装有EGR系统的柴油机排放符合性验证方法

CCS 汪立志 张 凌 刘军朴 史红军 王 民

废气再循环（EGR）是柴油机为满足NOx排放要求而采取的一种机内减排技术。船舶柴油机为满足公约/法规排放标准而安装EGR系统，需验证其排放性能是否达到公约/法规的要求。本文依托科技部项目“自主船用低速柴油机开发验证平台研究及关键技术开发”，以中船动力研究院有限公司改造加装EGR系统的6EX340EF柴油机为研究对象，分析和识别其与传统柴油机的差异，评估影响NOx排放的重要部件和参数，研究和制定了排放认可与发证要求，包括族/组划分原则（部件、参数）、排放符合性认可方法、技术案卷、排放试验、排放证书签发等，对将来法规、规范的制定和行业发展具有重要的参考意义。

EGR系统原理

废气再循环（EGR）系统，含义是将柴油机燃烧后排出的废气适量地（一部分）引入进气内，与新鲜空气混合后进入发动机气缸进行再燃烧，以降低发动机排出的废气中NOx的含量。

EGR的引入主要带来3方面的效应：

1）热效应，EGR造成进气成分的热容值发生变化，随着EGR率的增加，进气的热容值呈增加的趋势；

2）稀释效应，即引入EGR后进气中氧气的体积分数降低；

3）化学效应，进气成分改变导致缸内燃烧过程中化学反应发生改变。

燃烧温度越高，氧的浓度越大，高温持续时间越长，NOx的生成量就越多。因此，降低燃烧温度和降低氧的浓度是降低NOx的有效措施。

就EGR系统而言，EGR率是非常重要的参数，一般可以表述为：

NOx排放相关参数和部件

以中船动力研究院有限公司6EX340EF柴油机上改造加装的EGR系统为主要研究对象，从装有EGR系统的柴油机与传统柴油机在缸内燃烧和排放方面的差异着手，研究并梳理出与NOx排放相关的参数和部件。

1、柴油机部分

主要是NOx技术规则 (NTC 2008) 第4.3.8条、第4.4.6.2条中要求族/组内共有的参数，以及附录7中参数核查法的核查参数。从Tier II到加装EGR系统，柴油机部分主要可能涉及以下零部件或参数的改装：

1）喷油正时（包括扫气温度、扫气压力、燃烧压力等）、喷油嘴参数、喷油泵参数、燃油凸轮、喷油压力——涉及缸内燃烧参数；

2）燃烧室、压缩比——涉及缸内结构参数；

3）增压器型式和构造——涉及重新匹配选型问题；

4）空冷器——涉及重新选型问题；

5）排气正时等。

以上参数，分别涉及缸内燃烧参数、缸内结构参数、增压器重新匹配选型、空冷器重新选型等问题，均属于加装EGR系统后，柴油机部分需要重新考虑的参数。

2、EGR系统部分

1）NOx技术规则要求

首先，需要满足NOx技术规则(NTC 2008) 附录7第1.13条中与EGR系统有关的核查参数。其主要内容为：

EGR参数（用于评估：用图表列明对NOx排放的影响）

● 与负荷相关的再循环废气的质量流量（监测）；

● 新鲜空气与再循环废气混合气（比如，“扫气”中）的CO2浓度（监测）；

● “扫气”中O2的浓度（监测）。

可以看出，公约考虑的主要是EGR率。

2）本课题提出的参数核查方案

结合本课题中船动力6EX340EF柴油机上加装的EGR系统，梳理是否还有需要关注的参数。图1为中船动力6EX340EF柴油机上加装的EGR系统组成。

图1：6EX340EF柴油机上加装的EGR系统组成

通过项目研究可以分辨出，带废气洗涤和冷却的EGR系统，其影响NOx排放的主要因素，主要有以下三个参数：

（1）EGR率；

此参数在EGR原理介绍时已说明，是影响排放的主要参数。此部件建议依据上述介绍的NOx技术规则 (NTC 2008) 附录7第1.13条要求执行。

（2）EGR温度（或扫气温度）；

EGR温度上升会导致局部燃烧温度与缸内平均温度上升，在当量比基本不变的情况下，导致NOx与soot排放量的上升；同时EGR温度上升将使得进气量减少，不利于燃烧；混合气温度过高将使得滞燃期过短，部分燃油将无法充分与空气混合燃烧，柴油机将冒黑烟，降低经济性。

