Systemy recyrkulacji spalin we współczesnych konstrukcjach silnikowych

CIEŚLIK Wojciech 1 BOROWSKI Przemysław 2 PIELECHA Ireneusz 3 BUESCHKE Wojciech 4 CZAJKA Jakub 5 WISŁOCKI Krzysztof 6 Systemy recyrkulacji spalin we współczesnych konstrukcjach silnikowych WSTĘP Obecny etap rozwoju silników spalinowy charakteryzuje się znacznym zbliżeniem konstrukcyjnym silników o zapłonie iskrowym i silników o zapłonie samoczynnym. Unifikacja ta dotyczy nie tylko podobnych obecnie systemów doładowania, ale także systemów spalania. W obu przypadkach występuje obecnie bezpośredni wtrysk paliwa do komory spalania. Podobieństwa występują także w systemach oczyszczania spalin, gdyż silniki o zapłonie iskrowym również pracują z wartościami współczynnika nadmiaru powietrza większymi od jedności (ładunek uwarstwiony). Podobnej analogii można oczekiwać również w systemach recyrkulacji spalin (EGR). Stosowany już powszechnie system EGR w silnikach o zapłonie samoczynnym zaczyna odgrywać coraz większą rolę również w silnikach o zapłonie iskrowym. Głównym powodem stosowania systemu recyrkulacji spalin w silniach spalinowych jest możliwość ograniczenia emisji tlenków azotu (NO x ) przez zmniejszenie maksymalnej temperatury spalania,. Zwiększenie udziału recyrkulowanych gazów w zakresie dużych obciążeń silnika może skutecznie ograniczać występowanie spalania stukowego (w silniku ZI) oraz zmniejszać temperaturę gazów wylotowych. Ujemną cechą stosowania tego systemu jest jednocześnie miarę zwiększania stopnia EGR zmniejszanie współczynnika napełnienia, co prowadzi do redukcji momentu obrotowego silnika. Badania prowadzone przez autorów [1] wskazują, że duży udział recyrkulowanych spalin zmniejsza szybkość propagacji płomienia oraz prowadzi do niestabilności procesu spalania. Stosowanie nowych systemów wtrysku w silnikach ZI DI [13] i dalszego badania systemów w silnikach ZS [14] przyczyni się do zwiększenia mocy jednostkowych z tych jednostek. Celem artykułu jest przedstawienie obecnego rozwoju systemów recyrkulacji spalin wraz z wykazaniem podobieństw i różnic w zastosowaniach do silników ZI oraz ZS. Jest to szczególnie istotne w dobie unifikacji silników oraz konieczności spełnienia przez nie limitów emisji spalin. 1. SYSTEMY DOSTARCZANIA SPALIN DO CYLINDRA Dostarczanie gazów spalinowych do komory spalania jest jedną z technologii pozwalającą na zmniejszenie emisji tlenków azotu, szczególnie w zakresie średnich obciążeń silnika spalinowego. W pewnym zakresie pozwala też na zmniejszenie zużycia paliwa w silniku bez znaczącego pogorszenia jego wskaźników pracy. Efektywność recyrkulacji spalin jednak zależy w dużym stopniu od sposobu jej realizacji. Zwiększenie ilości spalin w cylindrze pracującego silnika można uzyskać dwoma sposobami: 1 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, 60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3, tel. 61-224-45-02, fax. 61-665-2204, Wojciech.M.Cieslik@doctorate.put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, 60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3, tel. 61-665-59-66, fax. 61-665-2204, Przemyslaw.T.Borowski@doctorate.put.poznan.pl 3 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, 60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3, tel. 61-224-45-02, fax. 61-665-2204, Ireneusz.Pielecha@.put.poznan.pl 4 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, 60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3, tel. 61-665-59-66, fax. 61-665-2204, Wojciech.E.Bueschke@doctorate.put.poznan.pl 5 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, 60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3, tel. 61-665-59-66, fax. 61-665-2204, Jakub.Czajka@put.poznan.pl 6 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, 60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3, tel. 61-665-22-40, fax. 61-665-2204, Krzysztof.Wislocki@put.poznan.pl 1118

