Bαλβίδες EGR

Η ανακυκλοφορία καυσαερίων (EGR) είναι η πιο διαδεδοµένη τεχνολογία για τη µείωση των εκποµπών οξειδίων του αζώτου (NOx) σε κινητήρες εσωτερικής καύσης.

Η βαλβίδα EGR παίζει ζωτικό ρόλο στην προώθηση της καθαρότερης ποιότητας αέρα, στη βελτίωση της απόδοσης καυσίµου και στη διασφάλιση της συµµόρφωσης µε τους περιβαλλοντικούς κανονισµούς στα σύγχρονα αυτοκίνητα.

Οι βαλβίδες EGR µειώνουν τις εκποµπές NOx ανακυκλοφορώντας µέρος των καυσαερίων που παράγονται κατά την καύση, εισάγοντάς τα ξανά στην πολλαπλή εισαγωγής του κινητήρα. Τα αυτοκίνητα που δεν είναι εξοπλισµένα µε σύστηµα EGR χρησιµοποιούν άλλες µεθόδους για τη µείωση των εκποµπών NOx. Η πιο κοινή µέθοδος είναι η ενσωµάτωση ενός καταλύτη SCR, ο οποίος απαιτεί AdBlue για την αποτελεσµατική µείωση των οξειδίων του αζώτου.

Η λειτουργία της βαλβίδας EGR συνίσταται στο να ανοίγει, υπό συγκεκριµένες συνθήκες, µία µικρή δίοδο ανάµεσα στην πολλαπλή εξαγωγής και στην πολλαπλή εισαγωγής, επιτρέποντας σε µία ποσότητα καυσαερίων να περάσει ξανά στην εισαγωγή του κινητήρα, αλλάζοντας τη χηµική σύνθεση του αέρα που εισέρχεται στον κύλινδρο. Η ποσότητα των καυσαερίων αντικαθιστά ένα µέρος του ατµοσφαιρικού αέρα στον θάλαµο  καύσης. Με λιγότερο οξυγόνο, το αραιωµένο πλέον µείγµα καίγεται πιο αργά, µειώνοντας τις θερµοκρασίες στο θάλαµο καύσης κατά σχεδόν 150°C, µε αποτέλεσµα τη µείωση του σχηµατισµού οξειδίων του αζώτου.

Τρόπος λειτουργίας

Στα σύγχρονα αυτοκίνητα η βαλβίδα EGR, δεν χρησιμεύει μόνο στη μείωση των εκπομπών οξειδίων του αζώτου, αλλά συμβάλλει και στη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου κατά τη λειτουργία με μεσαία και χαμηλά φορτία. Περιορίζει τις παρασιτικές απώλειες ισχύος λόγω άντλησης, όταν η πεταλούδα γκαζιού είναι σχεδόν κλειστή και ο αέρας εισέρχεται πιο δύσκολα στον κύλινδρο. Αυτές οι απώλειες άντλησης αναφέρονται στην απώλεια ισχύος που απαιτείται από τον κινητήρα για να δημιουργήσει υποπίεση στην πολλαλή εισαγωγής, όταν η πεταλούδα γκαζιού είναι κλειστή ή μερικώς κλειστή. Επίσης, λόγω της μείωσης των θερμοκρασιών στον θάλαμο καύσης, μειώνονται οι πιθανότητες για κρουστική καύση, οπότε μπορεί να αυξηθεί το αβάνς για καλύτερη απόδοση του κινητήρα.

