Valvola EGR: a cosa serve e come funziona

Valvola EGR: prima di spiegare cos’è la valvola EGR e a cosa serve occorre una premessa. Una delle componenti delle emissioni dei gas di scarico sono gli ossidi di azoto. Il motore a ciclo diesel infatti lavora sempre in eccesso di aria, per questo i gas di scarico contengono meno idrocarburi incombusti (HC) ma in presenza di miscela molto magra di gasolio in eccesso di ossigeno contengono elevate quantità di ossidi di azoto. Motori con camere di scoppio piccole ed elevato rapporto di compressione sviluppano maggiori quantità di ossidi di azoto.
Vediamo ora tutte le funzioni di queste valvole a partire dal significato dell’acronimo EGR (Exaust Gas Recyrcle – Ricircolo Gas di scarico).

Come funzionano le valvole EGR e in che modo limitano la formazione di ossidi di azoto

Per limitare la formazione di ossidi di azoto si usano principalmente due strategie. La prima è rotardare il punto di accesione del combustibile e introdurre una o più valvole EGR. La valvola EGR ha il compito di reintrodurre parte dei gas di scarico in camera di combustione in modo da ridurre l’aspirazione di ossigeno. I gas di scarico reintrodotti in camera di combustione non sono più “attivi” nel processo di combustione ma assorbono parte del calore e in questo modo diminuisce la temperatura di combustione abbattendo fino al 60% la generazione di ossidi di azoto. La quota di gas ricircolati però non può superare al 40% del volume d’aria aspirato in camera di combustione. Perché non si riesce a superare questa quota di ricircolo? In realtà si potrebbe abbattendo ancora di più gli ossidi di azoto ma parte del combustibile non verrebbe combusto completamente incrementando la formazione dell’altrettanto temuto e combattuto particolato (PM). I sistemi EGR possono essere interni al motore oppure esterni.

Sistema EGR interno al motore

Niente di complesso o complicato ma una semplice modifica al sistema di distribuzione per ottenere un’apertura anticipata della o delle valvole di aspirazione. L’apertura anticipata trattiene in camera parte dei gas di combustione che si miscela all’aria di aspirazione. Il sistema però funziona poco perché i motori a gasolio sono sovralimentati e quindi i progettisti devono fare complessi calcoli sugli angoli di incrocio della fasatura delle valvole e in più è richiesto un rapporto di compressione inferiore. Mazda usa questo sistema su alcuni motori a gasolio con cilindrata unitaria superiore alla media.

Sistema EGR esterno al motore

Questo sistema si compone di una valvola EGR, condotti per i gas e sistema di raffreddamento.In pratica la valvola ha il compito di prelevare parte dei gas di scarico (la quantità varia in funzione del carico del motore), raffreddarlo e reimmeterlo in camera di combustione per abbassare la temperatura. Lo fa secondo il principio degli inerti: i gas di scarico non interagiscono con la combustione ma sottraggono il calore generato dalla compressione dell’aria riducendo quindi la temperatura massima di combustione che è in relazione con la produzione di ossidi di azoto. Le valvole esterne EGR si dividono a loro volta in due categorie: EGR ad alta pressione (AP) ed EGR a bassa pressione (BP). Nei motori Euro 6 di solito ci sono entrambe le valvole che lavorano alternativamente secondo il carico del motore o per la fase di avviamento a freddo del motore.

Funzionamento della valvola EGR ad alta pressione

Questa tecnologia prevede che i gas di scarico siano prelevati dalla valvola EGR a monte della turbina e reimmessi a valle del compressore nell’aria di aspirazione già compressa. Dalla normativa Euro 4 in poi sono presenti tra prelievo e immissione degli scambiatori di calore per abbassare la temperatura del gas inerte. La presenza della sovralimentazione richiede un sistema di regolazione della pressione di aspirazione. Per questo sono presenti delle farfalle di regolazione: provvedono a mantenere una differenza tra pressione della conduttura di scarico e quella di aspirazione. La chiusura delle farfalle crea una depressione che incrementa l’aspirazione dei gas di scarico da riciclare. Attenzione a piena potenza la valvola EGR resta disinserito per favorire l’erograzione dei cavalli e della coppia motrice. Infine con valvola EGR attiva il regime del minimo viene leggermente incrementato.

Funzionamento della valvola EGR a bassa pressione

I gas di scarico da reintrodurre in camera di combustione sono prelevati a valle della turbina e del filtro antiparticolato e miscelati con l’aria di aspirazione a monte del compressore. Il recupero dei gas dopo il trattamento del filtro antiparticolato ha due vantaggi: minore presenza di particolato e minore temperatura. I vantaggi sono evidenti: riduzione della temperatura in camera di combusione, il flusso dei gas di scarico che azionano la turbina non viene rallentato e la valvola EGR ha meno problemi di imbrattamento per particolato. Il girante del compressore del turbo però deve essere trattato per resistere all’acidità dei gas di scarico e all’umidità presente nell’aria fresca che viene compressa.

Quota di utilizzo delle valvole EGR

Gli ossidi di azoto diminuiscono in progressione alla quota di gas di scarico usati dalla valvola EGR in combustione. Tuttavia le emissioni sono composte anche da andidride carbonica, particolato e idrocarburi incombusti. Se da una parte la riduzionde della temperatura di combustione riduce gli ossidi di azoto dall’altra aumente il consumo di combustibile per erogare potenza e coppia richiesta dal guidatore. Oltre al 40% di quota EGR gli altri parametri peggiorano troppo e per questo viene fissata questa soglia di utilizzo. La regolazione della quota EGR è istantanea alle richieste del motore. Viene comandata dalla centralina del motore mediante una o più valvole farfalle a depressione oppure con un elettro attuatore. La regolazione della quota tiene conto di più fattori tra cui: carico del motore (pressione acceleratore), regime del motore, temperatura del motore, pressione sovralimentazione e temperatura/volume aria aspirata. Nei motori più recenti viene anche misurata la pressione interna dei cilindri e la quantità residua di ossigeno presente nei gas di scarico.