船用柴油机运用EGR系统降低废气排放研究

王亭 张英 李刚荣

摘  要：以某六缸、增压直喷船用柴油机为例，为降低柴油机NOx的排放量，设计一套EGR系统，研究测定EGR系统对船用柴油机NOx以及烟度排放的影响，进行模拟试验。总结出EGR系统对船用柴油机排放的影响规律，结果表明，在不同的EGR率的比例下，柴油机NOx以及碳烟排放的幅度随之有不同的变化。

关键词：柴油机;EGR;NOx;排放

引言

节能与减排是最近几年当今世界所谈论的最大的话题，同时节能减排是当今世界最大的问题之所在。柴油机具有高效率、低油耗的特点，同时也具有NOx以及碳烟排放高的缺点，因此船用柴油机NOx以及碳烟的排放是造成当今世界最大问题困扰的重要因素之一。就目前来看，废气再循环EGR系统的出现，为缓解船用柴油机NOx以及碳烟的排放带来了新机，能够运用EGR系统进行废气再利用，达到降低有害气体排放的效果。

1EGR系统在柴油机上的结构布置

1.1样机参数

本文所研究的样机的基本参数如表1所示。

1.2排气再循环量的评价指标

为了能够明确的表征废气再循环量，我们通常采用适当的指标以及测量方法，一般采用EGR率作为定量评价指标数据。EGR率定义为进入气缸的废气质量与气缸内新鲜空气与废气质量的总和之比。其计算公式如下：

EGR率=

（其中Gr为进入汽缸的废气质量流量，Kg/s;Ga为气缸内新鲜空气的质量流量，Kg/s）

1.3EGR的结构布置

1.3.1废气再循环系统原理

废气再循环系统（Exhaust Gas Recirculation），是将柴油机产生的部分废气通过某种装置重新将废气再送回气缸。重新输回气缸的废气由于具有惰性特性将会延缓燃烧过程，也就是说放慢燃烧速度使得燃烧室中的压力形成过程减慢，这就是NOx会减少的主要原因。此外，提高废气再循环率导致总的废气流量减少，进一步的将废气排放中总的污染物输出量相对减少。EGR系统作为一种能够减少废气排放、降低NOx排量的新型系统，它的主要任务就是使废气在再循环系统中的一个工作点都可以达到最佳状况，使其始终处于最理想的燃烧过程，最终确保排放物中的污染成份最低。由于废气再循环量的改变会对不同的污染成份可能产生截然相反的影响，因此所谓的最佳状况往往是一种折衷的，使相关污染物总的排放达到最佳的方案。

1.3.2实验装置结构

实验装置示意图见图1

在试验过程中，可以通过手动调节EGR调节器来实现对EGR的控制，此控制器的原理是通过控制控制机器电路的占空比来改变EGR控制阀上的真空度所作用的时间比例。即EGR控制阀开关时间的比例。

1.3.3模拟验证

为模拟验证试验装置的正确性，可以通过台架试验的出柴油机的示功图，然后将模拟实验数据所得的示功图与台架实际试验所得的示功图进行对比。如若模拟计算的示功图与实际测量的示功图曲线趋势基本吻合，偏差不大，并且在上止点之前都可以有一个小的曲折点，则证明模拟计算所得的试验结果符合实际情况柴油机运用EGR系统所能达到的预期效果。曲折点形成的主要原因在于曲折点之前由于压缩冲程影响导致的缸内压力增加，曲折點之后由于气缸内不断喷油、燃油燃烧放热和压缩冲程共同影响造成的气缸内压力急剧上升。由于实际台架试验的测量数据存在误差以及计算初始边界条件的选取来自于经验值，会导致所测压力有所不同，对模拟验证的结果有一定的影响。

1.3.4试验注意事项

（1）实验过程中需要严格控制试验边界条件，例如对整个EGR系统影响较大的排气背压、中冷后温以及压力等相关试验参数，要时刻保持这些重要的试验参数控制在相关的范围之内。

