Υπολογιστική μελέτη τεχνικών έγχυσης νερού σε δίχρονους ναυτικούς κινητήρες diesel

Abstract

Στο πλαίσιο της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας, μελετώνται οι επιπτώσεις της εισαγωγής νερού σε δίχρονο ναυτικό κινητήρα Diesel, σε συνθήκες πλήρους φορτίου, με χρήση του κώδικα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής KIVA. Εξετάζονται δύο διαφορετικές τεχνικές: (α) προσθήκη νερού στον αέρα εισαγωγής, (β) απευθείας έγχυση νερού εντός του κυλίνδρου. Παρουσιάζονται λεπτομερή αποτελέσματα της επίδρασης της εισαγόμενης ποσότητας νερού στα επίπεδα των εκπεμπόμενων ρύπων και στην ειδική κατανάλωση καυσίμου, καί για τις δύο εξεταζόμενες τεχνικές. Από τα αποτελέσματα συμπεραίνεται ότι, σε σύγκριση με την προσθήκη στον αέρα εισαγωγής, η απευθείας έγχυση νερού οδηγεί σε πολύ δραστικότερη μείωση των εκπομπών οξειδίων του αζώτου, αυξάνοντας επίσης δραστικότερα τα επίπεδα εκπομπών σωματιδίων αιθάλης, καθώς και την ειδική κατανάλωση καυσίμου. Για τον περιορισμό των αρνητικών επιπτώσεων των δύο τεχνικών, διερευνήθηκε η επίδραση της μεταβολής του χρονισμού της έγχυσης του καυσίμου. Επίσης, διερευνήθηκε η επίδραση της μεταβολής της θέσης των εγχυτήρων νερού, καθώς και του χρονισμού της απευθείας έγχυσης νερού. Τα πλέον αποδοτικά αποτελέσματα προέκυψαν με τη ρύθμιση του χρονισμού της έγχυσης του καυσίμου. Η παρούσα έρευνα υποδεικνύει ότι τα προβλεπόμενα από τον IMO (International Maritime Organization) όρια των κανονισμών που θα ισχύσουν από το 2016 και μετέπειτα αναφορικά με τα οξείδια του αζώτου θα μπορούσαν να επιτευχθούν στο πλαίσιο μίας βελτιστοποιημένης χρήσης τεχνικών εισαγωγής νερού.

In the present work, the effects of water introduction in a large two-stroke marine Diesel engine are studied via Computational Fluid Dynamics, utilizing a modified version of the KIVA-3V code. The impact of two techniques, namely intake air fumigation and Direct Water Injection (DWI) on pollutant emissions and Specific Fuel Oil Consumption (SFOC) is investigated. It is concluded that DWI is more effective in reducing NOX emissions; however its performance in terms of soot emissions and SFOC is inferior. The analysis shows that the 2016 NOX emission standards set by the International Maritime Organization can be met with water addition strategies. The present results demonstrate the potential of water addition techniques, and suggest that a substantial improvement of engine operation with optimized water addition strategies may be feasible.