船用柴油機(jī)EGR風(fēng)機(jī)樣機(jī)研制和試驗驗證

金玉山，李 翔，張東明

（上海船用柴油機(jī)研究所，上海 201108）

0 引 言

隨著環(huán)境保護(hù)問題日益突出，船用柴油機(jī)的排放法規(guī)日趨嚴(yán)格。2016年 1月 1日，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）Tier Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)在排放控制區(qū)域內(nèi)實(shí)施，該標(biāo)準(zhǔn)是迄今為止最嚴(yán)格的NOx減排標(biāo)準(zhǔn)，與TierⅡ相比排放量減少75%左右，與Tier I相比排放量減少80%。

廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）、選擇性催化還原技術(shù)（Selective Catalytic Reduction，SCR）和替代燃料天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）技術(shù)完全可滿足Tier Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)，其中EGR技術(shù)對原機(jī)的改動小，成本低，尤其是在低速大功率船用柴油機(jī)上具有大規(guī)模推廣使用的潛力。例如，MAN Diesel & Turbo 公司對船用柴油機(jī)EGR系統(tǒng)有長期研究，已在其船機(jī)產(chǎn)品4T50ME-X上進(jìn)行試驗，結(jié)果證明EGR可有效降低NOx排放[1]。

EGR風(fēng)機(jī)作為EGR系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要功能是對再循環(huán)廢氣進(jìn)行增壓，實(shí)現(xiàn)與增壓之后的空氣相混合并進(jìn)入進(jìn)氣總管。對于國內(nèi)大功率船用柴油機(jī)而言，EGR風(fēng)機(jī)屬于首次涉及的部件，本文主要介紹中國船舶重工集團(tuán)公司上海船用柴油機(jī)研究所EGR風(fēng)機(jī)第一代試驗樣機(jī)的研制過程和試驗結(jié)果。

1 EGR機(jī)內(nèi)排放控制技術(shù)

為保護(hù)環(huán)境并滿足更加嚴(yán)格的IMO Tier Ⅲ排放法規(guī)的要求，許多機(jī)內(nèi)、機(jī)外排放控制措施（如燃油系統(tǒng)優(yōu)化，EGR，直噴水及高增壓技術(shù)，SCR，氣體機(jī)等）得到廣泛開發(fā)，用來降低NOx排放。目前公認(rèn)的能滿足IMO TierⅢ排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)措施主要有雙燃料、SCR和EGR等3種。

EGR技術(shù)是廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的簡稱，以技術(shù)改動小、設(shè)計自由度大的特點(diǎn)成為目前較為常用和有效的應(yīng)用措施之一。但在船用柴油機(jī)EGR技術(shù)及產(chǎn)品研發(fā)方面，受制于排放法規(guī)推行相對滯后影響，很少有相關(guān)產(chǎn)品得到實(shí)際應(yīng)用，如何克服船用增壓柴油機(jī)的進(jìn)排氣壓力逆差是亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。

1.1 EGR技術(shù)工作原理

EGR技術(shù)通過將上一循環(huán)的部分燃燒產(chǎn)物引入到新鮮可燃混合氣內(nèi)來降低混合氣中氧的濃度，提高混合氣的熱容量，降低燃燒的速度和燃燒的峰值溫度及減少在峰值溫度停留的時間，從而降低NOx的排放。從組分和熱力性質(zhì)來看，不管是從排氣管引出的廢氣，還是缸內(nèi)的殘余廢氣，甚至是其他缸內(nèi)生成的廢氣，都是上一循環(huán)的燃燒產(chǎn)物。

