سیستم EGR

در سال‌های اخیر توجه به کاهش آلایندگی موتور خودروها به شدت افزایش پیدا کرده است؛ از یک سو قوانین زیست‌محیطی سال به سال سخت‌تر می‌شوند و از سوی دیگر خودروسازان تلاش می‌کنند با معرفی مدل‌های پاک‌تر، از پس اجرای این قوانین برآیند. در این میان راهکارهای مختلفی برای کاهش آلایندگی خودروها به وجود آمده که EGR یا سیستم گردش مجدد گازهای اگزوز یکی از آن‌ها است که در این بخش آن را بررسی خواهیم کرد.

گازهای خروجی اگزوز خودروها آلاینده‌های متعددی دارد اما در میان آن‌ها، اکسیدهای نیتروژن که به طور عمومی با NOX نمایش داده می‌شوند یکی از خطرناک‌ترین آلاینده‌ها است. اکسیدهای نیتروژن مسئول مستقیم تشکیل مه دود در شهرهای بزرگ و بارش باران‌های اسیدی هستند و به همین دلیل در قوانین آلایندگی توجه زیادی به کاهش آن‌ها شده است. خودروسازان در سال‌های اخیر راه‌های مختلفی را برای 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 گردش مجدد گازهای اگزوز ترجمه کرد. این سیستم وظیفه دارد سطح اکسیدهای نیتروژن را در خروجی موتور خودروها و به طور مشخص خودروهای دیزل تا حد امکان کاهش دهد.

اکسیدهای نیتروژن چگونه تشکیل می‌شوند؟
همان‌گونه که گفتیم یکی از اصلی‌ترین آلاینده‌های موتورهای درونسوز که تاکید زیادی نیز بر کاهش آن‌ها وجود دارد اکسیدهای نیتروژن یا NOX است و دانستن منشأ این آلاینده می‌تواند به حذف آن از مبدأ کمک کند تا به این ترتیب مانع از تشکیل آن شویم. اکسیدهای نیتروژن همان‌گونه که از نام آن‌ها پیدا است حاصل ترکیب نیتروژن با اکسیژن هستند. این دو گاز در حالت طبیعی با یکدیگر ترکیب نمی‌شوند اما زمانی که هر دو گاز در دمای بسیار بالا در مجاورت یکدیگر قرار می‌گیرند، فعال شده و ترکیب می‌شوند و یکی از منابع تولید این دمای بالا، محفظه احتراق موتور خودرو است 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 هر دوی این گازها در هوای اطراف ما وجود دارند و به این ترتیب به همراه هوا وارد موتور می‌شوند. هوای اطراف ما دارای ۷۸درصد نیتروژن و ۲۱درصد 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 نمی‌توان جلوی ورود آن‌ها را گرفت اما همان‌گونه که گفتیم این دو ماده در حالت طبیعی و دمای معمول میلی به ترکیب با یکدیگر ندارند چرا که اگر این‌گونه بود باید به طور طبیعی در هوا با هم ترکیب می‌شدند و به این ترتیب جو ما پر از اکسیدهای نیتروژن می‌شد که البته این‌گونه نیست و اندک اکسیدهای نیتروژن طبیعی در جو اطراف ما نیز ناشی از گرمای بسیار زیاد صاعقه‌هایی است که گاهی رخ می‌دهد.

با در نظر گرفتن این که اینک می‌دانیم اکسیدهای نیتروژن در چه شرایطی تشکیل می‌شوند و اینکه می‌دانیم نمی‌توان جلوی ورود اکسیژن و نیتروژن را به درون موتور خودرو گرفت، به نظر می‌رسد بهترین راه حل، کاهش دمای محفظه احتراق باشد تا از تشکیل این آلاینده جلوگیری شود اما این مسأله آنقدرها که در حرف آسان است در عمل بی‌دردسر نیست.

راه حل در گازهای اگزوز است
اکنون که به منبع و چگونگی شکل‌گیری NOX به عنوان یکی از اصلی‌ترین آلاینده‌های موتور خودرو پی بردیم زمان مناسبی است که به دنبال راه حل باشیم. با در نظر گرفتن این نکته که این آلاینده در دمای احتراق بسیار بالا تولید می‌شود شاید ایده‌آل‌ترین کار کاهش دمای احتراق موتور باشد اما این کار آنقدر که به حرف آسان است در عمل 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 اما خوشبختانه راه حل درون موتور است و نیازی به جست‌وجوی چندانی برای آن نیست؛ گازهای خروجی اگزوز.

