EGR技术浅析解读
船用柴油机EGR技术
摘要
废气再循环( EGR) 技术是船用中速柴油机应对IMO Tier III 排放法规的重要技术措施。本文简要介绍废气再循环技术的原理、废气再循环的技术发展状况，指出了EGR技术主要存在的问题和设计控制的原则,使废气的再循环量在每一个工作点都达到最佳状况,保证排放污染物中的排放值最低。介绍了国外知名船用柴油机生产商及技术咨询公司应对IMO Tier III 排放法规将要采取的技术措施。
[关键词]: 船用柴油机；IMO Tier III；EGR原理；技术措施;
Abstract
Exhaust gas recirculation ( EGR) is the most conceivable method to fulfill the coming IMO Tier III emission regulation．In this paper, it is briefly introduced on EGR development and working principle, Critical problems of the EGR and design principle are discussed subject to the EGR valve to get an optimal exhaust gas flow at every working point. Exhaust emission is deceased greatly. Technical solutions from famous marine diesel engine manufactures and consultancy companies to comply with IMO Tier III are summarized．
[Key words]:marine diesel engine; IMO Tier III; EGR Principle; technical solution
1.引言：
要求日益严格的排放法规已经成为近年来推动船用柴油机技术发展的直接动力。2008 年10 月，隶属于国际海事组织( IMO)的海上环境保护委员会( MEPC) 第58 次会议讨论通过了一项国际性防止船舶造成空气污染法律法规———船舶防污公约附则VI-修订版。法规对船用柴油机尾气排放中的NOx排放量做出了明确的规定，详见表1。自2011年1月起，IMO Tier II排放控制法规在IMO 所有缔约国海域内强制实施，Tier II 阶段NOx排放量比Tier I 阶段降低16% ～20% ，这一标准完全可以通过柴油机缸内净化技术来实现。目前，世界各大船用柴油机生产商已经有大量Tier II 机型投入市场。2016 年1月1
日将要强制实施的Tier III 阶段法规，要求NOx排放量相比Tier I 阶段降低80% ，需要借助尾气后处理装置或者采用废气再循环等技术才能满足法规的要求[1]。
当前，高效和环保的理念已经成为发动机领域产品创新和新技术研发的主动力。MEPC 制定的防止船舶造成空气污染法律法规，无疑是对目前可靠性和经济性都很成熟的船用柴油机领域提出了更高更严格的要求。
随着Tier III 排放法规的日益临近，MAN、Caterpillar、Ricardo 和A VL 等世界知名船用柴油机生产商和技术咨询公司都在积极地研究船用柴油机可能应用的技术措施，从而满足Tier III 阶段需求，目前主要采用的技术有：两级增压技术，SCR 后处理，米勒循环，两级增压，进气道加湿技术，缸内直接喷水
技术，船用EGR技术，乳化油，等离子体除NOx技术，DPF技术，目前，由于SCR 技术相比其他Tier III 排放控制措施具有灵活可控、技术相对成熟的优势，所以世界各大船用柴油机生产商纷纷选择了SCR 技术以应对2016 年即将实施的Tier III 排放法规。但是SCR 技术高昂的设备投资和运行成本，使得各船用柴油机生产商都没有放弃对满足Tier III 排放法规成本更为低廉的技术途径的探索，比如EGR和气体机。本文将主要对EGR技术进行讨论研究。
2. 废气再循环技术的原理、分类及组成
2.1废气再循环技术的原理
