Διαγωνισμός SNAME Γιεπεύνηση τπατηγικών Έγσςσηρ Καςσίμος για Καύση Μεπικώρ Ομογενοποιημένος Μίγματορ σε Γίσπονοςρ Ναςτικούρ Κινητήπερ Diesel ΔΜΜΑΝΟΤΖΛ Η. ΠΑΝΑΝΑΚΖ Δξεταστική Δπιτποπή Δπηβιέπωλ: Λ. ΚΑΪΚΣΖ, Δπίθνπξνο Καζεγεηήο Δ.Μ.Π. Μέιε: Ν. ΚΤΡΣΑΣΟ, Καζεγεηήο Δ.Μ.Π. ΥΡ. ΠΑΠΑΓΟΠΟΤΛΟ, Λέθηνξαο Δ.Μ.Π.
ΓΟΜΗ ΠΑΡΟΤΙΑΗ ΔΗΑΓΩΓΖ ΓΗΥΡΟΝΟ ΝΑΤΣΗΚΟ ΚΗΝΖΣΖΡΑ DIESEL Καύζε Μεξηθώο Οκνγελνπνηεκέλνπ Μίγκαηνο ΑΡΗΘΜΖΣΗΚΖ ΠΡΟΟΜΟΗΩΖ ΚΑΗ ΘΔΩΡΗΑ ΒΔΛΣΗΣΟΠΟΗΖΖ Κηλεηήξαο Κώδηθαο KIVA-3 Λνγηζκηθό EASY ΑΠΟΣΔΛΔΜΑΣΑ Παξακεηξηθή Γηεξεύλεζε Καηεύζπλζεο Έγρπζεο Βειηηζηνπνίεζε Πξνθίι Έγρπζεο ΤΜΠΔΡΑΜΑΣΑ & ΠΡΟΣΑΔΗ
ΔΙΑΓΩΓΗ ΚΙΝΗΤΡΑ Μόιπλζε πεξηβάιινληνο Θέζπηζε πεξηνξηζκώλ από EU γηα ηε λαπηηιία - NO X - Αηζάιε Κύξηνη ξππαληέο από θηλεηήξεο Diesel Αύμεζε θόζηνπο ιεηηνπξγίαο Annex VI - MARPOL 73/78 n < 130 RPM Ημερομηνία Εγκατάστασης NO X [g/kwh] Tier I 01/2000 17 Tier II 01/2011 14.4 Tier III (ECA) 01/2016 3.4 16% 80%
ΔΙΑΓΩΓΗ ΚΟΠΟ Γεκηνπξγία Μεξηθώο Οκνγελνπνηεκέλνπ Μίγκαηνο κε Δθαξκνγή Σερληθώλ Πξνέγρπζεο Καπζίκνπ (Πξνέγρπζε «Πξνο ην Έκβνιν») Βειηίωζε ρεδηαζηηθώλ Παξακέηξωλ Πξνθίι Πξνέγρπζεο ζπγθξηηηθά κε Πξνγελέζηεξεο Μειέηεο Δπίδξαζε Πξνθίι Έγρπζεο κε Πξνέγρπζε ζε: - Δθπνκπέο NOx, Αηζάιεο - Δηδηθή Καηαλάιωζε Καπζίκνπ
ΓΙΥΡΟΝΟ ΝΑΤΣΙΚΟ ΚΙΝΗΣΗΡΑ DIESEL ΚΑΤΖ ΜΔΡΗΚΩ ΟΜΟΓΔΝΟΠΟΗΖΜΔΝΟΤ ΜΗΓΜΑΣΟ Δπαξθήο Υξόλνο γηα Αλάκημε Καύζε Πξναλάκημεο Δπίηεπμε κε Σερληθέο Πξνέγρπζεο
ΑΡΙΘΜΗΣΙΚΗ ΠΡΟΟΜΟΙΩΗ ΚΑΙ ΘΔΩΡΙΑ ΒΔΛΣΙΣΟΠΟΙΗΗ ΓΗΥΡΟΝΟ ΚΗΝΖΣΖΡΑ Wärtsilä Switzerland ΣΤΠΟ ΓΙΑΜΔΣΡΟ ΔΜΒΟΛΟΤ ΓΙΑΓΡΟΜΗ ΔΜΒΟΛΟΤ ΣΑΥΤΣΗΣΑ ΠΔΡΙΣΡΟΦΗ ΜΔΖ ΣΑΥΤΣΖΣΑ ΔΜΒΟΛΟΤ RT-flex58T-B 580 mm 2416 mm 105 RPM 8.46 m/s ΔΝΑΡΞΖ ΤΜΠΗΔΖ (από ΑΝ) -96 ΠΔΡΑ ΔΚΣΟΝΩΖ (από ΑΝ) ΤΣΗΜΑ ΔΓΥΤΗ 120 Common Rail ΑΡΙΘΜΟ ΔΓΥΤΣΗΡΩΝ 3 ΠΡΟΟΜΟΗΩΖ: Υξήζε ηνπ θώδηθα ππνινγηζηηθήο ξεπζηνδπλακηθήο KIVA-3 ΔΝΑΡΞΖ ΔΓΥΤΖ 2 ΓΗΑΡΚΔΗΑ ΔΓΥΤΖ 15.2 ΜΔΖ ΔΝΓΔΗΚΝΤΜΔΝΖ ΠΗΔΖ 19 bar ΜΔΓΗΣΖ ΗΥΤ ΠΔΓΖ ΑΝΑ ΚΤΛΗΝΓΡΟ 2125 KW
