Metoda oceny poziomu emisji tlenków azotu z dwusuwowego silnika okrętowego w warunkach eksploatacji morskiej.

• Autorzy: Kowalski J. , Tarełko W.

Warianty tytułu

EN

Assessment method of nitric oxides level emitted from two stroke ship engine in sea operation conditions.

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule zaprezentowano metodę oceny poziomu emisji tlenków azotu z dwusuwowego silnika okrętowego bez konieczności przeprowadzania pomiarów bezpośrednich. Zastosowanie takiej metody umożliwi zmniejszenie kosztów certyfikacji silników okrętowych wmaganej przez Załącznik VI Konwencji MARPOL. Zgodnie z zawartymi tam regulacjami prawnymi, certyfikacja taka powinna być przeprowadzana okresowo podczas eksploatacji tych silników. W metodzie za podstawę certyfikacji przyjęto model powstawania tlenków azotu w komorze spalania dwusuwowego silnika okrętowego, składający się z termodynamicznego modelu procesu spalania oraz kinetycznego modelu reakcji chemicznych zachodzących podczas procesu roboczego silnika. W artykule skupiono się, w głównej mierze na procesach kinetycznych przemian chemicznych prowadzących do generowania tlenku azotu w przestrzeni cylindrowej silnika. Przedstawiono również wyniki badań na stanowisku laboratoryjnym, weryfikujących obliczenia oraz dokonano ich analizy.

EN

in 1997 the International Maritime Organization (IMO) implemented Annex VI to MARPOL Convention concerning prevention of the air pollution by ships. This Annex regulates the emission level of nitric oxides from ship engines. Simultaneously IMO issued a document called the Technical Code of Nitric Oxides. In this Code, the admissible levels of emission of nitric oxides from ship engines have been defined. It introduced a system of certification for ship engines during their whole life-cycle. Carrying out the direct onboard measurements of the NOx emission requires installing the appropriate analyzer of exhaust gases in the engine room. Therefore, such the direct measurements entail significant expenses for ship owners. Moreover, these measurements have to be carried out for strictly determined points of engine loads. Such situation can also cause to withdrawing the ship with operation in order to perform these measurements. Additionally these measurements are not precise. In order to make these regulations more applicable, we would like to propose a method for assessment of nitric oxides level based on the measurements of working engine parameters like pressures, temperatures, etc. Moreover, we assume that these parameters measured in the standard equipped engine rooms are sufficient for developing the mentioned method. This requires developing the appropriate model connecting these parameters with a level of the NOx emission. As the subject of our research, we have selected the two-stroke crosshead slow-speed diesel engine with longitudinal scavenge and the direct-injection. The type of engines the most often applied as main engines in shipbuiding. Due to large dimensions, they are main sources of contaminating the sea atmosphere by the NOx. To estimate the nitric oxides emission from the engine, we have developed a chemical model of burning the hydrocarbon fuel in a combustion chamber. The process of fuel combustion consists of thousands of chemical reactions. However, not all of these reactions influence the process of nitric oxides formation. We have descreased a number of reactions in our model only to 724 reversible chemical reactions, which are the most important to nitric oxygen formation in combustion chamber of the engine. A set of the most important reactions allows for arranging a system of the differential kinetic equations. This system equations describes the quickness of changing molar concentrations of individual chemical elements during the combustion process. A solution of such equation system makes possible to determine values of concentrations for the considered chemical elements including NO and NO2 concentration. Taking into account the presented considerations, we can state that the solution of the system equation requires some knowledge concerning changes of both the temperature and pressure values during the combustion process. For this reason, it is necessary to develop a thermodynamically model of the engine combustion process. This model is briefly described in this paper. In order to verify the obtained results of modeling, we have carried out the laboratory test. Some results and their comparison of both the laboratory test and modeling are presented and discussed.