ایده اصلی در این جا بهره‌گیری از گازهای خروجی اگزوز و بازگرداندن مجدد بخشی از آن‌ها به محفظه احتراق به همراه هوای ورودی است تا با این روش دمای احتراق کاهش پیدا کند و در نتیجه تولید NOX 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 است که در یک پروسه عادی با سوخت ترکیب نمی‌شده تا منجر به تولید نیرو شود بلکه قرار بوده با نیتروژن ترکیب 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 نیز خود به کاهش تولید اکسیدهای نیتروژن کمک بزرگی می‌کند. نام EGR یا گردش مجدد گازهای اگزوز نیز دقیقاً از همین جا می‌آید.

EGR نخستین بار در اوایل دهه ۷۰ میلادی مورد توجه جدی قرار گرفت و این دقیقاً زمانی است که قوانین در زمینه میزان آلایندگی موتورها و به ویژه موتورهای دیزل که در آن زمان نمادی از آلایندگی بودند سخت‌تر می‌شد. استفاده از این سیستم به مرور از دهه ۸۰ گسترده‌تر شد و حتی بر روی موتورهای بنزین‌سوز هم می‌شد نمونه‌های آن را دید اما اکنون عمده موتورهای دیزل جهان چه در خودروهای سبک و به ویژه 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 است. برای این منظور به طور ساده شده EGRیک مدار فرعی از خروجی اگزوز موتور می‌گیرد که می‌تواند بخشی از گازهای خروجی را از مسیر اصلی منحرف کند. در ادامه این گاز به مسیر منیفولد هوای موتور می‌رود اما در این مسیر باید دمای آن تحت کنترل باشد. همان‌گونه که گفتیمEGR باید بتواند دمای احتراق را کاهش دهد اما وقتی گاز خروجی موتور به محفظه احتراق بازگردد (در حالی که دمای آن ممکن است در لحظه خروج از موتور بیش از ۷۰۰ اسب‌بخار باشد) 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 دمای کمتری داشته باشد و هم فشرده‌تر شود. این خنک‌کن معمولاً تنها در مجاورت هوا خنک می‌شود اما در سال‌های اخیر یک مدار جداگانه از رادیاتور خودرو به این بخش کشیده می‌شود تا عملاً رادیاتور وظیفه خنک کردن آب اطراف این بخش را بر عهده داشته باشد. در مسیر این خنک‌کن یک سوپاپ مخصوص وجود دارد که می‌توان هوا را در مواقع لازم (که در ادامه همین مطلب خواهیم دید) 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 NOX را کاهش دهند.

EGR در عمل؛ کاهش آلایندگی و چند اتفاق خوب دیگر
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 در اینجا علاوه بر مزیت بزرگ کاهش آلودگی NOX، EGR از روش‌های دیگری هم به بهبود عملکرد موتور خودرو کمک می‌کند.

بررسی را با یک موتور دیزل در زمان روشن شدن آغاز می‌کنیم. موتورهای درونسوز در زمان آغاز به کار و لحظاتی که دمای موتور هنوز به دمای کارکرد ایده‌آل نرسیده است در زمینه احتراق دچار مشکل هستند و این مسأله در مورد موتورهای دیزل مشهودتر هم هست چرا که اساس کار این موتورها نه بر مبنای جرقه شمع که بر مبنای اشتعال ناشی از دمای بالای محفظه احتراق است و در زمانی که هم هوای ورودی و هم سوخت سرد است حتی پس از روشن شدن موتور هم تا دقایقی حجم آلایندگی آن‌ها بالا است که این مسأله را در نمونه‌های سنگین می‌توان با خروج دود سیاه رنگ از اگزوز خودرو دید. از سوی دیگر کاتالیست‌های نصب شده در مسیر دود خروجی موتور هم در زمان سرد بودن نمی‌توانند به خوبی به وظیفه خود عمل کنند و برای فعال شدن نیاز دارند دمای موتور و در نتیجه دمای گازهای خروجی موتور بالا برود و به این ترتیب یک موتور سرد به ویژه اگر دیزلی باشد مستعد آلایندگی بالایی است و گرم کردن سریع‌تر موتور خودرو از اهمیت زیادی برخوردار است و اینجا است که EGR می‌تواند به کمک موتور خودرو بیاید.

در شروع کار موتور و با توجه به بررسی دمای موتور و دمای گازهای خروجی توسط سنسور ویژه‌ای که به همین منظور طراحی شده است، سیستم مدیریت EGR وارد فاز گرم کردن موتور یا Warm Up می‌شود. با روشن شدن موتور خودرو، سوپاپ EGR باز می‌شود به این معنی که بخشی از دود خروجی موتور با مسیر ورودی هوای موتور می‌رسد.