modelarea emisiilor poluante produse de motoarele navale

MODELAREA EMISIILOR POLUANTE PRODUSE DE MOTOARELE NAVALE

Buletinul AGIR nr. 4/2015 ● octombrie-decembrie 75


Ș.l. dr. ing. Adrian SABĂU, Conf. dr. ing. Bogdan HNATIUC, Lector dr. Simona GHIȚĂ, Conf. dr. ing. Mihaela HNATIUC

Universitatea Maritimă – Constanța

REZUMAT. Modelarea procesului de combustie şi a emisiilor poluante la motoarele navale este o problemă de mare importanţă în ultima perioadă datorită apariţiei normelor de poluare impuse de MARPOL Anexa 6. Acestea pe principul celor din domeniul auto impun reducerea emisiilor poluante, in mod deosebit a NOx, produse de nave. Problema cea mai dificilă este însă găsirea unor metode de reducere a emisiilor poluante pentru motoarele aflate în exploatare. În acest context lucrarea de fată prezintă câteva încercări de modelare a complexului proces de combustie din motoarele navale utilizând un model de calcul multidimensional şi rezultatele obţinute.

Cuvinte cheie: modelare multidimensională , Emisii de NOx, Avans la injecţie, Model fenomenologic.

ABSTRACT. Modeling of the combustion process and pollutant emissions from naval engines is a matter of great importance in the last period due to an outbreak of pollution rules imposed by MARPOL Annex 6. That, like in automotive industry, require the reduction of polluting emissions, NOx in principal, produced by ships. The most difficult problem is to find ways of reducing pollutant emissions for engines in use. In this context the present paper presents some attempts of modeling the combustion process from naval engines using a multidimensional model of computation and the obtained results.

Keywords: multidimensional modeling, NOx emissions, injection timing, phenomenological models.

1. INTRODUCERE

Cercetarea în domeniul motoarelor cu ardere in-ternă este dominată în ultimele decenii de problematica emisiilor poluante chimice şi sonore. Acest lucru este valabil şi pentru motoarele care lucrează în domeniul naval, deşi aici cercetările sunt abia la început, reglementările în domeniu fiind de dată mai recentă.

În acest context lucrarea de faţă şi-a propus să elaboreze un instrument predictiv cu ajutorul căruia să se poată evalua nivelul emisiilor de NOx produse de motoarele navale, în condiţiile în care determină-rile la bordul navelor sunt foarte greu de efectuat.

Modelarea emisiilor de NOx presupune în primul rând modelarea procesului de ardere[1], care aşa cum este cunoscut, este cel mai complex. Pentru validarea rezultatelor şi calibrarea constantelor modelelor nece-sare simulării sunt însă necesare numeroase şi variate date experimentale pentru a căror achiziţie este nevoie de aparatură specială şi scumpă. Iniţial realizarea lucrării a fost stimulată de o colaborare potenţială între autori şi instituţiile cu responsabilităţi în acest domeniu. Motive independente de noi nu au permis în final ca această colaborare să se realizeze, însă obiectul cercetărilor a fost considerat mult prea interesant şi important pentru a fi abandonat. În aceste condiţii programul de calcul realizat este unul deschis de lucru care permite studierea procesului de ardere din motoarele Diesel şi mecanismele formării emisiilor de NOx, iar datele experimentale utilizate pentru calibrare şi validare au fost cele obţinute pentru motorul T684

produs de Uzina Tractorul S.A. din Braşov, motor care nu este reprezentativ pentru domeniul naval el fiind unul de putere redusă utilizat doar în zona maritim portuară cu precădere în grupurile Diesel-generatoare de 35 kVA şi mai rar ca motor de propulsie.

2. OBIECTIVELE ŞI SCOPUL LUCRĂRII

Aşa cum s-a precizat deja în introducere obiectivele lucrării au fost extrase din prevederile Anexei 6 a Protocolului din 1997 privind amendarea MARPOL 73/78, referitor la limitarea emisiilor poluante produse de nave, în speţă a emisiilor de oxizi de azot. şi s-ar rezuma la: estimarea emisiilor de NOx produse motoarele Diesel navale; evidenţierea influenţelor di-verşilor factori asupra emisiilor NOx şi a posibilităţilor de reducere ale acestora.

Scopul lucrării a fost acela de a realiza un program de calcul care să permită modelarea procesului de ardere şi a emisiilor de NOx cu suficientă acurateţe astfel în cât să poată fi utilizat ca un instrument de studiu şi să permită reducerea pe cât este posibil a numărului determinărilor experimentale, care în cazul motoarelor navale se fac cu mare dificultate.

