Системы и компоненты системы рециркуляции отработавших газов

Ханну Яяскляйнен, Магди К. Хаир

Аннотация : Системы рециркуляции отработавших газов были коммерциализированы как метод снижения выбросов NOx для широкого спектра дизельных двигателей, от легких, средних и тяжелых дизельных двигателей до двухтактных тихоходных судовых двигателей. При проектировании систем рециркуляции отработавших газов необходимо учитывать ряд соображений, в том числе: накопление отложений, загрязняющие вещества, смазку двигателя, упаковку системы и многое другое. Основными компонентами систем EGR являются клапаны EGR и охладители EGR.

Рециркуляция выхлопных газов ( EGR ) - это метод контроля выбросов NOx, применимый к широкому спектру дизельных двигателей, от легких, средних и тяжелых дизельных двигателей до двухтактных тихоходных судовых двигателей. Конфигурация системы рециркуляции отработавших газов зависит от требуемой скорости рециркуляции отработавших газов и других требований конкретного применения. Большинство систем EGR включают в себя следующие основные компоненты оборудования:

• Один или несколько регулирующих клапанов EGR
• Один или несколько охладителей EGR
• Трубопроводы, фланцы и прокладки

В некоторых типах систем возможны другие специализированные компоненты, такие как смесительные устройства Вентури или насосы EGR.

Сверхмощные двигатели. Система EGR для DDC Series 60, рис. 1, является примером систем, применяемых во многих сверхмощных двигателях в Северной Америке в 2002 и последующих годах. Система рециркуляции отработавших газов представляет собой систему контура высокого давления (HPL), в которой часть выхлопных газов забирается из турбонагнетателя выше по потоку. Турбокомпрессор с изменяемой геометрией, помимо других задач, обеспечивает положительную разницу между давлением в выпускном и впускном коллекторах, чтобы обеспечить адекватный поток EGR при необходимости. EGR затем протекает через охладитель EGR, снабженный водой из воды кожуха двигателя. Из охладителя EGR течет через трубу EGR на другую сторону двигателя в расходомер Вентури, который выдает сигнал обратной связи для контроля скорости EGR. Клапан управления EGR, расположенный непосредственно перед корпусом смесителя, отвечает за управление скоростью EGR. Затем EGR проходит во впускной коллектор, где он смешивается с охлажденным наддувочным воздухом, прежде чем впускаться в двигатель. Деталь клапана EGR на фиг.1 также показывает пластину нагревателя EGR, которая предназначена для использования при низких температурах окружающей среды. Нагревательная пластина нагревает EGR, проходящий через клапан, чтобы гарантировать, что лед не образуется в корпусе смесителя.

Detroit Diesel Corporation US EPA 2007 Series 60, оснащенная охлаждаемой системой EGR HPL

Ряд изменений произошел в этой системе EGR с момента ее введения в 2002 году. В более старых версиях этого двигателя (US EPA 2002/2004) клапан EGR был расположен со стороны впуска охладителя EGR. В ранних версиях использовался клапан с пневматическим приводом, который был заменен клапаном с гидравлическим приводом и, наконец, клапан с электрическим приводом, показанный на рисунке 1. В некоторых версиях также использовались отводы давления до и после регулирующего клапана EGR для контроля перепада давления на клапане для Обратная связь по скорости рециркуляции отработавших газов вместо расходомера типа Вентури. К 2008 году расходомер Вентури был полностью удален.

Другим примером охлаждаемой системы EGR для двигателей большой мощности является система Scania Euro IV, показанная на рисунке 2. Отработавший газ из турбины (HPL) направляется через регулирующий клапан EGR и охладитель EGR в систему впуска двигателя. В этом примере в качестве охлаждающей среды в охладителе EGR также используется вода из кожуха двигателя. Как правило, EGR может охлаждаться с помощью охлаждающей жидкости двигателя, окружающего воздуха или низкотемпературной жидкости.

Рисунок 2

Система EGR с одноступенчатым охлаждением для двигателей Scania Euro IV

(Источник: Scania)

Легкие двигатели. Применение EGR не ограничивается двигателями большой мощности, но распространяется и на двигатели, приводящие в движение легкие автомобили. На рисунке 3 схематично представлена ​​система EGR легкового автомобиля с двигателем Audi 3.3 L V8 TDI Euro 3, представленным в 1999 году [1132].

Рисунок 3

Схематическое изображение высокоскоростной системы EGR / впускного дросселя легкового автомобиля для применения в Euro 3

Audi 3.3 L V8 TDI двигатель

Система EGR представляет собой контур высокого давления с охлажденной конфигурацией EGR. Часть выхлопа направляется через клапан управления EGR и поступает в охладитель EGR. Из охладителя EGR поступает в узел дроссельной заслонки, где он смешивается с отфильтрованным свежим воздухом для горения высокого давления, который был охлажден промежуточным охладителем для восстановления некоторой его плотности. Затем смесь воздуха и EGR впускается в двигатель через впускной коллектор. Хотя двигатель оснащен турбонагнетателем с изменяемой геометрией (VTG), который может создавать более высокий выпускной коллектор, чем давление на впуске для привода EGR, впускной дроссель используется в некоторых условиях, когда невозможно создать достаточный дифференциал с VTG. Эта система очень похожа на системы EGR, используемые в других приложениях Euro 3, а также в EPA Tier 1 и Tier 2 Bin 10.

