Particulate matter emissions modelling in the context of HFO combustion in large diesel engines

Abstract

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.