Βελτιστοποίηση παραμέτρων 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. Το αυξημένο ενδιαφέρον κατά την τελευταία δεκαετία για τα προβλήματα της μόλυνσης του περιβάλλοντος και, επιπρόσθετα, η επιβολή των κανονισμών περιορισμού της μόλυνσης του αέρα από τα πλοία επηρεάζουν την πορεία εξέλιξης των ναυτικών κινητήρων Diesel. Οι πρόσφατοι κανονισμοί αναφορικά με τις συγκεντρώσεις ρύπων στα καυσαέρια των ναυτικών κινητήρων υποχρεώνουν τους κατασκευαστές να διερευνήσουν μεθόδους για τη μείωσή τους. Οι κλασσικές μέθοδοι μείωσης των κύριων ρύπων (οξείδια του αζώτου και σωματίδια αιθάλης) οι οποίες χρησιμοποιούνται στους μικρότερους πετρελαιοκινητήρες της αυτοκινητοβιομηχανίας (όπως ανακυκλοφορία καυσαερίων και χρήση καταλυτών) δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν εύκολα σε ναυτικούς κινητήρες, εξαιτίας της υψηλής περιεκτικότητας του καυσίμου σε θείο. Μία εναλλακτική μέθοδος, επίσης προερχόμενη από τον χώρο της αυτοκινητοβιομηχανίας, είναι η χρήση πολλαπλών ψεκασμών του καυσίμου. Η τελευταία καθίσταται εφικτή με την πρόσφατη εγκατάσταση συστημάτων έγχυσης κοινού συλλέκτη (Common Rail Systems), που έχει αυξήσει δραματικά τους βαθμούς ελευθερίας του συστήματος έγχυσης καυσίμου. Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζουμε υπολογιστικά αποτελέσματα που αφορούν στη μελέτη και βελτιστοποίηση της θερμορευστομηχανικής δίχρονου ναυτικού κινητήρα Diesel. Θεωρούμε προφίλ έγχυσης καυσίμου με παρουσία προέγχυσης, το οποίο βελτιστοποιείται με στόχο την ταυτόχρονη μείωση των εκπομπών οξειδίων του αζώτου και αύξηση του βαθμού απόδοσης. Εδώ, χρησιμοποιούμε μεθόδους υπολογιστικής ρευστοδυναμικής, σε σύζευξη με έναν εξελικτικό αλγόριθμο βελτιστοποίησης. Συγκεκριμένα, διατυπώνεται ένα πολυκριτηριακό πρόβλημα βελτιστοποίησης, στο οποίο το τελικό σύνολο βέλτιστων λύσεων προσδιορίζεται με βάση τo μέτωπο Pareto. Οι μεταβλητές σχεδίασης αποτελούνται από παραμέτρους που χαρακτηρίζουν την προέγχυση, την κύρια έγχυση και τη συνολικά εγχυόμενη μάζα, ενώ τίθεται ο περιορισμός της μέγιστης επιτρεπόμενης πίεσης στον κύλινδρο. H διαδικασία βελτιστοποίησης συνέκλινε σε δύο εναλλακτικές στρατηγικές, με χαρακτηριστικά τη μείωση των εκπομπών οξειδίων του αζώτου κατά περίπου 15% και την ταυτόχρονη αύξηση του βαθμού απόδοσης τάξης 2%: 1. Προέγχυση ποσότητας καυσίμου περίπου 10%-15% της συνολικής, σε γωνία στροφάλου περί τις 30ο πριν το Άνω Νεκρό Σημείο. Εδώ, η καθυστέρηση έναυσης είναι αρκετά μεγάλη, με αποτέλεσμα η καύση του καυσίμου της προέγχυσης να λαμβάνει χώρα με φλόγα προανάμιξης. 2. Προέγχυση ποσότητας καυσίμου περίπου 8-11% της συνολικής, σε γωνία στροφάλου περί τις 10ο πριν το Άνω Νεκρό Σημείο. Στην περίπτωση αυτή, η καθυστέρηση έναυσης ελαχιστοποιείται, και η καύση του καυσίμου της προέγχυσης πραγματοποιείται με φλόγα διάχυσης. Με χρήση οπτικοποίησης των αποτελεσμάτων, αναλύονται και ερμηνεύονται οι θερμοχημικές διεργασίες που αντιστοιχούν στις βέλτιστες λύσεις