船用柴油机EGR风机样机研制和试验验证

金玉山，李 翔，张东明

（上海船用柴油机研究所，上海 201108）

0 引 言

随着环境保护问题日益突出，船用柴油机的排放法规日趋严格。2016年 1月 1日，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）Tier Ⅲ排放标准在排放控制区域内实施，该标准是迄今为止最严格的NOx减排标准，与TierⅡ相比排放量减少75%左右，与Tier I相比排放量减少80%。

废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）、选择性催化还原技术（Selective Catalytic Reduction，SCR）和替代燃料天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）技术完全可满足Tier Ⅲ排放标准，其中EGR技术对原机的改动小，成本低，尤其是在低速大功率船用柴油机上具有大规模推广使用的潜力。例如，MAN Diesel & Turbo 公司对船用柴油机EGR系统有长期研究，已在其船机产品4T50ME-X上进行试验，结果证明EGR可有效降低NOx排放[1]。

EGR风机作为EGR系统的关键部件，主要功能是对再循环废气进行增压，实现与增压之后的空气相混合并进入进气总管。对于国内大功率船用柴油机而言，EGR风机属于首次涉及的部件，本文主要介绍中国船舶重工集团公司上海船用柴油机研究所EGR风机第一代试验样机的研制过程和试验结果。

1 EGR机内排放控制技术

为保护环境并满足更加严格的IMO Tier Ⅲ排放法规的要求，许多机内、机外排放控制措施（如燃油系统优化，EGR，直喷水及高增压技术，SCR，气体机等）得到广泛开发，用来降低NOx排放。目前公认的能满足IMO TierⅢ排放标准的技术措施主要有双燃料、SCR和EGR等3种。

EGR技术是废气再循环系统的简称，以技术改动小、设计自由度大的特点成为目前较为常用和有效的应用措施之一。但在船用柴油机EGR技术及产品研发方面，受制于排放法规推行相对滞后影响，很少有相关产品得到实际应用，如何克服船用增压柴油机的进排气压力逆差是亟待突破的关键技术之一[2]。

1.1 EGR技术工作原理

EGR技术通过将上一循环的部分燃烧产物引入到新鲜可燃混合气内来降低混合气中氧的浓度，提高混合气的热容量，降低燃烧的速度和燃烧的峰值温度及减少在峰值温度停留的时间，从而降低NOx的排放。从组分和热力性质来看，不管是从排气管引出的废气，还是缸内的残余废气，甚至是其他缸内生成的废气，都是上一循环的燃烧产物。

通常所说的EGR即指外部EGR系统，其在涡轮前取气，使废气回流到进气中冷器之后的进气系统内，使废气与新鲜空气在进入气缸之前充分混合。这种方式可避免出现再循环的废气污染压气机和中冷器，使压气机和中冷器不受排气中的微粒、碳氢化合物及硫的影响，从而减少可能出现的堵塞和腐蚀问题。该系统不仅可通过电控系统精确控制EGR率，优化内燃机性能，而且可在外部系统中加装EGR冷却器，有效降低燃烧温度，从而在柴油机中得到广泛应用。

匹配低速二冲程船用柴油机 EGR系统原理图见图 1，可满足 TierⅢ的排放要求。通过运行和停止EGR系统，打开和关闭EGR阀门，可实现 TierⅡ模式与Tier Ⅲ模式的切换，满足不同区域对船用柴油机的排放要求。

图1 匹配低速船用柴油机EGR系统

1.2 EGR风机部件功用

克服进排气压力逆差是涡轮增压柴油机 EGR系统设计的主要难点，这是因为 EGR降低柴油机NOx排放的原理是根据NOx生成的机理实现的。由于涡轮增压器和船用柴油机的特性，涡轮增压柴油机受增压的作用使得进气压力增大，在高负荷时进气压力更大，造成排气管内的平均压力相对进气管的平均压力较小，使得 EGR阀前后的压力差不够高，甚至出现负的压力差，简单地从排气管引出废气直通到进气管内难以达到预期的目标，难以实现高的EGR率。因此，需采用其他辅助装置，如带文丘里混合气式、牺牲某缸的EGR系统及EGR风机等。

(1) 带文丘里混合气式的主要缺点是较难同时满足高负荷和低负荷的要求：在低负荷时进气流量小，若要保证有足够的 EGR率，就要减小文丘里管的喉口直径；在高负荷时流量增大，流速加快，文丘里管引起的流动损失也随之增加。

(2) 牺牲单缸的EGR系统容易实现，且初期投资成本较低，但其缺点是由于被牺牲缸的排气压力增大，风机气损失也相应增大，从而使燃油经济性恶化；同时，由于对正常扫气过程的影响，排气温度上升，被牺牲缸的热负荷增加。