przez zastosowanie recyrkulacji wewnętrznej (IGR internal gas residual), polegającej na zatrzymaniu w cylindrze części spalin z poprzedniego cyklu pracy przy wykorzystaniu systemów zmiennych faz rozrządu, przez wykorzystanie zewnętrznego systemu recyrkulacji (EGR exhaust gas recirculation), polegającego na powtórnym wykorzystaniu części spalin opuszczających cylinder z poprzedniego cyklu pracy silnika. Obecnie w silnikach spalinowych stosuje się oba powyższe rozwiązania. Jednak istotnym problemem jest sposób realizacji recyrkulacji spalin i sterowania jej wielkością. Podział systemów sterowania recyrkulacją spalin do cylindra można przedstawić w sposób prezentowany na rysunku 1. Szczegółowy opis tej systematyki przedstawiono w rozdziale 2. Doprowadzenie spalin do cylindra Recyrkulacja wewnętrzna (reszta spalin) Recyrkulacja zewnętrzna Układy zmiennych faz rozrządu Układy zmiany wzniosu zaworów Wysokociśnieniowy system EGR Niskociśnieniowy system EGR System mieszany Sterowane zwężką Bez oczyszczania spalin brudny EGR Sterowane zaworem Z oczyszczaniem spalin czysty EGR Rys. 1. Systematyka układów doprowadzenia spalin do cylindra [3, 5, 6] Wyznaczenie ilości spalin w cylindrze przy wykorzystaniu recyrkulacji zewnętrznej nie jest zabiegiem bardzo skomplikowanym. W takim przypadku udział masowy recyrkulowanych spalin określany jest jako: gdzie: m EGR EGR (1) m m EGR pow m EGR oznacza masę spalin doprowadzonych do cylindra, m pow masę powietrza w cylindrze. Korzystanie z tej postaci wzoru powoduje wiele trudności w określeniu masy poszczególnych wielkości, dlatego częściej, podczas badań doświadczalnych, proponuje się wykorzystanie wzoru uwzględniającego tylko stężenia dwutlenku węgla w określonych lokalizacjach: gdzie: EGR [%] CO CO 2dol 2 wyl CO CO 2 pow 2dol 100% CO 2 dol oznacza stężenie [%] dwutlenku węgla na dolocie do silnika, CO 2 pow oznacza stężenie [%] dwutlenku węgla w powietrzu, CO 2 wyl oznacza stężenie [%] dwutlenku węgla w spalinach. (2) 1119

Obciążenie [%] Obciążenie [%] Stopień wymiany tlenu na doprowadzone spaliny można wyznaczyć z równania [12]: gdzie: O2 dol, bez EGR O2 pow, EGR O2 [%] 100% (3) O 2dol, bez EGR O 2 dol, bez EGR oznacza stężenie [%] tlenu na dolocie do silnika bez udziału spalin, O 2 dol, EGR oznacza stężenie [%] tlenu na dolocie do silnika z udziałem spalin. Ilość spalin zatrzymanych w cylindrze w wyniku stosowania recyrkulacji wewnętrznej (IGR) jest znacznie trudniejsza do wyznaczenia. Proponuje się jej wyznaczanie na podstawie modeli uwzględniających fazy rozrządu [5, 6] lub przez pomiar bezpośredni w komorze spalania przy wykorzystaniu metod optycznych [3, 17]. 