “шубу” через тысяч 60, то на Евро5 аналогичную картину придется наблюдать на 150-200 тысячах пробега.
В дополнение к уменьшению сечений каналов и теплоизоляции, сажа может выступать в роли абразива, а это уже ситуация куда более серьезная. Она может попадать в направляющие клапанов, изнашивая их, внутри цилиндра попадать между стенкой цилиндра, и поршнем или между поршнем и поршневым кольцом, не помогая долговечности этих узлов.
Вы можете возразить, что при горении сажи образуется гораздо больше, чем при добавлении выхлопа в цилиндр после его очистки в сажевом фильтре и будете правы. Но есть нюанс - когда идет горение и сажа находится в цилиндре, поршень двигается вниз и частички сажи, которые пытаются залезть между кольцом и цилиндром не успевают пролезть, их оттуда выталкивает. Не все конечно, но достаточно большую часть. А вот когда поршень идет вверх, все, что попадает между ним и цилиндром набивается в зазоры куда активнее.
EGR может увеличить износ направляющих клапанов и цилиндро-поршневой группы
Обычно грязь в двигателе является самым главным минусом системы ЕГР, из-за которого её отключают - чтобы увеличить ресурс двигателю. А если двигатель уже грязный, то отключить эту системы обычно проще и что самое главное - дешевле, поэтому многие делают этот выбор.
Развеем оставшиеся мифы
Кто-то боится отключать EGR потому что считает, что это повлияет на работу сажевого фильтра и, самое главное, его прожиг. Поспешу уверить, при прожиге EGR как раз отключается и перестает работать, потому что задача в начале прожига - поднять температуру сажевого фильтра. Для этого поднимают температуру горения, подавая в цилиндры чистый воздух, делают поздний поджиг топлива, чтобы оно улетало в выхлоп еще догорая и добавляют поздний впрыск топлива, уже после окончания основного рабочего такта. Это топливо догорает на катализаторе и еще сильнее разогревает выхлоп. Все эти меры сделаны чтобы разогреть сажевый фильтр до температуры в 700 С как можно быстрее, а после этого поддерживать температуру, не забывая оставлять в цилиндрах избыток воздуха, чтобы он мог долетать до сажевого и раздувать там угольки. Во время прожига ЕГР закрыт и не мешает.
EGR не участвует в прожиге сажевого фильтра и его отключение не меняет работу прожига.
Еще люди считают, что повышение температуры горения смеси в цилиндре снижает общий ресурс двигателя и пагубно на него влияет. Чтобы развеять этот миф, нужно понять, что система ЕГР работает только на малых нагрузках и небольших оборотах двигателя. Когда водителю нужно получить максимальный крутящий момент и мощность, двигатель работает на чистейшем воздухе, а топлива в него подается столько, что горение идет при температурах, которые заметно выше, чем при горении с отключенным ЕГР на холостых или малых нагрузках. И двигатель рассчитан с запасом, чтобы работать как раз на больших нагрузках, поэтому не стоит бояться, что отключение ЕГР повлияет на ресурс.
Повышение температуры горения после отключения EGR не влияет на ресурс двигателя
Миф номер три - без подпора давления в выхлопе за счет заслонки ЕГР турбина будет хуже работать и не сможет раздуться. Действительно, в выхлопной трубе машин с сажевым фильтром и теплообменником ЕГР ставят заслонку, которая повышает давление в выпускной системе. Делается это чтобы продавить нужный поток выхлопа через теплообменник ЕГР и доставить до цилиндров - самотеком идти не будет. Заслонка нужна только для этого. А вот противодавление в выхлопе для турбины как раз вредно и самый лучший сценарий работы для турбины - это если она выбрасывает из себя выхлоп сразу в атмосферу. Если нет противодавления, то она не перегревается и в целом работает в более спокойных режимах.
Отключение заслонки EGR в выхлопе не повлияет на работу турбины и продувку двигателя
И, наверное последний и главный из мифов - многие считают, что поток выхлопных газов через систему EGR можно просто заглушить механически и двигатель будет дальше работать нормально. К сожалению нет. При физическом отключении системы EGR, ее обязательно нужно отключать и программно, иначе двигатель будет работать в аварийном для себя режиме. Причем относится это как к дизелям, так и к бензиновым моторам. Интересно, что часто систему EGR можно отключить только программно. И всегда закрытый клапан будет прекрасно механически ограничивать поток выхлопных газов.