(3) 电动EGR风机是将柴油机排出的废气经EGR阀流入EGR风机中增压，从风机中流出的废气与增压之后的空气相混合进入柴油机的进气总管向各缸分配。该系统的优点是可通过调整 EGR风机的转速来获取所需的EGR率，与柴油机自身的设置无关，运用方便、简单，但对EGR风机的材料及运行的可靠性要求都很高。

船用低速柴油机相比中速柴油机对紧凑性的要求较低，自身占用空间较大，为 EGR风机部件布置提供了便利，因此船用大功率低速柴油机EGR系统更有可能采用EGR风机方案。

2 EGR风机部件研制

EGR风机样机首代样机型号为EGR Blower001，型式为电动变频可调EGR风机，主要部件包括EGR压气机、高速变频电机、控制柜和相关传感器等。

2.1 压气机部件

根据船用柴油机EGR系统的运行特点，EGR风机样机的压气机部件采用单级离心式压气机，匹配船用柴油机对EGR系统的要求是：在额定工况点下能实现25%左右的EGR率，压气机运行范围覆盖压比1.05和2.82kg/s的EGR废气流量（额定工况）及压比1.02和1.24kg/s的EGR废气流量（低工况），见表1。

表1 EGR Blower001压气机运行要求

设计压气机叶轮为半开式三元流后弯铣制叶轮。设计扩压器采用高效翼形叶片式扩压器，采用不锈钢材料整体铸造，通过提高工作叶轮的转速达到增大压力的目的。图2为EGR风机压气机部件设计。

图2 EGR风机压气机部件设计

由于对转子的动平衡要求较高，因此离心式风机各级压比一般不会＞2，而叶轮的线速度是限制压升的最主要原因，线速度的大小限制于当前叶轮材料的强度。同时，考虑到 EGR风机使用介质为经洗涤后处理的柴油机排放废气，含硫量约为0.03‰，碳烟颗粒约为25mg/N3，具有一定的腐蚀性，叶轮选用的材料为耐腐蚀的特种不锈钢。

为防止压缩机内部的气体泄漏至大气中，采用组合气封结构。 设计压气机使用寿命为50000h，预计转子更换间隔时间为25000h。

2.2 高速变频电机部件

与普通异步变频调速电机相比，永磁直流电机的效率高、启动电流小、启动转矩大、响应快、体积小、重量轻。随着稀土永磁材料的发展，永磁直流电动机得以迅速推广应用，目前世界范围内高速永磁电机的最高转速达到90000r/min以上[3]。当前高速永磁电机技术在我国还处于研究阶段，电机本体设计无法满足使用要求，控制技术相对落后，电机设计之后无法满足设备量化生产需求[4]。

根据EGR风机压比小、流量大的特点，压气机转速接近5000r/min，基于以上对比优势，永磁电机是EGR风机驱动电机的最佳选择。为满足EGR风机压气机负载的要求，主要考虑电机转轴的转速和转轴提供的转动力矩2个性能指标。EGR风机高速电机采用湖南湘潭华联电机有限公司定制的产品，选用额定功率为80kW，额定转速为7000r/min，最高转速为9000 r/min，额定电压/频率为380V/3相，外壳防护等级为IP55，绝缘等级为F级。

根据 EGR风机负载特性，可选择强制润滑的油膜轴承或油脂润滑的角接触轴承。由于样机在试验标定中的主要特点是风机启动频次多、波动大，为避免上述因素频繁出现的轴向负载对轴承、轴承座的划伤及使用寿命的影响，EGR风机样机选用油脂润滑的角接触轴承。

采用变频器直接控制电机是一种较为科学的控制方法。EGR风机通过电机的转速进行调整，实现闭环矢量控制。此外，变频器可实现电动机的软停、软启，避免启动时产生电压冲击和启动转矩冲击，降低电动机故障发生率，延长其使用寿命。变频器控制方式为闭环矢量控制，自带热过载保护，防护等级为IP55。控制柜通过监测EGR风机流量、压力和温度，对运行参数进行采集和诊断。

2.3 模态及谐响应分析

对总成托架进行模态分析，计算出总成托架的固有频率，确保在电机工作转速范围内不会与总成托架发生共振。对EGR风机样机总体布置进行模态分析之后的结果显示：在转速范围内存在一阶频率96.8Hz振型，使得电机后盖发生局部一阶弯曲形态。经优化计算，在电机后盖处增加钢板规避电机的局部模态，可避开一阶振动频率。