2. SYSTEMY ZEWNĘTRZNEJ RECYRKULACJI SPALIN W SILNIKACH SPALINOWYCH Systemy recyrkulacji spalin stosowane są w silnikach o zapłonie samoczynnym od wielu lat jako skuteczny sposób obniżenia emisji tlenków azotu w wyniku zmniejszenia szybkości spalania i uzyskiwania mniejszej maksymalnej temperatury spalania. Stosowanie recyrkulacji spalin w silnikach o zapłonie iskrowym ma na celu głównie zmniejszenie strat dławienia podczas częściowych obciążeń, co pozwala na zmniejszenie zużycia paliwa, a także na zmniejszenie poziomu emisji tlenków azotu. Udziały recyrkulowanych spalin w silnikach o ZS są znacznie większe niż udziały spalin w silnikach o ZI z wtryskiem pośrednim. Wykorzystanie w silnikach o zapłonie iskrowym układów bezpośredniego wtrysku benzyny pozwala na zastosowanie dużych udziałów recyrkulowanych spalin zarówno podczas pracy na mieszance uwarstwionej, jak również w trybie ubogiej mieszanki homogenicznej [16, 17]. W obu sposobach pracy możliwe jest ograniczenie emisji tlenków azotu oraz poprawa warunków spalania przy pracy silnika ze współczynnikiem nadmiaru powietrza = 1. Porównanie obszarów pracy silnika, w których możliwe jest wykorzystanie recyrkulowanych spalin, przedstawiono na rysunku 2. Szerokie obszary wykorzystania spalin powodują, że konieczne jest wykorzystanie dodatkowych przepustnic w celu wywołania odpowiedniej różnicy ciśnienia między systemem wylotu a dolotu. a) b) 100 80 60 Obszar pełnej mocy silnika ZS Zakres bez EGR 100 80 60 Zakres bez EGR Obszar pełnej mocy silnika ZI 40 20 Zakres stosowania EGR w silniku ZS 0 1000 2000 3000 4000 5000 n [obr/min] 40 20 0 Zakres stosowania EGR w silniku ZI 1000 2000 3000 4000 5000 6000 n [obr/min] Rys. 2. Obszary pracy silników z systemem EGR; a) silnik ZS, b) silnik ZI [4] Wymagania związane ze spełnieniem normy Euro 6 powodują, że rozwiązania systemów oczyszczania spalin są do siebie bardzo zbliżone. Możliwe jest ich zróżnicowanie jedynie pod względem liczby zastosowanych systemów dławienia przepływu w celu uzyskania odpowiednich wartości ciśnienia różnicowego, pozwalającego na doprowadzenie właściwej ilości spalin do cylindra. 1120

W silnikach niedoładowanych (co ma miejsce obecnie jedynie w systemach dla silników o zapłonie iskrowym) doprowadzenie spalin do cylindra zapewnia układ wysokociśnieniowej recyrkulacji spalin (HP EGR high pressure EGR). W silnikach wyposażonych w doładowanie możliwe jest stosowanie następujących rozwiązań układów recyrkulacji spalin: a) układy wysokociśnieniowe (HP EGR) w których spaliny sprzed turbiny kierowane są do układu za sprężarką, b) niskociśnieniowe (LP low pressure) w których spaliny pobierane są za wylotem z turbiny i kierowane do układu dolotu przed sprężarką, c) układ mieszany kierowanie spalin sprzed turbiny do układu przed sprężarkę (obecnie niestosowane ze względu na konieczność występowania dużych wartości ciśnienia spalin i małych wartości ciśnienia doładowania). Rozwiązania systemów recyrkulacji spalin omówione powyżej w sposób schematyczny przedstawiono na rysunku 3. Różnice w przedstawionych systemach mogą występować jedynie w zakresie systemów oczyszczania spalin. Należy zauważyć, że system niskociśnieniowy może być realizowany z poborem spalin przed lub za układem oczyszczania spalin (reaktor katalityczny i filtr cząstek stałych lub jeden układ stanowiący połączenie reaktora utleniającego i filtra cząstek stałych). Systemy recyrkulacji spalin Sposoby pracy Wysokociśnieniowy system EGR: 1 chłodnica spalin, 2 chłodnica powietrza doładowującego, 3 układ oczyszczania spalin, 4 zawór EGR System Venturiego: 1 chłodnica spalin, 2 chłodnica powietrza