Οι βαλβίδες EGR χρησιμοποιούνται σε συνθήκες χαμηλού φορτίου, καθώς η λειτουργία τους μπορεί να μειώσει την ισχύ του κινητήρα. Έτσι, η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου δεν ενεργοποιεί την EGR στις παρακάτω καταστάσεις λειτουργίας:

1. Σε πλήρες φορτίο ή κατά την απότομη επιτάχυνση
2. Κατά τη λειτουργία με κρύο κινητήρα
3. Στο ρελαντί

Ο ρυθμός ανακυκλοφορίας καυσαερίων είναι σημαντικά υψηλότερος στα πετρελαιοκίνητα αυτοκίνητα σε σύγκριση με τα βενζινοκίνητα. Ένας υψηλότερος ρυθμός ανακυκλοφορίας καυσαερίων συνεπάγεται μεγαλύτερο όγκο σωματιδίων ρύπων στο σύστημα καυσαερίων και αυξημένη συχνότητα λειτουργίας της βαλβίδας EGR. Αυτοί οι παράγοντες οδηγούν σε υψηλότερο ποσοστό αστοχίας της βαλβίδας EGR στα πετρελαιοκίνητα οχήματα.

Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι βαλβίδων EGR που χρησιμοποιούνται σε αυτοκίνητα:

1. Μηχανικές βαλβίδες EGR: Είναι οι πιο παραδοσιακοί τύποι βαλβίδων EGR και συχνά λειτουργούν μέσω διαφράγματος που συνδέεται με τα συστήματα εισαγωγής και εξαγωγής του κινητήρα. Ο έλεγχός τους γίνεται μέσω υποπίεσης.
2. Ηλεκτρικές βαλβίδες EGR: Τα πιο σύγχρονα αυτοκίνητα χρησιμοποιούν, συνήθως, ηλεκτρικές βαλβίδες EGR, οι οποίες ελέγχονται από ηλεκτρονικές μονάδες για τη διαχείριση της διαδικασίας με μεγαλύτερη ακρίβεια. Αυτές οι βαλβίδες μπορούν να προσαρμόσουν τη ροή των καυσαερίων με βάση παράγοντες όπως το φορτίο του κινητήρα, η θερμοκρασία και οι απαιτήσεις εκπομπών.

Πιο αναλυτικά,

• Ενεργοποίηση με κενό (Πνευματική)

Οι πνευματικές βαλβίδες EGR, που χρησιμοποιούνταν έως τα πρότυπα εκπομπών Euro 3, ήταν ο πιο απλός τύπος βαλβίδας EGR. Οι πρώτες εκδόσεις λειτουργούσαν μηχανικά, χωρίς ηλεκτρικά εξαρτήματα ή διαχείριση από ηλεκτρονική μονάδα.

Μέσα στο κέλυφος της πνευματικής βαλβίδας EGR, ένα διάφραγμα συνδέεται με το έμβολο. Όταν ασκείται υποπίεση στον θάλαμο κενού, το διάφραγμα κινείται και μεταβάλλεται η θέση του εμβόλου, ανοίγοντας μια δίοδο μεταξύ της πλευράς εισαγωγής και των καυσαερίων. Ανάλογα με τη θέση του εμβόλου, ρυθμίζεται η ποσότητα ροής των καυσαερίων μέσω της βαλβίδας. Οι πνευματικές βαλβίδες EGR έχουν τα εξής πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα:

Πλεονεκτήματα:

1. Χαμηλό κόστος σε σύγκριση με τις ηλεκτρικές βαλβίδες EGR.
2. Απλότητα κατασκευής και έλλειψη μηχανικής μετάδοσης.
3. Αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, ιδιαίτερα σε συστήματα χωρίς αισθητήρα θέσης (χωρίς ηλεκτρική σύνδεση).
4. Μικρό μέγεθος και χαμηλή μάζα.

Μειονεκτήματα:

1. Χαμηλή δύναμη ενεργοποίησης για το άνοιγμα της βαλβίδας.
2. Το κλείσιμο βασίζεται σε ελατήριο επιστροφής, γεγονός που σημαίνει ότι σε περίπτωση εναποθέσεων αιθάλης, η βαλβίδα μπορεί να κολλήσει στη μόνιμα ανοιχτή θέση, κάτι που μπορεί να επηρεάσει τη λειτουργία του κινητήρα.

