废气再循环EGR (Exhaust Gas Recirculation)

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。

何为EGR

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。

EGR BP

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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：

1. 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。

2. 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

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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 

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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 

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EGRBP

EGRTC