Προσομοίωση στροβιλο-υπερπληρωμένου κινητήρα Diesel με στρόβιλο μεταβλητής γεωμετρίας σε μόνιμη και μεταβατική κατάσταση.

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάστηκε η απόκριση, γενικότερα η λειτουργική συμπεριφορά και οι εκπομπές αιθάλης και οξειδίων του αζώτου ενός μοντέλου που βασίζεται στον κινητήρα Diesel που βρίσκεται στο εργαστήριο Μηχανών Εσωτερικής Καύσης του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, στο οποίο προστέθηκε σύστημα στροβιλο-υπερπλήρωσης με στρόβιλο μεταβλητής γεωμετρίας (VGT). Η μελέτη επικεντρώθηκε στην αξιολόγηση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν κατά τη λειτουργία του κινητήρα τόσο σε μόνιμες όσο και σε μεταβατικές συνθήκες λειτουργίας. Στην περίπτωση της μεταβατικής λειτουργίας εξετάστηκε, επίσης, η επίδραση παραμέτρων όπως το αρχικό σημείο λειτουργίας (φορτίο και ταχύτητα περιστροφής), το εύρος της επιτάχυνσης, η ροπή αδράνειας του συστήματος καθώς και η επίδραση ενός περιοριστή καυσίμου ακραίας μορφής. Τέλος, πραγματοποιήθηκε σύγκριση του παραπάνω μοντέλου με ένα αντίστοιχο απλής μονοβάθμιας στροβιλο-υπερπλήρωσης που αφορούσε τον ίδιο κινητήρα. Σε ό,τι αφορά τη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας, συνοπτικά εξήχθησαν τα παρακάτω συμπεράσματα:  Υπήρξε αύξηση των επιδόσεων του κινητήρα, ιδιαίτερα στις χαμηλότερες στροφές.  Παρατηρήθηκε βελτίωση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου στις χαμηλές ταχύτητες περιστροφής.  Υπήρξε μικρή αύξηση στην καταπόνηση του κινητήρα, λόγω αυξημένων θερμοκρασιών και πιέσεων.  Παρατηρήθηκε μικρή αύξηση στις εκπομπές οξειδίων του αζώτου ΝΟx, αλλά μείωση στις εκπομπές αιθάλης.

Από την άλλη πλευρά, κατά τη λειτουργία του μοντέλου σε μεταβατικές συνθήκες διαπιστώθηκαν τα εξής:  Σημαντική μείωση του φαινομένου της υστέρησης του υπερπληρωτή (turbocharger lag).  Βελτίωση της οδηγησιμότητας, λόγω και της καταπολέμησης του προβλήματος της υστέρησης του υπερπληρωτή, ιδιαίτερα στις χαμηλές ταχύτητες περιστροφής.  Όσο πιο υψηλό είναι το αρχικό σημείο λειτουργίας, τόσο καλύτερα αποτελέσματα παρατηρούνται στην απόκριση του κινητήρα.  Ο ακραίος περιοριστής καυσίμου (fuel limiter) επιδρά θετικά στην εκπομπή ρύπων, αλλά οδηγεί σε κάκιστη απόκριση του κινητήρα.  Αύξηση της ροπής αδράνειας των διαφόρων στοιχείων του συστήματος επιφέρει χειρότερα αποτελέσματα τόσο από άποψη απόκρισης του κινητήρα, όσο και από άποψη εκπομπής ρύπων.

Εν κατακλείδι, θα μπορούσε να εξαχθεί ως ένα γενικότερο συμπέρασμα ότι το σύστημα της στροβιλο-υπερπλήρωσης με στρόβιλο μεταβλητής γεωμετρίας προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα σε έναν κινητήρα Diesel είτε εκείνος λειτουργεί υπό μόνιμες είτε υπό μεταβαλλόμενες συνθήκες, καθώς επίσης και ότι υπερέχει ενός συστήματος απλής μονοβάθμιας στροβιλο-υπερπλήρωσης, λόγω της ικανότητάς του να αλλάζει την επιφάνεια του ακροφυσίου του στροβίλου και να προσαρμόζεται στις εκάστοτε συνθήκες.

This thesis is about the performance and emissions of NOx and Smoke of a turbo-charged Diesel engine with the use of the simulating program GT-Power. The results were taken by simulating the model was made in steady state and transient operational conditions. The turbo-charging system uses a variable geometry turbine (VGT).