In the present study a new approach for modelling emissions of coke particles
or cenospheres from large diesel engines using HFO was studied. The model
is based on a multicomponent droplet mass transfer and properties model
developed by V. Garaniya, University of Tasmania, that uses a continuous
thermodynamics approach to model the complex composition of the HFO fuel,
and the resulting behaviour in regards to fuel properties and mass-transfer
processes such as evaporation and pyrolysis. Cenospheres are modelled as
the residue left in the fuel droplets towards the end of the simulation. The
mass-transfer and fuel properties models were implemented into a cylinder section
model based on the Wärtsilä W20 engine in the CFD-code Star CD v.4.24.
The different submodels and corresponding parameters were tuned to match
experimental data of cylinder pressures available fromWärtsilä for the studied cases.
The results obtained from the present model were compared to experimental
results found in the literature. The performance of the model was found to be
promising although conclusive validation of the model would require more detailed
experimental results about cenosphere emissions from the specific case studied here.
According to the results obtained from this model the emissions of cenospheres are a
function of both operating conditions and fuel properties. Reducing the share of the
heavy residual component in the fuel will decrease these emissions in all conditions
and thus switching to better quality fuels, with less residue, should decrease these
emissions. Reducing the emissions is also possible through changing operating
conditions. Improving the burnout of the carbonaceous particles decreases emissions
and thus increasing the load or improving atomization leads to lower emissions.
Tässä työssä tutkitaan uutta lähestymistapaa koksi hiukkasten, tai niin kutsuttujen
cenospherien, päästöjen mallintamiseen raskasta polttoöljyä käyttävistä suurista
diesel moottoreista. Käytetty malli perustuu V. Garaniyan University of Tasmaniassa
kehittämään multikomponentti-pisaran massansiirto- ja ominaisuusmalliin. Malli
käyttää jatkuvan termodynamiikan lähestymistapaa mallintaakseen raskaan polttoöljyn
monimutkaista koostumusta ja siitä johtuvia polttoaineen ominaisuuksia.
Täten voidaan mallintaa polttoainepisairoiden höyrystymistä ja pyrolyysiä huomioiden
pisaran koostumus. Cenospherejä mallinnetaan tarkastelemalla pisaroihin
jäljelle jäävää massaa kun höyrystymis ja pyrolyysi prosessit ovat pysähtyneet simulaation
lopussa. Massansiirto- ja pisaran ominaisuusmallit implemetoitiin Wärtsilän
W20 moottoriin perustuvaan sylinteri sektori malliin Star CD v.4.24 CFD ohjelmassa.
Eri alimallit ja niiden parametrit säädettiin siten, että simulaatiotulokset
vastasivat mahdollisimman hyvin koetuloksia mitattujen sylinteripaineiden suhteen.
Mallista saatuja hiukkaspäästö tuloksia verrattiin kirjallisuudesta löytyviin kokeellisiin
tuloksiin. Mallin suorituskyky todettiin lupaavaksi, vaikka mallin perusteellinen
validointi vaatisi yksityiskohtaisempia kokeellisia tuloksia liittyen cenospherien tuotantoon
tutkitussa prosessissa. Tämän työn tulokset näyttävät että cenosphere
päästöt ovat sekä prosessin olosuhteiden että polttoaineen ominaisuuksien funktio.
Polttoaineen raskaimpien komponenttien osuuden vähentäminen vähentää näitä
päästöjä kaikissa olosuhteissa, ja siten parempilaatuisen polttoaineen käyttämisen
pitäisi johtaa näiden päästöjen vähenemiseen. Päästöjä on myös mahdollista vähentää
muuttamalla prosessin olosuhteita. Hiukkasten palamisen parantaminen
vähentää pääsöjä, ja siten kuorman lisääminen tai polttoainesuihkun atomisaation
parantaminen johtaa alhaisempiin pääsöihin.