3. STAND EXPERIMENTAL

Determinările experimentale s-au efectuat pe standul de probe al Universităţii Maritime din

CERCETARE ȘI EXPERTIZĂ INGINEREASCĂ


Constanţa, pe un motor Diesel T684 omologat Euro II şi care poate fi utilizat şi în domeniul naval.

Scopurile urmărite au fost: ● evoluţia nivelului emisiilor poluante, cu pre-

cădere a celor de oxizi de azot, în funcţie de regimul de funcţionare şi influenţa factoriilor constructivi şi de reglaj asupra acestora;

● crearea unei baze de date pentru calibrarea unui program care să poată modela procesul de ardere şi emisiile poluante;

● stabilirea unor metode care să permită mo-toarelor aflate în exploatare în zona maritimă să se pună în acord cu cerinţele Protocolului din 1997 privind amendarea MARPOL 73/78, referitor la emisiile poluante.

Standul experimental (fig. 1) este alcătuit din: ● frână hidraulică modernizată cu traductor de

forţă; ● sistem digital de control şi achiziţie de date; ● sistem integrat de control al acceleraţiei; ● sistem centralizat de achiziţie de date, ● analizor de gaze; ● opacimetru; ● debitmetru de aer; ● sistem măsurare şi condiţionare a combustibil; ● sistem de achiziţie pentru presiuni. ● traductori de presiune AVL: cilindru GM12D şi

conductă înaltă presiune QL 61D.

Fig. 1. Stand de testat motoare UMC.

Standul de probe a fost realizat în conformitate cu recomandările ISO/TC 70/SC8 din 21.09.1995, Protocolul din 1997 privind amendarea MARPOL 73/78 şi Directiva 97/68/EC din 16. 12.1997, atât în ceea ce priveşte alcătuirea şi construcţia cât şi în ceea ce priveşte precizia aparaturii şi a tipului de metode de măsurare utilizate.

Datele achiziţionate s-au referit la: ● diagrame indicate şi a cursei acului la diverse

turaţii; ● concentraţiile emisiilor poluante (NOx, CO, şi

particule) la diverse turaţii şi sarcini; ● variaţia concentraţiei de NOx în funcţie de:

avansul la injecţie şi presiunea de deschidere a in-jectorului,

Prelucrarea datelor experimentale referitoare la emisiile de noxe s-a făcut în conformitate cu meto-dologia prezentată în Capitolul 5 „Procedee cu privire la măsurătorile de emanaţii de NOX efectuate pe

standul de probă” şi Apendicele 6 „Calcularea debitului masic al gazelor arse de evacuare (metoda compensării cu CO2)” din Protocolul încheiat în 1997, care este identică cu cea specificată în ECE R-49 şi CFR 40. iar pentru studiu s-a ales ciclul în 8 puncte tip C1 care s-a considerat a fi cel mai complex şi adecvat scopului propus.

4. SIMULĂRI NUMERICE ŞI INTERPRETAREA REZULTATELOR

Modelul dezvoltat este de tip multidimensional şi rezolvă sistemele de ecuaţii combinate specifice [1]:

● curgerii turbulente compresibile utilizând [2]: o modelul SGS (Subgrid scale turbulent

viscosity) pentru turbulenţă; o legea logaritmică la perete pentru stratul

limită turbulent; o formula Reynolds modificată pentru stratul

limită termic; o aproximarea că fluidul este Newtonian

pentru calculul vâscozităţii ● reacţiilor chimice de ardere a combustibililor

utilizând[3]: o o ecuaţie cinetică de ardere a combustibilului

(decan); o ecuaţiile de disociere a produşilor de ardere

tratate la echilibru; o mecanismul Zeldovich extins rezolvat cinetic

pentru formarea NO. ● curgerii şi evaporării jeturilor de particule lichide

utilizând [4]: o ecuaţia generală a jetului simplificată tratată

probabilistic; o ecuaţia evaporării picaturilor dedusă de

O’Rouke; Formularea este spaţial bidimensională şi permite

abordarea plană şi axial simetrică a geometriei camerei de ardere. Formularea axial simetrică, cazul cel mai frecvent întâlnit în practică, permite luarea în calcul şi a mişcării de swirl, mărind astfel rezoluţia spaţială şi implementând parţial cea de a treia dimensiune geometrică.

