船用柴油機(jī)運(yùn)用EGR系統(tǒng)降低廢氣排放研究

王亭 張英 李剛榮

摘? 要：以某六缸、增壓直噴船用柴油機(jī)為例，為降低柴油機(jī)NOx的排放量，設(shè)計(jì)一套EGR系統(tǒng)，研究測定EGR系統(tǒng)對船用柴油機(jī)NOx以及煙度排放的影響，進(jìn)行模擬試驗(yàn)?？偨Y(jié)出EGR系統(tǒng)對船用柴油機(jī)排放的影響規(guī)律，結(jié)果表明，在不同的EGR率的比例下，柴油機(jī)NOx以及碳煙排放的幅度隨之有不同的變化。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);EGR;NOx;排放

引言

節(jié)能與減排是最近幾年當(dāng)今世界所談?wù)摰淖畲蟮脑掝}，同時(shí)節(jié)能減排是當(dāng)今世界最大的問題之所在。柴油機(jī)具有高效率、低油耗的特點(diǎn)，同時(shí)也具有NOx以及碳煙排放高的缺點(diǎn)，因此船用柴油機(jī)NOx以及碳煙的排放是造成當(dāng)今世界最大問題困擾的重要因素之一。就目前來看，廢氣再循環(huán)EGR系統(tǒng)的出現(xiàn)，為緩解船用柴油機(jī)NOx以及碳煙的排放帶來了新機(jī)，能夠運(yùn)用EGR系統(tǒng)進(jìn)行廢氣再利用，達(dá)到降低有害氣體排放的效果。

1EGR系統(tǒng)在柴油機(jī)上的結(jié)構(gòu)布置

1.1樣機(jī)參數(shù)

本文所研究的樣機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

1.2排氣再循環(huán)量的評價(jià)指標(biāo)

為了能夠明確的表征廢氣再循環(huán)量，我們通常采用適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)以及測量方法，一般采用EGR率作為定量評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)。EGR率定義為進(jìn)入氣缸的廢氣質(zhì)量與氣缸內(nèi)新鮮空氣與廢氣質(zhì)量的總和之比。其計(jì)算公式如下：

EGR率=

（其中Gr為進(jìn)入汽缸的廢氣質(zhì)量流量，Kg/s;Ga為氣缸內(nèi)新鮮空氣的質(zhì)量流量，Kg/s）

1.3EGR的結(jié)構(gòu)布置

1.3.1廢氣再循環(huán)系統(tǒng)原理

廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（Exhaust Gas Recirculation），是將柴油機(jī)產(chǎn)生的部分廢氣通過某種裝置重新將廢氣再送回氣缸。重新輸回氣缸的廢氣由于具有惰性特性將會延緩燃燒過程，也就是說放慢燃燒速度使得燃燒室中的壓力形成過程減慢，這就是NOx會減少的主要原因。此外，提高廢氣再循環(huán)率導(dǎo)致總的廢氣流量減少，進(jìn)一步的將廢氣排放中總的污染物輸出量相對減少。EGR系統(tǒng)作為一種能夠減少廢氣排放、降低NOx排量的新型系統(tǒng)，它的主要任務(wù)就是使廢氣在再循環(huán)系統(tǒng)中的一個工作點(diǎn)都可以達(dá)到最佳狀況，使其始終處于最理想的燃燒過程，最終確保排放物中的污染成份最低。由于廢氣再循環(huán)量的改變會對不同的污染成份可能產(chǎn)生截然相反的影響，因此所謂的最佳狀況往往是一種折衷的，使相關(guān)污染物總的排放達(dá)到最佳的方案。

1.3.2實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖1

在試驗(yàn)過程中，可以通過手動調(diào)節(jié)EGR調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)對EGR的控制，此控制器的原理是通過控制控制機(jī)器電路的占空比來改變EGR控制閥上的真空度所作用的時(shí)間比例。即EGR控制閥開關(guān)時(shí)間的比例。

1.3.3模擬驗(yàn)證

為模擬驗(yàn)證試驗(yàn)裝置的正確性，可以通過臺架試驗(yàn)的出柴油機(jī)的示功圖，然后將模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得的示功圖與臺架實(shí)際試驗(yàn)所得的示功圖進(jìn)行對比。如若模擬計(jì)算的示功圖與實(shí)際測量的示功圖曲線趨勢基本吻合，偏差不大，并且在上止點(diǎn)之前都可以有一個小的曲折點(diǎn)，則證明模擬計(jì)算所得的試驗(yàn)結(jié)果符合實(shí)際情況柴油機(jī)運(yùn)用EGR系統(tǒng)所能達(dá)到的預(yù)期效果。曲折點(diǎn)形成的主要原因在于曲折點(diǎn)之前由于壓縮沖程影響導(dǎo)致的缸內(nèi)壓力增加，曲折點(diǎn)之后由于氣缸內(nèi)不斷噴油、燃油燃燒放熱和壓縮沖程共同影響造成的氣缸內(nèi)壓力急劇上升。由于實(shí)際臺架試驗(yàn)的測量數(shù)據(jù)存在誤差以及計(jì)算初始邊界條件的選取來自于經(jīng)驗(yàn)值，會導(dǎo)致所測壓力有所不同，對模擬驗(yàn)證的結(jié)果有一定的影響。