ΑΡΙΘΜΗΣΙΚΗ ΠΡΟΟΜΟΙΩΗ ΚΑΙ ΘΔΩΡΙΑ ΒΔΛΣΙΣΟΠΟΙΗΗ ΔΓΚΑΡΗΑ ΣΟΜΖ ΘΑΛΑΜΟΤ ΚΑΤΖ - Spray - Έλαπζεο - Καύζεο Πνιπηερλείν Επξίρεο (ΔΣΖ), - ρεκαηηζκνύ NO ΔΜΠ X Καύζηκν C 14 H 30 KIVA-3 Δγθάξζηνο ζηξνβηιηζκόο πλάξηεζε Bessel 85000 ππoινγηζηηθά θειηά
ΑΡΙΘΜΗΣΙΚΗ ΠΡΟΟΜΟΙΩΗ ΚΑΙ ΘΔΩΡΙΑ ΒΔΛΣΙΣΟΠΟΙΗΗ Cylinder Pressure [bar] Mass Injection Rate ΠΔΡΙΠΣΩΗ ΑΝΑΦΟΡΑ Συμμετρικι τοποκζτθςθ τριών εγχυτιρων ανά 120 9 8 7 Προφίλ Έγχυςθσ 6 5 4 3 dm 100 d m tot 2 1 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Crank Angle [deg.] Χαρακτθριςτικά Εγχυτιρα Αξηζκόο νπήο 1 2 3 4 5 Γωλία α - + + + + Γωλία β + + + + + 160 140 120 100 80 60 40 Καμπφλθ Πίεςθσ Experiment Computation 20 0-40 -20 0 20 40 60 Crank Angle [deg.]
ΑΡΙΘΜΗΣΙΚΗ ΠΡΟΟΜΟΙΩΗ ΚΑΙ ΘΔΩΡΙΑ ΒΔΛΣΙΣΟΠΟΙΗΗ ΔΞΔΛΙΚΣΙΚΟΙ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ Βαζηζκέλνη ζηε ζεωξία ηεο εμέιημεο ηωλ εηδώλ, ηνπ Γαξβίλνπ F 2 Με Κπξηαξρνύκελεο Λύζεηο Κπξηαξρνύκελεο Λύζεηο x 2 Κωδηθνπνίεζε κεηαβιεηώλ ζρεδίαζεο κε δπαδηθή κνξθή - άηνκα x 1 Γεκηνπξγία γεληάο πνιιώλ αηόκωλ Αμηνιόγεζε γεληάο θαη δεκηνπξγία ζπλόινπ επηιέθηωλ-ειίη Μεταβλητζς Σχεδίασης Μέτωπο Pareto Προ-επεξεργαςία F 1 KIVA-3 αρχεία εισόδου Από ην ζύλνιν επηιέθηωλ, επηιέγνληαη νη γνλείο ηεο επόκελεο γεληάο EASY (Βελτιςτοποιθτισ) KIVA-3 (Αξιολογθτισ) Στόχοι & Περιορισμοί Μετ-επεξεργαςία KIVA-3 αρχεία εξόδου
ΠΑΡΑΜΔΣΡΙΚΗ ΓΙΔΡΔΤΝΗΗ Καζνξηζκόο Πξνθίι Έγρπζεο Προέγχυση Κύρια Έγχυση Μεταβλητζς Σχεδίασης (Design Variables) Έναρξθ Προζγχυςθσ, SOPI [ o CA atdc] Έναρξθ Κφριασ Έγχυςθσ, SOMI [ o CA atdc] Ποςοςτό Προζγχυςθσ, PMF [% τθσ ςυνολικισ εγχυόμενθσ μάηασ] Μείωςθ Μάηασ, MR [% τθσ περίπτωςθσ αναφοράσ] Eφρος Min Max -40-5 1 5 4 20 0 4 Γωλία α Γωλία β Μεηαβνιή ηωλ Γωληώλ α θαη β ΜΟΝΟ Πξνέγρπζεο