裝有EGR系統(tǒng)的柴油機排放符合性驗證方法

CCS 汪立志 張 凌 劉軍樸 史紅軍 王 民

廢氣再循環(huán)（EGR）是柴油機為滿足NOx排放要求而采取的一種機內(nèi)減排技術(shù)。船舶柴油機為滿足公約/法規(guī)排放標準而安裝EGR系統(tǒng)，需驗證其排放性能是否達到公約/法規(guī)的要求。本文依托科技部項目“自主船用低速柴油機開發(fā)驗證平臺研究及關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)”，以中船動力研究院有限公司改造加裝EGR系統(tǒng)的6EX340EF柴油機為研究對象，分析和識別其與傳統(tǒng)柴油機的差異，評估影響NOx排放的重要部件和參數(shù)，研究和制定了排放認可與發(fā)證要求，包括族/組劃分原則（部件、參數(shù)）、排放符合性認可方法、技術(shù)案卷、排放試驗、排放證書簽發(fā)等，對將來法規(guī)、規(guī)范的制定和行業(yè)發(fā)展具有重要的參考意義。

EGR系統(tǒng)原理

廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)，含義是將柴油機燃燒后排出的廢氣適量地（一部分）引入進氣內(nèi)，與新鮮空氣混合后進入發(fā)動機氣缸進行再燃燒，以降低發(fā)動機排出的廢氣中NOx的含量。

EGR的引入主要帶來3方面的效應(yīng)：

1）熱效應(yīng)，EGR造成進氣成分的熱容值發(fā)生變化，隨著EGR率的增加，進氣的熱容值呈增加的趨勢；

2）稀釋效應(yīng)，即引入EGR后進氣中氧氣的體積分數(shù)降低；

3）化學(xué)效應(yīng)，進氣成分改變導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒過程中化學(xué)反應(yīng)發(fā)生改變。

燃燒溫度越高，氧的濃度越大，高溫持續(xù)時間越長，NOx的生成量就越多。因此，降低燃燒溫度和降低氧的濃度是降低NOx的有效措施。

就EGR系統(tǒng)而言，EGR率是非常重要的參數(shù)，一般可以表述為：

NOx排放相關(guān)參數(shù)和部件

以中船動力研究院有限公司6EX340EF柴油機上改造加裝的EGR系統(tǒng)為主要研究對象，從裝有EGR系統(tǒng)的柴油機與傳統(tǒng)柴油機在缸內(nèi)燃燒和排放方面的差異著手，研究并梳理出與NOx排放相關(guān)的參數(shù)和部件。

1、柴油機部分

主要是NOx技術(shù)規(guī)則 (NTC 2008) 第4.3.8條、第4.4.6.2條中要求族/組內(nèi)共有的參數(shù)，以及附錄7中參數(shù)核查法的核查參數(shù)。從Tier II到加裝EGR系統(tǒng)，柴油機部分主要可能涉及以下零部件或參數(shù)的改裝：

1）噴油正時（包括掃氣溫度、掃氣壓力、燃燒壓力等）、噴油嘴參數(shù)、噴油泵參數(shù)、燃油凸輪、噴油壓力——涉及缸內(nèi)燃燒參數(shù)；

2）燃燒室、壓縮比——涉及缸內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)；

3）增壓器型式和構(gòu)造——涉及重新匹配選型問題；

4）空冷器——涉及重新選型問題；

5）排氣正時等。

以上參數(shù)，分別涉及缸內(nèi)燃燒參數(shù)、缸內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)、增壓器重新匹配選型、空冷器重新選型等問題，均屬于加裝EGR系統(tǒng)后，柴油機部分需要重新考慮的參數(shù)。

2、EGR系統(tǒng)部分

1）NOx技術(shù)規(guī)則要求

首先，需要滿足NOx技術(shù)規(guī)則(NTC 2008) 附錄7第1.13條中與EGR系統(tǒng)有關(guān)的核查參數(shù)。其主要內(nèi)容為：

EGR參數(shù)（用于評估：用圖表列明對NOx排放的影響）

● 與負荷相關(guān)的再循環(huán)廢氣的質(zhì)量流量（監(jiān)測）；

● 新鮮空氣與再循環(huán)廢氣混合氣（比如，“掃氣”中）的CO2濃度（監(jiān)測）；

● “掃氣”中O2的濃度（監(jiān)測）。

可以看出，公約考慮的主要是EGR率。

2）本課題提出的參數(shù)核查方案

結(jié)合本課題中船動力6EX340EF柴油機上加裝的EGR系統(tǒng)，梳理是否還有需要關(guān)注的參數(shù)。圖1為中船動力6EX340EF柴油機上加裝的EGR系統(tǒng)組成。

圖1：6EX340EF柴油機上加裝的EGR系統(tǒng)組成

通過項目研究可以分辨出，帶廢氣洗滌和冷卻的EGR系統(tǒng)，其影響NOx排放的主要因素，主要有以下三個參數(shù)：

（1）EGR率；

此參數(shù)在EGR原理介紹時已說明，是影響排放的主要參數(shù)。此部件建議依據(jù)上述介紹的NOx技術(shù)規(guī)則 (NTC 2008) 附錄7第1.13條要求執(zhí)行。

（2）EGR溫度（或掃氣溫度）；

EGR溫度上升會導(dǎo)致局部燃燒溫度與缸內(nèi)平均溫度上升，在當量比基本不變的情況下，導(dǎo)致NOx與soot排放量的上升；同時EGR溫度上升將使得進氣量減少，不利于燃燒；混合氣溫度過高將使得滯燃期過短，部分燃油將無法充分與空氣混合燃燒，柴油機將冒黑煙，降低經(jīng)濟性。

