Simulation of the Transient Operation of a Large Two-Stroke Marine Diesel Engine Equipped with an Exhaust Gas Recirculation System (EGR) for NOx Reduction

Βλων, Δημήτριος; Vlon, Dimitrios

dc.contributor.author	Βλων, Δημήτριος	el
dc.contributor.author	Vlon, Dimitrios	en
dc.date.accessioned	2018-11-16T09:05:49Z
dc.date.available	2018-11-16T09:05:49Z
dc.date.issued	2018-11-16
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48017
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16136
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	Ναυτικές μηχανές	el
dc.subject	Μοντελοποίηση	el
dc.subject	Ανακυκλοφορία καυσαερίων	el
dc.subject	Μεταβατική λειτουργία	el
dc.subject	Οξείδια του αζώτου	el
dc.subject	Marine diesel engines	en
dc.subject	Engine model	en
dc.subject	Exhaust gas recirculation	en
dc.subject	Transient operation	en
dc.subject	Nitrogen oxides	en
dc.title	Simulation of the Transient Operation of a Large Two-Stroke Marine Diesel Engine Equipped with an Exhaust Gas Recirculation System (EGR) for NOx Reduction	en
dc.title	Μοντελοποίηση της Μεταβατικής Συμπεριφοράς ενός Μεγάλου Δίχρονου Ναυτικού Κινητήρα Diesel με Ενσωματωμένο Σύστημα Ανακυκλοφορίας Καυσαερίων για την Μείωση των NOx	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ναυτική μηχανολογία	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/3d257f31491bff09371cddeac5c6626dc154db39
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-11-07
heal.abstract	Large two-stroke marine diesel engines cannot meet the strict Tier III NOx emission limits, imposed by the IMO, with in-engine modifications. A possible solution that has been tested over the last years, in order to comply with the new regulations, is to implement an Exhaust Gas Recirculation (EGR) system. High operational costs of tests in real marine diesel engines, as well as the limited number of available vessels that operate with an EGR system installed, make an engine simulation model that can predict the engine’s performance with EGR, a valuable tool. In the present Thesis, a zero-dimensional engine model was developed, using the thermodynamic engine performance prediction code MOTHER of the NTUA Laboratory of Marine Engineering. The model of a low-speed two-stoke diesel engine (6S70MC-C), that had already been setup for Tier II operation (without an EGR system), was used. All the extra components that were necessary in order to simulate the engine’s operation with EGR, such as the exhaust gas blower, the heat exchanger for EGR cooling, the EGR throttle valve etc. were added to the model and calibrated accordingly. The shop test reports of a slightly bigger engine (6S80ME-C) were used in order to qualitatively assess the model’s accuracy, along with the results from the research that was conducted on a testbed engine (4T50ME-X). A ship hull model and a 4-quadrant propeller model were also used, in order to have a realistic representation of the entire propulsion arrangement, while studying the engine’s transient behaviour. Simulations were carried out both at steady-state and transient operational conditions. The simulation results proved to be in good agreement with the research results found in literature. More specifically, reduced in-cylinder temperatures during combustion and a lower fuel burning rate are predicted by the model during steady-state operation. The oxygen content is reduced to acceptable levels and the rest of the thermodynamic parameters (pmax, Tscav, pscav, Texh, pexh etc.) present a similar trend to the one’s in the available shop test and research results that were available. Three different transient loading scenarios were carried out for the model. In the first one, the engine accelerates from 50% to 75% load, with and without the EGR system active. Results are plotted into common diagrams, in order to compare the two operational conditions. The model is able to predict the reduction of the O2 concentration into the scavenge receiver, along with the negative O2 peak due to the turbocharger lag. During the entire simulation, the acceleration capabilities of the engine remain unaffected from the presence of the exhaust gas into the scavenging manifold. In the second and third scenario, an EGR start and stop sequence are carried out respectively, both at 50% engine load. The behaviour of the engine for a varying EGR rate is studied and in extent, the response of the turbocharger unit. Extremely high EGR rates, that lead to the formation of undesired black smoke, should be avoided.	en
