Pierburg elektronikus EGR-szelep

A külső kipufogógáz-visszavezetésnek (EGR) elsősorban a nitrogén-oxid csökkentésben van nagy jelentősége. A cikkben a Pierburg GmbH újfajta elektronikusan szabályozottkipufogógáz-visszavezető szelepét mutatjuk be, amelynek beszerelését dízel- és közvetlen befecskendezésű Otto-motorokba a jövő emissziós követelményeinek a teljesítése indokolja.

Szériajárműveken a XX. század ’70-es éveiben, Észak-Amerikában vezették be elsőként a kipufogógáz külső visszavezetését, az emissziós előírások betartása érdekében. Az elégett kipufogógázt a szívócsőbe vezetve és a beszívott friss levegővel keverve csökken az égési csúcshőmérséklet, elérhető a nitrogénoxid-kibocsátás mérséklése. Részterheléskor csökkenthető a tüzelőanyag-fogyasztás is. Mivel a visszavezetett kipufogógáz mennyiségét a motorterhelés és a fordulatszám függvényében kell változtatni, szükséges egy megfelelő szabályzó szerv . a kipufogógáz-visszavezető szelep (EGR). A mai dízelmotoroknál és a közvetlen befecskendezésű Otto-motoroknál a károsanyag-kibocsátás mérsékléséhez többnyire jellegmező szabályzású, külső kipufogógáz-visszavezetést alkalmaznak. A feladatot pneumatikusan és elektronikusan is működtetett kipufogógáz-visszavezető szeleppel oldják meg, támogatva a vezérléshez szükséges érzékelőkkel, légmennyiségmérő, hőmérséklet-érzékelő stb. formájában. A szigorodó emissziós határértékek teljesítéséhez és a megnövelt motorélettartam-igényhez (250 000km) a kipufogógáz-visszavezető szelepek továbbfejlesztése vált szükségessé a működési biztonság érdekében, a szabályozhatóság, a helyzetbe állítási pontosság és a mozgató/állító erő terén. A felsoroltak figyelembevételével fejlesztették ki a nagyobb erőátvitelre képes, egyáramú (DC) motorral felszerelt kipufogógáz-visszavezető szelepet a korábbi léptetőmotoros, egyenes és forgómozgású mágneses megoldások helyett. A levegőt beszívó rendszerbe integrált komplett egységet egy szokványos tányéros szelep alakjában láthatjuk az alábbi ábrán.

A kipufogógáz-visszavezetés funkciója

A visszavezetett kipufogógáz, mint semleges gáz, az égési folyamatban nem vesz részt. Hatása elsősorban az égéstérben keletkező csúcshőmérsékletek csökkentésében jelentkezik, mellyel a nitrogén-oxid képződést jelentősen fékezi. A kipufogógáz-visszavezetés hatékonysága a visszavezetett gáz csökkenő hőmérsékletével növekszik, ezért jön számításba dízelterületen a visszavezetett kipufogógáz hűtése. Az EGR-szelepbe- és kikapcsolása az EGR-hűtőben és a csővezetékben elhelyezkedő jelentős gáztömeg miatt nagy követelményt támaszt az EGR-rendszer dinamikájával szemben. Ezért is szükséges az EGR-szelepet, mint lekapcsoló egységet lehetőleg a szívómodulba integrálni. Ez az elhelyez és azonban a múltban gyakran erős szelepberagadáshoz, eltömődéshez vezetett. A korábbi elektromos állítóegységek a kialakuló blokkoló erőket nem voltak képesek legyőzni.

Szabályzókör

Az előbbiek alapján az új fejlesztés alapgondolata egy erős és robusztus működtető egység megvalósítása, amelyet egyrészt közvetlenül a járműmotor-vezérlő készülékkel (ECU) vagy alternatívaként az egységre szerelt elektronikával szabályoznak. A rendelkezésre álló on-board-elektronika opcióként lehetővé teszi a szelep egyszerű hozzáillesztését (adaptálását) a meglévő motorirányító rendszerhez. Az on-board-elektronika a PWM-jel segítségével lehetővé teszi a közvetlen vezérlést arányos (proporcionális) szelepmozgatás létrehozásával. Az energiaellátás külön, önálló kábelen keresztül történik. Az OB-elektronika nélküli rendszerek motorirányító készülékhez történõ csatlakoztatásához egy H-hidat igényelnek az aktuátor tartalék üzemeltetéséhez, valamint egy hagyományos, analóg csatlakozót a helyzetérzékelő számára. Így megvalósulhat az E-gáz rendszernél már megismert szabályozás.

