Controlling the exhaust gases of marine diesel engines to ensure environmental performance

Проанализирована технология управления выпускными газами судового дизеля 6L20 Wartsila, обеспечивающая их перепуск непосредственно в выпускной газоход без прохождения газотурбонагнетателя. Приведены результаты исследований по определению влияния степени перепуска выпускных газов на удельный эффективный расход топлива и эмиссию оксидов азота. При проведении экспериментов определялись объемы газов, проходящих через перепускной газоход и поступающих в основной газоход от газотурбонагнетателя. По отношению данных объемов определялась степень открытия перепускного клапана. В проведенных экспериментах это значение изменялось в пределах 0 … 9,6 %. Эксперименты выполнялись как для разной степени открытия перепускного клапана, так и для разной нагрузки на дизель, которая изменялась в диапазоне 55 … 83 % и поддерживалась постоянной группой потребителей энергии. Определение контролируемых параметров производилось со следующими погрешностями измерения: расход газов ± 0,5 %, эмиссия оксидов азота в выпускных газах ± 3,5 %, удельный эффективный расход топлива ± 2,5 %, мощность дизеля ± 1,5 %. Экспериментально установлено, что использование перепуска газов, как одного из вариантов системы управления выпускными газами, способствует снижению эмиссии оксидов азота судовых дизелей. Относительное снижение выбросов оксидов азота находится в пределах 1,15 … 13,85 % и зависит от количества газов, перепускаемых помимо газотурбонагнетателя, и мощности дизеля. Наибольшее снижение эмиссии оксидов азота (до 12,53 %) происходит в диапазоне нагрузок дизеля 74 … 83 % при 8,1 … 9,6 % перепуске выпускных газов. При использовании системы перепуска газов снижается экономичность работы дизеля, в частности увеличивается удельный эффективный расход топлива. Для режимов работы дизеля близких к номинальному (в диапазоне 74 … 83 % номинальной мощности дизеля) увеличение удельного эффективного расхода топлива находится в пределах 0,26 … 1,05 %. На нагрузках 55 … 67 % номинальной мощности дизеля увеличение расхода топлива при использовании системы перепуска газов может достигать 1,83 … 2,52 %. При выборе наиболее оптимального режима работы системы перепуска газов, т.е. количества газов, перепускаемого в обход газотурбонагнетателя, необходимо выполнять комплексную оценку экологических и экономических показателей работы дизеля, а также учитывать, что увеличение степени перепуска газов возможно только в пределах допустимых температур на линии расширения, обеспечивающих требуемый уровень тепловой напряженности деталей цилиндропоршневой группы.

Проаналізована технологія управління випускними газами суднового дизеля 6L20 Wartsila, що забезпечує їх перепуск безпосередньо в випускний газохід без проходження газотурбонагнетача. Наведено результати досліджень щодо визначення впливу ступеня перепуску випускних газів на питому ефективну витрату палива і емісію оксидів азоту. При проведенні експериментів визначалися обсяги газів, що проходять через перепускний газохід, та тих, що надходять в основний газохід від газотурбонагнетача. За значеннями цих обсягів визначався ступінь відкриття перепускного клапана. У проведених експериментах це значення змінювалося в межах 0 ... 9,6 %. Експерименти виконувалися як для різного ступеня відкриття перепускного клапана, так і для різного навантаження на дизель, яке змінювалося в діапазоні 55 ... 83 % і підтримувалася постійною групою споживачів енергії. Визначення параметрів, що контролюються здійснювалося з наступними похибками вимірювання: витрата газів ± 0,5 %, емісія оксидів азоту в випускних газах ± 3,5 %, питома ефективна витрата палива ± 2,5 %, потужність дизеля ± 1,5 %. Експериментально встановлено, що використання перепуску газів, як одного з варіантів системи управління випускними газами, сприяє зниженню емісії оксидів азоту суднових дизелів. Відносне зниження емісії оксидів азоту знаходиться в межах 1,15 ... 13,85 % і залежить від кількості газів, яка спрямовується поза газотурбонагнечем, і потужності дизеля. Найбільше зниження емісії оксидів азоту (до 12,53 %) відбувається в діапазоні навантажень дизеля 74 ... 83 % при 8,1 ... 9,6 % перепуску випускних газів. При використанні системи перепуску газів знижується економічність роботи дизеля, зокрема збільшується питома ефективна витрата палива. Для режимів роботи дизеля близьких до номінального (у діапазоні 74 ... 83 % номінальної потужності дизеля) збільшення питомої ефективної витрати палива знаходиться в межах 0,26 ... 1,05 %. На навантаженнях 55 ... 67 % номінальної потужності дизеля збільшення витрати палива при використанні системи перепуску газів може досягати 1,83 ... 2,52 %. При виборі найбільш оптимального режиму роботи системи перепуску газів, тобто кількості газів, яка спрямовується в обхід газотурбонагнетача, доцільно виконувати комплексну оцінку екологічних і економічних показників роботи дизеля, а також враховувати, що збільшення ступеня перепуску газів можливо тільки в межах допустимих температур на лінії розширення, що забезпечують необхідний рівень теплової напруженості деталей циліндропоршневої групи.

The exhaust gas control system of the 6L20 Wartsila diesel engine is analyzed, which ensures their passage directly into the exhaust flue without passing the gas turbocharger. The results of studies to determine the effect of the degree of bypass of exhaust gases on the specific fuel oil consumption and the emission of nitrogen oxides are presented. During the experiments, the volumes of gases passing through the bypass flue and entering the main gas flue from the gas turbocharger were determined. With respect to these volumes, the degree of opening of the bypass valve was determined. In the experiments carried out this value varied within the range 0 ... 9.6 %. The experiments were performed both for different degrees of opening of the bypass valve, and for different loads on the diesel, which varied in the range of 55 ... 83 % and was maintained by a constant group of energy consumers. Determination of the monitored parameters was carried out with the following measurement mistake: gas consumption ± 0.5 %, nitrogen oxide emission in exhaust gases ± 3.5 %, specific fuel oil consumption ± 2.5 %, diesel power ± 1.5 %. It has been experimentally established that the use of gas bypass as one of the variants of the exhaust gas control system helps to reduce the emission of marine diesel oxides. The relative reduction in nitrogen oxides emissions is in the range 1.15 ... 13.85 % and depends on the number of gases that are bypassed in addition to the gas turbocharger and the power of the diesel engine. The greatest decrease in the emission of nitrogen oxides (up to 12.53 %) occurs in the range of diesel loads 74 ... 83 % at 8.1 ... 9.6 % in the release of exhaust gases. When using the gas bypass system, the economy of the diesel engine is reduced, in particular, the specific fuel oil consumption increases. For diesel operating modes close to the nominal (in the range 74 ... 83 % of the nominal power of the diesel engine), the increase in the specific fuel oil consumption is in the range 0.26 ... 1.05 %. At loads of 55 ... 67 % of the rated power of the diesel, the increase in fuel consumption by using the gas bypass system can reach 1.83 ... 2.52 %. When choosing the most optimal operating mode of the gas bypass system, i.e. the number of gases bypassed by the gas turbocharger, it is necessary to carry out a comprehensive assessment of the ecological and economic performance of the diesel engine, and also to take into account that an increase in the degree of gas transmission is possible only within the permissible temperatures on the expansion line that provide the required level of thermal stress of the piston-piston group parts.