The effect of residual and distillate fuel on camshaft & electronically controlled marine diesel engines combustion and performance

Hountalas, Theofanis; Χουντάλας, Θεοφάνης

dc.contributor.author	Hountalas, Theofanis	en
dc.contributor.author	Χουντάλας, Θεοφάνης	el
dc.date.accessioned	2016-09-07T08:52:37Z
dc.date.available	2016-09-07T08:52:37Z
dc.date.issued	2016-09-07
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/43414
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.12724
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Marine engines	en
dc.subject	Engines	en
dc.subject	Performance	en
dc.subject	MGO	en
dc.subject	Ναυτικοί κινητήρες	el
dc.subject	Κινητήρες	el
dc.subject	Βαριά καύσιμα	el
dc.subject	Καύσιμα	el
dc.subject	Ντήζελ	el
dc.subject	Heavy fuels	en
dc.subject	Fuels	en
dc.title	The effect of residual and distillate fuel on camshaft & electronically controlled marine diesel engines combustion and performance	en
dc.title	Επίδραση βαρέος καυσίμου και καυσίμου ντήζελ στην καύση και τη λειτουργική συμπεριφορά συμβατικών και ηλεκτρονικά ελεγχόμενων ναυτικών κινητήρων ντήζελ	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Internal combustion engines	en
heal.classification	Marine engines	el
heal.classification	Μηχανές εσωτερικής καύσης	el
heal.classification	Ναυτικοί κινητήρες	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-07-12
heal.abstract	Inspired by the recent changes in environmental regulations and my yearlong interest in marine engines this project focuses on the consequences from the use of distilled low sulfur marine gas oil (MGO) on engines that were originally designed to operate on undistilled heavy fuel oil (HFO). The two fuel types’ great differentiations in physical characteristics (i.e. viscosity and heating value) and the fact that most marine engines and fuel systems were developed to operate on HFO make the comparison both interesting and meaningful. As described in the text the long term of MGO is obligatory in specific areas for which strict emission legislations related to the sulfur content of the fuels are applicable. The cases investigated in the present study include two 4-stroke, medium speed auxiliary engines (diesel generators) and four 2-stroke, low speed main propulsion engines, the one being a conventional MC type engine and the other three modern electronically controlled ME engines (the system widely known as common rail) of various types and generations. The previous has been done in an effort to include the most important engine designs that are now operating on the field. The data used for analysis were obtained at various operating conditions in an effort to cover the entire operating range of the engine i.e. form low to high load. Most of the data used in the present work were acquired under actual operating conditions i.e. at sea using in house instrumentation and specifically a diagnosis system which is used for engine performance monitoring. For the modern 2-stroke electronic engines measurements were also acquired on the test bench after having obtained special permission from the engine maker to attend the shop tests. For one case measured data were acquired from a commercial system installed on the vessel that provided fuel injection pressure data which was valuable for the analysis. The utilization of the fuel pressure data provided a significant contribution towards the understanding of the fuel type effect on the engine injection system. These data were provided as hardcopy and for this reason they had to be processed (digitizing) in order to obtain the data in digital format. For this purpose, a special technique was used to obtain the data from the pdf files since the graphs were in vector format. The software for data processing and for the heat release rate analysis was written in Fortran. From the processing of data, it was revealed that specific effort and care is required in order to distinguish the actual effect of fuel properties on engine performance and combustion. The main source of data used for the analysis and for the determination of fuel type effect on combustion is the cylinder pressure diagram. But as revealed from the analysis, this is also affected by the measurement procedure and from the engine settings and especially from the start of fuel injection. Another important finding was that usually it is not possible to derive safe results directly from the cylinder pressure