Diferenţierea temporală este bazată pe algoritmul ICE (Implicit Continuous-fluid Eulerian) care este o metodă parţial implicită[5]. Această tehnică iterativă cuplează ecuaţia de continuitate şi a momentului şi le rezolvă simultan utilizând ecuaţia de stare, Iar ecuaţia energiei se rezolvată explicit decuplat de celelalte două. Pentru a putea avansa în timp unele mărimi sunt necesari mai mulţi paşi de timp. Din acest motiv fiecare ciclu este realizat în trei subpaşi temporali sau faze. Această abordare este şi în legătură directă cu discretizarea spaţială care este bazată pe metoda ALE (Alternate Lagrangean Eulerian Method) [6].

Reţeaua de discretizare este ajustabilă şi este formată din patrulatere generalizate ale căror colţuri



sunt specificate prin coordonate dependente de timp raportat la poziţia inferioară a pistonului, care permite abordarea problemei Eulerian sau Lagrangean în funcţie de necesităţi [7].

Modelul dezvoltat în cadrul lucrării a fost utilizat pentru simulări numerice pe trei motoare:

● motorul T684 produs de SC Tractorul S.A. Braşov, pentru care s-a realizat şi o bază de date experimentale suficient de bogată;

● motorul AT 25 New Sulzer, în patru timpi utilizat frecvent în domeniul naval drept Diesel-gene-rator;

● motorul L90 B&W, în doi timpi utilizat în domeniul naval ca motor de propulsie.

Au fost dezvoltate 6 aplicaţii 4 aplicaţii pentru motorul T684 şi câte una pentru celelalte 2 motoare.

Primele 2 aplicaţii au constituit calculul prelimi-nar (fig. 2) al motorului T684 şi calculul de calibrare al modelului (fig.3 şi 4).

Fig. 2. Presiunea indicată.

Fig. 3. Presiunea indicată după calibrare.

Fig. 4. NOx la n = 2400 rot/min şi sarcină 100%.

Deoarece datele obţinute prin simulări nu erau în concordanţă cu datele experimentale, s-au realizat îmbunătăţiri ale algoritmilor numerici şi au fost implementate modele pentru alte două mecanisme de formare a emisiilor de NOx [8] (fig.5, 6 şi 7).

Fig. 5. NOx la n = 2400 rot/min şi sarcină 100%, mod.

Fig. 6. NOx la 390°, n = 1440 rot/min şi sarcină 100%.

Fig. 7. NOx la 410°, n = 1440 rot/min şi sarcină 100%.

Aplicaţia a 3-a a validat modelul şi din punct de vedere al emisiilor de NOx (fig. 8 şi 9).

Aplicaţia a 4-a a avut drept obiectiv verificarea plajei optime pentru avansul la injecţie, astfel încât să se minimizeze emisiile de NOx (fig. 10 şi 11).

Fig. 8. NOx la 390°, n = 2400 rot/min.

CERCETARE ȘI EXPERTIZĂ INGINEREASCĂ


Fig. 9. Emisiile de NOx estimate pentru un ciclu C1.

Fig. 10. NOx în funcţie de ß la n = 2400 rot/min.

Fig. 11. NOx funcţie de ß la n = 1440 rot/min.

Aplicaţiile 5 şi 6 s-au efectuat pentru motoarele navale AT 25 New Sulzer (fig. 12 şi 13) şi L90 MC MAN B&W (fig. 14 şi 15) şi au avut ca obiectiv testarea modelului.

Fig. 12. AT 250.la 1000 rot/min şi sarcină 100%.

Fig. 13. AT 250.la 1000 rot/min şi sarcină 100%.

Fig. 14. L90 la 74 rot/min şi sarcină 80%.

Fig. 15. L90 la 74 rot/min şi sarcină 80%.

5. CONCLUZII

Concluziile rezultate pot fi rezumate astfel: ● programul elaborat poate răspunde scopului

pentru care a fost creat, acela de a estima emisiile de NOx produse de motoarele Diesel;

● rezultatele obţinute sunt în bună concordanţă cu datele experimentale, în mod deosebit pentru regimurile de calibrare şi cele de sarcină mare;

● în condiţii date, bine definite, este suficient de predictiv pentru a putea fi folosit la analiza unor cazuri concrete;

● bine calibrat programul poate fi utilizat pentru analiza procesului de ardere în scopul îmbunătăţirii performanţelor tehnico-economice şi reducerii



emisiilor de NOx, a motoarelor diesel; în principal prin optimizarea:

o avansului la injecţie; o formei camerei de ardere; o mişcărilor organizate şi turbulente din

cilindru. ● rezultatele obţinute depind destul de mult de

constantele modelelor şi din acest motiv trebuiesc analizate atent şi interpretate cu discernământ deoarece pot să fie subtil eronate, ceea ce poate conduce la concluzii greşite;

● performanţele programului sunt limitate de mo-delele utilizate, din acest motiv cazurile şi mărimile studiate trebuiesc alese atent, astfel încât să nu se iasă din domeniul lor de aplicabilitate.

