船用柴油机EGR排放控制模拟计算.pdf

第 4 6卷 2 0 1 7年 1 1月 船 海 工 程 SHI P OCEAN ENGI NEERI NG Vo 1 46 NO V 2 01 7 D O I 1 0 3 9 6 3 j is s n 1 6 7 l一 7 9 5 3 2 0 1 7 s 2 0 2 7 船用柴油机 E G R排放控制模拟计算 邹俊杰 茆沐嘉 刘杰 1 南通航运职业技术学院 轮机工程系 江苏 南通 2 2 6 0 0 1 2 武汉理工大学 能源与动力工程学院 武汉 4 3 0 0 6 3 摘要 针对船用柴油机废气再循环 E G R 技术对 N O 排放特性的影响问题 利用软件模拟方式代替实 验 建立安装 E G R系统的柴油机数学模型 计算分析某船用柴油机改变 E G R率对 N O 排放 S o o t 排放 有效 功率和燃油消耗率的影响 结果表明 增加 E G R率可以显著降低 N O 排放 能够达到 T i e r I lI 标准 但同时对 柴油机性能恶化也具有 一定 影响 关键 词 船用柴油机 废 气再循环 氮氧 化物 模拟计算 中图分类 号 U 6 6 4 1 2 1 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 7 9 5 3 2 0 1 7 2 0 1 0 5 0 5 随着船舶运输行业的发展 船舶数量逐年加 大 船用柴油机排放 的废气对大气的污染 已经不 容忽视 其 中 N O 排放量 占全球 排放量 的 7 为了减少船舶对海洋环境 的污染 2 0 0 8年国际海 事组织 I MO 制定 了 MA R P O L 7 3 7 8公约 附则 V I 防止船舶造成空气污染规则 的修正案 以此 限制船舶污染物的排放 第 lI I 章第 1 3条规定对 船用柴油机 N O 的排放量加 以限制 要求分段减 少船舶有害气体的排放 其 中 T ie r I 标准适用于 2 0 0 0年 1月 1日后至 2 0 1 1年 1月 1日前建造或 安装 在 船 上 的 主机 要 求 N O 的 排 放 量 小 于 l7 g k W h T ie r I I 标准适用于 2 0 1 1年 1月 1 日后建造或装船的主机 要求 N O 的排放量减少 到 1 4 4 k W h T ie r I I I 标准适用于 2 0 1 6年 1月 1日后建造或装船 的主机 要求 N O 的排放 量减少至 3 4 g k W h 但 T ie r I I I 标 准仅在 N O 排放控制区 N O E m is s i o n C o n t r o l A r e a s N O E C A 适用 在非排放控制 区 T ie r I I 标准仍然适 用 而 T ie r I I I 标准和 T ie r I I 标准较 T i e r I 标准 的 N O 排放量分别降低 8 0 和2 0 见图1 1 排放 处理技术 伴随排放法规的 日益严格 市场竞争 的愈发 收稿 日期 2 0 1 7 0 3 0 9 修 回日期 2 0 1 7 0 4 0 9 基金项目 南通市 2 0 1 5 一 G应用基础研究计划一 工业创 新项 目 G Y 1 2 0 1 5 0 0 2 第一作者 邹俊杰 1 9 7 0 一 男 硕士 副教授 研究方向 船舶柴油机动力装置 动力系统 废气排 放控制 等 0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 1 6 0 0 2 0 0 0 n r min 图 1 MAR P OL附则 的 NO 排放 限制 严峻 不能满足新 的排放标准的船用柴油机将失 去其未来市场 的竞争力 因此全球船用柴油机制 造厂商均面对发展新技术来 降低 N O 排放 的挑 战 影响 N O 生成 的主要 因素是柴油 机汽缸 中 的燃烧过程 因此柴油机的结 构 运行参数 实际 工况 各辅助设备均会对其产生影 响 目前对船 用柴油机 N O 污染物排放 的控制 主要通过 以下 3种 途 径 实 现 机 前 处 理 机 内处 理 和 机 后 处 理 其中机前 处理 主要是 采用 清 洁燃料 如 L N G燃料 醇类燃料 及燃油乳化技术 机内处理 包括改进燃烧 如推迟喷油 稀 薄燃烧 喷油器改 进 高压喷射 改进 循环 废 气再循 环 e x h a u s t g a s r e cir cu la t io n E G R 加水处理 如直接喷水 进气加湿 蒸汽喷射 3大类 机后处理包括选择 