Μελέτη διαφοροποίησης του χρονισμού έγχυσης καυσίμου σε δίχρονους ναυτικούς κινητήρες Diesel

Abstract

Σημαντικοί παράγοντες για την επιδείνωση του φαινομένου του θερμοκηπίου και γενικότερα τη ρύπανση του περιβάλλοντος αποτελούν οι εκπομπές ρύπων τόσο από τις εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας της ξηράς, όσο και από τις αντίστοιχες εγκαταστάσεις των πλοίων. Ο έντονος προβληματισμός την τελευταία δεκαετία για τη ρύπανση του περιβάλλοντος, σε συνδυασμό με την επιβολή κανονισμών περιορισμού της ρύπανσης της ατμόσφαιρας από τα πλοία, επηρεάζουν την πορεία εξέλιξης της σχεδίασης και κατασκευής των ναυτικών κινητήρων Diesel. Τα οξείδια του αζώτου (NOx), τα σωματίδια της αιθάλης (soot), το διοξείδιο του άνθρακα (CO2), τα οξείδια του θείου (SΟx) και οι πτητικές οργανικές ενώσεις (Volatile Organic Compounds) συνιστούν τους κύριους ρύπους των ναυτικών κινητήρων Diesel.Στην παρούσα διπλωματική εργασία διαφοροποιείται συστηματικά η έναρξη της έγχυσης μεταξύ των εγχυτήρων ενός μεγάλου δίχρονου ναυτικού κινητήρα, και διερευνάται η επίδραση στην τελική συγκέντρωση των οξειδίων του αζώτου και των σωματιδίων αιθάλης, με ταυτόχρονη επιδίωξη της αύξησης του βαθμού απόδοσης του κινητήρα. Ο κινητήρας λειτουργεί σε συνθήκες πλήρους φορτίου, και φέρει τρεις εγχυτήρες συμμετρικά τοποθετημένους στην περιοχή της κυλινδροκεφαλής. Εδώ, διερευνάται η δυνατότητα βελτίωσης της λειτουργίας σε πλήρες φορτίο, με μεταβολή της έναρξης της έγχυσης. Ο χρονισμός μεταξύ των εγχυτήρων μπορεί να αντιστοιχεί στη φορά του εγκάρσιου στροβιλισμού του αέρα (co-swirl actuation), ή στην αντίθετη φορά (counter-swirl actuation). Η συνολική εγχυόμενη μάζα του καυσίμου διατηρείται σταθερή, ενώ το προφίλ έγχυσης και για τους τρεις εγχυτήρες παραμένει αμετάβλητο ως προς τη διάρκεια έγχυσης και διαφοροποιείται μόνο ως προς την έναρξή του (γωνία έναρξης έγχυσης). Η παρούσα μελέτη γίνεται για το κλειστό τμήμα του κύκλου λειτουργίας του ναυτικού κινητήρα, η λειτουργία του οποίου προσομοιώνεται με χρήση του κώδικα Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής ΚΙVA-3. Για την κατανόηση και ερμηνεία των φαινομένων ροής και καύσης, όπως η δημιουργία οξειδίων του αζώτου και η παραγωγή σωματιδίων αιθάλης, γίνεται χρήση χαρτών Τ-Φ (χάρτες θερμοκρασίας – λόγου ισοδυναμίας καυσίμου/αέρα), καθώς και οπτικοποίηση των αποτελεσμάτων. Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι η γωνία υστέρησης έναρξης της έγχυση μεταξύ των εγχυτήρων καθώς και η φορά ενεργοποίησης αυτών, επηρεάζουν σε σημαντικό βαθμό τη δημιουργία των οξειδίων του αζώτου, τον σχηματισμό σωματιδίων αιθάλης αλλά και το ωφέλιμο έργο της μηχανής. Σημαντική μείωση εκπομπών οξειδίων του αζώτου και της παραγωγής σωματιδίων αιθάλης παρατηρήθηκε για μεγάλες γωνίες υστέρησης της έναρξης έγχυσης μεταξύ των εγχυτήρων, με τον πρώτο να ενεργοποιείται πριν το Άνω Νεκρό Σημείο (ΑΝΣ), και με φορά ενεργοποίησης αντίθετη με αυτή του εγκάρσιου στροβιλισμού του αέρα. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με πρόσφατα υπολογιστικά αποτελέσματα μελέτης βελτιστοποίησης στον ίδιο κινητήρα με χρήση προέγχυσης και κύριας έγχυσης για τον ίδιο χρονισμό των εγχυτήρων. Τέλος, πραγματοποιήθηκε θερμοδυναμική ανάλυση του κινητήρα κάνοντας χρήση διαγραμμάτων θερμοκρασίας-εντροπίας (T-S).

Important factors for the deterioration of phenomenon of greenhouse and more generally the pollution of environment constitute the emissions of pollutants so much from the installations of production of energy of land, what from the corresponding installations of boats. The intense reflection the last decade on the pollution of environment, in combination with the imposition of regulations of restriction of pollution of atmosphere from the boats, they influence the course of development of designing and manufacture of naval engines Diesel. The oxides of nitrogen (NOx), the particles of soot (soot), his dioxide coal (CO2), the oxides of sulphur (SOx) and the volatile organic unions (Volatile Organic Compounds) be founded the main pollutants of naval engines Diesel.Se the present diplomatic work are differentiated systematically the beginning of infusion between the injectors of big dichronoy naval engine, and are investigated the effect in the final stocking of oxides of nitrogen and particles of soot, with simultaneous objective of increase of degree of output of engine. The engine functions in conditions of complete charge, and brings three injectors symmetrical placed in the region kylindrokefalis. Here, is investigated the possibility of improvement of operation in complete charge, with change of beginning of infusion. The wedging between the injectors can correspond in the time of traverse strobilismoy air (co-swirl actuation), or in the opposite time (counter-swirl actuation). The total egchyomeni mass of fuel maintains itself constant, while the profile of infusion for the three injectors remains immutable as for the duration of infusion and is also differentiated only as for his beginning (corner of beginning of infusion). The present study becomes for the closed department of circle of operation of naval engine, the operation of which prosomoionetai with use of code of Calculating Reystodynamikis kiva-3. For the comprehension and interpretation of phenomena of flow and combustion, as the creation of oxides of nitrogen and the production of particles of soot, it becomes use of charts T-f (charts of temperature of – reason of equivalence of fuel of/air), as well as optikopoiisi of results. The results of study showed that the corner of delay of beginning of infusion between the injectors as well as the time of activation of these, influence in important degree the creation of oxides of nitrogen, the shaping of particles of soot but also the beneficial work of machine. Important reduction of emissions of oxides of nitrogen and production of particles of soot was observed for big corners of delay of beginning of infusion between the injectors, with first it is activated before Beyond Dead Point (ANS), and with time of activation opposite with that of traverse strobilismoy air. The results are compared with recent calculating results of study of optimisation in the same engine with use proegchysis and main infusion for same chronismo the injectors. Finally, was realised thermodynamic analysis of engine making use of diagrams of temperature-entropy (T-S).