Obsah škodlivín vo výfukových plynoch môžeme znižovať rôznymi spôsobmi. Napríklad optimalizovanou konštrukciou motora, rôznymi zariadeniami vo výfukovom trakte (katalyzátor, DPF – FAP filter), vhodným palivom (nízko-sírnatým, obsahujúcim potrebné aditíva, atď.) alebo tiež spätným vedením výfukových plynov, tzv. recirkuláciou. Proces spätného vedenia výfukových plynov má na starosti EGR systém.

Čo je to EGR a ako funguje?

EGR (angl. Exhaust Gas Recyclation) resp. AGR (nem. abgasrückführventil) je ďalšia ekologická vychytávka, ktorá má na starosti prúdenie výfukových plynov späť do spaľovacieho procesu. EGR systémy delíme na interné a externé.

Interné (vnútorné) EGR

Vnútorné EGR je založené na úprave časovania ventilov – tzv. prekríženie ventilov. Počas výfuku dochádza na okamih k pootvoreniu sacieho ventilu, čím dochádza k čiastočnému úniku spalín do sacieho potrubia. V čase, keď ide piest dole – sanie, dostáva sa do spaľovacieho priestoru palivová zmes spolu s nasatou časťou výfukových spalín.

Druhá možnosť je, že sa otvára na okamih výfukový ventil počas sania motora. Vtedy sa počas sania dostáva do spaľovacieho priestoru aj časť spalín z výfukového traktu.

Systém je finančne nenáročný a nezvyšuje nároky na zástavbový priestor. Staršie systémy nemali možnosť regulácie množstva výfukových plynov, novšie sú ovládané pomocou variátora vačkového hriadeľa.

Externé (vonkajšie) EGR

Externé EGR sa používa častejšie, keďže je presnejšie a ľahšie sa nastavuje pre rôzne jazdné režimy. Na druhej strane je komplikovanejšie a náchylnejšie na poruchy.

Spočiatku bolo externé EGR jednoduchý systém, ktorý používal pneumaticky ovládaný EGR ventil. Zvyčajne sa v hlave valcov nachádza kanál prepájajúci výfukové zvody so vstupom na EGR ventil, ktorý podtlakom otvára alebo zatvára recirkulačný okruh. Z ventilu vedie rúrka späť do sania a zvyčajne je chladená obtekajúcim vzduchom, aby sa teplota spalín ďalej znížila.

Tento najjednoduchší princíp mal tzv. samoregulovateľný EGR fungujúci podľa podtlaku zo sania, pričom vyradenie na voľnobehu je zabezpečené pomocou jednoduchého odpojovača. EGR ventil teda ovláda malý priechod medzi sacím a výfukovým potrubím. Keď sa ventil otvorí, sacie potrubie si vďaka podtlaku načerpá potrebné množstvo spalín z výfukového potrubia. Nasaté množstvo výfukových plynov je zmiešané vo valci s čerstvou zápalnou zmesou, čím sa zníži teplota horenia a pomáha udržiavať emisie NO_x v prijateľných medziach.

Sprísňujúce sa emisné limity si však časom vyžiadali sofistikovanejšie EGR systémy. Pre presnejšiu reguláciu bolo potrebné kontrolovať a regulovať stav priebežne. Najskôr sa elektronicky kontroloval iba stav ventilu (otvorený/zatvorený), neskôr sa pridala aj kompletná elektronická regulácia pomocou servomotora. Riadiaca jednotka motora tak presne reguluje EGR ventil na základe prevádzkových režimov a informácií z rôznych snímačov.

V prípade benzínového motora sa recirkulované množstvo spalín zvyčajne pohybuje v rozsahu cca 10% – 25%  z objemu nasatej zápalnej zmesi do valca. U dieselového motora je množstvo spätne privádzaných výfukových plynov až 50%.

Podiel recirkulovaných plynov nemôže byť ľubovoľne veľký, keďže s nadmerne sa zvyšujúcim percentom výrazne rastie aj podiel nespálených uhľovodíkov HC, znižuje sa účinnosť a zvyšuje spotreba a taktiež je obtiažnejšie zaručiť rovnomernosť chodu motora. Je teda veľmi dôležité nastaviť maximum recirkulovaných výfukových plynov tak, aby nezhoršovalo ostatné prevádzkové parametre motora nad požadovanú úroveň.

Dôležité je tiež vedieť, že spätné vedenie výfukových plynov (tzv. recirkulácia) pracuje len v určitom prevádzkovom režime motora. Spätné vedenie výfukových plynov (EGR ventil je otvorený) sa využíva len pokiaľ je motor zahriaty na prevádzkovú teplotu, pracuje v režime čiastočného zaťaženia, resp.  λ = 1 (stechionometrický pomer 14,7 g vzduchu ku 1 g paliva) pre benzínové motory.