heal.abstract	Οι μεγάλοι δίχρονοι ναυτικοί κινητήρες diesel, δεν είναι σε θέση να ικανοποιήσουν τα αυστηρά κριτήρια Tier III για τις εκπομπές NOx, τα οποία τίθενται από τον Διεθνή Οργανισμό Ναυτιλίας, αν δεν υποστούν κάποια τροποποίηση στη λειτουργία τους. Μία πιθανή λύση για την ικανοποίηση των νέων κανονισμών, η οποία έχει δοκιμαστεί κατά τη διάρκεια των τελευταίων χρόνων, είναι η εφαρμογή ενός συστήματος ανακυκλοφορίας καυσαερίων (EGR). Τα υψηλά λειτουργικά κόστη για την εκτέλεση πειραμάτων σε πραγματικούς ναυτικούς κινητήρες diesel, σε συνδυασμό με τον περιορισμένο αριθμό πλοίων που έχουν ενσωματωμένο ένα σύστημα EGR, καθιστά τη δημιουργία ενός μοντέλου που θα μπορεί να προβλέψει την συμπεριφορά της μηχανής με EGR ένα απαραίτητο σχεδιαστικό εργαλείο. Στην παρούσα Διπλωματική, αξιοποιήσαμε τον θερμοδυναμικό κώδικα MOTHER, του Εργαστηρίου Ναυτικής Μηχανολογίας, για να δημιουργήσουμε ένα μοντέλο μηδενικών διαστάσεων, που θα προβλέπει τη συμπεριφορά της μηχανής. Το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε ήταν ενός αργόστροφου δίχρονου ναυτικού κινητήρα diesel (6S70MC-C), που είχε προηγουμένως ρυθμιστεί για Tier II λειτουργία (χωρίς EGR). Τα επιπλέον στοιχεία που ήταν απαραίτητα για την προσομοίωση της λειτουργίας με EGR, όπως το EGR blower, το ψυγείο για την ψύξη των επανακυκλοφορούμενων καυσαερίων, η ρυθμιστική βαλβίδα κτλ., προστέθηκαν στον μοντέλο και ρυθμίστηκαν καταλλήλως. Για τον ποιοτικό έλεγχο της ακρίβειας του μοντέλου, αξιοποιήθηκαν τα διαθέσιμα shop test μιας λίγο μεγαλύτερης μηχανής (6S80ME-C), καθώς και αποτελέσματα που προέκυψαν από δοκιμές σε μία πειραματική μηχανή (4T50ME-X). Επιπλέον, ένα μοντέλο αντίστασης της γάστρας του πλοίου και ένα μοντέλο προπέλας τεσσάρων τεταρτημόριων αξιοποιήθηκαν, προκειμένου να έχουμε μία ρεαλιστική αναπαράσταση ολόκληρου του συστήματος πρόωσης, καθώς μελετάμε τη μεταβατική συμπεριφορά της μηχανής. Προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν τόσο υπό συνθήκες σταθερού φορτίου, όσο και υπό μεταβαλλόμενου. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων δείχνουν να είναι σε συμφωνία με αυτά που βρέθηκαν στην αντίστοιχη βιβλιογραφία. Συγκεκριμένα, η αναμενόμενη μείωση των θερμοκρασιών εντός του κυλίνδρου, καθώς και ο μειωμένος ρυθμός καύσης, προβλέπονται με επιτυχία από το μοντέλο κατά τη διάρκεια των σταθερών φορτίσεων. Το οξυγόνο μειώνεται σε αποδεκτά επίπεδα, ενώ οι υπόλοιπες θερμοδυναμικές παράμετροι (pmax, Tscav, pscav, Texh, pexh κτλ.) παρουσιάζουν συμπεριφορά παρόμοια με αυτήν των διαθέσιμων shop tests. Κατά τη διάρκεια λειτουργίας με μεταβαλλόμενο φορτίο, τα αποτελέσματα φανερώνουν ότι το turbocharger lag είναι εντονότερο όταν η μηχανή λειτουργεί με EGR. Η αποδιδόμενη ισχύς της μηχανής δεν επηρεάζεται από την παρουσία του EGR. Τρεις διαφορετικές προσομοιώσεις μεταβαλλόμενου φορτίου πραγματοποιήθηκαν. Στην πρώτη, η μηχανή επιταχύνει από 50% στο 75% του φορτίου, με και χωρίς το σύστημα EGR. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται σε κοινά διαγράμματα για εύκολη σύγκριση. Το μοντέλο προβλέπει ικανοποιητικά την μείωση της περιεκτικότητας του οξυγόνου στο δοχείο αέρα, καθώς και την απότομη μείωσή του κατά την επιτάχυνση, λόγω του φαινομένου turbocharger lag. Καθ’ όλη την προσομοίωση, η ικανότητα επιτάχυνσης της μηχανής παραμένει ανεπηρέαστη από την παρουσία του καυσαερίου στο δοχείο αέρα. Στη δεύτερη και τρίτη προσομοίωση, μία διαδικασία εκκίνησης και αντίστοιχα απενεργοποίησης του συστήματος EGR εξετάζονται, στο 50% του φορτίου. Η συμπεριφορά της μηχανής για μεταβαλλόμενα ποσοστά EGR εξετάζεται, και κατ’ επέκταση η απόκριση του υπερπληρωτή. Υπερβολικά υψηλά ποσοστά EGR, που οδηγούν στο σχηματισμό μαύρου καπνού, πρέπει να αποφεύγονται.	el
heal.advisorName	Κυρτάτος, Νικόλαος	el
heal.advisorName	Kyrtatos, Nikolaos	en
heal.committeeMemberName	Κυρτάτος, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Kyrtatos, Nikolaos	en
heal.committeeMemberName	Καϊκτσής, Λάμπρος	el
heal.committeeMemberName	Kaiktsis, Lampros	en
heal.committeeMemberName	Παπαλάμπρου, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Papalamprou, Georgios	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ναυτικής Μηχανολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	70 σ.
heal.fullTextAvailability	true