doładowującego, 3 układ oczyszczania spalin, 4 zawór EGR, 5 zwężka Venturiego Niskociśnieniowy system EGR: 1 chłodnica spalin, 2 chłodnica powietrza doładowującego, 3 układ oczyszczania spalin, 4 zawór EGR, 5 przepustnica spalin System zaworu szybkiego obracania: 1 chłodnica spalin, 2 chłodnica powietrza doładowującego, 3 układ oczyszczania spalin, 4 zawór EGR, 5 zawór szybkoobrotowy Pompowany system EGR: 1 chłodnica spalin, 2 chłodnica powietrza doładowującego, 3 układ Mieszany system EGR: 1 chłodnica spalin, 2 chłodnica oczyszczania spalin, 4 zawór EGR, 5 pompa powietrza doładowującego, 3 układ oczyszczania spalin, 4 zawór EGR, 5 przepustnica spalin Rys. 3. Możliwe rozwiązania systemów recyrkulacji spalin (na podstawie [2, 4, 8, 12]) 1121

Przedstawione systemy recyrkulacji spalin znajdują zastosowanie w większości obecnie produkowanych pojazdów samochodowych wyposażonych w silniki o zapłonie samoczynnym [10] (ze względu na konieczność ograniczenia znacznych wartości emisji tlenków azotu). Jednakże wprowadzenie normy Euro 6 również wymusi na producentach pojazdów wyposażonych w silniki o zapłonie iskrowym stosowanie systemów niskociśnieniowego systemu recyrkulacji spalin w połączeniu z zastosowaniem układów filtrów cząstek stałych GPF (gasoline particle filter) [5]. Ze względu na istotność tych problemów w dalszej części tego opracowania przedstawiono przykładowe rozwiązania systemów recyrkulacji spalin, których stosowanie można uniezależnić od sposobu zasilania silnika spalinowego, gdyż rozwiązania te mogą być stosowane zarówno w silnikach o zapłonie iskrowym oraz samoczynnym. Stosowanie tzw. gorącego EGR (czyli głównie wysokociśnieniowego) pozwala na wykorzystanie dużej temperatury spalin na ogrzanie powietrza w kolektorze dolotowym, co może przyspieszać procesy spalania i zwiększać sprawność cieplną. Stosowanie chłodzonego systemu EGR (zarówno wysokociśnieniowego, jak i niskociśnieniowego) zwiększa współczynnik napełnienia silnika. W tym samym czasie mniejsza temperatura w cylindrze może dodatkowo zmniejszyć emisję tlenków azotu. Ze względu na niższą temperaturę spalania, zwiększa się emisja węglowodorów i tlenku węgla (mniejsza szybkość spalania) oraz możliwe jest zwiększenie nierównomierności pracy silnika (cycle by cycle) w porównaniu do stosowania tzw. chłodzonego systemu recyrkulacji spalin [18]. 3. ROZWIĄZANIA HYBRYDOWYCH UKŁADÓW RECYRKULACJI SPALIN Typowym układem recyrkulacji spalin jest układ mieszany (hybrydowy), w którym zainstalowane są oba systemy: nisko- i wysokociśnieniowy (rysunek 4). System wysokociśnieniowy, którego przepływ spalin charakteryzuje się krótką drogą, stosowany jest w przypadku dążenia do uzyskania dużej szybkości odpowiedzi systemu podczas małej prędkości obrotowej silnika i małego obciążenia. Zwiększenie prędkości obrotowej i obciążenia silnika powoduje, że aktywny staje się niskociśnieniowy układ recyrkulacji. Pozwala on na zwiększenie szybkości przepływu spalin. Układ niskociśnieniowego EGR pozwala na obniżenie emisji tlenków azotu podczas średniego i dużego obciążenia silnika spalinowego. Dodatkowo, niskociśnieniowy układ recyrkulacji pozwala na znaczne obniżenie temperatury spalin co przyczynia się do zwiększenia współczynnika napełnienia silnika. W przedstawionym układzie spaliny ze zbiorczego kolektora wylotowego kierowane są do układu wysoko- lub niskociśnieniowego EGR. Jednakże możliwe są rozwiązania nietypowe, gdzie sterowanie układem recyrkulacji spalin objęty jest tylko jeden cylinder. Rys. 4. Mieszany (hybrydowy) system recyrkulacji spalin [16] 1122