При механическом отключении системы EGR ее обязательно нужно отключать программно
Работа EGR на бензиновом двигателе
Не устали еще? Осталось немного. Поговорили про дизели, пора пробежаться и о влиянии нашей системы на бензиновые двигатели. И в первую очередь хочется вернуться к основе работы бензинового двигателя - он управляется воздухом. Дроссельная заслонка или любые похожие системы регулируют, сколько воздуха попадет в цилиндр. А потом уже на этот объем воздуха впрыскивается необходимое для получения стехиометрической смеси 14.7:1 количество топлива. Правильно настроенный бензиновый двигатель будет почти всегда работать на идеальной смеси или на обедненной смеси в специальных режимах экономии топлива.
Главная проблема бензинового двигателя - насосные потери. Поршням приходится создавать вакуум во впускном коллекторе, т.к. в него не попадает достаточное количество воздуха. Этот вакуум стремится замедлить движение поршней вниз. Система ЕГР может прекрасно помочь справиться с этой проблемой. Дросселем можно ограничить подачу свежего воздуха, а оставшийся объем заполнить инертным по отношению к топливо выхлопом. В итоге во впускном коллекторе будет меньше вакуум, уменьшатся насосные потери, что приведет к экономии топлива в целом.
EGR уменьшает насосные потери и улучшает экономичность бензиновых двигателей
Многие блогеры еще приводят в пример, что наличие выхлопа в цилиндре, позволяет снизить температуру горения и тем самым снизить вероятность детонации. Вот тут уже точно не отвечу, но предлагаю порассуждать на этот вопрос. С одной стороны детонация у нас возможна под большими нагрузками - когда в цилиндрах максимально много воздуха и топлива, но добавлять в эту смесь выхлоп мы сами не захотим, потому что это снизит мощность и крутящий момент, будем бороться с детонацией другими способами. С другой стороны, двигатель на частичных нагрузках может работать с заведомо обедненной смесью, чтобы повысить топливную экономичность. Бедные смеси как раз склонны к детонации, поэтому наличие выхлопа в таких режимах может быть полезным.
EGR может снижать вероятность детонации при работе на сверх бедных смесях на малых нагрузках
К бензину не применим подход с выбросами оксидов азота, потому что лишнего воздуха в цилиндрах в бензине попросту нет. Снижение давления тоже не применимо, потому что главная задача цикла Отто - как раз максимально поднять давление в цилиндре в начале рабочего такта.
Итоги
Давайте резюмируем, нужно ли отключать систему ЕГР и чем это чревато?
- EGR снижает количество выбросов NOx в выхлопных газах
- EGR позволяет снизить шумность работы дизеля и сделать его работу мягче
- EGR позволяет холодному двигателю работать мягче в первые минуты после запуска
- Никакого значимого эффекта теплообменник EGR в прогрев двигателя не вносит
- EGR уменьшает насосные потери и улучшает экономичность бензиновых двигателей
- EGR может снижать вероятность детонации при работе на сверх бедных смесях на малых нагрузках
- EGR снижает крутящий момент
- EGR не экономит топливо на отсутствии реакции образования NOx
- EGR на двигателях Евро3 и Евро4 сильно загрязняет весь впуск, что может привести к поломке двигателя
- EGR может увеличить износ направляющих клапанов и цилиндро-поршневой группы
- EGR не участвует в прожиге сажевого фильтра и его отключение не меняет работу прожига
- Повышение температуры горения после отключения EGR не влияет на ресурс двигателя
- Отключение заслонки EGR в выхлопе не повлияет на работу турбины и продувку двигателя
- При механическом отключении системы EGR ее обязательно нужно отключать программно
Сама система рециркуляции отработавших газов хорошая, если она и двигатель исправны и обслужены. Обслуживание этой системы может влететь в копеечку, поэтому часто ее проще отключить. А если вы планируете ездить на машине долго, то можно отключить и не дожидаясь проблем с двигателем.
EGR позволяет снизить выбросы, но только в режиме частичных нагрузок - толкание в пробках на холостых, движение равномерно на небольшой скорости без ускорений и торможений.
Экологию нужно беречь. Если вы передвигаетесь плавно, то сможете внести свой вклад в ее сохранность. Если вы любите ехать быстро по трассе, то ЕГР у вас попросту не будет работать из-за нагрузки на двигатель, пачкать двигатель, кстати, тоже не будет.
Надеюсь, что каждый сделает свои собственные выводы и примет решение про эту систему. А я лишь пожелаю вам ездить и получать от этого удовольствие и чтобы ваши машины работали долго и исправно.
Увидимся в комментариях и следующих статьях!