通常所說的EGR即指外部EGR系統(tǒng)，其在渦輪前取氣，使廢氣回流到進(jìn)氣中冷器之后的進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)，使廢氣與新鮮空氣在進(jìn)入氣缸之前充分混合。這種方式可避免出現(xiàn)再循環(huán)的廢氣污染壓氣機(jī)和中冷器，使壓氣機(jī)和中冷器不受排氣中的微粒、碳?xì)浠衔锛傲虻挠绊懀瑥亩鴾p少可能出現(xiàn)的堵塞和腐蝕問題。該系統(tǒng)不僅可通過電控系統(tǒng)精確控制EGR率，優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)性能，而且可在外部系統(tǒng)中加裝EGR冷卻器，有效降低燃燒溫度，從而在柴油機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。

匹配低速二沖程船用柴油機(jī) EGR系統(tǒng)原理圖見圖 1，可滿足 TierⅢ的排放要求。通過運(yùn)行和停止EGR系統(tǒng)，打開和關(guān)閉EGR閥門，可實(shí)現(xiàn) TierⅡ模式與Tier Ⅲ模式的切換，滿足不同區(qū)域?qū)Υ貌裼蜋C(jī)的排放要求。

圖1 匹配低速船用柴油機(jī)EGR系統(tǒng)

1.2 EGR風(fēng)機(jī)部件功用

克服進(jìn)排氣壓力逆差是渦輪增壓柴油機(jī) EGR系統(tǒng)設(shè)計的主要難點(diǎn)，這是因為 EGR降低柴油機(jī)NOx排放的原理是根據(jù)NOx生成的機(jī)理實(shí)現(xiàn)的。由于渦輪增壓器和船用柴油機(jī)的特性，渦輪增壓柴油機(jī)受增壓的作用使得進(jìn)氣壓力增大，在高負(fù)荷時進(jìn)氣壓力更大，造成排氣管內(nèi)的平均壓力相對進(jìn)氣管的平均壓力較小，使得 EGR閥前后的壓力差不夠高，甚至出現(xiàn)負(fù)的壓力差，簡單地從排氣管引出廢氣直通到進(jìn)氣管內(nèi)難以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，難以實(shí)現(xiàn)高的EGR率。因此，需采用其他輔助裝置，如帶文丘里混合氣式、犧牲某缸的EGR系統(tǒng)及EGR風(fēng)機(jī)等。

(1) 帶文丘里混合氣式的主要缺點(diǎn)是較難同時滿足高負(fù)荷和低負(fù)荷的要求：在低負(fù)荷時進(jìn)氣流量小，若要保證有足夠的 EGR率，就要減小文丘里管的喉口直徑；在高負(fù)荷時流量增大，流速加快，文丘里管引起的流動損失也隨之增加。

(2) 犧牲單缸的EGR系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)，且初期投資成本較低，但其缺點(diǎn)是由于被犧牲缸的排氣壓力增大，風(fēng)機(jī)氣損失也相應(yīng)增大，從而使燃油經(jīng)濟(jì)性惡化；同時，由于對正常掃氣過程的影響，排氣溫度上升，被犧牲缸的熱負(fù)荷增加。

(3) 電動EGR風(fēng)機(jī)是將柴油機(jī)排出的廢氣經(jīng)EGR閥流入EGR風(fēng)機(jī)中增壓，從風(fēng)機(jī)中流出的廢氣與增壓之后的空氣相混合進(jìn)入柴油機(jī)的進(jìn)氣總管向各缸分配。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可通過調(diào)整 EGR風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來獲取所需的EGR率，與柴油機(jī)自身的設(shè)置無關(guān)，運(yùn)用方便、簡單，但對EGR風(fēng)機(jī)的材料及運(yùn)行的可靠性要求都很高。

船用低速柴油機(jī)相比中速柴油機(jī)對緊湊性的要求較低，自身占用空間較大，為 EGR風(fēng)機(jī)部件布置提供了便利，因此船用大功率低速柴油機(jī)EGR系統(tǒng)更有可能采用EGR風(fēng)機(jī)方案。

2 EGR風(fēng)機(jī)部件研制

EGR風(fēng)機(jī)樣機(jī)首代樣機(jī)型號為EGR Blower001，型式為電動變頻可調(diào)EGR風(fēng)機(jī)，主要部件包括EGR壓氣機(jī)、高速變頻電機(jī)、控制柜和相關(guān)傳感器等。