表1：各主要部件對排放參數(shù)的影響情況

考慮到硫酸凝結(jié)的危險性，冷卻器內(nèi)積碳沉淀和相關(guān)耐久性等問題，EGR出口處的廢氣溫度也不是越低越好。

因此，EGR溫度，直接影響掃氣溫度，會對排放產(chǎn)生影響。但是，此處的EGR溫度，可以結(jié)合柴油機部分的掃氣溫度一起考慮。

（3）EGR濕度（或掃氣濕度）

中船動力設(shè)計的EGR系統(tǒng)，根據(jù)船用燃料和排放特性（多硫、多PM），采用洗滌塔對再循環(huán)廢氣進行洗滌，保證再循環(huán)氣體的清潔，減少再循環(huán)系統(tǒng)對柴油機的損害。但是，洗滌系統(tǒng)同時增加了再循環(huán)氣體的濕度。而進氣中的含水量對柴油機NOx排放有影響。

我們知道，“濕式技術(shù)”（進氣加濕、缸內(nèi)注水、燃油乳化等）也是減少NOx排放的技術(shù)手段之一，原理是借水的汽化吸收燃燒熱量降低缸內(nèi)燃燒溫度，抑制NOx的生成。

因此，EGR濕度（或掃氣濕度）也是影響NOx排放的參數(shù)之一。

上述三種參數(shù)，可以直接測量獲取，也可以通過與該參數(shù)相關(guān)的主要零部件的參數(shù)或結(jié)構(gòu)型式得到。比如，EGR率，該參數(shù)的控制當然建議按照NTC2008附錄7中的要求考慮；當然，也可以增加風機功率、風機識別號、中冷器識別等影響EGR率的設(shè)備綜合考慮。表1列出了各主要部件對上述三種參數(shù)的影響情況。

柴油機排放符合性認可與發(fā)證

1、族/組劃分及母型機選擇

對于裝有EGR系統(tǒng)的柴油機而言，涉及其排放符合性時，應(yīng)將EGR系統(tǒng)作為柴油機的一個零部件考慮。

基于上述原則，裝有EGR系統(tǒng)的柴油機應(yīng)按照NTC2008第4章的要求重新對族/組進行劃分，以排放最惡劣為指導(dǎo)選擇族/組的母型機。

如果在原有Tier II的基礎(chǔ)上，對柴油機部分的排放相關(guān)零部件和參數(shù)進行重新選型和調(diào)整，那么原有Tier II的族/組證書不再對此柴油機有效。Tier II和Tier III模式的排放均應(yīng)重新進行符合性驗證，其族/組的劃分、母型機的選擇等均需重新考慮且可以不同。此要求也適用于加裝EGR系統(tǒng)擬達到Tier II排放的柴油機。

2、排放試驗

1） NOx排放

圖2：裝有EGR系統(tǒng)的柴油機檢驗發(fā)證程序

裝有EGR系統(tǒng)的柴油機，其排放測試試驗應(yīng)符合NTC 2008第5章的試驗臺NOx排放測量程序。

如果在原有Tier II的基礎(chǔ)上，對柴油機部分的排放相關(guān)零部件和參數(shù)進行重新選型和調(diào)整，那么柴油機Tier II模式下的排放測試應(yīng)重新進行。且原有Tier II的排放數(shù)據(jù)不可作為Tier III的原機排放數(shù)據(jù)。此要求也適用于加裝EGR系統(tǒng)擬達到Tier II排放的柴油機。

2）EGR洗滌水排放

裝有EGR系統(tǒng)的柴油機,如設(shè)有廢氣清洗系統(tǒng)，則進行排放符合性認可試驗時，還應(yīng)驗證EGR洗滌水排放是否滿足IMO《EGR冷凝水排放導(dǎo)則》（2017）(英文名稱為：Guidelines for the Discharge of Exhaust Gas Recirculation（EGR）Bleed-off Water）的規(guī)定。該導(dǎo)則規(guī)定了EGR洗滌水排放標準、排放監(jiān)測、排放記錄、殘渣處理等要求。

3）技術(shù)案卷

裝有EGR系統(tǒng)的柴油機，應(yīng)將EGR系統(tǒng)作為柴油機的一個零部件考慮，其技術(shù)案件的內(nèi)容首先應(yīng)滿足NTC2008的相關(guān)要求。

采用參數(shù)核查法作為持續(xù)符合性驗證方法時，應(yīng)將NTC2008對EGR系統(tǒng)的要求考慮其中，與EGR相關(guān)的影響NOx排放的參數(shù)和部件應(yīng)詳細列明。

與EGR相關(guān)的影響NOx排放的參數(shù)和部件，建議充分評估第3章節(jié)分析的EGR率、EGR溫度、EGR濕度相關(guān)的參數(shù)和部件。

帶有洗滌系統(tǒng)的EGR系統(tǒng)，應(yīng)關(guān)注IMO《EGR冷凝水排放導(dǎo)則》（2017）對EGR冷凝水的排放要求，對冷凝水的排放處理和符合性驗證方法進行詳細說明。

4）排放證書簽發(fā)

裝有EGR系統(tǒng)的柴油機，與柴油機排放證書的簽發(fā)流程一致，并在相應(yīng)階段的檢驗完成后簽發(fā)對應(yīng)的排放證書。圖為裝有EGR系統(tǒng)的柴油機檢驗發(fā)證程序。

柴油機不同運行模式下，可滿足不同排放階段（如，Tier II和Tier III）的情況，可僅簽發(fā)一份EIAPP證書，包括Tier II與Tier III的數(shù)據(jù)信息。EGR配置情況應(yīng)在證書相應(yīng)位置注明。