金玉山，李 翔，張東明

（上海船用柴油機研究所，上海 201108）

0 引 言

隨著環(huán)境保護問題日益突出，船用柴油機的排放法規(guī)日趨嚴格。2016年 1月 1日，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）Tier Ⅲ排放標準在排放控制區(qū)域內(nèi)實施，該標準是迄今為止最嚴格的NOx減排標準，與TierⅡ相比排放量減少75%左右，與Tier I相比排放量減少80%。

廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）、選擇性催化還原技術(shù)（Selective Catalytic Reduction，SCR）和替代燃料天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）技術(shù)完全可滿足Tier Ⅲ排放標準，其中EGR技術(shù)對原機的改動小，成本低，尤其是在低速大功率船用柴油機上具有大規(guī)模推廣使用的潛力。例如，MAN Diesel & Turbo 公司對船用柴油機EGR系統(tǒng)有長期研究，已在其船機產(chǎn)品4T50ME-X上進行試驗，結(jié)果證明EGR可有效降低NOx排放[1]。

EGR風機作為EGR系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要功能是對再循環(huán)廢氣進行增壓，實現(xiàn)與增壓之后的空氣相混合并進入進氣總管。對于國內(nèi)大功率船用柴油機而言，EGR風機屬于首次涉及的部件，本文主要介紹中國船舶重工集團公司上海船用柴油機研究所EGR風機第一代試驗樣機的研制過程和試驗結(jié)果。

1 EGR機內(nèi)排放控制技術(shù)

為保護環(huán)境并滿足更加嚴格的IMO Tier Ⅲ排放法規(guī)的要求，許多機內(nèi)、機外排放控制措施（如燃油系統(tǒng)優(yōu)化，EGR，直噴水及高增壓技術(shù)，SCR，氣體機等）得到廣泛開發(fā)，用來降低NOx排放。目前公認的能滿足IMO TierⅢ排放標準的技術(shù)措施主要有雙燃料、SCR和EGR等3種。

EGR技術(shù)是廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的簡稱，以技術(shù)改動小、設計自由度大的特點成為目前較為常用和有效的應用措施之一。但在船用柴油機EGR技術(shù)及產(chǎn)品研發(fā)方面，受制于排放法規(guī)推行相對滯后影響，很少有相關(guān)產(chǎn)品得到實際應用，如何克服船用增壓柴油機的進排氣壓力逆差是亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。

1.1 EGR技術(shù)工作原理

EGR技術(shù)通過將上一循環(huán)的部分燃燒產(chǎn)物引入到新鮮可燃混合氣內(nèi)來降低混合氣中氧的濃度，提高混合氣的熱容量，降低燃燒的速度和燃燒的峰值溫度及減少在峰值溫度停留的時間，從而降低NOx的排放。從組分和熱力性質(zhì)來看，不管是從排氣管引出的廢氣，還是缸內(nèi)的殘余廢氣，甚至是其他缸內(nèi)生成的廢氣，都是上一循環(huán)的燃燒產(chǎn)物。

通常所說的EGR即指外部EGR系統(tǒng)，其在渦輪前取氣，使廢氣回流到進氣中冷器之后的進氣系統(tǒng)內(nèi)，使廢氣與新鮮空氣在進入氣缸之前充分混合。這種方式可避免出現(xiàn)再循環(huán)的廢氣污染壓氣機和中冷器，使壓氣機和中冷器不受排氣中的微粒、碳氫化合物及硫的影響，從而減少可能出現(xiàn)的堵塞和腐蝕問題。該系統(tǒng)不僅可通過電控系統(tǒng)精確控制EGR率，優(yōu)化內(nèi)燃機性能，而且可在外部系統(tǒng)中加裝EGR冷卻器，有效降低燃燒溫度，從而在柴油機中得到廣泛應用。

匹配低速二沖程船用柴油機 EGR系統(tǒng)原理圖見圖 1，可滿足 TierⅢ的排放要求。通過運行和停止EGR系統(tǒng)，打開和關(guān)閉EGR閥門，可實現(xiàn) TierⅡ模式與Tier Ⅲ模式的切換，滿足不同區(qū)域?qū)Υ貌裼蜋C的排放要求。