trace if differences exist in compression pressure and or start of injection. In most cases small differences in the start of injection can have a more significant effect when compared to the one of fuel type. From the processing of data valuable results were derived revealing that there is an impact of the fuel type on engine performance and on the combustion mechanism. The resulting effect can range from very small to quite significant, which depends on the engine type and its condition. Another important finding revealed from one of the cases examined isthe possibility of a fuel injection system problem when operating on MGO due to its physical properties and low lubricity and viscosity. The differences were quite subtle in the case of the modern electronic 2-stroke engines and more evident in the case of the conventional 2-stroke camshaft one. Fuel effect was clearly more pronounced in the case of the 4-stroke auxiliary engine used for on-board power generation whose high rotational speed enhance the differences when expressed in degrees of crank angle. This is to be expected since these engines are much more sensitive to engine settings, etc. due to the higher rotational speed. From the present investigation it results that the factors affecting engine operation are many and interact in complicated and often conflicting ways. For this reason, providing general, conclusive and detailed results for all engine types based on this preliminary investigation is not the correct way for proceeding. However, the findings from the present Thesis are important, since a clear effect of the fuel type on engine performance and combustion is revealed. Furthermore, important issues have been defined that have to be considered when conducting such an analysis, related mainly to the measurement procedure and the processing methodology. This information is important for supporting future investigations that are definitely required.	en
heal.abstract	Το παρόν αποτελεί περίληψη του κυρίως σώματος της διπλωματικής εργασίας που υπέβαλλα στην Αγγλική γλώσσα με τίτλο “The effect of residual and distillate fuel on camshaft & electronically controlled marine diesel engines combustion and performance” και στην ελληνική γλώσσα « Επίδραση βαρέος καυσίμου και καυσίμου ντήζελ στην καύση και τη λειτουργική συμπεριφορά συμβατικών και ηλεκτρονικά ελεγχόμενων ναυτικών κινητήρων ντήζελ.». Εμπνευσμένη από τις πρόσφατες αλλαγές στις περιβαλλοντικές ρυθμίσεις και το πολύχρονο ενδιαφέρον μου για τους ναυτικούς κινητήρες αυτή η εργασία εστιάζει στις συνέπειες της χρήσης αποσταγμένου, χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο, καυσίμου (MGO) σε κινητήρες που είχαν αρχικά σχεδιαστεί για να λειτουργούν με μη αποσταγμένο βαρύ πετρέλαιο (HFO) . Οι μεγάλες διαφοροποιήσεις των δύο τύπων καυσίμου στα φυσικά χαρακτηριστικά (δηλαδή το ιξώδες και τη θερμαντική ικανότητα) και το γεγονός ότι οι περισσότεροι ναυτικοί κινητήρες και συστήματα καυσίμου αναπτύχθηκαν για να λειτουργούν με βαρύ καύσιμο (HFO) κάνουν τη σύγκριση τόσο ενδιαφέρουσα όσο και ουσιαστική. Όπως περιγράφεται στο κείμενο η επί μακρόν λειτουργία με MGO είναι ήδη υποχρεωτική σε συγκεκριμένες περιοχές για τις οποίες ισχύουν αυστηρές νομοθεσίες εκπομπών ρύπων που σχετίζονται με την περιεκτικότητα των καυσίμων σε θείο. Οι περιπτώσεις που διερευνήθηκαν στην παρούσα μελέτη περιλαμβάνουν δύο 4-χρονους, βοηθητικούς κινητήρες μέσης ταχύτητας περιστροφής (γεννήτριες ντίζελ) και τέσσερις 2-χρονους, χαμηλής ταχύτητας κύριους κινητήρες πρόωσης, με τον ένα να είναι συμβατικός κινητήρα τύπου MC και τους άλλους τρεις να είναι σύγχρονοι ηλεκτρονικά ελεγχόμενοι (το σύστημα ευρέως γνωστό ως common rail) διαφόρων τύπων. Το παραπάνω έχει γίνει σε μια προσπάθεια να περιληφθούν οι σημαντικότεροι τύποι κινητήρων που λειτουργούν σήμερα στο χώρο. Τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται για την ανάλυση ελήφθησαν σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας, σε μια προσπάθεια να καλυφθεί όλο το φάσμα λειτουργίας του κινητήρα, δηλαδή από το χαμηλό προς το υψηλό φορτίο. Τα περισσότερα από τα στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία αποκτήθηκαν υπό πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, δηλαδή στη θάλασσα, χρησιμοποιώντας ένα σύστημα διάγνωσης το οποίο χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση της απόδοσης του κινητήρα. Για τους σύγχρονους 2-χρονους ηλεκτρονικούς κινητήρες, μετρήσεις ελήφθησαν