در سال‌های اخیر دقت به کاهش آلایندگی موتور خودروها به شدت ارتقاء پیدا نموده است، از یک سو مقررات زیست محیطی سال به سال سخت‌تر میشوند و از طرف دیگر خودروسازان همت می نمایند با معرفی مدل‌های پاک‌تر از پس اجرای این قانون ها برآیند. در این بین راهکارهای متفاوتی برای کاهش آلایندگی خودروها به‌وجود آمده که EGR یا این که سیستم گردش دوباره گازهای اگزوز یکی از آنان است که در این بخش آن را بررسی خوا‌هیم کرد. گازهای خروجی اگزوز خودروها آلاینده‌های زیادی دارا است ولی در بین آن ها اکسیدهای نیتروژن که به صورت همگانی با NOX نمایش داده میگردند یکی از خطرناک‌ترین آلاینده‌ها هستند. اکسیدهای نیتروژن مسئول بی واسطه تشکیل مه دود در شهرهای بزرگ و بارش باران‌های اسیدی میباشند و به همین منظور در ضوابط آلایندگی اعتنا متعددی به کاهش آنها شده است. خودروسازان در سال‌های اخیر روش های متمایز را برای این خواسته آزموده‌اند که برای موتورهای دیزل یکی از اصلی‌ترین راه حل‌ها استفاده از سیستم Exhaust Gas Recirculation یا این که به صورت مخفف EGR است که می‌توان آن را سیستم گردش دوباره گازهای اگزوز ترجمه کرد. این سیستم وظیفه دارد مرحله اکسیدهای نیتروژن را در خروجی موتور خودروها و به صورت معین خودروهای دیزل تا حد قابل کم کند.
اکسیدهای نیتروژن چه‌گونه تشکیل میشوند؟
همان‌گونه که گفتیم یکی از اصلی‌ترین آلاینده‌های موتورهای درونسوز که تاکید متعددی هم بر کاهش آنها موجود هست اکسیدهای نیتروژن یا این که NOX است و فهمیدن منشأ این آلاینده می تواند به حذف آن از مبدأ کمک دهد تا بدین ترتیب بازدارنده از تشکیل آن شویم. اکسیدهای نیتروژن همان‌گونه که از اسم آنها پیدا است نتایج ادغام نیتروژن با اکسیژن میباشند. این دو گاز در وضعیت طبیعی با یکدیگر ادغام نمی شوند البته هنگامی که هر دو گاز در دمای خیلی بالا در جوار یکدیگر قرار می گیرند فعال شده و مخلوط می شوند و یکی‌از منابع ایجاد این دمای بالا محیط احتراق موتور اتومبیل است، ولی این دو گاز از کجا وارد محیط احتراق میگردند و آیا می‌توان جلوی ورود آنها را گرفت؟ متأسفانه پاسخ سوال دوم منفی است به دلیل آن که هر دوی این گازها در هوای اطراف ما وجود دارند و بر این اساس به همراه هوا وارد موتور می گردند. هوای اطراف ما دارنده ۷۸ درصد نیتروژن و ۲۱ درصد اکسیژن است و بدین ترتیب در حین ورود هوا به موتور اتومبیل در سطح مکش حجم متعددی از این دو گاز وارد موتور میشوند و نمیتوان جلوی ورود آنها را گرفت، البته همان گونه که گفتیم این دو ماده در موقعیت ارگانیک و دمای معمول میلی به مخلوط با یکدیگر ندارند چرا که در شرایطی که این گونه بود بایستی به صورت طبیعی در هوا با هم ادغام می‌شدند و بدین ترتیب جو ما آکنده از اکسیدهای نیتروژن می شد که اما این گونه نیست و قلیل اکسیدهای نیتروژن طبیعی در جو اطراف ما هم ناشی از گرمای مضاعف صاعقه‌هایی است که گهگاه رخ می دهد.