Recirkulácia sa vypína (EGR je uzavretý) vždy, keď sa spaľuje bohatá zmes, t.j. v prípade, akcelerácie, plného zaťaženia alebo v režime štartovania a následného zohrievania na prevádzkovú teplotu. Pri spaľovaní bohatej zmesi totiž vzniká oveľa menej zlúčenín NO_x, ako v režime čiastočného zaťaženia.

EGR ventil je uzavretý aj pri chode naprázdno z dôvodu tichšej prevádzky – rovnomerného chodu motora. Recirkulácia – spätné vedenie výfukových plynov sa tak reguluje v závislosti na teplote, otáčkach a zaťažení motora.

Podľa chladenia recirkulovaných spalín existujú tri typy externých EGR:

• EGR bez ochladzovania – výfukové plyny neprechádzajú cez výmenník tepla. Najjednoduchšie prevedenie, avšak teplota spalín je vysoká a tým pádom aj redukcia NO_x je nižšia.
• EGR s plným ochladením, výmenník tepla je chladený buď vzduchom alebo vodou – výfukové plyny prechádzajú cez výmenník tepla. Výhodou je vysoká účinnosť, nevýhodou najmä komplikovanejšie prevedenie a náchylnosť na kondenzáciu vody v potrubí.
• EGR s čiastočným ochladením – iba časť výfukových plynov prechádza cez výmenník tepla. Výhodou je vysoká účinnosť, presná regulácia, eliminácia kondenzovania vody, nevýhodou komplikovanejšie a drahšie prevedenie.

LP a HP EGR

Externé EGR delíme aj podľa miesta odberu výfukových plynov a miesta ich primiešavania k nasávanému vzduchu na nízkotlakové (označované ako LP z anglického Low Pressure) a vysokotlakové (označované ako HP z anglického High Pressure).

Nízkotlakový EGR

V prípade nízkotlakového systému EGR sa výfukové plyny odoberajú až po ich prechode cez turbodúchadlo a filter pevných častíc a s nasávaným vzduchom sa miešajú už pred vstupom do turbodúchadla. Odoberané plyny tak majú nižší tlak, sú chladnejšie (zvyčajne pod 150°C – použitie plastových rúrok a obyčajnejších tesnení) a v prípade DPF aj čistejšie, čím sa menej zanáša sací trakt a menej kontaminuje olejová náplň. Nevýhodou je komplikovanejšie prevedenie. Tento systém sa využíva najmä v prípade prísnejších emisných noriem Euro 5 resp. Euro 6.

Vysokotlakový EGR

U vysokotlakového systému EGR sa výfukové plyny odoberajú pred turbodúchadlom a k nasávanému vzduchu sa zvyčajne primiešavajú za medzichladičom stlačeného vzduchu. Výhodou oproti nízkotlakovému systému je jednoduchšia a priestorovo menej náročná konštrukcia. Naopak nevýhodami sú vyššia teplota výfukových plynov (potreba dochladzovať) a vyšší tlak spalín (nutnosť kovových rúrok a teplotne a tlakovo odolnejších tesnení), vyššia teplota spalín – nižšia účinnosť eliminácie NO_x a keďže spaliny neprechádzajú cez filter pevných častíc, vo zvýšenej miere zanášajú sací trakt a kontaminujú olejovú náplň.

Výhody a nevýhody použitia EGR systému z pohľadu prevádzkových vlastností vozidla

Výhody

Hlavnou úlohou EGR ventilu je znižovať emisie oxidov dusíka NO_x, ktoré vznikajú pri vysokej teplote spaľovania (obecne nad 1370°C). Inými slovami, tým že sa časť výfukových plynov vracia späť do valca, zvýši sa obsah inertných plynov (ako je CO₂, vodná para a N₂) v zmesi, čo znamená nižšie maximálne teploty počas spaľovania.

Množstvo NO_x tvorených pri spaľovaní je exponenciálnou funkciou spaľovacej teploty, takže aj jej malé zníženie výrazne zníži produkciu NO_x. Keďže prichádzajúca časť výfukových plynov akumuluje teplo vznikajúce pri spaľovaní, môže byť motor (hlava a steny valcov) subtílnejšie, keďže nie je potreba odvádzať toľko zbytkového tepla. V praxi tak zostane viac tepla akumulovaného pre expanznú fázu, čo tiež pomáha zvyšovať efektivitu celého motora.

V prípade benzínových motorov sa znížením teploty spaľovania eliminuje riziko detonačného horenia. Môže sa tak nastaviť väčší predstih, čo priaznivo vplýva na celkovú účinnosť motora, pričom odpadá podmienka tankovať vysoko oktánový benzín. U benzínových motorov, kde je výkon regulovaný pomocou škrtiacej klapky má použitie EGR priaznivý vplyv aj na znižovanie čerpacích strát. Aby sme získali rovnakú dynamiku jazdy v porovnaní s motorom bez EGR je totiž nutné o niečo viac stláčať akcelerátor. Vtedy je škrtiaca klapka viac otvorená a znižuje sa tak pneumatický odpor – čerpacie straty v sacom potrubí.