2.1 壓氣機(jī)部件

根據(jù)船用柴油機(jī)EGR系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，EGR風(fēng)機(jī)樣機(jī)的壓氣機(jī)部件采用單級離心式壓氣機(jī)，匹配船用柴油機(jī)對EGR系統(tǒng)的要求是：在額定工況點(diǎn)下能實(shí)現(xiàn)25%左右的EGR率，壓氣機(jī)運(yùn)行范圍覆蓋壓比1.05和2.82kg/s的EGR廢氣流量（額定工況）及壓比1.02和1.24kg/s的EGR廢氣流量（低工況），見表1。

表1 EGR Blower001壓氣機(jī)運(yùn)行要求

設(shè)計壓氣機(jī)葉輪為半開式三元流后彎銑制葉輪。設(shè)計擴(kuò)壓器采用高效翼形葉片式擴(kuò)壓器，采用不銹鋼材料整體鑄造，通過提高工作葉輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到增大壓力的目的。圖2為EGR風(fēng)機(jī)壓氣機(jī)部件設(shè)計。

圖2 EGR風(fēng)機(jī)壓氣機(jī)部件設(shè)計

由于對轉(zhuǎn)子的動平衡要求較高，因此離心式風(fēng)機(jī)各級壓比一般不會＞2，而葉輪的線速度是限制壓升的最主要原因，線速度的大小限制于當(dāng)前葉輪材料的強(qiáng)度。同時，考慮到 EGR風(fēng)機(jī)使用介質(zhì)為經(jīng)洗滌后處理的柴油機(jī)排放廢氣，含硫量約為0.03‰，碳煙顆粒約為25mg/N3，具有一定的腐蝕性，葉輪選用的材料為耐腐蝕的特種不銹鋼。

為防止壓縮機(jī)內(nèi)部的氣體泄漏至大氣中，采用組合氣封結(jié)構(gòu)。 設(shè)計壓氣機(jī)使用壽命為50000h，預(yù)計轉(zhuǎn)子更換間隔時間為25000h。

2.2 高速變頻電機(jī)部件

與普通異步變頻調(diào)速電機(jī)相比，永磁直流電機(jī)的效率高、啟動電流小、啟動轉(zhuǎn)矩大、響應(yīng)快、體積小、重量輕。隨著稀土永磁材料的發(fā)展，永磁直流電動機(jī)得以迅速推廣應(yīng)用，目前世界范圍內(nèi)高速永磁電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速達(dá)到90000r/min以上[3]。當(dāng)前高速永磁電機(jī)技術(shù)在我國還處于研究階段，電機(jī)本體設(shè)計無法滿足使用要求，控制技術(shù)相對落后，電機(jī)設(shè)計之后無法滿足設(shè)備量化生產(chǎn)需求[4]。

根據(jù)EGR風(fēng)機(jī)壓比小、流量大的特點(diǎn)，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速接近5000r/min，基于以上對比優(yōu)勢，永磁電機(jī)是EGR風(fēng)機(jī)驅(qū)動電機(jī)的最佳選擇。為滿足EGR風(fēng)機(jī)壓氣機(jī)負(fù)載的要求，主要考慮電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)軸提供的轉(zhuǎn)動力矩2個性能指標(biāo)。EGR風(fēng)機(jī)高速電機(jī)采用湖南湘潭華聯(lián)電機(jī)有限公司定制的產(chǎn)品，選用額定功率為80kW，額定轉(zhuǎn)速為7000r/min，最高轉(zhuǎn)速為9000 r/min，額定電壓/頻率為380V/3相，外殼防護(hù)等級為IP55，絕緣等級為F級。