废气再循环系统(Exhaust Gas Recirculation)简称EGR。其EGR系统的作用就是将柴油机产生的废气的一部分再送回气缸,由于再循环废气具有惰性,不参加化学反应,使进入缸内的混合气被稀释,氧气浓度降低,从而也使可燃混合气的发热量降低;另外由于废气中CO2及水蒸汽的热容量较大,增大了混合气的比热容,降低了缸内的高峰温度。这两者都使柴油机燃烧过程的着火延迟期增加,燃烧速率变慢,缸内最高燃烧温度下降,从而破坏了NOx生成所需高温富氧的条件,使柴油机的NOx排放降低。其工作示意图如图1所示：
图1 EGR工作示意图
2.2 EGR的分类
底板喷射系统是最早的EGR系统,其结构如图1,这种EGR系统因在整个发动机工作时间都让废气进入进气歧管,使发动机怠速或暖机过程中运转不稳,因而没有得到推广使用。EGR技术随着发达国家排放环保法规的提高,有了很快的发展,阀门控制的EGR系统目前已经是发达国家先进内燃机中普遍采用的技术。现在,废气再循环系统按EGR阀的结构主要可分为:机械阀门式(已淘汰)、真空膜片式、机电(各种电机)阀门式(应用很少)、比例电磁铁式。废气再循环系统按照其EGR阀的控制方式可分为:机械控制EGR系统(已淘汰)、电气控制EGR系统和全计算机电控EGR系统。废气再循环系统按照有无EGR阀开度反馈控制信号可分为:开环控制EGR系统和闭环控制EGR系统[2]。
根据废气进入气缸是否通过发动机
的进气系统，EGR系统可分为：内部系
统和外部系统。如图2和图3所示。内
部系统特点：通过改变配气相位实现，
结构简单，应用方便，但难以精确控
制EGR率效果不显著。外部系统特点：
需要外加专门的管道，通过电控系统可图2 底板喷射系统
精确控制，EGR率效果显著，但目前较为 1.废气流;2.再循环废气;3.可燃混合气;4.进气常用。歧管;5.底板喷嘴
图3 内部EGR 图4 外部EGR
2.3 EGR系统组成
柴油机上通常应用的闭环控制EGR系统一般由:ECU(电控单元)、EGR阀(有阀门开度传感器)、油门位置传感器、水温传感器、转速传感器、真空电磁阀(仅采用真空膜片式EGR阀时用)、离合器开关以及联接上述部件的线束和真空管路、EGR管组成。EGR系统组成和联接结构分别可见图5,图6[2]
图5EGR系统构成简图图6 EGR系统结构
需要指出EGR系统用于增压柴油机上时,联接管路需要考虑增压柴油机的进、排气歧管压差问题。
3．EGR技术主要存在问题和设计控制原则
3.1 目前EGR技术主要存在的问题有
（1）采用后EGR系统后,若EGR率控制不当,极易造成柴油机经济性恶化,其它排放污染物和烟度的增加;
（2）在低负荷时,EGR将影响柴油机的工作稳定性;
（3）在高负荷时,EGR将影响柴油机的动力性;
（4）EGR中颗粒可能造成柴油机活塞环、气缸套等零部件磨损加剧和对机油的污染,进而可能影响柴油机的可靠性和寿命;
（5）EGR的废气温度过高,会影响柴油机的充气效率,并会有降低燃烧温度的效果;
（6）各缸EGR分配均匀性和瞬态响应性不宜同时兼顾。
3.2 设计控制原则
根据EGR技术主要存在的问题,一般设计控制原则为:
（1）随着负荷的增加,使EGR率增加至允许限度;
（2）在怠速及低负荷时,NOx排放浓度较低,为保证柴油机的正常燃烧,即工作稳定性,不进行EGR;
（3）暖机过程中,柴油机温度低,NOx排放浓度也较低,为防止EGR恶化燃烧稳定性,不进行EGR;
（4）在大负荷、高速或油门全开时,为保证柴油机的动力性,一般不进行EGR; （5）加速时,为保证汽车的加速性及必要的净化效果,EGR在过渡过程中起作用。
4.船用EGR技术发展现状与未来展望
目前，EGR 技术在国外汽油机和轻型柴油机上的应用发展均已相对成熟，但对船用中速柴油机而言，至今为止仍没有应用EGR 技术的机型问世。随着Tier III 排放法规的日益临近，世界知名船用柴油机生产商和技术咨询公司都在积极开展船用中速柴油机EGR 技术的相关研究。
4.1牺牲某缸的EGR系统
船用中速柴油机EGR 技术及产品研发的滞后，一方面是由于排放法规推行的相对滞后，另一方面由于其技术难度，其中如何克服船用增压柴油机的进排气压力逆差就是亟待突破的关键技术之一[3]。
从图7 中可以得知，无论是船用主机还是船用辅机的排气压力一般低于进气压力，这就需要采取压力逆差克服措施才能将废气引入到进气侧。目前，对船用中速柴油机EGR 压力逆差克服技术的研究比较热门的主要有三种: EGR 泵、EGR 增压器和牺牲某缸( Donor Cylinder) 的EGR 系统，其中牺牲某缸的EGR 系统是通过提高个别缸的排气压力，使个别缸的排气经冷却后引入至进气侧，其原理如图8所示。
