4排氣再循環係統(EGR)
4.1排氣再循環係統(EGR)是將柴油機產生的排氣的一部分和柴油機壓氣端新鮮掃氣混合後壓入柴油機氣缸內,由於再循環是柴油機一部分排氣具有惰性,不參加柴油機缸內化學反應,即原來掃氣含氧量進入柴油機缸內的含氧濃度被稀釋,氧氣濃度降低,從而也使柴油機燃燒周期可燃混合氣的發熱量降低。另外,由於排氣中的CO2及水蒸氣的熱容量較大,增大了混合氣的比熱容,降低了柴油機缸內的高峰溫度。這兩者都使柴油機燃燒過程的著火延遲期增加,燃燒速率變慢,柴油機缸內最高燃燒溫度下降,從而破壞了NOx生成所需高溫富氧的條件,使柴油機的NOx 排放降低。具體實現是,排氣再循係統(EGR)是將柴油機排氣的一部分,經過冷卻和洗滌器(Scrubber)除掉柴油機排氣再循環的排氣的硫和顆粒物,再次送回燃燒室中進行二次燃燒來達到減少氮氧化物排放的目的。EGR降低NOx的原因可從稀釋的影響、熱量的影響和化學的影響進行進一步的理論解釋。從稀釋影響來看,EGR是將排氣的引入柴油機吸氣端,使得氧氣濃度降低,因而產生NOx的量得到降低。從熱量影響來看,當排氣與新鮮空氣和燃油混合後,由於冷卻循環的氣體中CO2、水蒸氣的比熱大,會使峰值燃燒溫度降低,進而NOx的量會降低。從化學影響來看,高溫下,排氣中CO2、水蒸氣會發生裂解,這一裂解是一個高的吸熱過程,會吸收一部分燃燒熱量,使得燃燒峰值溫度降低,製止了柴油機因燃燒溫度過高造成的氮氧化物增加對排放影響。
4.2 EGR係統的任務就是使柴油機排氣的再循環量在每一個工作點都達到最佳狀況和滿足Tier III新排放標準,從而使燃燒過程始終處於最理想的情況,最終保證排放汙染物中的排放值最低。由於排氣再循環量的改變會對不同的汙染成分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中的,使柴油機相關汙染物總的排放達到最佳的方案。也就是說盡管提高柴油機排氣再循環率對減少氮氧化物NOx的排放有積極的影響,但同時這也會對顆粒物和其他汙染成分的減少產生消極的效果。
4.3 燃油添加水(water in fuel 簡稱WIF)
為了進一步提高柴油機有效降低氮氧化物排放,在燃料油添加一部分水,增加了新型柴油機降低氮氧化物排放能力。從化學影響來看:高溫下燃油中的水會蒸發,蒸汽會發生裂解,這一裂解是一個高的吸熱過程,會吸收一部分燃燒熱量,使得峰值汽缸溫度降低,製止了因峰值燃燒溫度過高造成的氮氧化物對排放影響。
70%柴油機負荷時EGR+WIF混合作用時的試驗結果
參考 EGR Tier111 EGR Tier11 WIF(50%) WIF(50%)+EGR 28%WIF 28%WIF+EGR
ERG率 % 0 37 18 0 37 0 37
WIF % 0 0 0 50 50 28 28
NOXg /kWh 17.4 3.4 12.3 10.4 1.3 13.5 2.0
CO /kWh 0.7 1.4 0.4 0.24 0.3 0.25 0.67
SFOC % 0 0.3 -2.6 2.4 3.9 0.4 2.5
5 性能分析及評估
從試驗曲線可以看到EGR會增加柴油機燃油消耗率,但是可以接受。一氧化氮(CO)也增加,但符合要求。氧化氮大大降低,能夠符合IMO Tier III排放標準。
6 增加EGE後,實際試驗結果和評估
柴油機各個關鍵部位給予令人滿意的結果。
7 新問題出現及應對
1)EGR的應用,酸性物質的增多,柴油機麵臨更苛刻的腐蝕和磨損環境,因此,要求潤滑油具有更好的清淨性能和抗磨損性能,對潤滑油的功能添加劑清淨劑、抗磨損性能添加劑、黏度指數改進劑的用量有更高要求,同時對所有的基礎油要求質量更優。
2)EGR的應用,排氣再循環造成柴油機進氣顆粒物增加,磨損風險增加,所以在EGR係統中設有洗滌器(Scrubber)來去除再循環排氣中的顆粒物。