Πξνέγρπζε Κύξηα Έγρπζε Γωλία α Γωλία β Γωλία α Γωλία β Μειέηε Δπίδξαζεο Γωλίαο β, θαηά ηελ Πξνέργπζε Οπή 1-4.8? -7.8 9.6 Προέγχυση: Γωλία α Βάζεη Πξνγελέζηεξεο Μειέηεο (L. Kaiktsis, 2001) Οπή 2-4.6? +4.9 6.5 Οπή 3-4.4? +23.4 8.1 Κύρια Έγχυση: Γωλίεο α θαη β ηεο Πεξίπηωζεο Αλαθνξάο Οπή 4-4.2? +31.3 6.6 Οπή 5-4.0? +43.9 8.6 3 Δγρπηήξεο γηα Πξνέγρπζε Τινπνίεζε κε 6 εγρπηήξεο 3 Δγρπηήξεο γηα Κύξηα Έγρπζε
ΠΑΡΑΜΔΣΡΙΚΗ ΓΙΔΡΔΤΝΗΗ ΑΠΟΣΔΛΔΜΑΣΑ Καιύηεξεο Λύζεηο: PMF =16% Γεληθή Tάζε Μείωζε ΝOx & SFOC κε Aύμεζε ηεο Μάδαο ηεο Πξνέγρπζεο Κξηηήξην NOx & SFOC Δπηινγή Γωληώλ ηεο Πεξίπηωζεο Α
ΠΑΡΑΜΔΣΡΙΚΗ ΓΙΔΡΔΤΝΗΗ ΣΡΙΓΙΑΣΑΣΗ ΑΠΔΙΚΟΝΙΗ ΑΠΟΣΔΛΔΜΑΣΩΝ Α C (Andreadis et al., 2011)
ΠΑΡΑΜΔΣΡΙΚΗ ΓΙΔΡΔΤΝΗΗ Α C (Andreadis et al., 2011) Δθκεηάιιεπζε ζεκαληηθνύ δηαζέζηκνπ όγθνπ Σν θαύζηκν δελ πξνζθξνύεη ζην ρηηώλην Δπηθαζήζεηο πγξνύ θαπζίκνπ ζηα ηνηρώκαηα Μεγάιε δηαζπνξά ζηαγνληδίωλ θαπζίκνπ Καιή αλάκημε θαπζίκνπ αέξα θαηά ηελ πξνέγρπζε
ΠΑΡΑΜΔΣΡΙΚΗ ΓΙΔΡΔΤΝΗΗ Α Έλαξμε θαύζεο καθξηά από ηα ηνηρώκαηα C (Andreadis et al., 2011) Μηθξή ζεξκηθή θόξηηζε Οκνηόκνξθε θαηαλνκή ηεο ζεξκνθξαζίαο Έλαξμε θαύζεο πάλω ζηα ηνηρώκαηα Μεγάιε ζεξκηθή θόξηηζε ηωλ ηνηρωκάηωλ
ΒΔΛΣΙΣΟΠΟΙΗΗ Πολυκριτθριακι βελτιςτοποίθςθ Στόχοι (Objective Functions): min F x NOX x, SFOC x Ειδικι κατανάλωςθ καυςίμου x SOPI, SOMI, PMF, MR Εκπεμπόμενθ μάηα ΝΟ Χ ανθγμζνθ ςτο ςυνολικό ωφζλιμο ζργο Μεταβλητζς Σχεδίασης (Design Variables) Eφρος - Πρόβλθμα χωρίσ περιοριςμοφσ Πξνέγρπζε Κύξηα Έγρπζε Γωλία α Γωλία β Γωλία α Γωλία β Οπή 1-4.8 12.5-7.8 9.6 Οπή 2-4.6 22.5 +4.9 6.5 Οπή 3-4.4 32.5 +23.4 8.1 Οπή 4-4.2 42.5 +31.3 6.6 Οπή 5-4.0 52.5 +43.9 8.6 Γωλία β πξνέγρπζεο από Παξακεηξηθή Γηεξεύλεζε Min T Max Έναρξθ Προζγχυςθσ, SOPI [ o CA atdc] -40-5 Έναρξθ Κφριασ Έγχυςθσ, SOMI [ o CA atdc] 1 5 Ποςοςτό Προζγχυςθσ, PMF [% τθσ ςυνολικισ εγχυόμενθσ μάηασ] 4 20 Μείωςθ Μάηασ, MR [% τθσ περίπτωςθσ αναφοράσ] 0 4