圖1 匹配低速船用柴油機EGR系統(tǒng)

1.2 EGR風機部件功用

克服進排氣壓力逆差是渦輪增壓柴油機 EGR系統(tǒng)設計的主要難點，這是因為 EGR降低柴油機NOx排放的原理是根據(jù)NOx生成的機理實現(xiàn)的。由于渦輪增壓器和船用柴油機的特性，渦輪增壓柴油機受增壓的作用使得進氣壓力增大，在高負荷時進氣壓力更大，造成排氣管內(nèi)的平均壓力相對進氣管的平均壓力較小，使得 EGR閥前后的壓力差不夠高，甚至出現(xiàn)負的壓力差，簡單地從排氣管引出廢氣直通到進氣管內(nèi)難以達到預期的目標，難以實現(xiàn)高的EGR率。因此，需采用其他輔助裝置，如帶文丘里混合氣式、犧牲某缸的EGR系統(tǒng)及EGR風機等。

(1) 帶文丘里混合氣式的主要缺點是較難同時滿足高負荷和低負荷的要求：在低負荷時進氣流量小，若要保證有足夠的 EGR率，就要減小文丘里管的喉口直徑；在高負荷時流量增大，流速加快，文丘里管引起的流動損失也隨之增加。

(2) 犧牲單缸的EGR系統(tǒng)容易實現(xiàn)，且初期投資成本較低，但其缺點是由于被犧牲缸的排氣壓力增大，風機氣損失也相應增大，從而使燃油經(jīng)濟性惡化；同時，由于對正常掃氣過程的影響，排氣溫度上升，被犧牲缸的熱負荷增加。

(3) 電動EGR風機是將柴油機排出的廢氣經(jīng)EGR閥流入EGR風機中增壓，從風機中流出的廢氣與增壓之后的空氣相混合進入柴油機的進氣總管向各缸分配。該系統(tǒng)的優(yōu)點是可通過調(diào)整 EGR風機的轉(zhuǎn)速來獲取所需的EGR率，與柴油機自身的設置無關(guān)，運用方便、簡單，但對EGR風機的材料及運行的可靠性要求都很高。

船用低速柴油機相比中速柴油機對緊湊性的要求較低，自身占用空間較大，為 EGR風機部件布置提供了便利，因此船用大功率低速柴油機EGR系統(tǒng)更有可能采用EGR風機方案。

2 EGR風機部件研制

EGR風機樣機首代樣機型號為EGR Blower001，型式為電動變頻可調(diào)EGR風機，主要部件包括EGR壓氣機、高速變頻電機、控制柜和相關(guān)傳感器等。

2.1 壓氣機部件

根據(jù)船用柴油機EGR系統(tǒng)的運行特點，EGR風機樣機的壓氣機部件采用單級離心式壓氣機，匹配船用柴油機對EGR系統(tǒng)的要求是：在額定工況點下能實現(xiàn)25%左右的EGR率，壓氣機運行范圍覆蓋壓比1.05和2.82kg/s的EGR廢氣流量（額定工況）及壓比1.02和1.24kg/s的EGR廢氣流量（低工況），見表1。

表1 EGR Blower001壓氣機運行要求

設計壓氣機葉輪為半開式三元流后彎銑制葉輪。設計擴壓器采用高效翼形葉片式擴壓器，采用不銹鋼材料整體鑄造，通過提高工作葉輪的轉(zhuǎn)速達到增大壓力的目的。圖2為EGR風機壓氣機部件設計。

圖2 EGR風機壓氣機部件設計

由于對轉(zhuǎn)子的動平衡要求較高，因此離心式風機各級壓比一般不會＞2，而葉輪的線速度是限制壓升的最主要原因，線速度的大小限制于當前葉輪材料的強度。同時，考慮到 EGR風機使用介質(zhì)為經(jīng)洗滌后處理的柴油機排放廢氣，含硫量約為0.03‰，碳煙顆粒約為25mg/N3，具有一定的腐蝕性，葉輪選用的材料為耐腐蝕的特種不銹鋼。

為防止壓縮機內(nèi)部的氣體泄漏至大氣中，采用組合氣封結(jié)構(gòu)。 設計壓氣機使用壽命為50000h，預計轉(zhuǎn)子更換間隔時間為25000h。