با در نظر گرفتن اینکه در حال حاضر می دانیم اکسیدهای نیتروژن در چه قوانینی تشکیل میشوند و این که میدانیم نمی توان جلوی ورود اکسیژن و نیتروژن را به داخل موتور اتومبیل گرفت، به نظر می رسد شایسته ترین شیوه 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 مبداء و چگونگی شکل‌گیری NOX تحت عنوان یکی از اصلی‌ترین آلاینده‌های موتور اتومبیل پی بردیم زمان قابل قبولی است که در‌پی راه‌حل باشیم. با دریافت کردن این نکته که این آلاینده در دمای احتراق دوچندان بالا ایجاد میشود ممکن است ایده‌آل‌ترین فعالیت کاهش دمای احتراق موتور باشد ولی این فعالیت آنقدر که به صحبت آسان است در کار شدنی نیست و به دلیل آنکه احتراق به صورت لحظه‌ای رخ میدهد و با منش کارهایی مانند خنک کردن بدنه سیلندر و … نمیتوان کمکی به کاهش دمای احتراق کرد البته خوشبختانه چاره ای داخل موتور است و نیازی به جست‌وجوی چندانی برای آن نیست، گازهای خروجی اگزوز.
ایده دارای اهمیت در این جا بهره‌گیری از گازهای خروجی اگزوز ماشین و بازگرداندن دوباره جزء آنان به محیط احتراق به همراه هوای محل ورود است تا با این روش دمای احتراق کاهش پیدا نماید و در سود ساخت NOX محدود شود. با ورود جزء گازهای اگزوز به محل ورود هوای موتور و در نتیجه محیط احتراق، میزان اکسیژن موجود در محیط احتراق محدودتر میشود و با این عمل دمای احتراق ترکیب سوخت و هوا کاهش پیدا می کند سوای آنکه از توان موتور ماشین کم شود به این دلیل اکسیژنی که در اینجا از محیط کم میشود اکسیژنی است که در یک مراحل معمولی با سوخت ادغام نمی‌شده تا سبب ساز به ایجاد نیرو شود بلکه قرار بوده با نیتروژن مخلوط شود و به همین منظور موتور می تواند کماکان میزان قابل قبولی از اکسیژن را که برای ادامه عمل خود نیاز دارد اخذ نماید. از طرف دیگر ورود گازهای خروجی موتور به داخل محیط احتراق موجب کند شدن سرعت واکنش‌ها در سیلندر می‌گردد که این مسأله هم خود به کاهش ایجاد اکسیدهای نیتروژن کمک بزرگی می‌نماید. اسم EGR یا این که گردش دوباره گازهای اگزوز هم دقیقاً از همین جا می آید.
EGR اولین دفعه در اوایل دهه سال ۷۰ میلادی مورد دقت جدی قرار گرفت و این دقیقاً هنگامی است که مقررات در مورد میزان آلایندگی موتورها و به خصوص موتورهای دیزل که در آن زمان نمادی از آلایندگی بودند سخت‌تر میشد. به کارگیری از این سیستم با گذشت زمان از دهه سال ۸۰ گسترده‌تر شد و چه بسا بر روی موتورهای بنزین‌سوز هم میشد نمونه‌های آن را رویت کرد، ولی اکنون بیشتر موتورهای دیزل دنیا چه در خودروهای سبک و به خصوص در خودروهای سنگین وزن از این سیستم برای کاهش آلایندگی موتور سود میگیرند.