• Ηλεκτρικά ενεργοποιούμενη

Οι σύγχρονες ηλεκτρικές βαλβίδες EGR, προσφέρουν το πλεονέκτημα της ταχύτερης και ακριβέστερης λειτουργίας σε σύγκριση με τα παραδοσιακά συστήματα που λειτουργούν με κενό (πνευματικά). Επιπλέον, δεν καταλαμβάνουν μεγάλο χώρο. Οι ηλεκτρικά ενεργοποιούμενες βαλβίδες λαμβάνουν ηλεκτρικό σήμα από την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου (ECU).

• Γραμμική βαλβίδα

Η ηλεκτρομαγνητική ή γραμμική βαλβίδα EGR λειτουργεί με τη βοήθεια ενός ηλεκτρομαγνήτη, ο οποίος αποτελείται από ένα πηνίο και έναν μαλακό πυρήνα σιδήρου. Η βασική αρχή λειτουργίας έχει ως εξής:

1. Δημιουργία μαγνητικού πεδίου: Όταν το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από το πηνίο, δημιουργείται ένα προσανατολισμένο μαγνητικό πεδίο. Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου ενεργοποιεί τη βαλβίδα με τη χρήση ενός σήματος τύπου duty cycle (PWM), που ρυθμίζει τη διάρκεια της εφαρμογής του ρεύματος στο πηνίο.
2. Κίνηση του σιδερένιου άξονα: Το παραγόμενο μαγνητικό πεδίο ασκεί δύναμη στον σιδερένιο άξονα, τραβώντας τον και προκαλώντας το άνοιγμα της βαλβίδας. Το μέγεθος της δύναμης αυτής εξαρτάται από την ένταση του μαγνητικού πεδίου.
3. Ρύθμιση της ροής καυσαερίων: Μεταβάλλοντας τον χρόνο ενεργοποίησης του μαγνητικού πεδίου, μπορεί να ρυθμιστεί η θέση του άξονα και συνεπώς η ποσότητα καυσαερίων που περνάει μέσω της βαλβίδας.
4. Επιστροφή στην αρχική θέση: Η κίνηση του άξονα γίνεται έναντι της δύναμης ενός ελατηρίου, το οποίο επιστρέφει τη βαλβίδα στην κλειστή θέση όταν το μαγνητικό πεδίο διακόπτεται.

Η μεταβολή στη διάρκεια ενεργοποίησης επιτρέπει τον έλεγχο της ροής καυσαερίων, βελτιώνοντας την αποδοτικότητα και την ακρίβεια λειτουργίας του συστήματος EGR. Οι ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες EGR έχουν τα παρακάτω πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα:

Πλεονεκτήματα:

1. Γρήγορος χρόνος απόκρισης: Λειτουργούν ταχύτερα σε σύγκριση με τις βαλβίδες που ενεργοποιούνται από ηλεκτροκινητήρες, παρέχοντας πιο άμεση ρύθμιση της ροής των καυσαερίων.
2. Καλή απαγωγή θερμότητας: Το πηνίο είναι σε άμεση επαφή με το πλαίσιο της βαλβίδας, επιτρέποντας τη διαχείριση της θερμότητας που παράγεται κατά τη λειτουργία.
3. Ακριβής λειτουργία προς μία κατεύθυνση: Η δύναμη που παράγεται από το μαγνητικό πεδίο εφαρμόζεται για να ανοίξει τη βαλβίδα, ενώ το κλείσιμο εξασφαλίζεται από το μηχανικό ελατήριο επιστροφής.
4. Μικρό μέγεθος και απλότητα: Δεν καταλαμβάνουν πολύ χώρο και είναι πιο απλές στη σχεδίαση σε σχέση με πιο πολύπλοκους μηχανισμούς.