2.2 高速變頻電機部件

與普通異步變頻調(diào)速電機相比，永磁直流電機的效率高、啟動電流小、啟動轉(zhuǎn)矩大、響應快、體積小、重量輕。隨著稀土永磁材料的發(fā)展，永磁直流電動機得以迅速推廣應用，目前世界范圍內(nèi)高速永磁電機的最高轉(zhuǎn)速達到90000r/min以上[3]。當前高速永磁電機技術(shù)在我國還處于研究階段，電機本體設計無法滿足使用要求，控制技術(shù)相對落后，電機設計之后無法滿足設備量化生產(chǎn)需求[4]。

根據(jù)EGR風機壓比小、流量大的特點，壓氣機轉(zhuǎn)速接近5000r/min，基于以上對比優(yōu)勢，永磁電機是EGR風機驅(qū)動電機的最佳選擇。為滿足EGR風機壓氣機負載的要求，主要考慮電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)軸提供的轉(zhuǎn)動力矩2個性能指標。EGR風機高速電機采用湖南湘潭華聯(lián)電機有限公司定制的產(chǎn)品，選用額定功率為80kW，額定轉(zhuǎn)速為7000r/min，最高轉(zhuǎn)速為9000 r/min，額定電壓/頻率為380V/3相，外殼防護等級為IP55，絕緣等級為F級。

根據(jù) EGR風機負載特性，可選擇強制潤滑的油膜軸承或油脂潤滑的角接觸軸承。由于樣機在試驗標定中的主要特點是風機啟動頻次多、波動大，為避免上述因素頻繁出現(xiàn)的軸向負載對軸承、軸承座的劃傷及使用壽命的影響，EGR風機樣機選用油脂潤滑的角接觸軸承。

采用變頻器直接控制電機是一種較為科學的控制方法。EGR風機通過電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，實現(xiàn)閉環(huán)矢量控制。此外，變頻器可實現(xiàn)電動機的軟停、軟啟，避免啟動時產(chǎn)生電壓沖擊和啟動轉(zhuǎn)矩沖擊，降低電動機故障發(fā)生率，延長其使用壽命。變頻器控制方式為閉環(huán)矢量控制，自帶熱過載保護，防護等級為IP55?？刂乒裢ㄟ^監(jiān)測EGR風機流量、壓力和溫度，對運行參數(shù)進行采集和診斷。

2.3 模態(tài)及諧響應分析

對總成托架進行模態(tài)分析，計算出總成托架的固有頻率，確保在電機工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不會與總成托架發(fā)生共振。對EGR風機樣機總體布置進行模態(tài)分析之后的結(jié)果顯示：在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在一階頻率96.8Hz振型，使得電機后蓋發(fā)生局部一階彎曲形態(tài)。經(jīng)優(yōu)化計算，在電機后蓋處增加鋼板規(guī)避電機的局部模態(tài)，可避開一階振動頻率。

當電機和壓氣機工作時，由于轉(zhuǎn)子偏心引發(fā)簡諧振動，托架整體的交變載荷主要為電機的振動、壓氣機轉(zhuǎn)子偏心產(chǎn)生的離心載荷和壓氣機進出口的交變載荷。在這幾個載荷的作用下，托架整體在轉(zhuǎn)速為3500r/min時出現(xiàn)應力最大值，小于安全許用應力要求值（見圖3）。

圖3 EGR風機模態(tài)和諧響應計算結(jié)果

3 EGR風機樣機試驗驗證

高速變頻電機與離心式壓氣機采用直聯(lián)方式連接，壓氣機蝸殼等部件通過法蘭螺栓與電機本體連接并安裝在總成托架上，完成的EGR風機樣機見圖4。

圖4 EGR風機樣機模型和實物

3.1 電機特性試驗

高速變頻電機平臺驗證項目包括電機特性試驗、超速和安保試驗、噪聲試驗、振動試驗、耐久試驗及瞬態(tài)加速試驗等，其中電機特性試驗用于評估高速永磁電機設計功率選用的可行性，保證試驗時電機能滿足EGR系統(tǒng)在正常使用狀態(tài)下的扭矩需求。同時，考慮到EGR系統(tǒng)運行過程中可能出現(xiàn)的大流量、小壓比對低速大扭矩的需求和負載波動大的工作特性，要求電機功率有較大的裕度，確保運行的安全性和可靠性，具備足夠的儲備裕度。

