بازچرخانی گازهای اگزوز (EGR): تکنولوژی کاهش آلایندگی خودروها

در دهه‌های اخیر، با افزایش نگرانی‌های زیست‌محیطی و مقررات سختگیرانه‌تر درباره آلاینده‌های خروجی موتورهای احتراق داخلی، فناوری‌های نوینی جهت کاهش تولید گازهای مضر معرفی شده‌اند. یکی از مهم‌ترین و مؤثرترین این فناوری‌ها، سیستم بازچرخانی گازهای اگزوز یا EGR (Exhaust Gas Recirculation) است. این مقاله به بررسی جامع تکنولوژی EGR، نحوه عملکرد، مزایا، معایب و نکات فنی مربوط به آن می‌پردازد.

مقدمه‌ای بر بازچرخانی گازهای اگزوز (EGR)

بازچرخانی گازهای اگزوز یک روش کنترل انتشار آلاینده‌ها است که طی آن بخشی از گازهای خروجی از موتور به داخل منیفولد ورودی بازگردانده می‌شود. این فرآیند باعث کاهش دمای احتراق و در نتیجه کاهش تولید اکسیدهای نیتروژن (NOx) می‌شود که یکی از آلاینده‌های مهم هوا به شمار می‌روند.

چرا کاهش NOx اهمیت دارد؟

اکسیدهای نیتروژن (NOx) شامل گازهایی مانند NO و NO2 هستند که نقش مهمی در آلودگی هوا، ایجاد باران اسیدی و مشکلات تنفسی دارند. موتورهای احتراق داخلی، خصوصاً دیزلی، در دماهای بالای احتراق میزان زیادی NOx تولید می‌کنند. تنظیم دقیق دمای احتراق با استفاده از سیستم EGR سبب کاهش قابل توجه انتشار این آلاینده‌ها می‌شود.

نحوه عملکرد سیستم EGR

ساختار کلی سیستم EGR

سیستم بازچرخانی گازهای اگزوز از چند بخش اصلی تشکیل شده است:

• شیر EGR: که جریان گازهای اگزوز را به داخل منیفولد ورودی کنترل می‌کند.
• کانال یا لوله EGR: که گازهای اگزوز را از قسمت خروجی به ورودی موتور منتقل می‌کند.
• خنک‌کننده EGR (EGR Cooler): در بسیاری از خودروها وجود دارد که دمای گازهای برگشتی را کاهش می‌دهد تا اثر بهتری در کاهش دمای احتراق داشته باشند.

فرآیند بازچرخانی گازها

در حین کارکرد موتور، بخشی از گازهای خروجی از طریق کانال EGR به داخل منیفولد ورودی بازگردانده می‌شوند. این گازها عمدتاً شامل دی‌اکسید کربن و بخار آب هستند که خاصیت غیرفعالی در احتراق دارند. با حضور این گازهای خنثی در داخل مخلوط هوا و سوخت، دمای احتراق کاهش یافته و پدیده تولید NOx مهار می‌شود.

نحوه کنترل جریان EGR

امروزه اغلب خودروها از شیرهای EGR الکترونیکی استفاده می‌کنند که با دریافت سیگنال از واحد کنترل موتور (ECU) میزان دقیق گازهای برگشتی را تنظیم می‌کنند. این کنترل دقیق کمک می‌کند تا کارایی موتور حفظ شده و مصرف سوخت بهینه باقی بماند.

انواع سیستم‌های EGR

EGR داخلی (Internal EGR)

در این نوع سیستم، بخشی از گازهای خروجی به واسطه طراحی سوپاپ‌ها و زمان‌بندی احتراق، بدون نیاز به لوله‌کشی مجزا وارد محفظه احتراق می‌شوند. این روش بیشتر در موتورهای دو زمانه کاربرد دارد.

EGR خارجی (External EGR)

سیستم خارجی متداول‌تر است و از طریق یک کانال مجزا گازهای اگزوز به ورودی موتور هدایت می‌شوند. این نوع امکان نصب خنک‌کننده گازهای اگزوز را نیز فراهم می‌کند و دقت بیشتری در کنترل جریان گاز بازچرخانی شده دارد.

EGR خنک شده (Cooled EGR)

در این سیستم بخشی از گازهای اگزوز پس از خروج از موتور به داخل رادیاتور EGR منتقل می‌شوند تا دمای آنها کاهش یافته و سپس به ورودی موتور بازگشت داده شوند. این روش یکی از پیشرفته‌ترین تکنولوژی‌های کاهش NOx است و جهت خودروهای دیزلی با حجم موتور بالا بسیار کارآمد است.

مزایای استفاده از سیستم EGR

• کاهش آلایندگی: مهم‌ترین هدف استفاده از EGR، کاهش تولید اکسیدهای نیتروژن است که به طور قابل توجهی آلودگی هوا را کاهش می‌دهد.
• بهبود کارایی سوخت: با کاهش دمای احتراق و کنترل بهتر فرآیند احتراق، مصرف سوخت بهینه می‌شود.
• کاهش ضربه احتراق (Knocking): حضور گازهای بازچرخانی شده باعث کاهش دمای شعله و ضربه احتراق در موتورهای بنزینی می‌شود.
• تنظیم بهتر ترکیب هوا و سوخت: EGR به موتور اجازه می‌دهد تا با نسبت مناسبی از اکسیژن و احتراق، راندمان بهتری داشته باشد.