性催化还原法 s e le ct iv e ca t a ly t ic r e d u ct io n S C R 为满足 T ie r I I I 排放法规 E G R是 当前用于降 低 N O 排放的一种主要技术 引 MA N公司采用 的 E G R技术是将 3 0 4 0 经过冷却并 清洁后 的废气重新导人扫气箱 见 图 2 由于扫气空气 中的部分 O 被废气 中的 C O 替代 导致扫气空 气氧浓度的降低和热容量 的增加 从而降低主机 最 高 燃烧 温 度 减 少 N O 的 生 成 目前 MA N和 05 8 6 4 2 0 8 6 4 2 I 1 0z 2 0l7 F l1月 俊杰 等 I L 川 柴 l I 机 E G R拊放 川模拟计 算 2 O 7 一 T 0 x y g e n 蕊 霾 l 0O t M j s S f 1 0 图 2 ECR 原 理 W i r t s i l i 2大船用 柴油机 厂I f 均 l 柴油机 E G R 系统进行 f 期研究 试验结果iI I I f t l J I f 有效降 低 N O 排放 同时刈 原机的改动很小 成本低 具 有大规模推J 使H 的潜力 以某低速二冲程 柴油机 为研究对象 搭建仿 真模型 选取 T i e r I I I 标准规定的 4个 r 况米作为 算丁况 分别埘 同的 E G I 进 行模拟试 验 分析 N O 排 S o o t 排 量 仃效功 j 干 燃 油消耗 率与 E G R牢的关系 2仿真模型建立 汁箅所川软件为 口前 流的模拟燃烧过程 的 一 维发动机 仿真软 件 G r I WE R 该软 件是将 建立的模型抽象成一系列能够代表实际柴油机组 成的模块 采用基于一维流体 动 力 力 程的 交 错网格法 对分成若于 个控制体 积的柴油机流 动 系统进 行数 学描 述 连续性 方程为 dD I I 1 1 l I 一 能缱方程为 J c 1 n J 一 A T 一T 2 动量 方 程为 I J 1 f 一 4 譬 c I 譬 川 3 式 巾 m f l 为通过边界的质 流 P分别 为体积块内质量 体积 1为流通 积 U为 内能 H为总焓 h 为传热 系数 分别 为体积 块 中心速度 边界速度 C 为表I f 1 摩擦系数 C 为 1 0 6 海 I 狸 4 6卷 毯 o l0f l 0 M I ls s n0 压 损 人系数 D 为 3 模 型 验 证 3 1模 型运行 为创建柴油机的 机模 型 将柴j f1 1 机 系统简 化拆分为 9个 F系统 进排 环境 r j 1 冷 进排 气 进排气I 喷汕器 气缸 燃烧 l轴箱 涡轮增 器 分别针刈各个f系统创建 了帧 柴油机整机模型的创建就址将 经建好的子 系统模型按照李 的流动 机械能的传 顺序进 行排 列连 接 同时 埘子 系统模 进 行 逐 步添 J J l J 运 行并验 证 调 洱运 行 以防 止 机 十 I l 运行 出 错 对于很多子系统模 之 需 要创缱 箭路 进行连接 为 减 少流动损 人 没 特 刖说I I 的 均采用圆直管 3为柴h t i L f J 卡 I l 柴油机模 创建完 后需 要进行运行 汁箅 查看 汁算结 果 以便 r 仿 模 进 什 薄 选取 实际机型的 4个常川 r 况作 为卞 l拟 I 况 I 况通 过负简和转速束确定 具体数抛 l 表 1 与工 况对 应的参数 按照小同 r 况下的运行参数埘卡 I 进行运算 控制设定 设定分 3步 1 R u n S e t u p 埘 T in e C o n h l h i lt ia li z a t io n F lo w Gl T 1 lr o T h e r t lla I C o n t l进 行 c 5 定 2 C a s e S e t u p 设 定 1 点 的 参数 3 O u t p u t S e t u p 没定 汁 结果 的仃储 和显 示情 况 运行模型 杏看模拟 汁算结 为模拟 汁 箅时假定各个气缸 的状 足 个 一 佯的 此可 e 1 2 01 7年 1 1 月 俊杰 川柴 l lf J L T l 十 I I 放控 圳模拟计算 船海 T 程 第 4 6巷 n 一 f 器一 厂 瓣 厂一 L 一 I t I 州螭 一 一1 属 t 1 恩 嚣 固 厂 f l c j 熙 一一 一 口 咯 彝 岛 图 3柴油机整机模型 以用第一缸的计算结果代表昕仃 的 缸 m I 冬 1 4 罔 7 n r 知 模拟计算得 到的 效功毕 排 气温 度 燃油消牦率 