και επί της πέδης αφού λήφθηκε ειδική άδεια από τον κατασκευαστή του κινητήρα για να παρακολουθηθούν οι εργοστασιακές δοκιμές ‘shop tests’. Σε μία περίπτωση δεδομένα αποκτήθηκαν από εμπορικό σύστημα εγκατεστημένο επί του σκάφους, τα οποία περιλάμβαναν και τιμές πίεσης έγχυσης καυσίμου οι οποίες ήταν πολύτιμες για την ανάλυση. Η αξιοποίηση των στοιχείων της πίεσης καυσίμου παρέχει σημαντική συμβολή στην κατανόηση της επίδρασης του τύπου του καυσίμου στο σύστημα ψεκασμού του κινητήρα. Τα στοιχεία αυτά λήφθηκαν σε έντυπη μορφή και για το λόγο αυτό έπρεπε να υποβληθούν σε επεξεργασία (ψηφιοποίηση), προκειμένου να μετατραπούν τα δεδομένα σε μορφή ASCII. Για το σκοπό αυτό ακολουθήθηκε μια ειδική τεχνική ώστε να ληφθούν τα δεδομένα από τα αρχεία pdf , δεδομένου ότι οι γραφικές παραστάσεις ήταν σε διανυσματική μορφή. Το λογισμικό για την επεξεργασία των δεδομένων και για τον υπολογισμό του ρυθμού έκλυσης θερμότητας γράφτηκε σε γλώσσα προγραμματισμού Fortran. Από την επεξεργασία των δεδομένων, προέκυψε ότι απαιτείται προσπάθεια και ιδιαίτερη προσοχή προκειμένου να διακριθεί η πραγματική επίδραση των ιδιοτήτων του καυσίμου στην απόδοση του κινητήρα και το μηχανισμό της καύσης. Η κύρια πηγή των δεδομένων που χρησιμοποιούνται για την ανάλυση και για τον προσδιορισμό της επίδρασης του τύπου του καυσίμου κατά την καύση είναι το διάγραμμα πίεσης του κυλίνδρου. Αλλά, όπως αποκαλύπτεται από την ανάλυση, αυτή επηρεάζεται επίσης από τη διαδικασία της μέτρησης και από τις ρυθμίσεις του κινητήρα και ειδικά από την έναρξη της έγχυσης καυσίμου. Ένα άλλο σημαντικό εύρημα ήταν, ότι συνήθως δεν είναι δυνατόν να συναχθούν ασφαλή αποτελέσματα απ 'ευθείας από τις τιμές πίεσης κυλίνδρου εάν υπάρχουν διαφορές στην πίεση συμπίεσης ή/και στο χρονισμό της έγχυσης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, μικρές διαφορές στην έναρξη της έγχυσης μπορεί να έχουν σημαντικότερη επίδραση σε σύγκριση με εκείνη του ίδιου του καυσίμου. Από την επεξεργασία των δεδομένων προέκυψαν σημαντικά αποτελέσματα αποκαλύπτοντας ότι υπάρχει επίδραση του τύπου του καυσίμου στην απόδοση του κινητήρα και στο μηχανισμό της καύσης. Η επίδραση εξαρτάται από τον τύπο του κινητήρα και την κατάστασή του. Ένα άλλο σημαντικό εύρημα που προήλθε από μία από τις περιπτώσεις που εξετάστηκαν, είναι η πιθανότητα εμφάνισης προβλήματος στο σύστημα έγχυσης καυσίμου όταν ο κινητήρας λειτουργεί με MGO, λόγω των φυσικών ιδιοτήτων του και του χαμηλού ιξώδους και λιπαντικότητάς του. Οι διαφορές ήταν αρκετά μικρές στην περίπτωση των σύγχρονων ηλεκτρονικών 2-χρονων κινητήρων και περισσότερο εμφανείς στην περίπτωση του συμβατικού εκκεντροφόρου 2-χρονου κινητήρα. Η επίδραση του καυσίμου ήταν σαφώς πιο έντονη στην περίπτωση των 4-χρονων βοηθητικών μηχανών, που χρησιμοποιούνται για την επί του σκάφους παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, των οποίων η υψηλή ταχύτητα περιστροφής ενισχύσει τις διαφορές, όταν οι τιμές τους εκφράζονται σε μοίρες γωνίας στροφάλου. Αυτό είναι αναμενόμενο δεδομένου ότι οι κινητήρες αυτοί είναι πολύ πιο ευαίσθητοι στις ρυθμίσεις που έχουν εφαρμοστεί, κλπ. λόγω της υψηλότερης ταχύτητας περιστροφής τους. Από την παρούσα έρευνα προκύπτει ότι οι παράγοντες που επηρεάζουν τη λειτουργία των κινητήρων είναι πολλοί και αλληλεπιδρούν με πολύπλοκους και συχνά αντικρουόμενους μηχανισμούς. Για το λόγο αυτό, το να δοθούν γενικά, πειστικά και λεπτομερή συμπεράσματα για όλους τους τύπους κινητήρων βασιζόμενοι στην παρούσα προκαταρκτική έρευνα δεν είναι επιστημονικά δόκιμο και ορθό. Ωστόσο, τα ευρήματα της παρούσας εργασίας είναι σημαντικά, δεδομένου ότι αποκαλύπτεται σαφής επίδραση του τύπου του καυσίμου στην απόδοση του κινητήρα και το μηχανισμό της καύσης. Επιπλέον εντοπίσθηκαν σημαντικά ζητήματα τα οποία πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τη διεξαγωγή μιας τέτοιας ανάλυσης και τα οποία σχετίζονται κυρίως με τη διαδικασία της ίδιας της μέτρησης και της μεθοδολογίας επεξεργασίας των δεδομένων. Η πληροφορία αυτή είναι σημαντική για την υποστήριξη μελλοντικών ερευνών που σίγουρα απαιτούνται.	el
heal.advisorName	Φούντη, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Ρογδάκης, Εμμανουήλ	el
heal.committeeMemberName	Φούντη, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Γιακουμής, Ευάγγελος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας. Εργαστήριο Ετερογενών Μειγμάτων και Συστημάτων Καύσης	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	134 σ.
heal.fullTextAvailability	true