Μειονεκτήματα:

1. Διαφορά στο χρόνο απόκρισης: Ενώ η ηλεκτρομαγνητική ενεργοποίηση είναι γρήγορη, η επιστροφή μέσω του ελατηρίου είναι πιο αργή, γεγονός που μπορεί να δυσχεραίνει τον έλεγχο της βαλβίδας.
2. Χαμηλή δύναμη ενεργοποίησης: Η δύναμη που παράγεται δεν είναι αρκετά ισχυρή σε κάποιες περιπτώσεις, καθιστώντας τις βαλβίδες ευάλωτες σε κραδασμούς και επιπτώσεις από αιθάλη.
3. Ευαισθησία σε κραδασμούς: Λόγω της χαμηλής δύναμης ενεργοποίησης, οι ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες μπορεί να επηρεάζονται από κραδασμούς, με αποτέλεσμα να απαιτείται προσεκτική εγκατάσταση και σχεδιασμός.

Η καλή κατανόηση αυτών των χαρακτηριστικών είναι κρίσιμη για τη σωστή χρήση και τη συντήρηση των βαλβίδων EGR.

• Με βηματικό μοτέρ

Οι βαλβίδες EGR που ενεργοποιούνται με κινητήρες συνεχούς ρεύματος (DC) χρησιμοποιούν έναν ηλεκτρικό κινητήρα για να ανοίγουν ή να κλείνουν τη βαλβίδα μέσω μηχανισμών γραναζιών και μοχλών. Ο κινητήρας DC περιλαμβάνει έναν ρότορα με περιελίξεις και έναν στάτη που αποτελείται από μόνιμους μαγνήτες.

Χαρακτηριστικά:

1. Λειτουργία με μειωτήρα: Χρησιμοποιείται μειωτήρας για την αύξηση της ροπής του κινητήρα, ώστε να ανοίγει ή να κλείνει η βαλβίδα με μεγαλύτερη ακρίβεια.
2. Αισθητήρας θέσης: Παρέχει ανατροφοδότηση στην ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου (ECU) για τη θέση της βαλβίδας, επιτρέποντας ακριβέστερο έλεγχο.
3. Μηχανισμός επιστροφής: Ένα ελατήριο χρησιμοποιείται για να διατηρεί τη βαλβίδα κλειστή όταν ο κινητήρας δεν λειτουργεί.

Πλεονεκτήματα:

1. Γρήγορη απόκριση και σταθερότητα: Οι κινητήρες DC είναι ικανοί να προσφέρουν καλό συνδυασμό απόκρισης και σταθερότητας, καθιστώντας τους κατάλληλους για εφαρμογές όπου απαιτείται γρήγορος και ακριβής έλεγχος.
2. Στιβαρότητα: Έχουν ανθεκτική κατασκευή που τα καθιστά αξιόπιστα για μεγάλες χρονικές περιόδους.
3. Κινητήρες ροπής: Οι παραλλαγές χωρίς ψήκτρες (brushless) επιτρέπουν σταθερή ροπή χωρίς προβλήματα υπερθέρμανσης.

Μειονεκτήματα:

1. Πρόβλημα με τις ψήκτρες: Οι ψήκτρες απαιτούν μεγαλύτερη πίεση για επαφή με τον συλλέκτη όταν αυξάνονται οι στροφές, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε φθορά και απώλεια αποδοτικότητας.
2. Ογκώδες σύστημα: Η ανάγκη για μειωτήρα και μηχανισμούς μετάδοσης καθιστά το σύστημα σχετικά ογκώδες και περίπλοκο.
3. Περιορισμένη ταχύτητα λειτουργίας: Συνήθως, η ταχύτητα πρέπει να περιορίζεται κάτω από 1000 σ.α.λ. για καλύτερη απόδοση και ακρίβεια.

Οι κινητήρες DC προσφέρουν καλό συνδυασμό αποδοτικότητας και στιβαρότητας, αλλά έχουν περιορισμούς σε θέματα μεγέθους και φθοράς των μηχανικών μερών.