1.3.4試驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1）實(shí)驗(yàn)過程中需要嚴(yán)格控制試驗(yàn)邊界條件，例如對整個EGR系統(tǒng)影響較大的排氣背壓、中冷后溫以及壓力等相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，要時(shí)刻保持這些重要的試驗(yàn)參數(shù)控制在相關(guān)的范圍之內(nèi)。

（2）試驗(yàn)過程中要時(shí)刻關(guān)注某些對柴油機(jī)性能有重要影響的參數(shù)，例如柴油機(jī)熱負(fù)荷是否運(yùn)行，長時(shí)間在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷的工況下運(yùn)行，排溫轉(zhuǎn)速等是否超標(biāo)，這些重要的因素對EGR系統(tǒng)都有可能帶來相關(guān)的負(fù)面影響。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1 EGR率對柴油機(jī)排放和和性能的影響

在負(fù)荷保持一定的情況下，隨著EGR控制回氣的不同，隨著EGR率緩慢增加，NOx的排放逐漸的減少，NOx與碳煙排放呈現(xiàn)上升的趨勢，據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)的推測，排氣門開啟時(shí)氣缸內(nèi)碳煙和NOx排放的平衡關(guān)系對其影響較大;此外，在柴油機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)NOx與碳煙排放的增加量并不多，相對大負(fù)荷時(shí)NOx與碳煙的排放惡化加重。由此可得出以下結(jié)果：低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)可以使用較大的EGR率，高負(fù)荷情況下應(yīng)該對EGR率進(jìn)行限制，使用小EGR率。結(jié)合EGR率對燃燒過程的影響進(jìn)行分析可得到，EGR率的增加，氣缸內(nèi)惰性氣體成分的增加使得氣缸內(nèi)氧濃度降低，空燃比下降，通過EGR系統(tǒng)引入氣缸的廢氣稀釋了氣缸內(nèi)新鮮空氣的濃度，使得氣缸內(nèi)燃燒變得緩慢，整個燃燒過程的持續(xù)期增加;氣缸內(nèi)加入的惰性氣體使得氣缸內(nèi)氣體總體比熱容增大，燃燒過程中的最高溫度以及平均溫度均降低，進(jìn)而有效控制NOx的排放量。

船舶發(fā)動機(jī)的噴油定時(shí)確定了氣缸燃燒的時(shí)刻，改變了噴油的時(shí)刻就相當(dāng)于改變了氣缸內(nèi)部燃燒的情況。根據(jù)了解，噴油時(shí)刻滯后可以有效改善氣缸內(nèi)部燃燒溫度過高及氣缸壓力過高的情況。根據(jù)試驗(yàn)記錄，我們將噴油時(shí)刻分別延遲0.5°CA、1°CA、1.5°CA、2°CA、2.5°CA和3°CA。通過表現(xiàn)可知，高EGR率的質(zhì)量流量以及排放具有所改善。NOx的比排放量分別是2.92g/KWh、2.75g/KWh、2.59g/KWh、2.44g/KWh、2.31g/KWh、2.92g/KWh、2.92g/KWh、2.31 g/KWh、2.17g/KWh，說明柴油機(jī)此可處于高效區(qū)。

2.2不同的EGR率的排放性能以及經(jīng)濟(jì)性分析

EGR系統(tǒng)將廢氣引入氣缸內(nèi)，一方面降低了氣缸內(nèi)總體氧濃度，另一方面還會對氣缸內(nèi)的氣體的進(jìn)氣進(jìn)行加熱;伴隨著EGR率的增加，廢氣的進(jìn)入量變大，新鮮空氣的比例變小，廢氣與新鮮空氣的混合均勻程度改變，會是局部氧濃度更低。EGR率降低時(shí)，氣缸內(nèi)總體氧濃度降低，但空燃比相比來說仍舊較大，溫度升高的氣體使得燃油的霧化效果更好，尤其混合程度更均勻。因此，在較小的范圍內(nèi)隨著EGR率的增加NOx與碳煙排放有所減少，擋EGR率超過一定數(shù)值（拐點(diǎn)）時(shí)，氧濃度降低程度變大，廢氣與新鮮空氣的混合均勻程度變差，局部氧濃度降低，從而導(dǎo)致柴油機(jī)的NOx與碳煙排放程度呈上升狀態(tài)。

3結(jié)論

模擬試驗(yàn)結(jié)果表明：在低負(fù)荷時(shí)，NOx與碳煙排放隨著EGR率的增加而增加，幅度較小;在中高負(fù)荷時(shí)，NOx與碳煙排放收到EGR率的影響較大，在較大的EGR率的情況下，NOx與碳煙排放的程度幅度較大;高負(fù)荷時(shí)，NOx與碳煙的峰值出現(xiàn)較晚，并且EGR率僅對高負(fù)荷情況下的NOx與碳煙峰值有影響，使其后移;增加柴油機(jī)氣缸內(nèi)的EGR率，氣缸內(nèi)最高NOx與碳煙排放質(zhì)量濃度有所增加。

隨著航運(yùn)市場的回暖，柴油機(jī)在航運(yùn)業(yè)中越來越普遍，NOx的排放量也越來越大，環(huán)境問題越來越嚴(yán)重。只有對柴油機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，才能很好的解決這種問題。EGR系統(tǒng)在柴油機(jī)中應(yīng)用以及有了一定的成就，但并未達(dá)到成熟的地步。通過對現(xiàn)在EGR技術(shù)的改進(jìn)，可以有效的降低柴油機(jī)的廢氣排放，，使得氣體的排放量更好的滿足國家對氣體排放的相關(guān)要求。

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