معایب و مشکلات سیستم EGR

جمع شدن رسوبات و گرفتگی کانال‌ها

گازهای اگزوز حاوی ذرات کربنی و مواد ناخواسته‌ای هستند که به مرور زمان در کانال‌ها و شیر EGR رسوب می‌کنند. این موضوع می‌تواند باعث افت عملکرد سیستم و گرفتگی آن شود که در نتیجه موتور دچار مشکل خواهد شد.

اثر بر روی عملکرد موتور

بازگشت گازهای برگشتی باعث رقیق شدن مخلوط هوا-سوخت شده و ممکن است در برخی شرایط منجر به کاهش قدرت موتور، پاسخ‌دهی کند و افزایش دود خروجی گردد.

افزایش دمای روغن و قطعات موتور

در صورت نقص در سیستم خنک‌کننده EGR یا کارکرد نامناسب آن، دمای موتور می‌تواند افزایش یافته و به قطعات آسیب برساند.

جزئیات فنی و نکات کاربردی درباره EGR

کنترل الکترونیکی توسط ECU

واحد کنترل موتور (ECU) با دریافت پارامترهایی مانند دمای موتور، دور موتور، زاویه پروانه گاز و بار موتور، تصمیم می‌گیرد که چه مقدار گاز اگزوز باید بازچرخانی شود. این کنترل هوشمند جلوی مشکلاتی مانند ورود بیش از حد گازهای برگشتی و افت توان موتور را می‌گیرد.

مکانیزم شیر EGR

شیرهای EGR معمولاً از نوع برقی یا وکیومی ساخته می‌شوند. شیرهای وکیومی قدیمی‌تر، با استفاده از خلأ موتور باز و بسته می‌شوند اما شیرهای الکترونیکی دقت بسیار بالاتری دارند و پاسخ سریع‌تر دارند. به عنوان مثال، شیر EGR در خودروهای جدید مانند پراید و پژو 206 از نوع برقی است که توسط ECU کاملاً کنترل می‌شود.

خنک‌کننده EGR (EGR Cooler)

EGR Cooler یک المان مهم در سیستم‌های EGR مخصوصاً موتورهای دیزلی است که به شکل مبدل حرارتی بین گازهای اگزوز و مایع خنک‌کننده موتور عمل می‌کند و دمای گازهای بازگشتی را تا حدود 100 درجه سانتیگراد کاهش می‌دهد. این کار باعث کاهش دمای مخلوط هوا-سوخت و بهبود عملکرد سیستم می‌شود.

مثال کاربردی: سیستم EGR در موتور دیزل 1.6 لیتری

در موتورهای دیزلی 1.6 لیتری موجود در برخی خودروهای اروپایی، سیستم EGR خنک شده به صورت زیر عمل می‌کند:

1. 41% گازهای اگزوز پس از خروج از منیفولد اگزوز به واسطه شیر EGR به کانال EGR وارد می‌شود.
2. گازهای اگزوز از داخل مبدل حرارتی یا EGR Cooler عبور می‌کنند و دمای آنها از حدود 450 درجه به 150 درجه سانتیگراد کاهش می‌یابد.
3. گازهای خنک شده وارد منیفولد ورودی شده و با هوای تازه مخلوط می‌شوند.
4. این مخلوط کم دما و غنی از CO2 دمای احتراق را کاهش داده و میزان NOx تولیدی به‌طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد.

نگهداری و عیب‌یابی سیستم EGR

علائم خرابی سیستم EGR

• افزایش مصرف سوخت
• افت شتاب و توان موتور
• روشن شدن چراغ چک موتور (MIL)
• ایجاد دود سیاه یا سفید از اگزوز
• رسوبات کربنی در دریچه گاز و منیفولد ورودی

روش‌های نگهداری

رسوب‌زدایی منظم دریچه EGR و کانال‌های مرتبط با استفاده از محلول‌های مخصوص، بررسی عملکرد شیر EGR با دستگاه دیاگ، و تعویض به موقع قطعات معیوب از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

عیب‌یابی رایج

• باز بودن دائمی شیر EGR: منجر به روشن شدن چراغ چک و افزایش مصرف سوخت می‌شود.
• مسدود شدن کانال EGR: کاهش راندمان سیستم و افزایش NOx خروجی.
• نشتی در سیستم خنک‌کننده EGR: افزایش دمای گازها و احتمال آسیب به موتور.

نتیجه‌گیری

سیستم بازچرخانی گازهای اگزوز (EGR) یکی از فناوری‌های کلیدی در کاهش آلاینده‌های محیط زیستی موتورهای احتراق داخلی است. این سیستم با بازگرداندن بخشی از گازهای خروجی به داخل موتور، دمای احتراق را کنترل کرده و تولید گازهای مضر NOx را کاهش می‌دهد. با این حال، نیازمند نگهداری مستمر و کنترل دقیق عملکرد است تا از معایب ناشی از رسوبات و افت کارایی جلوگیری شود. پیشرفت‌های اخیر در طراحی شیرهای EGR و استفاده از خنک‌کننده‌ها، نقش مهم‌تری در افزایش کارایی و کاهش آلایندگی خودروهای امروزی دارند.