Διερεύνηση και βελτιστοποίηση μετέγχυσης καυσίμου σε δίχρονους ναυτικούς κινητήρες Diesel

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζονται υπολογιστικά αποτελέσματα που αφορούν στη μελέτη και βελτιστοποίηση της λειτουργίας δίχρονου ναυτικού κινητήρα Diesel για προφίλ έγχυσης καυσίμου με παρουσία μετέγχυσης. Συγκεκριμένα, η μελέτη γίνεται για τον δίχρονο ναυτικό κινητήρα Diesel RT-flex58T της κατασκευάστριας εταιρείας Wärtsilä Switzerland, σε συνθήκες πλήρους φορτίου. Το προφίλ έγχυσης με μετέγχυση αποτελείται από δύο παλμούς (κύρια έγχυση και μετέγχυση), και χρησιμοποιήθηκε με σκοπό την ταυτόχρονη μείωση των εκπομπών οξειδίων του αζώτου και σωματιδίων αιθάλης, ενώ παράλληλα επιδιώχθηκε η ελαχιστοποίηση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου. Για αυτόν τον σκοπό, έγινε χρήση του κώδικα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής KIVA-3, ο οποίος χρησιμοποιείται για την αριθμητική προσομοίωση της ροής και καύσης σε εφαρμογές μηχανών εσωτερικής καύσης. Αρχικά, το προφίλ έγχυσης παραμετροποιήθηκε ως προς τις ακόλουθες παραμέτρους: (α) την έναρξη της κύριας έγχυσης (Start Of Main Injection - SOMI), (β) το μεσοδιάστημα μεταξύ του πέρατος της κύριας έγχυσης και της έναρξης της μετέγχυσης (GAP), (γ) το ποσοστό μάζας του καυσίμου που αντιστοιχεί στη μετέγχυση επί του συνολικά εγχυόμενου (Post Mass Fraction - PoMF) και (δ) την ποσοστιαία διαφορά μεταξύ της εγχυόμενης μάζας καυσίμου της περίπτωσης αναφοράς (η οποία χαρακτηρίζεται από συνεχές προφίλ έγχυσης) και αυτής στην περίπτωση με μετέγχυση (Mass Reduction - ΜR). Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε εκτενής παραμετρική ανάλυση, με σκοπό να μελετηθεί η επίδραση των παραπάνω παραμέτρων σχεδίασης του προφίλ έγχυσης στις εκπομπές NOx και σωματιδίων αιθάλης, καθώς και στην ειδική κατανάλωση καυσίμου. Tα αποτελέσματα της παραμετρικής ανάλυσης χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό του προβλήματος βελτιστοποίησης των παραπάνω παραμέτρων, οι οποίες περιγράφουν το συνολικό προφίλ έγχυσης με παρουσία μετέγχυσης. Για τη βελτιστοποίηση του προφίλ έγχυσης καυσίμου με παρουσία μετέγχυσης, πραγματοποιήθηκε σύζευξη του κώδικα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής με τον κώδικα βελτιστοποίησης EASY, ο οποίος είναι βασισμένος σε εξελικτικούς αλγορίθμους. Το παρόν πρόβλημα βελτιστοποίησης αποτελεί πρόβλημα πολλαπλών στόχων (Multi-Objective Optimization - ΜΟΟ). Εδώ, στόχος είναι η συστηματική ανίχνευση των βέλτιστων τιμών των μεταβλητών σχεδίασης του προφίλ έγχυσης με μετέγχυση, ώστε να ελαχιστοποιούνται ταυτόχρονα οι εκπομπές οξειδίων του αζώτου και σωματιδίων αιθάλης, καθώς και η ειδική κατανάλωση καυσίμου. Το τελικό σύνολο των βέλτιστων λύσεων συνθέτει το μέτωπο Pareto. Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης καταδεικνύουν ότι η εφαρμογή στρατηγικών έγχυσης με μετέγχυση συνιστά ένα χρήσιμο μέτρο για τη μείωση των εκπομπών ρύπων ενός δίχρονου ναυτικού κινήτηρα Diesel. Συγκεκριμένα, επιτυγχάνεται ταυτόχρονη μείωση τόσο των οξειδίων του αζώτου, όσο και των σωματιδίων αιθάλης, χωρίς μεταβολή στην ειδική κατανάλωση καυσίμου και στο ωφέλιμο έργο.

In the present study, computational results are presented regarding the investigation and optimisation of operation of a two – stroke marine Diesel engine by utilising an injection strategy with post – injection. The investigation has been performed for the two-stroke marine Diesel engine RT-flex58T of Wärtsilä Switzerland, in full load. The Injection profile with post – injection consists of two pulses (main injection and post – injection) and is used in order to simultaneously reduce emissions of nitrogen oxides and soot, as well as to minimise the specific fuel oil consumption (SFOC). For this reason, the CFD code KIVA-3 was utilised, which is used for the numerical simulation of flow and combustion in internal combustion engine applications. Initially, the injection profile was parameterised: (a) the start of main injection (Start Of Main Injection - SOMI), (b) the interval between the start of post – injection (GAP) and the end of main injection, (c) the percentage of the total fuel mass which is injected during post – injection (Post Mass Fraction - PoMF) and (d) the percentage difference between the injected fuel mass and the one of the reference case, which is characterised by continuous injection profile, (Mass Reduction - MR ). Afterwards, an extensive parametric analysis has been performed, in order to investigate the effect of these design parameters of injection profile on NOx and soot as well as the specific fuel oil consumption. The results of the parametric analysis were used for defining the optimisation problems of the above parameters , which describe the injection profile with post – injection. In order to optimise the fuel injection profile with post – injection, a coupling of computational fluid dynamics code with optimisation code EASY, which is based on evolutionary algorithms, was performed. The optimisation problem is a multi – objective problem (Multi – Objective Optimization - MOO). In this case, the main objective is to find the optimum values of design variables of injection profile with post – injection in order to simultaneously minimise emissions of nitrogen oxides and soot, as well as the specific fuel oil consumption. Pareto front is composed of the final set of optimal solutions. The results of this study demonstrate that injection strategies with post – injection can be used to reduce emissions of two-stroke marine Diesel engines. As a matter of fact, it is achieved simultaneous reduction of both nitrogen oxides and soot, with no change in specific fuel oil consumption and work output.