EGR風機高速變頻電機功率/扭矩-轉(zhuǎn)速的特性試驗結(jié)果見圖5。試驗證明，EGR風機電機具備運行要求的功率和扭矩能力，且具有一定的扭矩儲備，因此可保證高速電機選型滿足EGR風機的運行要求。

在進行平臺試驗時，通過利用轉(zhuǎn)矩測量儀器測量轉(zhuǎn)矩，同時測量電機的輸入電量（包括電壓、電流、功率及功率因數(shù)等），通過計算即可得到高速電機的效率。根據(jù)試驗結(jié)果，電機在設計工況點下的效率為93.3%，在其余運行工況點下的效率均＞85%。

3.2 EGR風機流量特性

流量特性試驗是在完成電機特性試驗和樣機裝配之后開展的平臺性能試驗，其中：EGR風機效率定義為 EGR風機壓氣機負載的等熵功率與電機驅(qū)動的軸功率的比值；電機功率為采用變頻功率測量儀測量得到的數(shù)據(jù)或變頻器顯示的功率數(shù)值。

圖5 EGR風機高速電機特性曲線

在對EGR Blower001流量試驗時，首先在試驗臺架上作出等轉(zhuǎn)速線，各條等轉(zhuǎn)速線按整個流量區(qū)段均勻分布，計算EGR風機壓氣機的壓比、效率和喘振邊界線與流量的關(guān)系，作出性能曲線見圖6，在部分工況下最高效率可達到60%，而MAN公司開發(fā)的ETB系列EGR風機的效率可達到68%[5]，相比之下，盡管大功率低速船用柴油機EGR風機是首次涉及零部件，但第一代EGR風機滿足設計指標要求，效率等指標接近國際先進水平。

3.3 瞬態(tài)特性試驗

在EGR風機樣機上進行轉(zhuǎn)速升、降變工況試驗?？紤]到低速機的運轉(zhuǎn)速度較慢，在對控制參數(shù)進行調(diào)整之后，適當降低對瞬態(tài)變化的要求，進行瞬態(tài)響應的試驗，2次EGR風機樣機瞬態(tài)響應試驗數(shù)據(jù)見表2。

圖6 EGR風機樣機脈譜曲線

表2 某船用柴油機EGR風機瞬態(tài)變速試驗結(jié)果

動態(tài)響應特性試驗表明，電動EGR風機具有很好的瞬態(tài)加速、減速功能，能滿足低速船用柴油機EGR系統(tǒng)使用要求，體現(xiàn)出比渦輪增壓器更好的瞬態(tài)特性。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合船用低速柴油機 EGR風機的應用背景，介紹中國船舶重工集團公司上海船用柴油機研究所開發(fā)的第一代EGR風機樣機EGR Blower001的過程，著重闡述EGR風機樣機主要部件的研制和試驗驗證過程。

通過EGR風機高速電機平臺試驗、流量特性試驗和瞬態(tài)響應試驗，得到以下結(jié)論：

(1) 高速變頻電機具備運行要求的功率、扭矩能力，能滿足EGR風機的運行要求；

(2) EGR風機壓氣機滿足設計指標壓比、流量要求，最高效率可達60%；

(3) 動態(tài)響應特性試驗表明，電動EGR風機具有很好的瞬態(tài)加速、減速功能。

【 參 考 文 獻 】

[1] 劉宏杰，鄧康耀，王真，等.EGR技術(shù)降低低速二沖程柴油機NOx排放的計算研究[J].柴油機，2016, 38 (3): 11-16.

[2] 錢作勤，王忠俊.船舶柴油機排放測試與控制措施[J].航海技術(shù)，2004 (6): 38-40.

[3] 郝龍，付忠廣，楊金福，等.高速永磁電機轉(zhuǎn)子軸向碰磨故障的試驗研究[J].潤滑與密封，2014, 39 (6): 56-71.

[4] 曲淮德.高速永磁無刷電動機的設計研究[D].大連：大連理工大學，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.