【船机帮】船用低速柴油机 EGR 技术的应用分析

2010年7月1日，国际防止船舶造成污染公约（MARPOL）附则VI 和氮氧化物（NOx）技术规则修正案正式生效，标志着航运界和国际海事组织（IMO）在解决环境诉求问题上的努力又向前推进了一步。

MARPOL 附则 VI 修正案提出了船用柴油机逐步降低 NOx 排放量的标准。

按照IMO 排放法规的新要求，在 Tier Ⅱ阶段，NOx的排放限制从 2011 年起，NOx比2010年减少2.5g/kWh；

Tier III 阶段，从2016年起，NOx 在 2010年的基础上降低80%。 

为了满足 2016 年起开始实行的Tier III 排放要求，必须给船用柴油机增添新的废气处理系统，才能使废气中NOx的排放达到标准；

EGR废气循环系统

废气再循环技术(Exhaust Gas Recirculation)简称E－GR技术，EGR 系统是针对有害气体NOx设置的一种排气净化装置，因此，对船用柴油机排气 EGR 技术的研究与实施具有重要的现实意义。

EGR技术的原理是将部分燃烧后的废气引入进气管中，与新鲜空气一起形成混合气进入燃烧室。

它是通过以下三个方面来减少 NOx 的形成的： 

（1）降低混合气中的O₂浓度。

废气的稀释作用还可以使氧气的相对浓度下降，从而也能降低 NOx 的排放。 

（2）提高混合气的热容量。

废气中含有的水蒸汽和二氧化碳等为三原子分子气体，比热容大，可以有效地降低气缸内最高燃烧温度，抑制NOx 的生成。

（3）降低燃烧速度。

由于废气中含有大量惰性气体，当这些废气部分回流到进气管后起到了稀释新鲜进气的作用，使燃烧反应速率减缓。

大约 60%~70%的NOx是在中高负荷时产生的，此时采取适当的废气再循环对于减少 NOx 是很有效的。

根据废气进入气缸是否通过柴油机的进气系统把EGR系统分为内部和外部两种，由于外部EGR利用专门的管道将废气引入进气总管，和内部EGR相比，从一定程度上避免 了废气未经冷却直接回流造成的混合气温度升高的情况，还可以加装EGR冷却器降低燃烧温度，对抑制 NOx 排放的效果明显。

因此，目前国内外对外部EGR系统研究应用较为普遍。

柴油机的工况不同，对 EGR 量的要求也不同。为了使 EGR 系统能更有效地发挥作用，必须对参加 EGR 的废气量加以控制。

常用 EGR 率来衡量参加循环的废气量，EGR 率被定义为参加循环的废气质量与进气管总质量（包括再循环废气量和吸入 新鲜空气量）之比；过多的废气参与再循环，将会影响混合气的发火、燃烧效率及性能，从而影响柴油机的动力性，再循环的废气会明显地影响柴油机性能。

因此，在各种工况下，对 EGR 率的 控制是 EGR 系统控制的关键。 

1.EGR 的控制原理。

根据柴油机的转速及负荷大小，针对起动工况、怠速及低负荷工况、中等负荷工况、大负荷、高速或油门全开工况以及加减速等工况的不同特点，同时适当考虑温度、气压等因素对EGR 率的修正影响，对引入进气管的废气量进行综合控制。

其基本原理就是：在发动机起动、加速以及大负荷高速行驶时关闭 EGR 阀，停止 EGR；而在低、中等负荷时 E－ GR 率应随负荷的增大而增大。

2.船用低速柴油机EGR 电控系统的设计。

对于带增压型 船用柴油机，EGR 电控系统原理如图 1 所示：

图 1 EGR 电控系统原理图

前期对MAN B&W 船用低速二冲程 4T50ME-X 型柴油机 EGR 系统运行情况进行了测试，该主机的运行测试结果对国内船用柴油机EGR系统的研究应用具有很高的参考价值。 

（1）4T50ME-X主机的试验情况研究分析。

对该型号柴油机运行情况测试分析的目的是研究高压 EGR 系统在二冲程柴油机上应用是如何实现IMO Tier III NOx 的排放要求的，研究包括不同运行参数对运行结果的影响，如主机最大压力（Pmax）、压缩压力（Pcomp）、扫气压力（Pscav）、扫气温度（Tscav）、燃油喷射压力（Phyd）等，对NOx、燃油消耗（SFOC）、粉尘物（PM）、CO、氢碳化合物（HC）的形成的影响。

（2）4T50ME-X 主机EGR系统试验的测试结果。

a.增加压缩压力与扫气压力的压缩比（Pcomp/ Pscav）会增加平均燃油消耗；

b.增加燃油喷射压力（Phyd）会增加平均燃油消耗；

c. 增加扫气压力（Pscav）会增加平均燃油消耗；

d. 增加扫气温度（Tscav）会降低平均燃油消耗；

e.增加燃油喷射压力（Phyd）会增加CO的产生，同时会排出可见的烟尘；

4T50ME-X 主机的试验结果表明：

在Tier III模式下高压EGR的使用可以遵从 IMO 的规定，同时在 EGR 废气循环下，NOx 排放量最低可达到3.4g/kWh，在主机的25%、50%、75%和100%负荷下，NOx 最大排放量不超过5.1g/kWh。

4T50ME-X 主机在海上使用含硫化物3%的重油运行近500个小时后，进一步地对使用 EGR系统和不使用 EGR 系统时进行性能试验对比，其 NOx 排放量结果如图3所示：

图 3 不同模式下 NOx 排放量测量对比

其性能试验结果表明：

30%~45%的EGR废气循环，可以将柴油机 NOx 降低到原来的10%~30%，同时根据试验结果，每增加10%的废气循环，可以减少 20%的NOx排放，但同时也会增加 0.5g/kWh 的燃油消耗。 

（3）4T50ME-X主机EGR系统的试验结果证明了EGR技术在船用低速柴油机上的应用可以很好的解决NOx的排放问题，符合 IMO 排放法规的新要求；但增加EGR废气量的循环会增加燃油的消耗，同时循环使用的废气中富含水蒸气和SOx，使得进入燃烧室的混合气体中水蒸气和SOx含量增加，恶化了燃 烧室的工作环境，使活塞头和活塞环的使用寿命减少，后续还需要对EGR技术进一步研究，不断完善船用低速柴油机EGR系统，提高使用效率，降低对柴油机运行性能的影响。

结束语

在船用柴油机领域,随着排放法规越来越严格，应用EGR技术所带来的问题更多更复杂。

目前，我国已从世界第一航运大国成为了第一造船大国。

我国航运业为了与世界接轨，在海洋防污染方面必将面临严峻的考验。

海上的排放控制法规的实施及其对此进行的船用柴油机的设计改造已成为需迫切解决的问题。

在我国,虽然对EGR技术的研究才刚起步,但接受考验的同时,也是进行技术革新的大好机遇。

因此，对船舶排气EGR技术的研究显得意义重大。

END