当电机和压气机工作时，由于转子偏心引发简谐振动，托架整体的交变载荷主要为电机的振动、压气机转子偏心产生的离心载荷和压气机进出口的交变载荷。在这几个载荷的作用下，托架整体在转速为3500r/min时出现应力最大值，小于安全许用应力要求值（见图3）。

图3 EGR风机模态和谐响应计算结果

3 EGR风机样机试验验证

高速变频电机与离心式压气机采用直联方式连接，压气机蜗壳等部件通过法兰螺栓与电机本体连接并安装在总成托架上，完成的EGR风机样机见图4。

图4 EGR风机样机模型和实物

3.1 电机特性试验

高速变频电机平台验证项目包括电机特性试验、超速和安保试验、噪声试验、振动试验、耐久试验及瞬态加速试验等，其中电机特性试验用于评估高速永磁电机设计功率选用的可行性，保证试验时电机能满足EGR系统在正常使用状态下的扭矩需求。同时，考虑到EGR系统运行过程中可能出现的大流量、小压比对低速大扭矩的需求和负载波动大的工作特性，要求电机功率有较大的裕度，确保运行的安全性和可靠性，具备足够的储备裕度。

EGR风机高速变频电机功率/扭矩-转速的特性试验结果见图5。试验证明，EGR风机电机具备运行要求的功率和扭矩能力，且具有一定的扭矩储备，因此可保证高速电机选型满足EGR风机的运行要求。

在进行平台试验时，通过利用转矩测量仪器测量转矩，同时测量电机的输入电量（包括电压、电流、功率及功率因数等），通过计算即可得到高速电机的效率。根据试验结果，电机在设计工况点下的效率为93.3%，在其余运行工况点下的效率均＞85%。

3.2 EGR风机流量特性

流量特性试验是在完成电机特性试验和样机装配之后开展的平台性能试验，其中：EGR风机效率定义为 EGR风机压气机负载的等熵功率与电机驱动的轴功率的比值；电机功率为采用变频功率测量仪测量得到的数据或变频器显示的功率数值。

图5 EGR风机高速电机特性曲线

在对EGR Blower001流量试验时，首先在试验台架上作出等转速线，各条等转速线按整个流量区段均匀分布，计算EGR风机压气机的压比、效率和喘振边界线与流量的关系，作出性能曲线见图6，在部分工况下最高效率可达到60%，而MAN公司开发的ETB系列EGR风机的效率可达到68%[5]，相比之下，尽管大功率低速船用柴油机EGR风机是首次涉及零部件，但第一代EGR风机满足设计指标要求，效率等指标接近国际先进水平。

3.3 瞬态特性试验

在EGR风机样机上进行转速升、降变工况试验。考虑到低速机的运转速度较慢，在对控制参数进行调整之后，适当降低对瞬态变化的要求，进行瞬态响应的试验，2次EGR风机样机瞬态响应试验数据见表2。

图6 EGR风机样机脉谱曲线

表2 某船用柴油机EGR风机瞬态变速试验结果

动态响应特性试验表明，电动EGR风机具有很好的瞬态加速、减速功能，能满足低速船用柴油机EGR系统使用要求，体现出比涡轮增压器更好的瞬态特性。

4 结 语

本文结合船用低速柴油机 EGR风机的应用背景，介绍中国船舶重工集团公司上海船用柴油机研究所开发的第一代EGR风机样机EGR Blower001的过程，着重阐述EGR风机样机主要部件的研制和试验验证过程。

通过EGR风机高速电机平台试验、流量特性试验和瞬态响应试验，得到以下结论：

(1) 高速变频电机具备运行要求的功率、扭矩能力，能满足EGR风机的运行要求；

(2) EGR风机压气机满足设计指标压比、流量要求，最高效率可达60%；

(3) 动态响应特性试验表明，电动EGR风机具有很好的瞬态加速、减速功能。

【 参 考 文 献 】

[1] 刘宏杰，邓康耀，王真，等.EGR技术降低低速二冲程柴油机NOx排放的计算研究[J].柴油机，2016, 38 (3): 11-16.

[2] 钱作勤，王忠俊.船舶柴油机排放测试与控制措施[J].航海技术，2004 (6): 38-40.

[3] 郝龙，付忠广，杨金福，等.高速永磁电机转子轴向碰磨故障的试验研究[J].润滑与密封，2014, 39 (6): 56-71.

[4] 曲淮德.高速永磁无刷电动机的设计研究[D].大连：大连理工大学，2014.

[5] HERBERT S, MARTIN K, MANUEL S, et al.ETB-Electrical Turbo Blower MAN’s EGR blower series[C]//The 28th CIMAC World Congress 2016, June 6-10, 2016, Helsinki.CIMAC, 2016, 105: 8-9.