（2）试验过程中要时刻关注某些对柴油机性能有重要影响的参数，例如柴油机热负荷是否运行，长时间在高转速高负荷的工况下运行，排温转速等是否超标，这些重要的因素对EGR系统都有可能带来相关的负面影响。

2试验结果

2.1 EGR率对柴油机排放和和性能的影响

在负荷保持一定的情况下，随着EGR控制回气的不同，随着EGR率缓慢增加，NOx的排放逐渐的减少，NOx与碳烟排放呈现上升的趋势，据模拟实验的推测，排气门开启时气缸内碳烟和NOx排放的平衡关系对其影响较大;此外，在柴油机低负荷运行时NOx与碳烟排放的增加量并不多，相对大负荷时NOx与碳烟的排放恶化加重。由此可得出以下结果：低负荷运行时可以使用较大的EGR率，高负荷情况下应该对EGR率进行限制，使用小EGR率。结合EGR率对燃烧过程的影响进行分析可得到，EGR率的增加，气缸内惰性气体成分的增加使得气缸内氧浓度降低，空燃比下降，通过EGR系统引入气缸的废气稀释了气缸内新鲜空气的浓度，使得气缸内燃烧变得缓慢，整个燃烧过程的持续期增加;气缸内加入的惰性气体使得气缸内气体总体比热容增大，燃烧过程中的最高温度以及平均温度均降低，进而有效控制NOx的排放量。

船舶发动机的喷油定时确定了气缸燃烧的时刻，改变了喷油的时刻就相当于改变了气缸内部燃烧的情况。根据了解，喷油时刻滞后可以有效改善气缸内部燃烧温度过高及气缸压力过高的情况。根据试验记录，我们将喷油时刻分别延迟0.5°CA、1°CA、1.5°CA、2°CA、2.5°CA和3°CA。通过表现可知，高EGR率的质量流量以及排放具有所改善。NOx的比排放量分别是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，说明柴油机此可处于高效区。

2.2不同的EGR率的排放性能以及经济性分析

EGR系统将废气引入气缸内，一方面降低了气缸内总体氧浓度，另一方面还会对气缸内的气体的进气进行加热;伴随着EGR率的增加，废气的进入量变大，新鲜空气的比例变小，废气与新鲜空气的混合均匀程度改变，会是局部氧浓度更低。EGR率降低时，气缸内总体氧浓度降低，但空燃比相比来说仍旧较大，温度升高的气体使得燃油的雾化效果更好，尤其混合程度更均匀。因此，在较小的范围内随着EGR率的增加NOx与碳烟排放有所减少，挡EGR率超过一定数值（拐点）时，氧浓度降低程度变大，废气与新鲜空气的混合均匀程度变差，局部氧浓度降低，从而导致柴油机的NOx与碳烟排放程度呈上升状态。

3结论

模拟试验结果表明：在低负荷时，NOx与碳烟排放随着EGR率的增加而增加，幅度较小;在中高负荷时，NOx与碳烟排放收到EGR率的影响较大，在较大的EGR率的情况下，NOx与碳烟排放的程度幅度较大;高负荷时，NOx与碳烟的峰值出现较晚，并且EGR率仅对高负荷情况下的NOx与碳烟峰值有影响，使其后移;增加柴油机气缸内的EGR率，气缸内最高NOx与碳烟排放质量浓度有所增加。

随着航运市场的回暖，柴油机在航运业中越来越普遍，NOx的排放量也越来越大，环境问题越来越严重。只有对柴油机进行改进，才能很好的解决这种问题。EGR系统在柴油机中应用以及有了一定的成就，但并未达到成熟的地步。通过对现在EGR技术的改进，可以有效的降低柴油机的废气排放，，使得气体的排放量更好的满足国家对气体排放的相关要求。

参考文献：

[1]方克信，邓康耀，邬静川.EGR温度对涡轮增压柴油机燃烧和排放的影响[J].农业机械学报，2004，35（6）：40-43

[2]张坤，郭新民，傅寿宇，等.冷EGR温度对车用柴油机排放影响的试验[J].农业工程学报，2009，25（10）：127-130