Παρελκόμενα των βαλβίδων EGR

Στους πετρελαιοκινητήρες, οι βαλβίδες EGR συνδυάζονται συχνά με μια ηλεκτρική πεταλούδα γκαζιού στον αυλό εισαγωγής για τη ρύθμιση της ροής των καυσαερίων προς τους κυλίνδρους. Η πεταλούδα δημιουργεί διαφορά πίεσης μεταξύ της πολλαπλής εξαγωγής και εισαγωγής, επιτρέποντας την εισαγωγή των καυσαερίων στους κυλίνδρους, καθώς σε αυτούς τους κινητήρες δεν υπάρχει η αναγκαία υποπίεση για την αναρρόφησή τους. Οι περισσότερες πεταλούδες EGR είναι ηλεκτρονικά ελεγχόμενες, παρόμοιες με αυτές των κινητήρων βενζίνης.

• Ψυγεία EGR: Τα ψυγεία EGR λειτουργούν όπως οι εναλλάκτες θερμότητας, μειώνοντας τη θερμοκρασία των καυσαερίων πριν εισέλθουν στον κινητήρα. Η χαμηλότερη θερμοκρασία αυξάνει την πυκνότητα των καυσαερίων και βελτιώνει την αποτελεσματικότητα στη μείωση των εκπομπών οξειδίων του αζώτου (NOx), καθώς οι χαμηλές θερμοκρασίες περιορίζουν τις χημικές αντιδράσεις που παράγουν NOx.
• Βαλβίδα παράκαμψης: Τα περισσότερα συστήματα EGR διαθέτουν βαλβίδα παράκαμψης στο ψυγείο EGR, η οποία επιτρέπει την απευθείας κυκλοφορία των καυσαερίων στον κινητήρα όταν ο κινητήρας είναι κρύος. Αυτό βοηθά στην ταχύτερη επίτευξη της θερμοκρασίας λειτουργίας του οξειδωτικού καταλύτη. Όταν ο καταλύτης φτάσει σε θερμοκρασία λειτουργίας, το ψυγείο EGR αρχίζει να λειτουργεί κανονικά, ψύχοντας τα καυσαέρια για μέγιστη μείωση των εκπομπών.

Αισθητήρας ανατροφοδότησης

Η Η θέση μιας βαλβίδας EGR που ενεργοποιείται από κινητήρα συνεχούς ρεύματος μπορεί να καθοριστεί μόνο με τη χρήση ενός αισθητήρα θέσης. Ο αισθητήρας θέσης της βαλβίδας είναι γραμμικός και παρέχει σήμα ανάλογο με την τάση τροφοδοσίας του (5V), συνήθως αυξανόμενο καθώς η βαλβίδα ανοίγει. Ο αισθητήρας θέσης της βαλβίδας EGR χρησιμοποιείται για τρεις κύριους λόγους:

1. Έλεγχος κλειστού βρόχου: Ο αισθητήρας επιτρέπει τη διατήρηση του ελέγχου της θέσης της βαλβίδας EGR μέσω ενός κλειστού βρόχου. Αυτό σημαίνει ότι η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου (ECU) μπορεί να παρακολουθεί και να ρυθμίζει τη θέση της βαλβίδας για να διασφαλίσει ότι λειτουργεί σωστά σύμφωνα με τις απαιτήσεις του κινητήρα.
2. Διαγνωστικός έλεγχος: Ο αισθητήρας θέσης διευκολύνει τον διαγνωστικό έλεγχο της βαλβίδας EGR. Η ECU μπορεί να εντοπίζει τυχόν δυσλειτουργίες ή προβλήματα στην βαλβίδα, όπως η κακή θέση ή οι μηχανικές βλάβες, επιτρέποντας έτσι την έγκαιρη συντήρηση και επισκευή.
3. Υπολογισμός ρυθμού ροής μάζας καυσαερίων: Ο αισθητήρας παρέχει δεδομένα που επιτρέπουν τον υπολογισμό του ρυθμού ροής των καυσαερίων που εισάγονται στους κυλίνδρους. Αυτό είναι κρίσιμο για τη βελτιστοποίηση της καύσης και τη μείωση των εκπομπών, καθώς η σωστή ποσότητα καυσαερίων μπορεί να βελτιώσει την απόδοση του κινητήρα και να μειώσει τις εκπομπές NOx.