ΒΔΛΣΙΣΟΠΟΙΗΗ ΛΤΔΙ - ΜΔΣΩΠΟ PARETO Σύνολο βέιηηζηωλ ιύζεωλ Βειηηωκέλεο Λύζεηο ζε ζρέζε κε ηηο Παξακεηξηθέο
ΒΔΛΣΙΣΟΠΟΙΗΗ Πεξίπηωζε Δ NOx : -27 % SFOC : -1.5 % ύγθξηζε κε Andreadis et al. (2011) Βειηηωκέλεο Λύζεηο Σειηθή πγθέληξωζε NOx Πεξίπηωζε F NOx : -20 % SFOC : -2.6 %
ΒΔΛΣΙΣΟΠΟΙΗΗ ΠΔΡΙΠΣΩΗ Δ: ΑΝΑΛΤΗ ΡΟΗ ΚΑΙ ΚΑΤΗ ΘΔΡΜΟΚΡΑΙΑ ΛΟΓΟ ΚΑΤΙΜΟΤ ΑΔΡΑ ΤΓΚΔΝΣΡΩΗ ΝΟx ΠΔΡΗΠΣΩΖ Δ ΔΝΑΡΞΖ ΠΡΟΔΓΥΤΖ [ κεηά ην ΑΝ] -39.33 ΔΝΑΡΞΖ ΚΤΡΗΑ ΔΓΥΤΖ [ κεηά ην ΑΝ] 4.65 ΠΟΟΣΟ ΜΑΕΑ ΠΡΟΔΓΥΤΖ [% ] 14.18% ΤΝΟΛΗΚΖ ΜΔΗΩΖ ΜΑΕΑ 3.25%
ΒΔΛΣΙΣΟΠΟΙΗΗ Δ Soot ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΙΘΑΛΗ Πεξίπηωζε Δ Πεξίπηωζε Αλαθνξάο Πξνέγρπζε Μεδεληθή παξαγωγή soot θαηά ηελ θαύζε θαπζίκνπ πξνέγρπζεο Λόγνο θ Οξηνζέηεζε πεξηνρώλ παξαγωγήο αηζάιεο Κύξηα Έγρπζε Ίδηα επίπεδα παξαγωγήο αηζάιεο
ΤΜΠΔΡΑΜΑΣΑ & ΠΡΟΣΑΔΙ ΣΟΥΟ : Μείωζε NΟx, SFOC ( θαη δηεξεύλεζε soot) ΜΔΘΟΓΟΛΟΓΙΑ: Υξήζε θαύζεο κεξηθώο νκνγελνπνηεκέλνπ κίγκαηνο Δπηπιένλ εγρπηήξεο γηα ηελ πξνέγρπζε Πξνέγρπζε «πξνο ην έκβνιν», αλαδήηεζε θαηάιιειωλ γωληώλ β Παξακεηξηθή κειέηε ηεο επίδξαζεο ηωλ ηηκώλ β ζε NOx θαη SFOC Βειηηζηνπνίεζε πξνθίι έγρπζεο Βειηηζηνπνίεζε: Μέηωπν Pareto, ιύζεηο κε βέιηηζηα πξνθίι έγρπζεο Μείωζε ΝΟx: 20-25 %, Μείωζε SFOC: 1.5-2.5 % Παξόκνηα επίπεδα παξαγωγήο αηζάιεο Ηθαλνπνίεζε θαλνληζκώλ 2011 (Tier II) Μηθξή αύμεζε ηεο κέγηζηεο πίεζεο (4 bar) Μηθξή κείωζε ωθέιηκνπ έξγνπ αλά θύθιν ιεηηνπξγίαο Αύμεζε θόζηνπο θαηαζθεπήο & ζπληήξεζεο ΠΡΟΣΑΔΙ ΓΙΑ ΠΔΡΑΙΣΔΡΩ ΔΡΔΤΝΑ: Βειηηζηνπνίεζε κε πεξηνξηζκνύο ( P max, W) Βειηηζηνπνίεζε ηωλ γωληώλ α θαη β Βειηηζηνπνίεζε θαί ωο πξνο ηειηθέο ζπγθεληξώζεηο αηζάιεο Βειηηζηνπνίεζε πξνθίι έγρπζεο ζε κεξηθό θνξηίν Υξήζε κνληέινπ βαξένο θαπζίκνπ (HFO)
Δπραξηζηώ πνιύ γηα ηελ πξνζνρή ζαο