图7 典型船用柴油机不同负荷进排气压力逆差
图8 牺牲某缸EGR系统
与其他措施相比，牺牲某缸的EGR 系统是最容易实现而且系统投入成本最低的技术措施，但是由于被牺牲气缸排气压力的升高，会增大排气泵气损失，从而影响燃油经济性; 同时，由于对正常扫气过程的影响，会增加这个缸的热负荷。目前，针对船用中速柴油机应用此项技术对被牺牲的气缸的工作过程参数、性能及排放特性具体有何种影响的报道十分罕见。
4.2内部EGR技术
EGR技术在车用发动机上的应用已经比较成熟。采用EGR技术在保持经济性基本不变的前提下一般可降低NOx排放10% ~30%,进一步降低NOx排放往往
会导致PM排放和油耗的增加。但是在船用柴油机、尤其是在中低速大功率船用柴油机上,这种通过从排气管引入废气的EGR技术,即所谓外部EGR技术迄今没有应用。这主要是因为大功率船用柴油机为降低运行成本常常燃烧含硫量较高的重油,造成排气中含有酸性碳烟,如果把这种废气引入进气系统,就会造成涡轮增压器损坏,进而影响整机性能。为避免出现这种情况,则必须使用高品质的燃油或对废气预先进行清除碳烟的处理措施,这两种方法都会使运行成本增加,尤其是清除排气中的碳烟,还会造成系统复杂性的增加和可靠性的降低。即使硫含量达到IMO Tieró标准, 这种问题还会存在,因而在大功率船用柴油机上采用外部EGR 技术在相当长的时间内是不现实的。这种问题还会存在,因而在大功率船用柴油机上采用外部EGR技术在相当长的时间内是不现实的。
内部EGR技术可以降低NOx排放并避免上述问题。所谓内部EGR,即降低扫气效率以使更多残余废气遗留在气缸内。严格来说,内部EGR技术已经不属于充量调节的范畴,但是它降低NOx排放的机理与外部EGR是相同的,并且它相比外部EGR还具以下优点:首先,内部EGR一般通过在设计上调整气门正时(对于四冲程柴油机)或调整扫气口(对于二冲程柴油机)的设计即可以实现,不必增加额外的管路和阀门,因而降低了系统复杂性和安装成本;其次,内部EGR技术可以避免废气中的酸性碳烟进入涡轮增压器造成损坏。W.rtsil公司提出一种内部EGR与DWI相结合的低NOx排放技术,称为WaCoReG (Water-Cooled ResidualGas),应用于大功率二冲程低速船用柴油机,其原理如图9所示:减小扫气口的高度,使扫气效率降低,以形成内部EGR。这种方式会使发动机的热负荷升高,在压缩初期向缸内喷水,可以使热负荷回归原来的水平,并进一步提高工质的比热容,降低燃烧温度和速率,从而降低NOx排放。W?rtsil?公司的研究表明,如果单纯使用DWI技术, NOx排放只能降低50%;而采用内部EGR和DWI结合的WaCoReG技术,则可以使NOx排放降低70%。WaCoReG技术的另一个优点是由于扫气口高度减小,使发动机的实际膨胀比变大,因而可以改善经济性[4]。
图9 W.rtsil公司WaCoReG系统简图
4.3 EGR与其它减排技术联合运行
随着Tier III 排放法规的日益临近，MAN、Caterpillar、Ricardo 和A VL 等世界知名船用柴油机生产商和技术咨询公司都在积极地研究船用柴油机可能应用的技术措施，从而满足Tier III 阶段需求，提前占领市场。
4.3. 1 MAN B＆W 公司Tier III 阶段技术措施
MAN B＆W 公司针对Tier III 排放法规，在TierII 标准的机型6L32
/44CR 上提出了三项技术方案，具体参见表2。表2 中的三种措施都能满足Tier III 阶段排放法规要求，但是其投资和运行成本有所差异。MAN B＆W 公司对以上三种措施的运行成本进行了评估[5]，结果如图10、11 所示。
从图10 可以看到，同时采用两级增压技术和SCR 后处理装置的方案2与采用单级增压技术的方案 1 在10 年寿命周期内的成本相比，大约低4%。这主要是由于两级增压技术的应用，使该机型油耗改善了3% ～5%; 其设备安装成本能在2. 5 年内收回。
图 10 Tier II(SCR)和 Tier II 两级增压(SCR)成本对比