N O 排垲与实际柴 f J 对J f t Ih J 的相 对误 差分 圳不超 过 1 4 3 8 3 1 8 J 0 7 000 三6 0 0 0 苷 5 0 0 0 4 000 二3 0 0 0 1 640 620 600 蟊 5 8 0 560 5 4 0 罩520 500 48O 图 4有效功率对 比 图 5排气温度对比 图 6燃油消耗率对 比 1 4 I 3 兰 1 3 1 2 I 2 l I 主 I I 图 7 NO 排 量 对 比 4 3 因此 认为建立的模型是合理可靠的 能够 利川陔模型代替实际柴f I1 I 机进行所选取 的4个T 况条什 的 E G R技术降低 N O 排最的模拟 计算 3 2 模 型校 准 据实际低速二冲程柴油机 的特点 采用 涡 轮机 收废气流入 E G R系统 流经冷却器 过 滤 I x L L 后 从压气机后而 与新鲜空气混合的废气 I I I I 流力 创建 的 E G R系统模 型南以下模块组 成 逃 1 分 流 管 路 E GR 冷 却 器 E G R 过 滤 器 E G R风机 E G R 阀 门 u汇 流 管路 分 别将 系统模型 的分流歧管 和 流歧管放往 涡 轮机入 三 气机 f l r 1 上面 连接模型 将 E GR系 统 卡 I 添加 至柴 油机 模 型 见 罔 8 4 N O 排放模拟计算结果与分析 持 柴油 机模 型 的输 入 参数 不变 仅 更 改 l R I 门直 使 E G R牢从 0逐渐增大 依次进 行 4个 I 况下小同 E R率的模拟实验结果见 9 1 0 7 2 0 1 7年 1 1月 餐 等 船 川柴油机 E G R排放控制模拟 汁算 蛳海 r 程 第 4 6卷 图 8 添加 E GR 系统后柴油机模型 0 l 0 l 5 2 O EGR率 a NO f I 0 5 l 0 l 5 2 0 EGR率 c 仃效 功 率 4 0 季 30 2 0 囊 1 5 羞 E GR 率 b S o o 排 鲢 0 5 l0 5 EGR肇 d 燃汕 消 耗率 图 9 NO 排量 S o o t 排量 有效功率 燃油消耗率随 E G R率变化 曲线 对比4个工况下相应参数的变化 发现所有 参数随 E G R率的变化趋势是一致 的 且 E G R率 仔在限值 1 所有工况 下 N O 排量均随着 E G R率的增 大而明显降低 在中高负荷时 N O 排量降低 的 l08 速率 很 大 在 E G R 率达 到 限 值 前 可 以降低 到 2 5 g k W h 左右 在低负荷时 N O 排量降低 的速率减缓 在 E G R率 达到限值前 只能降低到 6 5 g k W h 左右 2 中高负荷时 S o o t 排量随 E G R率增加而增 一一 爿 軎 0z 神 盯 引 1 I 料耀器 露蛭 圜 一 r P L 0 0 O O O O O O O 0 0 O 0 O 0 0 O O O 0 0 O 0 O O 8 7 6 5 4 3 2 瓣 督耧 2 0 1 7年 1 1 月 邹俊杰 等 船用柴油机 E G R排放控制模拟计算 船海工程 第 4 6卷 加 速率较小 而低负荷时 S o o t 排量增加速率明 显提高 在 E G R率 达到 限值 前最 大可 以从 2 g k W h 左右增加到 3 7 g k W h 左右 3 所有工况下的有效功率首先均随 E G R率 的增加而缓慢下降 当达到临界点时 急剧下 降 均可以下降至 0 4 燃油消耗率在 4个工况下随 E G R率的增 加而缓慢上升 最大增加了 4 左右 由此可见 在 中高负荷时 E G R技术 降低 N O 排量的效果显著 同时对 S o o t 排量的影响较 小 在低负荷时 E G R降低 N O 排量的效果一般 同时对 S o o t 排量的影响很大 提高 E G R率 会降 低燃烧质量和废气 自身的吸热 减小柴油机 的输 出功率 并增加燃油消耗率 证明 E G R确实会影 响船舶主机的动力性和经济性 5 结 论 1 所建立的柴油机模型 模拟运行后的计算 结果与实验数据的误差均在 5 以内 故认为所 建立的柴油机模型是合理的 可以代替实际柴油 机对柴油机的性能进行模拟分析 2 模拟计算表 明 对该机型柴油机添加 E G R 系统 能够有效降低 N O 排放 使之满足 T i e r I I I 标准 特别是在中高负荷时 选取合适的E G R率 可以使 N O 排量降低7 0 以上 这与实际经验基 本 一致 3 增加 E G R率 虽然可以降低 N O 的排放 