Elektromotorikus EGR-szelep

Az EGR-szelep alapegységeként, miként már említettük, a korábbi gyakorlatban jól bevált kúpos tányérú szelepet választották (1. ábra). Ez a megoldás számos konstrukciós lehetőséget nyújt a felelős érintkező zónák optimalizálására páraképződés, beragadás és eljegesedés ellen, lehetővé téve ezáltal is a szívócsőbe történő beépítését. Tekintettel a jelentősen megnövekedett kipufogógáz- és töltőnyomás hatására fellépő áramlási erőkre, a szeleptányért úgy helyezték el, hogy a kipufogógáz ellennyomásával záródjon. Ezzel elérhető, hogy az elektromos állítóegység széles üzemtartományban, például teljes terhelésnél vagy deaktivált kipufogógáz-visszavezetésnél . árammentesen zárva lehessen, és nagy áramlási erőknek sincs tartósan kitéve. Ez a megoldás vezetett a nagyon kedvező kompakt szerkezeti kialakításhoz és a minimális tömeghez. A zárt szelephelyzetet egy integrált, a szeleptestre ható zárórugóval tették még biztonságosabbá. Ellenkező irányban ható nyomásesés esetén is, amikor a töltőnyomás nagyobb, mint a kipufogógáz ellennyomása . egy jól záródó EGR-rendszer célozható meg. A megoldás megfelel az ügyfelek követelményének is, azaz teljesüljön a szelephelyzet: árammentesen zárva  / hibabiztos = fail safe. elv is).

Hajtómű

A hajtóművel szemben követelmény volt az EGR-szelep vezetékeiben ható szennyezők legyőzése, valamint a kis térfogat és tömeg. Ezt a feladatot oldja meg az egyenáramú kefés motor nagy nyomatéktartalékával és egy speciálisan erre a feladatra tervezett kétfokozatú bolygóműves hajtómű, kétlépcsős kialakítású, rögzített helyzetű bolygókerekekkel. A forgómozgás egyenes vonalúvá alakítását az elektromos hajtómű tengelyvégére szerelt excenter végzi. Ennek érdekében golyóscsapágy gördül le egy kulisszában, és a kényszerpályán keresztül zárja az EGRszelepet

Az erőfolyam útja: a DC-motortól kiindulva az erő elosztódik a három 120 fokban elhelyezett bolygókerék (kéttagú csoportkerék) között, majd a csoportkerék második fogaskerekeihez kapcsoló-dó belsõ fogazású keréken keresztül jut el az excenterre. A bemeneti nyomaték elosztása a három bolygókerékre tette lehetővé a kompakt hajtómű kialakítást. Mind a hajtóműház, mind az összes fogazott alkatrész műanyagból készült.

Elektronika

Mint említettük, a standard EGR szelepek a motor vezérlőkészülékéről működtethetők. Ahhoz, hogy önálló egységként is vezérelhetők legyenek, tipikus nagy hőmérséklet-állóságú (rövid ideig max. 150 Celsiusig) egységeket kellett beépíteni. Az elektronika elemi alkatrészei ún. vastag rétegű technikával, mint hibridelektrikus alkatrészek készültek 

Összefoglalás

A külső kipufogógáz-visszavezetés az eddig már bevezetett intézkedéseken kívül, mint a kipufogógáz hűtése vagy a jövőben bevezetendő decentrális EGR-hozzáadás . különleges jelentőséget biztosít a kipufogógáz-visszavezető szelepnek. A legfontosabb optimalizálási pontok a rendszer dinamikájának a növelése és a beállítási pontosság továbbjavítása. Az on-board-szabályzó rendszerbe történő bevonás pedig a hagyományos EGR szelepekkel összehasonlítva lehetővé teszi különböző rendszerekhez történő nagyobb rugalmasságú hozzáépítését. Lényeges előnye az új szelepgenerációnak a javított adagolhatóság és szabályozhatóság, egyúttal csökkenő érzékenységgel a szennyezőkkel és a beragadással szemben. A valóságban a jól bevált szelepkonstrukciót sikerült ötvözni innovatív egységekkel, mint az állítóegység, a nagy hőmérséklet-állóságú elektronika, és az érintés nélkül működő érzékelő.