Розділ I: Сучасні види рециркуляції відпрацьованих газів 1.1 Особливості рециркуляції відпрацьованих газів на вантажних двигунах Система EGR зображена на рис.2.1 є прикладом систем, які застосовувалися в багатьох важких двигунах у Північній Америці в 2002 році і пізніше. Система EGR — це система з контуром високого тиску (HPL), де частина вихлопних газів надходить із турбокомпресора. Турбокомпресор зі змінною геометрією, серед інших завдань, забезпечує додатну різницю тиску між випускним і впускним колекторами, щоб за потреби був доступний достатній потік РГ. Потім РГ проходить через охолоджувач EGR, у який подається вода з сорочки двигуна. Від охолоджувача РГ протікає через трубу EGR до іншої сторони двигуна до витратоміра типу Вентурі, який забезпечує сигнал зворотного зв’язку для моніторингу швидкості РГ. Регулюючий клапан EGR, розташований безпосередньо перед корпусом змішувача, відповідає за контроль кількості РГ. Потім РГ проходить до впускного колектора, де змішується з охолодженим повітрям наддуву перед тим, як потрапити в двигун. Клапан EGR на рисунку 2.2 також показує пластину нагрівача EGR, яка призначена для використання при низьких температурах навколишнього середовища. Пластина нагрівача нагріває РГ, що проходять через клапан, щоб уникнути утворення льоду в корпусі змішувача. Рис.1.1 EGR високого тиску Рис.1.2 У цій системі рециркуляції відпрацьованих газів (EGR) було внесено ряд змін з моменту її появи в 2002 році. У старіших версіях цього двигуна (US EPA 2002/2004) клапан рециркуляції відпрацьованих газів (EGR) був розташований на стороні входу охолоджувача рециркуляційних газів. У ранніх версіях використовувався клапан з пневматичним приводом, який був замінений клапаном з гідравлічним приводом, і, нарешті, клапан з електричним приводом. Деякі версії також використовували клапани тиску до та після клапана керування EGR для контролю різниці тиску на клапані для зворотнього зв'язку по швидкості РГ замість витратоміра типу Вентурі. До 2008 року витратомір трубки Вентурі було повністю видалено. Іншим прикладом охолоджуваної системи рециркуляції відпрацьованих газів для важких двигунів є система Scania Euro IV, зображена на малюнку 2.3.Вихлопні гази перед турбіною (LPL) направляються через регулюючий клапан рециркуляції відпрацьованих газів і охолоджувач рециркуляційних газів у систему впуску двигуна. Вода з сорочки охолодження двигуна також використовується як охолоджуюче середовище в охолоджувачі EGR у цьому прикладі. Загалом EGR можна охолоджувати охолоджуючою рідиною двигуна, навколишнім повітрям або низькотемпературною рідиною. Рис.1.3 Система рециркуляції відпрацьованих газів з одноступінчатим охолодженням для двигунів Scania Euro IV Дана система управляєтся пневматичним циліндром який приводиться в дію з допомогою повітря. За активацію циліндра відповідає блок управління двигуном 1.2 Особливості рециркуляції відпрацьованих газів на Легкових двигунах Застосування EGR не обмежується двигунами великої вантажопідйомності, але також поширюється на двигуни легкових автомобілів. На рисунку 2.4 схематично показано систему EGR легкового автомобіля від двигуна Audi 3.3 Система EGR — це контур високого тиску з охолодженою конфігурацією EGR. Частина вихлопних газів направляється через контрольний клапан EGR і надходить до охолоджувача EGR. З охолоджувача EGR надходить до вузла дросельної заслінки, де змішується з відфільтрованим свіжим повітрям для згоряння під високим тиском, яке було охолоджено проміжним охолоджувачем для відновлення частини його щільності. Потім суміш повітря та EGR надходить у двигун через впускний колектор. У той час як двигун оснащено турбокомпресором зі змінною геометрією (VTG), який може створювати тиск у випускному колекторі вищий, ніж тиск на впуску, щоб керувати EGR, впускний дросель використовується за деяких умов, коли неможливо створити достатній диференціал за допомогою VTG. Рис 1.4 Схематичне зображення високошвидкісної системи рециркуляції відпрацьованих газів (EGR) легкового автомобіля/впускної дросельної заслінки для застосування Євро 3 На початку 2000-х існувало певне переконання, що майбутні двигуни з вищими показниками рециркуляції відпрацьованих газів потребуватимуть певної форми насоса рециркуляції відпрацьованих газів, щоб досягти необхідних викидів NOx на виході двигуна, які вимагаються майбутніми стандартами викидів. Система EGR HPL, що забезпечує такі високі показники EGR, призведе до неприйнятної економії палива. Однак замість насоса багато з цих систем використовували гібридну конфігурацію, таку як показана на рисунку 2.5 для 2,0-літрового двигуна Volkswagen TDI, представленого