Rozwiązanie takie powoduje, że spaliny z trzech cylindrów napędzają turbosprężarkę, natomiast całość spalin z czwartego cylindra stanowi o ilości recyrkulowanych spalin. Układ wylotowy tego cylindra nie jest połączony z pozostałymi kanałami wylotowymi (rysunek 5). Koncern PSA wraz z amerykańskim Południowozachodnim Instytutem Badawczym (SwRI) wprowadza system pozwalający utrzymywać stałą wartość recyrkulowanych spalin na poziomie 25%, co znacząco obniża emisję z pozostałych trzech cylindrów. Silnika nie wyposażono w układ doładowania, zwiększając stopień sprężania do wartości 14. Wykorzystanie dużego stopnia sprężania przy zastosowaniu udziału spalin (wysokociśnieniowego systemu recyrkulacji spalin) w silniku benzynowym powoduje, że ograniczono znacznie możliwość wystąpienia spalania stukowego. Rozwiązanie to SwRI próbuje także zastosować w rzędowym sześciocylindrowym silniku zasilanym gazem ziemnym (CNG) do średnich pojazdów ciężarowych (MD Medium Duty). Wówczas recyrkulacji spalin wykorzystuje się dwa cylindry, co powoduje, że stały udział EGR wynosi 33% [1]. Rys. 5. Schemat wielocylindrowego silnika z pojedynczym cylindrem wykorzystywanym do dedykowanego systemu recyrkulacji spalin [19] Nieco odmienne rozwiązanie wykorzystujące nisko- i wysokociśnieniowy system recyrkulacji przedstawiła firma BorgWarner [15] rysunek 6. Koncepcja ta polega na rozdzieleniu kanałów wylotowych silnika i skierowanie spalin z każdego z nich w odmienny sposób do układu wylotowego. Spaliny opuszczające cylindry jednym zaworem kierowane są na turbinę, natomiast spaliny opuszczające cylindry drugim zaworem stanowią o recyrkulacji spalin. Część z nich zaworem upustowym doprowadzona jest za turbinę. Pozwala to na ograniczenie strat pompowania w silniku (zmniejszenie ujemnej części pętli wykresu indykatorowego). Pozostała część spalin dostarczana jest do układu wysokociśnieniowego recyrkulacji spalin lub do kanału dolotowego przed sprężarkę (tworząc układ niskociśnieniowy). Przez odpowiednie wykorzystanie czasów otwarcia zaworów wylotowych możliwe jest uzyskanie zróżnicowanego doładowania bez wykorzystania typowego upustu spalin lub turbosprężarki o zmiennej geometrii łopatek kierownicy. Rys. 6. Schemat mieszanego (hybrydowego) systemu recyrkulacji spalin z układem by-pass turbiny spalin [15] 1123

EGR [%] / ge [%] NOx [%] EGR [%] / ge [%] 10-90% (deg) Q50 (deg. po GMP) 4. WPŁYW UDZIAŁU RECYRKULOWANYCH GAZÓW NA PRZEBIEG SPALANIA I ZUŻYCIE PALIWA Spaliny silnika kierowane do cylindra w znacznym stopniu powodują zmianę przebiegu ciśnienia w cylindrze. Ma to również wpływ na zmianę parametrów termodynamicznych. Analiza wskaźników spalania podczas pracy silnika na obciążeniach częściowych wskazuje na wydłużenie czasu spalania, które jest tym większe im zastosowano większy udział spalin (rysunek 7a). Zwiększenie udziału recyrkulowanych spalin wymaga wcześniejszego ustawienia kąta zapłonu w celu osiągnięcia prawidłowego przebiegu procesu. Oznacza to, że wyprzedzanie zapłonu wraz ze zwiększeniem udziału spalin będzie powodowało przesunięcie (wyprzedzenie) punktu Q50 (50% wywiązanego ciepła) w stronę kątów wcześniejszych. Jest to istotne z punktu widzenia optymalizacji pracy