● programul elaborat este unul deschis, de lucru şi din acest motiv este greu de utilizat fiind necesare cunoştinţe avansate de programare şi teoria motoarelor.

Ca direcţii de dezvoltare ulterioare ar trebui: ● introducerea unui model pentru evaluarea emi-

siilor de fum; ● extinderea modelelor, pentru modelarea 3D; ● îmbunătăţirea modelelor chimice utilizate pentru

combustie; ● îmbunătăţirea performanţelor modelelor nume-

rice utilizate;

● extinderea bazei de date pentru calibrarea co-respunzătoare a modelelor

● crearea unei intefeţe cu utilizatorul.

BIBLIOGRAFIE

[1] Sabău, A. Studies regarding the combustion process in marine diesel engines in order to reduce the pollutant emissions, PhD Thesis, „Transilvania“ University of Brasov, 2007.

[2] Chung, K. L. Combustion Physics, Cambridge University Press, ISBN 0521870526, New York, 2006.

[3] Hiroyasu, H., Kadota, T. and Arai, M., Development and Use of a Spray Combustion Modeling to Predict Diesel Engine Efficiency and Pollutant Emissions Combustion Modeling), Bulletin of the JSME, Vol. 26, No.214, 1983.

[4] Sabau, A. & Buzbuchi, N. Model of spray in Diesel engine, Annals of Maritime University of Constanta, Vol. 9, No. 9 , pp. 82-89, ISSN 1582-3601, 2006.

[5] Poinsot, T. & Veynante D. (2005). Theoretical and Nume-rical Combustion, R.T. Edwards Inc., ISBN 1930217102, Paris, 2005.

[6] Nagle, J. and Strickland-Constable, R. F., Oxidation of Carbon between 1000-2000_C, Fifth Carbon Conference, Pergamon, Oxford, Vol. 1, pp. 154-164, 1962.

[7] Stiesch, G. (2003). Modeling Engine Spray and Combustion Processes, Springer; ISBN 3540006826, Berlin.

[8] Patterson, M. A., Kong, S. C., Hampson, G. J., and Reitz, R. D., Modeling the Effects of Fuel Injection Characteristics on Diesel Engine Soot and NOx Emissions, SAE Paper 940523, 1994.

Despre autori

Conf. dr. ing. Bogdan HNATIUC Universitatea Maritimă – Constanța

Este absolvent al Facultății de Electrotehnică din cadrul Universității Tehnice „Gheorghe Asachi“ din Iași (1995). A obținut titlul de doctor inginer în Inginerie electrică al Universității Tehnice „Gheorghe Asachi“ din Iași (2001) și titlul de doctor în fizica plasmei al Universității din Orleans, Franța (2002). Este specialist în Aparate electrice, Compatibilitate electromagnetică, Bazele electrotehnicii, aspecte legate de aplicațiile plasmei reci.

Ș.l. dr. ing. Adrian SABĂU Universitatea Maritimă – Constanța

Este absolvent al Universității Tehnice „Traian Vuia“ din Timișoara, Facultatea de Inginerie Mecanică și al Universității Maritime – Constanța, Facultatea de Electromecanică Navală. A obținut titlul de doctor în Inginerie mecanică din anul 2007 la Universitatea „Transilvania“ din Brașov; instructor IMO din anul 2010. Domeniile sale de interes se referă la motoare navale Diesel, aplicații pentru mediu, simulări procese mecanice, operațiuni și procese navale.

Lector dr. Simona GHIȚĂ Universitatea Maritimă – Constanța

Este doctor în științe biologice din anul 2011, specializarea Microbiologie marină, al Universității „Ovidius“ din Constanța. Domeniile de competenţă profesională se referă la microbiologia marină, managementul calităţii mediului, mecanisme fiziologice de adaptare, hidrobiologie, conservarea biodiversităţii - dezvoltare durabilă, expertize de mediu.

Conf.dr.ing. Mihaela HNATIUC Universitatea Maritimă – Constanța

Este absolventă în anul 1995 a Facultății de Electronică și Telecomunicatii din Iași. Master în Bioinginerie și Inteligență articficială, în 2002 și doctorat în Inginerie electrică, finalizat în 2006, la Facultatea de Electronică și Telecomunicații din Iași. Are ca domenii de interes microsistemele, sistemele de automatizare, rețele de senzori și inteligența artificială cu aplicații în electronică.

modelarea emisiilor poluante produse de motoarele navale

Documents

Transcript of modelarea emisiilor poluante produse de motoarele navale