根據(jù) EGR風(fēng)機(jī)負(fù)載特性，可選擇強(qiáng)制潤滑的油膜軸承或油脂潤滑的角接觸軸承。由于樣機(jī)在試驗標(biāo)定中的主要特點(diǎn)是風(fēng)機(jī)啟動頻次多、波動大，為避免上述因素頻繁出現(xiàn)的軸向負(fù)載對軸承、軸承座的劃傷及使用壽命的影響，EGR風(fēng)機(jī)樣機(jī)選用油脂潤滑的角接觸軸承。

采用變頻器直接控制電機(jī)是一種較為科學(xué)的控制方法。EGR風(fēng)機(jī)通過電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)矢量控制。此外，變頻器可實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的軟停、軟啟，避免啟動時產(chǎn)生電壓沖擊和啟動轉(zhuǎn)矩沖擊，降低電動機(jī)故障發(fā)生率，延長其使用壽命。變頻器控制方式為閉環(huán)矢量控制，自帶熱過載保護(hù)，防護(hù)等級為IP55。控制柜通過監(jiān)測EGR風(fēng)機(jī)流量、壓力和溫度，對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集和診斷。

2.3 模態(tài)及諧響應(yīng)分析

對總成托架進(jìn)行模態(tài)分析，計算出總成托架的固有頻率，確保在電機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不會與總成托架發(fā)生共振。對EGR風(fēng)機(jī)樣機(jī)總體布置進(jìn)行模態(tài)分析之后的結(jié)果顯示：在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在一階頻率96.8Hz振型，使得電機(jī)后蓋發(fā)生局部一階彎曲形態(tài)。經(jīng)優(yōu)化計算，在電機(jī)后蓋處增加鋼板規(guī)避電機(jī)的局部模態(tài)，可避開一階振動頻率。

當(dāng)電機(jī)和壓氣機(jī)工作時，由于轉(zhuǎn)子偏心引發(fā)簡諧振動，托架整體的交變載荷主要為電機(jī)的振動、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子偏心產(chǎn)生的離心載荷和壓氣機(jī)進(jìn)出口的交變載荷。在這幾個載荷的作用下，托架整體在轉(zhuǎn)速為3500r/min時出現(xiàn)應(yīng)力最大值，小于安全許用應(yīng)力要求值（見圖3）。

圖3 EGR風(fēng)機(jī)模態(tài)和諧響應(yīng)計算結(jié)果

3 EGR風(fēng)機(jī)樣機(jī)試驗驗證

高速變頻電機(jī)與離心式壓氣機(jī)采用直聯(lián)方式連接，壓氣機(jī)蝸殼等部件通過法蘭螺栓與電機(jī)本體連接并安裝在總成托架上，完成的EGR風(fēng)機(jī)樣機(jī)見圖4。

圖4 EGR風(fēng)機(jī)樣機(jī)模型和實(shí)物

3.1 電機(jī)特性試驗

高速變頻電機(jī)平臺驗證項目包括電機(jī)特性試驗、超速和安保試驗、噪聲試驗、振動試驗、耐久試驗及瞬態(tài)加速試驗等，其中電機(jī)特性試驗用于評估高速永磁電機(jī)設(shè)計功率選用的可行性，保證試驗時電機(jī)能滿足EGR系統(tǒng)在正常使用狀態(tài)下的扭矩需求。同時，考慮到EGR系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的大流量、小壓比對低速大扭矩的需求和負(fù)載波動大的工作特性，要求電機(jī)功率有較大的裕度，確保運(yùn)行的安全性和可靠性，具備足夠的儲備裕度。

EGR風(fēng)機(jī)高速變頻電機(jī)功率/扭矩-轉(zhuǎn)速的特性試驗結(jié)果見圖5。試驗證明，EGR風(fēng)機(jī)電機(jī)具備運(yùn)行要求的功率和扭矩能力，且具有一定的扭矩儲備，因此可保證高速電機(jī)選型滿足EGR風(fēng)機(jī)的運(yùn)行要求。