图 11 Tier II 两级增压(SCR)和 Tier III (EGR)成本对比采用SCR 后处理装置的方案，成本的增加主要是由于其运行过程中尿素的消耗，在排放控制区( ECA) 运行时间越久，其尿素的消耗量就越大。与SCR 系统相比，采用EGR 系统的技术方案 3 就不需要额外的消耗。经过试验验证，EGR 系统运行在排放控制区以外的海域时，与技术方案2 的成本相当; 在排放控制区EGR 系统的运行，会使柴油机油耗恶化2% ～4%，油耗升高的成本完全可以与SCR 系统中NH3消耗的成本抵消。由此可见技术方案 2 与 3 的
成本差异主要是由于两套系统的初次安装成本造成的。相比较而言，如果该样机在排放控制区运行时间不足50% 时，SCR 系统相对成本较低，当超过50% 时，EGR 系统运行成本较低，但是成本差异较小，即使其寿命周期内全部在排放控制区运行，成本也只相差100，如图11 所示。
4.3. 2 Caterpillar 公司Tier III 技术措施
Caterpillar 公司的MaK 机通过采用提高压缩比、可变凸轮正时( FCT) 及高压共轨( CCR) 等低排放发动机技术( LEE) ，已经满足了Tier II 排放标准。针对要求更严格的Tier III 排放标准，Caterpil-lar 通过对设备初次投资成本和运行成本估算，发现EGR 结合两级增压技术的成本更加低廉，其成本估算如图12 所示。Caterpillar 拟在非排放控制区采用两级增压技术，燃油依然为HFO，而在排放控制区内采取EGR 技术，其原理如图13 所示，这样就避免了SCR 后处理系统所带来的安装和运行所产生的高额成本[6]。
图12 满足 Tier III 排放标准技术措施成本比较
图13 CAT 公司 Tier III EGR 机型原理图
4.3. 3 Ricardo 公司Tier III 阶段技术措施
Ricardo 公司提出的船用柴油机满足Tier III 阶段排放法规的技术措施如图14 所示，有两级增压结合缸内喷水技术、强米勒结合高压共轨技术、两级增压结合EGR、SCR 技术以及气体机[7]。各项TierIII阶段技术措施的取舍，要综合考虑排放控制区运行时间、运行成本、设备安装空间，以及其对柴油机可靠性的影响等因素。
经过对各项新技术的综合评估，Ricardo 希望清洁的缸内净化技术能满足Tier III 阶段的排放标准，例如两级增压结合EGR 系统的低碳烟排放措施。
图 14 目前以及未来具有潜力达到 Tier III 排放法规的技术措施及其对油耗的影响
4.3. 4 A VL 公司Tier III 阶段技术措施
A VL 公司针对2016 年开始实施的Tier III 排放法规同样提出了相应的技术措施: EGR 结合Miller循环技术和SCR 结合Miller 循环技术，如图15所示[7]。第一种技术措施的实现需要结合先进的燃烧系统、两极增压、中等强度Miller 循环、25% EGR 率以及高压共轨技术; 第二种技术措施的实现同样需要先进的燃烧系统、两级增压( 可选) 、中等强度Miller循环、可变气门正时以及高压共轨技术。A VL 公司认为两种技术措施的取舍需要结合船用柴油机的具体设计指标及其实际运行情况等因素综合考虑。
图15 AVL 公司 Tier III 柴油机技术措施
5．结论
随着大气环境的日益恶化和船用柴油机排放法规的日趋严格，确定Tier III 阶段船用柴油机最佳技术措施已刻不容缓。世界知名船用柴油机生产商和技术咨询公司都在积极地研究Tier III 阶段船用柴油机可能应用的最佳技术措施。
EGR技术是目前最有效实用的降低柴油机NOx 排放的机内控制措施之一，但它也会给内燃机带来一些不良的影响，如可能导致燃油消耗率和颗粒排放上升。所谓实现最佳状况往往是一种折衷的，即在不影响发动机动力性和经济性的前提下，使相关污染物总的排放达到最佳的方案，也就是内燃机各个性能之间的优化。
两级增压、中等强度Miller 循环同时采用废气再循环技术是IMO Tier III 阶段船用柴油机最有潜力的技术途径。同时，研究证明，应用了米勒循环和高压共轨的TierⅡ机型，在中低负荷工况下采用EGR(排气再循环)技术，其氮氧化物排放量能够达到国际海事组织TierⅢ排放要求。结合仿真预测，通过米勒循环、两级可变增压、高压共轨与EGR 技术相结合，有望实现全工况下氮氧化物排放量达到TierⅢ要求的目标。
参考文献
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