Οι παλιοί τύποι βαλβίδων EGR χρησιµοποιούσαν αισθητήρες θέσης µε ποτενσιόµετρο, οι οποίοι λειτουργούσαν µε µηχανική επαφή για την ανίχνευση της θέσης της βαλβίδας. Ωστόσο, η τρέχουσα γενιά βαλβίδων EGR έχει υιοθετήσει αισθητήρες θέσης χωρίς επαφή, όπως οι αισθητήρες φαινοµένου Hall, που προσφέρουν υψηλή ακρίβεια και αυξηµένη αξιοπιστία.

Βλάβες

Η βαλβίδα EGR μπορεί να εμφανισει προβλήματα που σχετίζονται με τη λειτουργία της, κυρίως λόγω συσσώρευσης αιθάλης ή άλλων μηχανικών ή ηλεκτρικών βλαβών και να προκαλέσει διάφορα προβλήματα στη λειτουργία του κινητήρα.

Αιτίες Βλαβών της Βαλβίδας EGR

1. Συσσώρευση αιθάλης
2. Ελαττωματικά σωληνάκια κενού
3. Ελαττωματική ηλεκτροβαλβίδα
4. Προβλήματα στις καλωδιώσεις
5. Μηχανική βλάβη της βαλβίδας

Συμπτώματα Ελαττωματικής Βαλβίδας EGR

1. Ασταθές ρελαντί: ο κινητήρας μπορεί να σβήσει στο ρελαντί.
2. Έλλειψη ισχύος: μπορεί να παρατηρηθεί σε χαμηλές και υψηλές στροφές.
3. Δυσκολία εκκίνησης: ο κινητήρας μπορεί να έχει δυσκολίες στο να πάρει μπροστά.
4. Μαύρος καπνός: εμφανίζεται στο ρελαντί ή κατά την επιτάχυνση.
5. Αναμμένη λυχνία MIL: μπορεί να καταγραφεί κωδικός βλάβης από την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου.

Παράγοντες που μπορεί να επηρεάσουν τη λειτουργία της EGR

Εάν η βαλβίδα EGR δεν είναι ελαττωματική, αλλά το σύστημα δεν λειτουργεί κανονικά, οι αιτίες μπορεί να προέρχονται από τα εξαρτήματα που την επηρεάζουν:

1. Φίλτρο αέρα
2. Φραγμένοι σωλήνες αέρα
3. Ψυγείο καυσαερίων
4. Ελαττωματικός μηχανισμός πεταλούδας
5. Αισθητήρας MAF
6. Αισθητήρας στροφών
7. Ηλεκτροβαλβίδα υποπίεσης
8. Ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου

Συνέπειες Κολλημένης Βαλβίδας EGR

1. Για βενζινοκινητήρες: ο κινητήρας μπορεί να μην λειτουργήσει καθόλου.
2. Για πετρελαιοκινητήρες: δυσκολία στην εκκίνηση και παρατήρηση καπνού κατά την επιτάχυνση.

Συμπέρασμα

Η σωστή λειτουργία της βαλβίδας EGR είναι κρίσιμη για την απόδοση και την εκπομπή ρύπων του κινητήρα. Η τακτική επιθεώρηση και συντήρηση της EGR, καθώς και των σχετικών εξαρτημάτων, μπορεί να αποτρέψει σοβαρές βλάβες και να διασφαλίσει την ομαλή λειτουργία του οχήματος.

Κατά µέσο όρο, η αντικατάσταση τους µπορεί να απαιτείται µία ή δύο φορές κατά τη διάρκεια της ζωής ενός πετρελαιοκινητήρα. Ωστόσο, µε την αυστηρότητα των νέων προτύπων εκποµπής καυσαερίων, είναι πιθανό να δούµε αυξηµένα ποσοστά αντικατάστασης στο µέλλον.

ΝΙΚΟΣ ΒΑΣΙΛΑΚΗΣ