silnika, gdyż obecne prace koncentrują się na ustaleniu położenia środka ciężkości spalania, czyli kąta OWK, przy którym uzyskiwane jest 50% wydzielenie ciepła (wartości Q50). Wartość wyprzedzenia zapłonu jest obecnie drugorzędna. Jednakże zastosowanie prawie 20% udziału spalin skutkuje znacznym wyprzedzeniem zapłonu do wartości od 30 do 45 stopni przed GMP, rysunek 7b. Zmiana wyprzedzenia zapłonu o 15 stopni (przyspieszenie) skutkuje skróceniem kąta spalania o około 5 stopni. Wynika z tego, że możliwe jest sterowanie procesem spalania nawet przy zastosowaniu dużego, lecz stałego udziału recyrkulowanych spalin. a) b) Zapłon (po GMP) Zapłon (po GMP) Rys. 7. Wpływ udziału recyrkulowanych spalin na termodynamiczne parametry procesu spalania: a) czas trwania spalania, b) kąt pięćdziesięciu procent wywiązanego ciepła centrum spalania (n = 2500 obr/min; p e = 1,4 MPa) [7] Badania prowadzone przez firmę SwRI wraz z koncernem PSA [2] wskazują na istnienie znacznego potencjału dotyczącego wykorzystania recyrkulacji spalin w doładowanych silnikach o zapłonie iskrowym. Badania prowadzone przy częściowym obciążeniu silnika wskazują na znaczący udział spalin (do 20%) i jego wpływ na redukcję zużycia paliwa (rysunek 8a). a) 20 100 b) 25 Redukcja ge [%] 15 80 20 Udział EGR [%] 15 10 60 10 5 40 5 0 1500 / 0,3 1500 / 0,8 2000 / 0,2 2000 / 0,5 n [obr/min] / Pe [MPa] Redukcja ge [%] Udział EGR [%] 20 0 2000 / 1,4 2000 / 1,8 3000 / 1,8 4000 / 1,8 4500 / 1,7 5500 / 1,5 Redukcja enox [%] n [obr/min] / Pe [MPa] Rys. 8. Wpływ udziału recyrkulowanych spalin na redukcję zużycia paliwa: a) przy niewielkich obciążeniach silnika, b) przy dużym obciążeniu silnika [2] 1124

Obciążenie [%] Ograniczenie zużycia paliwa jest proporcjonalne do wielkości recyrkulowanych spalin. Wykorzystano w tym przypadku wysokociśnieniowy chłodzony układ recyrkulacji spalin, która powoduje zwiększenie temperatury dostarczanego do cylindra powietrza. Skutkuje to niewielkim (1-3%) ograniczeniem zużycia paliwa. Jednocześnie zaobserwowano ponad 60% zmniejszenie jednostkowej emisji tlenków azotu. Tak duży spadek emisji NO x był w tym przypadku przewidywalny, gdyż duży udział spalin wydatnie ogranicza formowanie NO x z powodu braku tlenu w mieszance paliwowo-powietrznej. Zwiększenie obciążenia (bez zwiększania ilość spalin dostarczanych do cylindra) skutkowało większym ograniczeniem jednostkowego zużycia paliwa (odnotowano spadek od 4 do 22%). Wynikało to z zastosowania niskociśnieniowego systemu recyrkulacji spalin o wartości temperatury od 110 do 200 o C. Zwiększenie obciążenia silnika przy zwiększeniu udziału spalin (do 20%) powodowało ograniczenie zużycia paliwa ponad 20% (rysunek 8b). PODSUMOWANIE Przedstawione rozwiązania systemów recyrkulacji spalin są najnowszymi rozwiązaniami pozwalającym spełnić limity emisji spalin. Należy sądzić, że rozwiązania te będą wkrótce również stosowane w silnikach o zapłonie iskrowym. Charakterystyki silników o zapłonie iskrowym zbliżają się do tych, którymi cechują się silniki o zapłonie samoczynnym. Jeśli wykorzystanie recyrkulacji spalin w silnikach ZS prowadzi głównie do ograniczenia emisji tlenków azotu, to w silnikach o zapłonie iskrowym dodatkowo może stanowić działanie ograniczające zużycie paliwa. Stosowanie obecnie systemów wtrysku bezpośredniego paliwa i systemów doładowania w silnikach benzynowych pozwala na stworzenie mapy wskazującej na obszary, pozwalające na poszukiwanie możliwości większego zastosowania recyrkulowanych spalin niż jest to obecnie stosowane (rysunek 9). 