Nevýhody

Medzi hlavné nevýhody recirkulácie výfukových plynov patrí zanášanie sacieho systému (platí najmä o vysokotlakovom EGR). Výfukové plyny totiž obsahujú rôzne nečistoty (čiastočky uhlíka a pod.), ktoré spolu s olejovými výparmi z odvetrania kľukovej skrine vytvoria lepkavý maz. Ten postupne zanesie samotný EGR a sacie potrubie vrátane všetkých častí, ktoré sa v ňom nachádzajú (škrtiacej klapky a pod.). Zanesený EGR či škrtiaca klapka nepracujú správne, lepkavý maz tiež zmenšuje prierez kanálov, zvyšuje pneumatický odpor prúdenia vzduchu a negatívne tak vplýva na výkon motora.

U benzínových motorov je určitou nevýhodou mierny pokles výkonu z dôvodu poklesu vykonanej práce pri expanznom zdvihu. Z tohto dôvodu je EGR vyradený z funkcie pri potrebe väčšieho výkonu – napr. pri prudšej akcelerácii. V prípade dieselu pracuje motor s prebytkom vzduchu, ktorý vo väčšej či menšej miere nahrádzajú výfukové plyny, a tak je tento vplyv zanedbateľný.

Pri dieselových motoroch má množstvo recirkulovaných výfukových plynov vplyv na produkciu sadzí. Čím viac je výfukových plynov vrátených späť do valca, tým viac sa tvorí sadzí a motor tak povediac dymí.

Obtiažne je zladiť fungovanie EGR v prípade použitia DPF filtra. Pre správnu funkciu regenerácie-vypaľovania sadzí totiž potrebuje DPF-ko dostatok vzduchu. Tým, že nahrádzame v sacom potrubí vzduch výfukovými plynmi, obmedzujeme aj činnosť filtra. Vo výsledku sa tak pri nesprávnom fungovaní EGR môže DPF filter rýchlejšie zanášať.

Medzi nevýhody EGR patrí aj rýchlejšie kontaminovanie oleja nespáleným zložkami obsiahnutými v spalinách (platí najmä o vysokotlakovom EGR). Presnou reguláciou, či odberom spalín za DPF filtrom sa tento nedostatok podarilo do značnej miery minimalizovať, určitý vplyv však zostáva naďalej.

Poruchy EGR systému

Bežne nepotrebuje EGR systém žiadnu špeciálnu údržbu, maximálne občas prečistiť od karbónových usadením. Samozrejme to platí ak je motor v dobrej kondícii a všetko funguje ako má.

Zvýšené riziko problémov nastáva v prípade nadmerného opotrebovania (poruchy) vstrekovacieho systému, používania nekvalitného paliva alebo ak motor spaľuje spolu s palivom aj olej (opotrebované turbo, opotrebovaný motor a pod.). V tých prípadoch obsahujú spaliny väčšie množstvo sadzí a nespálených častíc, ktoré spôsobia rýchlejšie zanášanie EGR ventilu a sacieho traktu. Zanesený ventil sa tak neotvára úplne resp. nedoviera a postupne prestáva plniť svoju funkciu. Riadiaca jednotka tak na základe snímača polohy vypíše chybové hlásenie.

Nefunkčnosť EGR zisťuje riadiaca jednotka aj na základe monitorovania systému pomocou teploty spalín. Za EGR ventilom je umiestnený snímač teploty, ktorý vysiela hodnoty do ECU motora. Ak teplota spalín vystupujúcich z EGR nie je v požadovanom rozsahu, zaznamená ECU motora chybové hlásenie. Teplotný snímač sa zvyčajne nachádza na potrubí priamo za EGR ventilom alebo na sacom potrubí v mieste primiešavania recirkulovaných spalín. Ďalšou možnosťou ako ECU vyhodnocuje funkčnosť EGR je monitorovanie tlaku v sacom potrubí pomocou MAP snímača (Manifold Absolute Pressure).

Z pohľadu prevádzkových vlastností sa okrem svietiacej kontrolky prejavuje nefunkčnosť EGR aj hrubším/nerovnomerným chodom motora, slabšou resp. trhavou akceleráciou – motor pri pridaní šklbe, taktiež nadmerným dymením (vozidlá bez DPF) alebo obtiažnym štartovaním. Pri zanesení karbónovými usadeninami nezriedka pomôže vyčistenie (odkarbonizovanie), ak je však zanesenie vo veľkom rozsahu, resp. zlyhala elektronika, vtedy pomôže len výmena celého ventilu.