Simulation study of pollutant emissions of medium-speed turbocharged Diesel engines, under steady state and transeints - Application to naval propulsion
SIMULATION DE L’INFLUENCE DES PARAMETRES DE FONCTIONNEMENT DES MOTEURS DIESEL SURALIMENTES SEMI-RAPIDES SUR LES EMISSIONS POLLUANTES - ETUDE EN REGIME STATIONNAIRE ET DYNAMIQUE - APPLICATION AUX ENSEMBLES UTILISES EN PROPULSION NAVALE
Résumé
The reduction of pollutant emissions is now a major concern during the design and optimisation of large Diesel engines, especially for marine propulsion. This study deals with this challenge, and with the consequences for general engine behaviour. Due to the size of the engines involved in this study, numerical simulation appears to be a very powerful tool.
The examination of the literature reveals the capabilities of two models (a two zone and a multizone phenomenological models) but also the need for a specific adaptation to highly rated engines in order to evaluate the two main pollutant: NOx and smoke.
The validation process performed for two medium speed Diesel engines with distinct power ratios (320 kW per cylinder and 615 kW per cylinder) leads to good agreement across the whole range of operating conditions for the two species studied. The comparison with a set of engine modifications in order to limit the NOx emissions (mainly injection timing, fuel injectors diameter, compression ratio and turbocharger geometry definition) shows a good correlation for most cases between calculation results and test bench measurements.
Simulation of the principal pollution reduction methods (injection timing, air temperature reduction at engine inlet, exhaust gas recirculation and water injection) for steady state operations illustrates the possibilities of each techniques, for instance as a response to the present regulations. In addition, their consequences on the engines operations (fuel consumption, exploitation limit) are also investigated. The comparison of the results supplied by the two models with published experimental data shows good agreement.
Finally, the two zone model (easier to integrate into performance simulation software) is implemented in order to study emissions production during Diesel engine transient operations and to test pollution reduction techniques for two cases (load step and load according to a propeller law). The pollution reduction means used for stationary conditions have limited efficiency during engine transients. However a specific technique, such as turbocharger jet assist, which maintains a good air/fuel ratio, leads to significant emissions reduction whilst improving the engine transient performance.
La diminution à la source des émissions polluantes devient un objectif primordial lors de la conception et de l'optimisation des moteurs Diesel de forte puissance, notamment pour les ensembles utilisés en propulsion navale. Le travail présenté dans ce mémoire est centré sur ce point important, et sur les conséquences engendrées sur le fonctionnement général des moteurs. Compte tenu de la taille des ensembles considérés, la simulation apparaît comme un moyen d’étude et d’analyse privilégié.
L'étude bibliographique révèle l’existence de deux modèles intéressants (un modèle "deux-zones" et un modèle phénoménologique "multizones") mais aussi la nécessité de les adapter à l'étude des moteurs Diesel de forte puissance, en considérant principalement deux polluants : les NOx et les fumées.
La procédure de validation menée sur deux moteurs Diesel semi-rapides présentant des niveaux de puissance distincts (320 kW/cyl et 615 kW/cyl) permet d'obtenir, pour les deux polluants retenus, un accord satisfaisant, sur toute l’étendue du domaine d’exploitation. La prise en compte de modifications visant à limiter les émissions de NOx, relatives à l’avance à l’injection, au diamètre des trous des injecteurs, au taux de compression et à l’adaptation de la suralimentation, traduit également un bon accord entre les calculs et les relevés expérimentaux.
La simulation des principaux moyens de dépollution à la source (diminution de l'avance à l’injection, diminution de la température d'admission, recyclage des gaz d'échappement, et injection d'eau) en régime stationnaire met en évidence le potentiel de chacune de ces techniques, notamment pour répondre aux impératifs des réglementations en vigueur. Mais elle fait également ressortir les avantages et les inconvénients liés à leur mise en œuvre, par rapport à d’autres aspects du fonctionnement du moteur (consommation et limites d’exploitation notamment). La comparaison des résultats fournis par les deux modèles avec ceux des travaux expérimentaux disponibles dans la littérature, établit une assez bonne correspondance.
Enfin, le modèle deux-zones est retenu, en raison de sa plus grande souplesse, pour étudier les émissions lors des phases de fonctionnement transitoires des moteurs Diesel, et pour évaluer l'efficacité des techniques de dépollution dans deux cas tests : échelon de charge et prise de charge suivant une "loi hélice". Les moyens de dépollution habituellement utilisés en régime stationnaire ont ici une efficacité limitée. En revanche, l’assistance pneumatique des turbocompresseurs, utilisée pour maintenir un excès d’air élevé, conduit à des diminutions d’émissions significatives et à une amélioration des performances du moteur en régime transitoire.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)