EGR产生背景
对于船用主机,在北美洲排放控制区(下图绿色区域),从2016年1月对NOx排放开始实行Tier III排放标准,而在北欧的排放控制区,将于2021年1月开始施行该标准(下图蓝色区域)。当然,还有很多的国家也有相关的规定区域。
排放控制区域
由于排放值从Tier II规定的14.4g/kW*h降低到Tier III规定的3.4g/kW*h,通过对主机本身的零部件修改也不能够满足排放要求。此时,对于大型船用主机,MAN-ES给出了两种解决方案:EGR或者SCR。今天我们介绍一下EGR系统。
EGR的全称是Exhaust Gas Recirculation,中文名:废气再循环。
循环过程在发动机内部进行,通过控制燃烧过程以防形成NOx,该方法可以将船用柴油发动机产生的NOx控制在符合 III级要求的水平。
在EGR系统中,经过冷却和净化之后,部分废气再循环到扫气箱中。扫气中的部分氧气通过这种方式被燃烧过程中产生的CO2替代。这种替换过程减少了O2含量,提高了扫气的热容,从而降低了最高燃烧温度和NOx的生成。NOx的减少几乎与排气再循环率成线性关系。
EGR系统有三种不同的配置方案:
1.带有旁通的EGR(EGR with bypass/EGRBP),只配有一个涡轮增压器,适用于缸径不大于70cm的发动机;
2.带有涡轮增压器切断系统的EGR(EGR with TC cut-out matching/EGRTC),配有至少两个涡轮增压器,适用于缸径不小于80的发动机;
3.EcoEGR,配置类似于带有旁通的EGR。EcoEGR是一种燃油优化发动机,它能在Tier II和Tier III模式下都降低SFOC,并且满足NOx限制要求。
配有旁通的EGR如上图所示,该系统通过两条管线(主管线和EGR管系)使扫气流入扫气箱中:
主管线能够使所有扫气流过涡轮增压器压气端和扫气空冷器。
EGR管线能够将高达40%的废气通过预喷和EGR装置(EGR冷却器和水雾捕捉器WMC)引至主管线的混合点。
工作过程
1.Tier II模式在Tier II模式下只有主管线处于工作状态。EGR管线(SOV/BTV)和气缸旁通阀(CBV)中的阀保持关闭。在此模式下,废气旁通(EGB)在高负载下完全打开,在低负载下部分打开,以平衡涡轮增压器。但是,在缸径为40或更小的发动机上,废气旁通将在高负载下关闭,EGR管线打开,以获得足够的扫气压力,同时满足涡轮增压器转速的限制。
2.Tier III模式
在Tier III模式下,通过打开EGR切断阀和鼓风机节流阀(SOV/BTV)来启用EGR管线。废气首先通过EGR管线进入预喷水装置,然后通过EGR单元进入混合点,继而被EGR鼓风机的推动下进入扫气箱。通过改变EGR鼓风机的流量来控制EGR比率。在此模式下,气缸旁通(CBV)开启,以增加扫气压力,从而降低SFOC,而废气旁通(EGB)关闭。
EGR TC
1. 主管线将高达70%的扫气空气引导至基本涡轮增压器和扫气空冷器。
2.切断管线将高达40%的扫气通过切断涡轮增压器和EGR单元(EGR空冷器和水雾捕捉器WMC),再通过平衡管进入扫气箱。
3. EGR管线通过预喷射和EGR装置将高达40%的废气引至主管线中的一个混合点,由一个或多个EGR鼓风机强制吹入扫气箱中。在这种情况下,切断管线关闭。
在一些更大缸径的发动机上,将需要一个有两个以上涡轮增压器的配置。虽然涡轮增压器和EGR单元的数量有所增加,但原理不变。
工作过程
1.Tier II模式
在Tier II模式下,主管线和切断管线处于工作状态。TC切断阀(TCV/CCV)和鼓风机旁通阀(BBV)打开,而EGR管线由EGR切断阀和鼓风机节流阀(SOV/BTV)保持关闭。在此模式下,EGR空冷器作为正常扫气空冷器工作。大约40%的扫气通过切断管线,其余60%通过主管线。在此模式下,气缸旁通(CBV)保持关闭。
2.Tier II模式–TC切断
切断管线提供了一个机会,使发动机在Tier II模式下在低负荷时以TC切断装置运行,相应地降低SFOC。在这种情况下,只有主管线打开,而气缸旁通(CBV)保持关闭。
3.Tier III模式
在Tier III模式下,切断管线关闭(TCV/CCV)。EGR管线通过EGR切断阀和鼓风机节流阀(SOV/BTV)打开。废气通过预喷和EGR装置被EGR鼓风机强制引至混合点和扫气箱,通过改变EGR鼓风机的流量来控制EGR比率。在此模式下,气缸旁通(CBV)部分开启,以增加扫气压力,从而降低SFOC。
EcoEGR
无论航行区域如何,EcoEGR系统都会在EGR状态下永久运行。EGR率适应该区域的NOx限制,即NECA内部的Tier III模式和NECA外部的Tier II模式。Tier II模式下的油耗(SFOC)减少约为2.5%,Tier III模式下为1.0%。
当EGR系统发生严重故障时,可使用Tier II失效模式来保证Tier II排放限值要求。
EcoEGR系统的配置与EGRBP概念类似,并且可以安装一个或两个涡轮增压器。
工作过程
1.EcoEGR Tier II模式
在EcoEGR Tier II模式下,发动机以较低的EGR率运行,大约10-15%。EGR切断阀(SOV)和鼓风机节流阀(BTV)完全打开,而气缸旁通阀(CBV)关闭。除高负荷外,废气旁通阀(EGB)也关闭。
2.EcoEGR Tier III模式
在EcoEGR Tier III模式下,发动机以25-45%的EGR率运行,类似于EGRBP匹配。EGR切断阀(SOV)和鼓风机节流阀(BTV)完全打开。气缸旁通阀(CBV)打开(低负载除外),而废气旁通阀(EGB)关闭。
3.EcoEGR Tier II失效模式
仅在EGR发生故障的情况下,在没有EGR的情况下运行。相应地,EGR切断阀(SOV)和鼓风机节流阀(BTV)关闭。除高负荷外,废气旁通阀(EGB)也关闭。
EGR布置
EGRBP
EGRTC
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