表1：各主要部件对排放参数的影响情况

考虑到硫酸凝结的危险性，冷却器内积碳沉淀和相关耐久性等问题，EGR出口处的废气温度也不是越低越好。

因此，EGR温度，直接影响扫气温度，会对排放产生影响。但是，此处的EGR温度，可以结合柴油机部分的扫气温度一起考虑。

（3）EGR湿度（或扫气湿度）

中船动力设计的EGR系统，根据船用燃料和排放特性（多硫、多PM），采用洗涤塔对再循环废气进行洗涤，保证再循环气体的清洁，减少再循环系统对柴油机的损害。但是，洗涤系统同时增加了再循环气体的湿度。而进气中的含水量对柴油机NOx排放有影响。

我们知道，“湿式技术”（进气加湿、缸内注水、燃油乳化等）也是减少NOx排放的技术手段之一，原理是借水的汽化吸收燃烧热量降低缸内燃烧温度，抑制NOx的生成。

因此，EGR湿度（或扫气湿度）也是影响NOx排放的参数之一。

上述三种参数，可以直接测量获取，也可以通过与该参数相关的主要零部件的参数或结构型式得到。比如，EGR率，该参数的控制当然建议按照NTC2008附录7中的要求考虑；当然，也可以增加风机功率、风机识别号、中冷器识别等影响EGR率的设备综合考虑。表1列出了各主要部件对上述三种参数的影响情况。

柴油机排放符合性认可与发证

1、族/组划分及母型机选择

对于装有EGR系统的柴油机而言，涉及其排放符合性时，应将EGR系统作为柴油机的一个零部件考虑。

基于上述原则，装有EGR系统的柴油机应按照NTC2008第4章的要求重新对族/组进行划分，以排放最恶劣为指导选择族/组的母型机。

如果在原有Tier II的基础上，对柴油机部分的排放相关零部件和参数进行重新选型和调整，那么原有Tier II的族/组证书不再对此柴油机有效。Tier II和Tier III模式的排放均应重新进行符合性验证，其族/组的划分、母型机的选择等均需重新考虑且可以不同。此要求也适用于加装EGR系统拟达到Tier II排放的柴油机。

2、排放试验

1） NOx排放

图2：装有EGR系统的柴油机检验发证程序

装有EGR系统的柴油机，其排放测试试验应符合NTC 2008第5章的试验台NOx排放测量程序。

如果在原有Tier II的基础上，对柴油机部分的排放相关零部件和参数进行重新选型和调整，那么柴油机Tier II模式下的排放测试应重新进行。且原有Tier II的排放数据不可作为Tier III的原机排放数据。此要求也适用于加装EGR系统拟达到Tier II排放的柴油机。

2）EGR洗涤水排放

装有EGR系统的柴油机,如设有废气清洗系统，则进行排放符合性认可试验时，还应验证EGR洗涤水排放是否满足IMO《EGR冷凝水排放导则》（2017）(英文名称为：Guidelines for the Discharge of Exhaust Gas Recirculation（EGR）Bleed-off Water）的规定。该导则规定了EGR洗涤水排放标准、排放监测、排放记录、残渣处理等要求。

3）技术案卷

装有EGR系统的柴油机，应将EGR系统作为柴油机的一个零部件考虑，其技术案件的内容首先应满足NTC2008的相关要求。

采用参数核查法作为持续符合性验证方法时，应将NTC2008对EGR系统的要求考虑其中，与EGR相关的影响NOx排放的参数和部件应详细列明。

与EGR相关的影响NOx排放的参数和部件，建议充分评估第3章节分析的EGR率、EGR温度、EGR湿度相关的参数和部件。

带有洗涤系统的EGR系统，应关注IMO《EGR冷凝水排放导则》（2017）对EGR冷凝水的排放要求，对冷凝水的排放处理和符合性验证方法进行详细说明。

4）排放证书签发

装有EGR系统的柴油机，与柴油机排放证书的签发流程一致，并在相应阶段的检验完成后签发对应的排放证书。图为装有EGR系统的柴油机检验发证程序。

柴油机不同运行模式下，可满足不同排放阶段（如，Tier II和Tier III）的情况，可仅签发一份EIAPP证书，包括Tier II与Tier III的数据信息。EGR配置情况应在证书相应位置注明。