在進(jìn)行平臺試驗時，通過利用轉(zhuǎn)矩測量儀器測量轉(zhuǎn)矩，同時測量電機(jī)的輸入電量（包括電壓、電流、功率及功率因數(shù)等），通過計算即可得到高速電機(jī)的效率。根據(jù)試驗結(jié)果，電機(jī)在設(shè)計工況點(diǎn)下的效率為93.3%，在其余運(yùn)行工況點(diǎn)下的效率均＞85%。

3.2 EGR風(fēng)機(jī)流量特性

流量特性試驗是在完成電機(jī)特性試驗和樣機(jī)裝配之后開展的平臺性能試驗，其中：EGR風(fēng)機(jī)效率定義為 EGR風(fēng)機(jī)壓氣機(jī)負(fù)載的等熵功率與電機(jī)驅(qū)動的軸功率的比值；電機(jī)功率為采用變頻功率測量儀測量得到的數(shù)據(jù)或變頻器顯示的功率數(shù)值。

圖5 EGR風(fēng)機(jī)高速電機(jī)特性曲線

在對EGR Blower001流量試驗時，首先在試驗臺架上作出等轉(zhuǎn)速線，各條等轉(zhuǎn)速線按整個流量區(qū)段均勻分布，計算EGR風(fēng)機(jī)壓氣機(jī)的壓比、效率和喘振邊界線與流量的關(guān)系，作出性能曲線見圖6，在部分工況下最高效率可達(dá)到60%，而MAN公司開發(fā)的ETB系列EGR風(fēng)機(jī)的效率可達(dá)到68%[5]，相比之下，盡管大功率低速船用柴油機(jī)EGR風(fēng)機(jī)是首次涉及零部件，但第一代EGR風(fēng)機(jī)滿足設(shè)計指標(biāo)要求，效率等指標(biāo)接近國際先進(jìn)水平。

3.3 瞬態(tài)特性試驗

在EGR風(fēng)機(jī)樣機(jī)上進(jìn)行轉(zhuǎn)速升、降變工況試驗?？紤]到低速機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度較慢，在對控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整之后，適當(dāng)降低對瞬態(tài)變化的要求，進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)的試驗，2次EGR風(fēng)機(jī)樣機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)試驗數(shù)據(jù)見表2。

圖6 EGR風(fēng)機(jī)樣機(jī)脈譜曲線

表2 某船用柴油機(jī)EGR風(fēng)機(jī)瞬態(tài)變速試驗結(jié)果

動態(tài)響應(yīng)特性試驗表明，電動EGR風(fēng)機(jī)具有很好的瞬態(tài)加速、減速功能，能滿足低速船用柴油機(jī)EGR系統(tǒng)使用要求，體現(xiàn)出比渦輪增壓器更好的瞬態(tài)特性。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合船用低速柴油機(jī) EGR風(fēng)機(jī)的應(yīng)用背景，介紹中國船舶重工集團(tuán)公司上海船用柴油機(jī)研究所開發(fā)的第一代EGR風(fēng)機(jī)樣機(jī)EGR Blower001的過程，著重闡述EGR風(fēng)機(jī)樣機(jī)主要部件的研制和試驗驗證過程。

通過EGR風(fēng)機(jī)高速電機(jī)平臺試驗、流量特性試驗和瞬態(tài)響應(yīng)試驗，得到以下結(jié)論：

(1) 高速變頻電機(jī)具備運(yùn)行要求的功率、扭矩能力，能滿足EGR風(fēng)機(jī)的運(yùn)行要求；

(2) EGR風(fēng)機(jī)壓氣機(jī)滿足設(shè)計指標(biāo)壓比、流量要求，最高效率可達(dá)60%；

(3) 動態(tài)響應(yīng)特性試驗表明，電動EGR風(fēng)機(jī)具有很好的瞬態(tài)加速、減速功能。

【 參 考 文 獻(xiàn) 】

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