Μονοδιάστατη προσομοίωση δίχρονου αργόστροφου ναυτικού κινητήρα Diesel και μελέτη μεθόδων μείωσης ρύπων

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετώνται δίχρονοι αργόστροφοι ναυτικοί κινητήρες DIESEL. Αρχικά γίνεται εισαγωγή στην επιστήμη των Μηχανών Εσωτερικής Καύσης (ΜΕΚ), αναλύονται οι εκπομπές ρύπων από ΜΕΚ και αναφέρονται τα όρια που θέτουν οι διεθνής κανονισμοί στα μεγάλα φορτηγά πλοία. Στη συνέχεια αναλύονται οι τεχνολογίες που εφαρμόζονται συγκεκριμένα στους δίχρονους ναυτικούς κινητήρες DIESEL της εταιρίας MAN Energy Solutions, για την κάλυψη των νέων ορίων εκπομπών ρύπων, καθώς και ο τρόπος λειτουργίας τους. Η επιλογή των κινητήρων της συγκεκριμένης εταιρείας βασίστηκε τόσο στο ποσοστό της αγοράς που καλύπτει, το οποίο ξεπερνά το 70%, όσο και στο δωρεάν διαθέσιμο λογισμικό CEAS (Computerized Engine Applications Systems), με τη βοήθεια του οποίου προσομοιώνονται οι υπό μελέτη κινητήρες. Το λογισμικό CEAS χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα μελέτη με σκοπό την εύρεση της βέλτιστης λύσης, σε ενεργειακό επίπεδο, έτσι ώστε νεόκτιστα φορτηγά πλοία να συμμορφώνονται στους ήδη υπάρχοντες αλλά και νέους κανονισμούς αναφορικά με τις εκπομπές ρύπων. Στη συνέχεια πραγματοποιείται μονοδιάστατη ρευστομηχανική προσομοίωση ενός ναυτικού κινητήρα, με τη βοήθεια του λογισμικού BOOST της εταιρίας AVL. Για την κατασκευή του μοντέλου, χρησιμοποιήθηκαν μετρήσεις από κινητήρα δεξαμενόπλοιου έτσι ώστε να υπάρχει η μέγιστη δυνατή ακρίβεια. Η συγκεκριμένη προσομοίωση δίνει τη δυνατότητα έρευνας και ανάπτυξης τέτοιου μεγέθους κινητήρων, καθώς για τα περισσότερα εκπαιδευτικά ιδρύματα παγκοσμίως δεν υπάρχει η δυνατότητα κατασκευής πειραματικής διάταξης αυτού του μεγέθους, αφού το κόστος θα ήταν απαγορευτικό. Τέλος έγινε προσομοίωση συστήματος ανακυκλοφορίας καυσαερίων (EGR) για τον συγκεκριμένο κινητήρα, ξανά με την χρήση του λογισμικού BOOST. Αξίζει να αναφερθεί ότι πέρα από τα χαρακτηριστικά και την απόδοση του κινητήρα, το λογισμικό BOOST αναλύει τη σύσταση των καυσαερίων. Συνεπώς δίνεται η δυνατότητα κατασκευής υπολογιστικών μοντέλων τα οποία εστιάζουν στην μείωση εκπομπών ρύπων, θέμα το οποίο αποτελεί βασικό στόχο της επιστημονικής κοινότητας τις τελευταίες δεκαετίες. In this diploma thesis, low-speed two-stroke marine Diesel engines were studied. At first, an introduction about the science of Internal Combustion Engines (ICE) is presented. Emissions from ICE are analyzed and the global emissions limits enforced by the International Maritime Organization (IMO) are mentioned. Furthermore, technologies that are used by the marine engine manufacturing company MAN Energy Solutions, in order to lower the emissions of their engines below the global limits, are studied. The selection of this company was made because they have constructed more than 70% of current on-going vessels engines, in addition to the free software they provide, named CEAS (Computerized Engine Applications Systems). This software provides the user with the ability to study every engine that the manufacturer offers. CEAS was used for this dissertation, in order to find the best available solution for a newbuilding vessel to meet the IMO emission requirements in the most efficient way. Subsequently, the one-dimensional simulation software named BOOST was used for the construction of a one-dimensional fluid dynamic simulation of a two-stroke low-speed marine Diesel Engine. For the construction of the simulation model, measurements from the tanker “Happy Lady” belonging to the company “Eastern Mediterranean Maritime Limited”, were used. Computational models of large marine engines are crucial for their research and development, as experimental structures of this size are rarely seen, due to the high cost. Finally, after the evaluation of the results of the one-dimensional simulation, it was decided to simulate an Exhaust Gas Recirculation (EGR) system using the same software in order to investigate its effectiveness in lowering NOx emissions.