Słowa kluczowe

PL

emisja; tlenki azotu; ochrona środowiska; eksploatacja; silnik dwusuwowy; silnik okrętowy; proces spalania

EN

emission; nitric oxides; environment protection; operational use; two-stroke ship engine; combustion process

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Zagadnienia Eksploatacji Maszyn
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 41, nr 1
• Strony: 137--152

Twórcy

autor

Kowalski J.

autor

Tarełko W.

• Akademia Morska, Katedra Podstaw Techniki, ul. Morska 81/87, 81-226 Gdynia, tel. [phone], fax [phone],

Bibliografia

• [1] Shipping and the Environment: A Codę of Practice. 3rd Edition. International Chamber of Shipping. London 1999.
• [2] Załącznik VI do konwencji MARPOL 73/78. Przepisy o zapobieganiu zanieczyszczeniu powietrza przez statki oraz kodeks techniczny NOx. Wydawnictwa Polskiego Rejestru Statku. Gdańsk 2000.
• [3] Kowalski J.: Wpływ wybranych parametrów pracy silnika dwusuwowego na emisję tlenków azotu. Materiały konferencyjne EXPLO-SHIP 2002 w Zeszytach Naukowych WSM w Szczecinie Nr 65, s. 249-258. Szczecin 2002.
• [4] Kowalski J.: Metoda oceny poziomu emisji tlenków azotu na podstawie pomiaru parametrów pracy dwusuwowego silnika okrętowego. Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni. Nr 49, s. 119-137. Wydawnictwo Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia 2003.
• [5] Glarborg P., Alzueta M.U., Dam-Johansen K., Miller J.A.: Kinetic modeling of Hydrocarbon/Nitric Oxide Interactions in a flow reactor. Combustion and Flame. No 115. pp 1-27. Elsevier Science 1998.
• [6] Westbrook C.K., Dryer F.L.: Chemical Kinetic Modeling of Hydrocarbon Combustion. Prog. Energy Combust. Sci.,Vol 10. pp 1-57. 1984.
• [7] Pilling M.J., Robertson, S.J.: Master equation models for chemical reactions of importance in combustion. Ann. Rev. Phys. Chem. Vol. 54. pp 245-275. 2003.
• [8] Baulch D.L., Cobos C.J., Cox R.A., Esser C, Frank P., Just Th., Kerr J. A., Pilling M.J., Troe J., Walker R. W., Warnatz J.: Evaluated kinetic data for combustion modeling. J. Phys. Chem. Ref. Data. Vol 21, pp 411-429. 1992.
• [9] Kuo K.K.: Principles of combustion. Wiley. New Jersey 2005.
• [10] Rychter T., Teodorczyk A.: Modelowanie matematyczne roboczego cyklu silnika tłokowego. PWN. Warszawa 1990.
• [11] Badur J.: Numeryczne modelowanie zrównoważonego spalania w turbinach gazowych. Wydawnictwo IMP PAN, Gdańsk 2003.
• [12] Salomon A.: Selektywność pierwotnych metod redukcji emisji tlenków azotu powstających podczas spalania. Rozprawa doktorska. Politechnika Wrocławska. Wrocław 1999.
• [13] Kowalski J., Tarełko W.: Modeling aspects of nitric oxides emission from the two-stroke ship engine. Materiały konferencyjne Explo-Diesel & Gas Turbinę 2003, s. 329-338. Międzyzdroje-Lund 2003.
• [14] Kowalski J.: Emisja tlenków azotu z silnika okrętowego - aspekty modelowania. Zeszyty Naukowe Nr 54 Akademii Morskiej w Gdyni. s. 43-52. Wydawnictwo Akademii Morskiej w Gdyni. Gdynia 2005.
• [15] Kowalski J.: Alternative method of nitric oxide emission estimation from two stroke ship engines. Journal of KONES Conference. Vol. 11 No. 1-2. pp. 349-357. Warszawa 2004.
• [16] Engine selection and project manual Sulzer RT-flex. Wartsila Switzerland. 2003.
• [17] Kowalewicz A.: Podstawy procesów spalania. WNT. Warszawa 2000.
• [18] Heywood J.B.: Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill. 1988.