100 IV 80 I 60 II VI 40 V 20 III 0 0 1000 20000 3000 4000 5000 6000 n[obr/min] Rys. 9. Możliwości zastosowania recyrkulowanych spalin w silniku o zapłonie iskrowym z wtryskiem bezpośrednim w aspekcie charakterystyki ogólnej silnika [9, 11] Na przedstawionej mapie zostały zaznaczone charakterystyczne obszary, w których następująco kształtuje się użyteczność systemu EGR w silniku o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem: I. Obszar downspeedingu zwiększenie momentu dla małych prędkości obrotowych, poprawa odpowiedzi w warunkach przejściowych, 1125

II. Maksymalne otwarcie przepustnicy zakres doładowania, udział spalin o wartości 0-10%, chłodzony EGR, obieg Atkinsona/Millera, III. Udział spalin o wartości 10-30%, strategie wykorzystania recyrkulacji wewnętrznej (IGR), IV. Współczynnik nadmiaru powietrza = 1, region z podziałem dawki dla ograniczenia spalania stukowego; niskociśnieniowy, chłodzony układ recyrkulacji spalin o wielkości 5-15% używany w połączeniu z zaawansowanym doładowaniem i wzrostem stopnia spężania dla zwiekszenia sprawności silnika, V. Zakres pracy silnika o λ = 1, nie wymagane wykorzystanie układu recyrkulacji spalin, VI. Maksymalne otwarcie przepustnicy, możliwość uzyskania małego ge dzięki użyciu strategii podziału dawki na części oraz doładowania. Streszczenie Unifikacja systemów sterowania oraz zasilania silników spalinowych obecnie powoduje, że zbliżenie konstrukcyjne tych jednostek jest nieuniknione. Prowadzi to również do upodobnienia systemów wtrysku i spalania silników o zapłonie iskrowym i samoczynnym. Jednym z unifikowanych układów jest system recyrkulacji spalin. W artykule przedstawiono obecne rozwiązania systemów recyrkulacji gazów wylotowych wraz z przedstawieniem podobieństw i różnic w silnikach o zapłonie iskrowym i samoczynnym. Przedstawiono genezę systemu i jego wpływ na proces spalania paliwa, podano ograniczenia stosowania w silnikach ZI i ZS, a także najnowsze rozwiązania w postaci systemów nisko- i wysokociśnieniowych. Wskazano na kierunki rozwoju tych układów w aspekcie możliwości spełnienia przyszłych limitów emisji spalin. Exhaust gas recirculation systems in modern combustion engines Abstract The unification of control systems and supply systems in combustion engines is currently causing the inevitability of structural assimilation of these units what is inevitable. This also leads to similarities of the injection system and combustion in diesel and spark-ignition engines. One of the unified system is the exhaust gas recirculation system. The article presents the current solutions of exhaust gas recirculation systems, together with the similarities and differences in diesel and spark-ignition engines. The genesis of the system and its impact on the combustion process is presented, the restrictions of the use of gasoline and diesel engines are given, as well as the latest innovations in the form of low and high pressure systems. The evolution directions of these systems in the aspect of ability to meet future exhaust emission limits are indicated. BIBLIOGRAFIA 1. Alger T., Developments in High Efficiency Engine Technologies and an Introduction to SwRI's Dedicated EGR Concept. Directions in Engine-Efficiency and Emissions Research (DEER) 2012, Southwest Research Institute, San Antonio, 2012. 