نحوه عملکرد EGR
اساس عمل EGR همان‌گونه که گفتیم بر مبنای رجوع جزو گازهای خروجی موتور به محیط احتراق است. برای این مراد به صورت بی آلایش شده EGR یک مدار فرعی از خروجی اگزوز موتور میگیرد که قادر است جزء گازهای خروجی را از مسیر حساس گم راه نماید. در پی این گاز به مسیر منیفولد ماشین هوای موتور می رود البته در این جهت می بایست دمای آن تحت کنترل باشد. همان‌گونه که گفتیم EGR بایستی بتواند دمای احتراق را کم کند ولی هنگامی که گاز خروجی موتور به محیط احتراق بازگردد (در حالی که دمای آن ممکن است در لحظه خروج از موتور بیشتر از ۷۰۰ اسب‌بخار باشد) عملاً نه فقط دما کاهش پیدا نمیکند بلکه موجب افزایش دمای محفظه احتراق هم خواهد شد، به همین علت یک خنک‌کن ( قسمتی مشابه به رادیاتور ) در مسیر نصب می گردد تا گازهای اگزوز را پیش از ورود مجدد به منیفولد خنک نماید تا از این روش گازهای اگزوز نیز دمای کمتری داشته باشد و هم فشرده‌تر شود. این خنک‌کن معمولاً فقط در جوار هوا خنک می شود ولی در سال‌های اخیر یک مدار مستقل از رادیاتور اتومبیل به این بخش کشیده می‌گردد تا عملاً رادیاتور وظیفه خنک کردن آب اطراف این بخش را بر عهده داشته باشد. در مسیر این خنک‌کن یک سوپاپ منحصر موجود است که می‌توان هوا را در مواقع واجب به صورت بی واسطه و سوای ورود به خنک‌کن به منیفولد محل ورود برساند ضمن آنکه سوپاپی هم در مسیر موجود است که وظیفه در دست گرفتن جریان گازهای اگزوز در مسیر را بر عهده دارد و به سوپاپ EGR دارای شهرت است. بنابراین قسمتی از گازهای خروجی اگزوز بعد از سرد شدن و فشرده‌تر شدن در مسیر هوای محل ورود موتور وارد می گردند و میتوانند با کاهش دمای احتراق ساخت NOX را کاهش دهند.
بررسی عملکرد EGR در آلایندگی هوا
اکنون که ساختار کلی EGR و چگونگی کارکرد آن را بررسی کردیم زمان قابل قبولی است که EGR را در فعالیت مورد بررسی در اختیار بگذاریم به دلیل آنکه در اینجا علاوه بر مزیت بزرگ کاهش آلودگی NOX ،EGR از روش‌های دیگری نیز به پیشرفت در عملکرد موتور اتومبیل کمک می کند.
بررسی را با یک موتور دیزل در طول روشن شدن آغاز میکنیم. موتورهای درونسوز در حین آغاز به عمل و لحظاتی که دمای موتور هنوز به دمای کارکرد ایده‌آل نرسیده است در موضوع احتراق مبتلا به ایراد میباشند و این مسأله در خصوص موتورهای دیزل مشهودتر هم می باشد چرا که پایه فعالیت این موتورها نه بر مبنای جرقه شمع بلکه بر مبنای اشتعال ناشی از دمای بالای محیط احتراق است و وقتی که هم هوای محل ورود و هم سوخت سرد است چه بسا بعد از روشن شدن موتور هم تا دقایقی حجم آلایندگی آنان بالا است که این مسأله را در نمونه‌های سنگین وزن می‌توان با خروج دود به رنگ سیاه از اگزوز اتومبیل رویت کرد. از سمت دیگر کاتالیست‌های نصب شده در مسیر دود خروجی موتور نیز در حین سرد بودن نمی‌توانند به وظیفه خود کار نمایند و برای فعال شدن نیاز دارند دمای موتور و در سود دمای گازهای خروجی موتور بالا برود و بنابراین یک موتور سرد به خصوص در صورتی دیزلی باشد مستعد آلایندگی بالایی است و گرم کردن سریع‌تر موتور اتومبیل از اهمیت متعددی شامل است و اینجا است که EGR میتواند به امداد موتور اتومبیل بیاید. در آستانه عمل موتور و با اعتنا به بررسی دمای موتور و دمای گازهای خروجی به وسیله سنسور ویژه‌ای که به همین علت پیاده سازی شده است، سیستم رئیس EGR وارد فاز گرم کردن موتور یا این که Warm Up می گردد. با روشن شدن موتور ماشین، سوپاپ EGR گشوده می‌گردد به این معنا که جزء دود خروجی موتور با مسیر محل ورود هوای موتور می رسد.