但同时也会增加 S o o t 排放和燃油消耗率 并减小 柴油机的有效功率 使得柴油机的经济性有所下 降 且每个工况下都存在一个 E G R率极限值 这 表明使用E G R系统确实会降低柴油机的动力性 和经济性 建议安装 E G R系统 的船舶主机在 中 高负荷时采用较大的 E G R率 而在低负荷时采用 较小的E G R率 且尽量避免主机长时间低负荷运 行 参考文献 1 C h ri s t e r Wik T ie r I I I t e ch n o l o g y d e v e l o p me n t a n d i n flu e fle e o n s h i p i n s t a ll a t i o n a n d o p e r a t io n C C I M A C 2 01 3 2 X I N H D U R R E T Y R P Z O N G X U A N S L a t e in t a k e v a lv e cl o s i n g a s a l l e mi s s io n s co n t r o l s t r a t e g y a t tie r 2 b i n 5 e n gin e o u t N O l e v e l C S A E 2 0 0 8 3 A S A D U Z H E N G M H A N x e t a 1 F u rl i n j e ct i o n s t r a t e g ie s t o imp r o v e e mis s io n s a n d e ff icie n cy o f h is h co m p r e s s i o n r a t i o d ie s e l e n g in e s J S A E in t J e n g in e s 2 0 0 8 1 1 1 2 2 0 1 2 3 3 4 F e d e r i co Mi u o Ma r co G i a n o g li o B e r n a r d i E m a n u e l e S e r v e ll o e t a1 C o mp u t a t i o n a l anal y s i s o fd i ff e r e n t E GR s y s t e ms co mb in e d wit I l Mille r cy cle co n ce p t f o r a me d i u m s p e e d ma r i n e d i e s e l e n g in e C C I MA C 2 0 1 3 S i mu la t io n o f Ex h a u s t Ga s Re ci r cu la t io n f o r Co n t r o l Emis s io n f r o m Ma r in e Die s e l En g in e Ba s e d o n GT P o we r Z OU J u n j i e MA 0 Mu j i a L I U J i e 1 D e p t o f t h e Ma r i n e E n g in e e rin g N a n t o n g S h i p p i n g C o l le g e N a n t o n g J i a n g s u 2 2 6 0 0 1 C h i n a 2 S ch o o l o f E n e r g y a n d P o w e r E n g in e e rin g Wu h a n U n iv e r s i t y o f T e ch n o l o g y Wu h a n 4 3 0 0 6 3 C h in a Ab s t r a ct T o s t u d y t h e in fl u e n ce o f e x h a u s t g a s r e cir cu l a t i o n E G R t e ch n o lo g y u p o n N O e m i s s i o n perf o r ma n ce f r o m m a r in e d i e s e l e n g i n e a ma t h e ma t i ca l mo d e l o f d i e s e l e n g i n e e q u ip p e d wi t h E GR s y s t e m w a s e s t a