В начале 2000-х годов существовало определенное мнение о том, что будущие двигатели с более высокими скоростями рециркуляции отработавших газов потребуют какой-либо формы насоса рециркуляции отработавших газов для достижения требуемых выбросов NOx из двигателя, требуемых в соответствии с будущими стандартами выбросов. Система рециркуляции отработавших газов HPL, обеспечивающая такие высокие скорости рециркуляции отработавших газов, приведет к неприемлемому снижению расхода топлива. Однако вместо насоса во многих из этих систем использовалась гибридная конфигурация, подобная показанной на рис. 4, для двигателя Volkswagen TDI объемом 2,0 л, представленного в Северной Америке для приложений EPA Tier 2 Bin 5 2009 года. EGR HPL управляется клапаном EGR высокого давления и положением лопасти турбокомпрессора. EGR HPL используется при более низких оборотах двигателя и нагрузках. При более высоких нагрузках и оборотах двигателя подача EGR смещается в систему LPL EGR. Хотя это и не показано, LPL системы EGR на фиг.4 включает в себя фильтр EGR (фиг.25).

Гибридная система рециркуляции отработавших газов для дизельного топлива US EPA Tier 2 Bin 5

VW 2.0 L TDI двигатель. Положение клапанов 1, 2 и 3 типично для работы LP EGR при высоких оборотах двигателя и нагрузках. При низких оборотах и ​​нагрузке двигателя клапан 3 полностью закрыт, а клапаны 1 и 2 открыты, чтобы включить работу HP EGR.

Асимметричная система турбонаддува Daimler показана на рисунке 5. EGR высокого давления подается на все 6 цилиндров только из 3 цилиндров. Турбонагнетатель с фиксированной геометрией представляет собой конструкцию с двойной спиралью, но спираль для цилиндра, подающего EGR, меньше в площади поперечного сечения, чтобы обеспечить более высокое противодавление, создаваемое этими цилиндрами, и обеспечить адекватный поток EGR в более широком диапазоне рабочих условий, чем было бы возможно с турбиной с фиксированной геометрией, имеющей одинаковые размеры спирали. Этот подход позволяет избежать необходимости использовать турбину с изменяемой геометрией. Другая большая прокрутка может быть оптимизирована для очистки трех других цилиндров [3934].

Рисунок 5

Daimler асимметричная система турбонаддува

Двухтактные тихоходные двигатели. Для тихоходных двухтактных судовых двигателей, предназначенных для сжигания тяжелого нефтяного топлива (HFO), система EGR может стать довольно сложной из-за необходимости очистки рециркулирующего выхлопного газа от вредных металлов и серы и необходимости поддерживать коллектор выхлопных газов. давление ниже давления впускного коллектора для обеспечения цилиндра очистка , Рисунок 6 иллюстрирует одну такую ​​систему, предназначенную для модифицированного применения [2466].

Система рециркуляции отработавших газов для тихоходного двухтактного морского применения, сжигающего HFO с высоким содержанием серы

(Источник: MAN Diesel & Turbo)

Основными компонентами являются: скруббер, охладитель, уловитель водяного тумана, воздуходувка, запорный клапан, переключающий клапан, установка очистки воды (WTP), состоящая в основном из буферного резервуара, системы дозирования NaOH и блока очистки воды. Система управления контролирует количество EGR, давление продувочного воздуха, дозирование NaOH, циркуляцию воды в скруббере и расход воды в скруббере.

Очистку можно проводить с морской или пресной водой. При очистке морской воды, предназначенной в качестве основного режима работы, морская вода проходит через скруббер один раз и сбрасывается в море. Для главного силового двигателя мощностью 20 МВт необходимо перекачивать до 900 м3 / ч морской воды, что составляет примерно 1% от максимального расхода топлива.

При очистке пресной воды, используемой в местах, где не допускается сброс, около 99% очищающей воды рециркулируется. Когда свежая вода протекает через скруббер, она становится кислой из-за серы в выхлопных газах. Система дозирования NaOH используется для нейтрализации этой кислоты. Буферный резервуар обеспечивает постоянный поток воды в скруббер. Блок очистки воды (WCU) используется для удаления твердых частиц, которые становятся взвешенными в воде скруббера. Твердые частицы выбрасываются в виде концентрированного ила в резервуар для ила на сосуде. WCU предназначен для очистки воды скруббера до такой степени, что его можно сбрасывать в открытое море в соответствии с критериями сброса воды скруббера IMO.

Максимальный поток пресной воды через скруббер составляет 200 м3 / ч при MCR (максимальная непрерывная производительность). Поскольку это всего лишь одна пятая потока, необходимого для очистки морской воды, это приведет к снижению затрат на расход топлива. Однако для нейтрализации кислой промывочной воды требуется NaOH. При работе на ГФО с содержанием серы 3% потребуется максимальное потребление NaOH примерно 10-12 кг / МВтч. Поскольку очистка пресной воды используется только во время плавания в гавани или прибрежной зоне, мощность основного двигателя будет низкой, а время плавания будет коротким, что еще больше сократит потребление NaOH. Типичное прибытие в порт будет максимум два часа и мощность двигателя 2-3 МВт, что дает общее потребление около 50 кг NaOH.

Для систем, разработанных для судового топлива, содержащего менее 0,5% серы, буферизация все еще требуется для нейтрализации серной кислоты, но очистка воды и удаление осадка не требуются [4066].

###

Похожие