Υπολογιστική μελέτη εναλλακτικών στρατηγικών έγχυσης σε δίχρονους ναυτικούς κινητήρες diesel

Abstract

Βασική συνιστώσα για τη μόλυνση του περιβάλλοντος και την επιδείνωση του φαινομένου του θερμοκηπίου αποτελούν οι εκπομπές ρύπων, τόσο από τις εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας της ξηράς, όσο και από τις εγκαταστάσεις πρόωσης των πλοίων. Έτσι, οι σύγχρονες κοινωνίες επιδεικνύουν μεγάλο ενδιαφέρον για την προστασία του περιβάλλοντος και ταυτόχρονα διακατέχονται από ανησυχία για τις κλιματολογικές αλλαγές, που χρόνο με τον χρόνο γίνονται περισσότερο έντονες. Συγκεκριμένα, το 2002 η Ευρωπαϊκή Ένωση εξέφρασε την ανησυχία της, θέτοντας μία σειρά μέτρων προστασίας του περιβάλλοντος, τα οποία αφορούν καί στη ναυτιλία. Οι περιορισμοί σχετίζονται με τη συγκέντρωση εκπομπών ρύπων και αφορούν σε πλοία που εκτελούν δρομολόγια κοντά σε παράκτιες περιοχές, καθώς επίσης και πλοία που προσεγγίζουν τα λιμάνια. Το ενδιαφέρον αυτό οδήγησε τους κατασκευαστές ναυτικών κινητήρων να κατευθύνουν την εξέλιξη των κινητήρων θέτοντας πρωταρχικό στόχο τη μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων, χωρίς να επηρεάζεται η αξιοπιστία και ο βαθμός απόδοσης. Οι κύριοι ρύποι ναυτικών κινητήρων Diesel είναι τα οξείδια του αζώτου, , και τα σωματίδια της αιθάλης (soot). Στην παρούσα διπλωματική εργασία ερευνάται η δυνατότητα μείωσης των εκπομπών οξειδίων του αζώτου και αιθάλης δίχρονου ναυτικού κινητήρα Diesel, με χρήση αριθμητικής προσομοίωσης. Συγκεκριμένα, εξετάζεται η επίδραση εναλλακτικών στρατηγικών έγχυσης στην πορεία της καύσης και τον σχηματισμό και αιθάλης, με χρήση μεθόδων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (Computational Fluid Dynamics – CFD). Εδώ, χρησιμοποιείται ο κώδικας KIVA-3, σε έκδοση με βελτιωμένα μοντέλα διάσπασης του spray του καυσίμου, αυτανάφλεξης και καύσης, που αναπτύχθηκαν στο Πολυτεχνείο της Ζυρίχης. Στην παρούσα εργασία, μελετούμε τις επιπτώσεις της ύπαρξης προέγχυσης στην παραγωγή των ρύπων, τον βαθμό απόδοσης και τα θερμικά φορτία της μηχανής. Με συστηματικές σειρές αριθμητικών προσομοιώσεων για στρατηγικές έγχυσης με προέγχυση που έγιναν στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, και ανάλυση των αποτελεσμάτων, οι διαδικασίες έγχυσης και καύσης απεικονίστηκαν σε τρισδιάστατη μορφή, ενώ ταυτόχρονα οι τοπικές τιμές θερμοκρασίας και λόγου καυσίμου – αέρα τοποθετήθηκαν σε κατάλληλους χάρτες (χάρτες Τ – φ) για διαφορετικές γωνίες στροφάλου. Ως αποτέλεσμα, προέκυψαν σημαντικές πληροφορίες για τη χρονική ιστορία και τον τρόπο σχηματισμού και αιθάλης σε έναν δίχρονο ναυτικό κινητήρα Diesel. Συγκεκριμένα, βρέθηκε ότι η επιλογή κατάλληλης έναρξης και διάρκειας προέγχυσης μπορεί να μειώσει την ειδική κατανάλωση του καυσίμου κατά περίπου 1.5%, χωρίς να επηρεαστούν οι εκπομπές . Επιπλέον, παρατηρήθηκε ότι η μετατόπιση της κύριας έγχυσης σε μεγάλες γωνίες στροφάλου μετά το Άνω Νεκρό Σημείο (ΑΝΣ) οδηγεί σε σημαντική μείωση των , εις βάρος όμως του ωφέλιμου έργου. Αναφορικά με την αιθάλη, βρέθηκε ότι η συγκέντρωσή της τείνει να μειωθεί όσο η κατανάλωση καυσίμου ελαττώνεται. Συμπερασματικά, η παρούσα μελέτη κατέδειξε ότι, για κατάλληλη επιλογή παραμέτρων, η χρήση προέγχυσης θα μπορούσε να οδηγήσει σε ταυτόχρονη μείωση της ειδικής κατανάλωσης του καυσίμου και των εκπομπών σε σωματίδια αιθάλης, με διατήρηση σταθερών επιπέδων των εκπομπών σε οξείδια του αζώτου.

In 2002 the European Commission adopted a European Union strategy to reduce atmospheric emissions from seagoing ships. The strategy reports on the magnitude and impact of ship emissions in the EU, and sets out a number of actions to reduce the contribution of shipping to health and climate change. One possible approach for the reduction of NOX and soot emissions of marine diesel engines is the use of multiple injection strategies, similar to the ones used in automotive diesel engines. In this way, diesel combustion could be optimized with respect to pollutant emissions, without compromising fuel efficiency. Our interest is in investigating the potential for emissions reduction and overall optimization of combustion in large two-stroke marine diesel engines, using numerical simulation. In this context, we study the effects of advanced injection strategies by utilizing Computational Fluid Dynamics (CFD) tools. We use the KIVA-3 code as the modeling platform, with improved models for spray breakup, autoignition and combustion. Here, we report first results, corresponding to pilot injections, which are visualized for the fuel injection and combustion processes, and are also mapped on temperature - equivalence ratio charts (T-φ maps). This analysis reveals important information on pollutant formation mechanisms in large marine diesel engines, and suggests that fuel savings with simultaneous reduction of soot emissions may be feasible.