2. Alger T., Chauvet T., Dimitrova Z., Synergies between High EGR Operation and GDI Systems, SAE Int. J. Engines 1(1):101-114, 2009, doi:10.4271/2008-01-0134. 3. Berg T., Thiele O., Seefeldt S., Vanhaelst R., Measurement of in-cylinder mixture formation by optical indication. MTZ Motortechnische Zeitschrift, 06/2013, 472-477. 4. Blank H., Dismon H., Kochs M., Sanders M. i in., EGR and Air Management for Direct Injection Gasoline Engines. SAE Technical Paper 2002-01-0707, 2002, doi:10.4271/2002-01-0707. 5. Bourhis G., Chauvin J., Gautrot X., de Francqueville L., LP EGR and IGR compromise on a GDI engine at middle load. SAE Int. J. Engines 6(1):2013, doi:10.4271/2013-01-0256. 6. Cavina, N., Siviero, C., Suglia, R., Residual gas fraction estimation: application to a GDI engine with variable valve timing and EGR. SAE Technical Paper 2004-01-2943, 2004, doi:10.4271/2004-01-2943. 7. Hoepke B., Jannsen S., Kasseris E., Cheng W.K., EGR Effects on Boosted SI Engine Operation and Knock Integral Correlation. SAE Technical Paper 2012-01-0707, 2012, doi: 10.4271/2012-01-0707. 1126

8. Kaiser M., Krueger U., Harris R., Cruff L., Doing More with Less - The Fuel Economy Benefits of Cooled EGR on a Direct Injected Spark Ignited Boosted Engine, SAE Technical Paper 2010-01-0589, 2010, doi:10.4271/2010-01-0589. 9. Kasab J.J., Influence and Importance of Fuel Octane in Future Engine Development. Renewable Fuels Association, 2011, ricardo.com 10. Merkisz J., Pielecha J., Pielecha I., Road test emissions using on-board measuring method for light duty diesel vehicles. Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering, Volume 5, Number 1, February 2011. 11. Mohr U., Future Powertrain Improvements. Hochschule Esslingen. Mahle 2013. 12. Park C., Park S., Kim C., Lee S., Effects of EGR on performance of engines with spark gap projection and fueled by biogas-hydrogen blends. International Journal of Hydrogen Energy 37 (2012) 14640-14648. 13. Pielecha I., Borowski P., Cieślik W., Investigations into High-Pressure Diesel Spray Wall Interaction on Reduction of Exhaust Emission from DI Diesel Engine. SAE Technical Paper 2014-01-1250. 14. Pielecha I., Borowski P., Czajka J., Wisłocki K., Spray Analysis Carried Out With the Use of Two Angularly Arranged Outward-Opening Injectors. ILASS Americas 25th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Pittsburgh, PA, May5-8, 2013. 15. Roth D., Becker M., Valve-Event Modulated Boost System: Fuel Consumption and Performance with Scavenge-Sourced EGR. SAE Int. J. Engines 5(2):538-546, 2012, doi:10.4271/2012-01- 0705. 16. Self Study Program 826803, 2.0 Liter TDI Common Rail BIN5 ULEV Engine, Volkswagen Academy, 04.2008. 17. Vanhaelst R., Thiele O., Berg T., Hahne B., Stellet H.-P., Wildhagen F., Hentschel W., Jördens C., Czajka J., Wisłocki K., Pielecha I.: Development of an in-cylinder-optical infrared sensor for the determination of EGR and residual gas rates inside SI and diesel engines. XI Congress Engine Combustion Processes, pp. 279-290, 14-15.03.2013, Ludwigsburg, Germany. 18. Wei H., Zhu T., Shu G., Tan L., Wang Y., Gasoline engine exhaust gas recirculation A review. Applied Energy 99 (2012) 534 544. Doi:10.1016/j.apenergy.2012.05.011. 19. www.greencarcongress.com/2013/02/psa-degr-20130204.html (dostęp z dnia 10.01.2014). 1127