船用柴油機運用EGR系統降低廢氣排放研究

王亭 張英 李剛榮

摘? 要：以某六缸、增壓直噴船用柴油機為例，為降低柴油機NOx的排放量，設計一套EGR系統，研究測定EGR系統對船用柴油機NOx以及煙度排放的影響，進行模擬試驗?？偨Y出EGR系統對船用柴油機排放的影響規律，結果表明，在不同的EGR率的比例下，柴油機NOx以及碳煙排放的幅度隨之有不同的變化。

關鍵詞：柴油機;EGR;NOx;排放

引言

節能與減排是最近幾年當今世界所談論的最大的話題，同時節能減排是當今世界最大的問題之所在。柴油機具有高效率、低油耗的特點，同時也具有NOx以及碳煙排放高的缺點，因此船用柴油機NOx以及碳煙的排放是造成當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EGR系統的出現，為緩解船用柴油機NOx以及碳煙的排放帶來了新機，能夠運用EGR系統進行廢氣再利用，達到降低有害氣體排放的效果。

1EGR系統在柴油機上的結構布置

1.1樣機參數

本文所研究的樣機的基本參數如表1所示。

1.2排氣再循環量的評價指標

為了能夠明確的表征廢氣再循環量，我們通常采用適當的指標以及測量方法，一般采用EGR率作為定量評價指標數據。EGR率定義為進入氣缸的廢氣質量與氣缸內新鮮空氣與廢氣質量的總和之比。其計算公式如下：

EGR率=

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

1.3EGR的結構布置

1.3.1廢氣再循環系統原理

廢氣再循環系統（Exhaust Gas Recirculation），是將柴油機產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，提高廢氣再循環率導致總的廢氣流量減少，進一步的將廢氣排放中總的污染物輸出量相對減少。EGR系統作為一種能夠減少廢氣排放、降低NOx排量的新型系統，它的主要任務就是使廢氣在再循環系統中的一個工作點都可以達到最佳狀況，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。由于廢氣再循環量的改變會對不同的污染成份可能產生截然相反的影響，因此所謂的最佳狀況往往是一種折衷的，使相關污染物總的排放達到最佳的方案。

1.3.2實驗裝置結構

實驗裝置示意圖見圖1

在試驗過程中，可以通過手動調節EGR調節器來實現對EGR的控制，此控制器的原理是通過控制控制機器電路的占空比來改變EGR控制閥上的真空度所作用的時間比例。即EGR控制閥開關時間的比例。

1.3.3模擬驗證

為模擬驗證試驗裝置的正確性，可以通過臺架試驗的出柴油機的示功圖，然后將模擬實驗數據所得的示功圖與臺架實際試驗所得的示功圖進行對比。如若模擬計算的示功圖與實際測量的示功圖曲線趨勢基本吻合，偏差不大，并且在上止點之前都可以有一個小的曲折點，則證明模擬計算所得的試驗結果符合實際情況柴油機運用EGR系統所能達到的預期效果。曲折點形成的主要原因在于曲折點之前由于壓縮沖程影響導致的缸內壓力增加，曲折點之后由于氣缸內不斷噴油、燃油燃燒放熱和壓縮沖程共同影響造成的氣缸內壓力急劇上升。由于實際臺架試驗的測量數據存在誤差以及計算初始邊界條件的選取來自于經驗值，會導致所測壓力有所不同，對模擬驗證的結果有一定的影響。

1.3.4試驗注意事項

（1）實驗過程中需要嚴格控制試驗邊界條件，例如對整個EGR系統影響較大的排氣背壓、中冷后溫以及壓力等相關試驗參數，要時刻保持這些重要的試驗參數控制在相關的范圍之內。

（2）試驗過程中要時刻關注某些對柴油機性能有重要影響的參數，例如柴油機熱負荷是否運行，長時間在高轉速高負荷的工況下運行，排溫轉速等是否超標，這些重要的因素對EGR系統都有可能帶來相關的負面影響。

2試驗結果

2.1 EGR率對柴油機排放和和性能的影響

在負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與碳煙排放呈現上升的趨勢，據模擬實驗的推測，排氣門開啟時氣缸內碳煙和NOx排放的平衡關系對其影響較大;此外，在柴油機低負荷運行時NOx與碳煙排放的增加量并不多，相對大負荷時NOx與碳煙的排放惡化加重。由此可得出以下結果：低負荷運行時可以使用較大的EGR率，高負荷情況下應該對EGR率進行限制，使用小EGR率。結合EGR率對燃燒過程的影響進行分析可得到，EGR率的增加，氣缸內惰性氣體成分的增加使得氣缸內氧濃度降低，空燃比下降，通過EGR系統引入氣缸的廢氣稀釋了氣缸內新鮮空氣的濃度，使得氣缸內燃燒變得緩慢，整個燃燒過程的持續期增加;氣缸內加入的惰性氣體使得氣缸內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，進而有效控制NOx的排放量。

船舶發動機的噴油定時確定了氣缸燃燒的時刻，改變了噴油的時刻就相當于改變了氣缸內部燃燒的情況。根據了解，噴油時刻滯后可以有效改善氣缸內部燃燒溫度過高及氣缸壓力過高的情況。根據試驗記錄，我們將噴油時刻分別延遲0.5°CA、1°CA、1.5°CA、2°CA、2.5°CA和3°CA。通過表現可知，高EGR率的質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，說明柴油機此可處于高效區。

2.2不同的EGR率的排放性能以及經濟性分析

EGR系統將廢氣引入氣缸內，一方面降低了氣缸內總體氧濃度，另一方面還會對氣缸內的氣體的進氣進行加熱;伴隨著EGR率的增加，廢氣的進入量變大，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，氣缸內總體氧濃度降低，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率超過一定數值（拐點）時，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，從而導致柴油機的NOx與碳煙排放程度呈上升狀態。

3結論

模擬試驗結果表明：在低負荷時，NOx與碳煙排放隨著EGR率的增加而增加，幅度較小;在中高負荷時，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;高負荷時，NOx與碳煙的峰值出現較晚，并且EGR率僅對高負荷情況下的NOx與碳煙峰值有影響，使其后移;增加柴油機氣缸內的EGR率，氣缸內最高NOx與碳煙排放質量濃度有所增加。

隨著航運市場的回暖，柴油機在航運業中越來越普遍，NOx的排放量也越來越大，環境問題越來越嚴重。只有對柴油機進行改進，才能很好的解決這種問題。EGR系統在柴油機中應用以及有了一定的成就，但并未達到成熟的地步。通過對現在EGR技術的改進，可以有效的降低柴油機的廢氣排放，，使得氣體的排放量更好的滿足國家對氣體排放的相關要求。

參考文獻：

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