в Північній Америці для програм EPA Tier 2 Bin 5 у 2009 році. HPL EGR контролюється клапаном HP EGR і положенням лопатки турбокомпресора. HPL EGR використовується при низьких обертах і навантаженнях двигуна. При більш високих навантаженнях і обертах двигуна подача рециркуляції відпрацьованих газів перемикається на систему рециркуляції відпрацьованих газів LPL. Хоча це не показано, LPL системи EGR на рис.2.5 містить фільтр EGR. Рис1.5. Гібридна система рециркуляції відпрацьованих газів для дизельного застосування Tier 2 Bin 5 EPA США Двигун VW 2.0 L TDI. Положення клапанів 1, 2 і 3 є типовим для роботи LP EGR при високих обертах і навантаженнях двигуна. При низьких обертах і навантаженнях двигуна клапан 3 повністю закритий, а клапани 1 і 2 відкриті для забезпечення роботи HP EGR. Асиметрична система турбонаддуву Daimler показана на рис 2.6. Система EGR високого тиску подається на всі 6 циліндрів лише з 3 циліндрів. Турбіна турбокомпресора з фіксованою геометрією має подвійну спіральну конструкцію, але спіраль для циліндра, що подає EGR, має меншу площу поперечного перерізу, щоб забезпечити вищий протитиск, створюваний цими циліндрами, і забезпечити достатній потік EGR у більш широкому діапазоні робочих умов, ніж було б можливим за допомогою турбіни з фіксованою геометрією, що має однакові розміри спіралі. Цей підхід дозволяє уникнути необхідності використання турбіни зі змінною геометрією. Інший більший сувій можна оптимізувати для очищення трьох інших циліндрів. Рисунок 1.6. Система асиметричного турбонаддуву Daimler 1.3 Рециркуляція ВГ на двотактних низькошвидкісні дизельні двигуни Для низькошвидкісних двотактних суднових двигунів, призначених для спалювання важкого палива (HFO), система рециркуляції відпрацьованих газів може стати досить складною через необхідність очищення рециркуляційних вихлопних газів від шкідливих металів і сірки, а також потребу підтримувати випускний колектор. тиск нижче тиску впускного колектора, щоб забезпечити очищення циліндра. Рисунок 2.7. ілюструє одну з таких систем, розроблену для модернізації. Рис.1.7. Система рециркуляції відпрацьованих газів для низькошвидкісного двотактного морського двигуна, що спалює HFO з високим вмістом сірки Основними компонентами є: скрубер, охолоджувач, уловлювач водяного туману, повітродувка, запірний клапан, перемикаючий клапан, станція очищення води (WTP), що складається в основному з буферного резервуару, системи дозування NaOH і блоку очищення води. Система контролю контролює кількість EGR, тиск продувного повітря, дозування NaOH, циркуляцію води в скрубері та скидання води в скрубері. Скрабування можна проводити морською або прісною водою. При очищенні морською водою, призначеному як основний режим роботи, морська вода пропускається через скрубер один раз і скидається в море. Для основного силового двигуна потужністю 20 МВт потрібно перекачувати не більше 900 м3/год морської води, що становить близько 1% максимальної втрати палива. У скруббері прісною водою, який використовується в місцях, де скидання заборонено, близько 99% скрубберної води рециркулює. Коли прісна вода проходить через скрубер, вона стає кислою через сірку у вихлопних газах. Для нейтралізації цієї кислоти використовується система дозування NaOH. Буферний бак забезпечує постійний потік води до скрубера. Блок очищення води (WCU) використовується для видалення твердих частинок, які зважуються у воді скрубера. Тверді частки скидаються у вигляді концентрованого мулу в резервуар для мулу на посудині. WCU призначений для очищення скруберної води до такої міри, щоб її можна було скидати у відкрите море відповідно до критеріїв ІМО для скидання скруберної води. Максимальний потік прісної води через скрубер становить 200 м3/год при MCR (максимальний безперервний рейтинг). Оскільки це лише близько однієї п’ятої витрати, необхідної для очищення морської води, результатом буде зменшення споживання палива. Однак для нейтралізації кислої очисної води потрібен NaOH. Якщо працює на HFO з 3% вмістом сірки, максимальне споживання NaOH буде приблизно 10-12 кг/МВт-год. Оскільки очищення прісною водою використовується лише під час портового або прибережного плавання, потужність головного двигуна буде низькою, а час плавання коротким, що ще більше зменшить споживання NaOH. Типове прибуття в порт триватиме максимум дві години та потужність двигуна 2-3 МВт, що дасть загальне споживання приблизно 50 кг NaOH. Для систем, розроблених для суднового палива, що містить менше 0,5% сірки, буферна система все ще потрібна для нейтралізації сірчаної кислоти, але очищення води та видалення шламу не потрібні [MAN 2018].
