Riassunto analitico
Over the last years, shipping had a continuous growth, and in 2016 for the first the estimated seaborne trade volume surpassed the 10 billion tons. In percentage terms this means shipping is responsible for around 90% of the total world trade, an impressive result when looking at how many different modes of transport are available nowadays. The main contributions to the overall maritime freight transport come from large vessels like container ships, bulk carriers and fuel tankers (oil and gas), which are usually propelled by low-speed two-stroke diesel engines. These engines have very high fuel efficiency and are capable of burning low quality fuels like HFO, allowing shipping companies to reduce operating costs. On the other hand, they are also responsible for a significant part of pollutant emissions, like NOx, SOx and PM. In order to reduce shipping impact on the environment, in the last years the International Maritime Organization (IMO) has introduced several norms to regulate emissions from marine engines. Concerning NOx, two restrictions are currently in force: Tier III for sailing in Emission Control Areas and Tier II for global areas. The strict limits imposed on NOx by Tier III cannot be fulfilled by only improving the combustion or by adjusting injection and valve timing, thus other measures are necessary. For this purpose, engine manufacturers are developing new technologies capable of reducing emissions, while still keeping good fuel consumption. One of the most common technical solutions is Exhaust Gas recirculation (EGR), technology that allows to reduce the peak temperatures during combustion and thus NOx formation by recirculating a fraction of exhaust gas back to the engine. However, this emission abatement technology is quite recent in shipping industry, thus still object of studies and researches. The work presented in this thesis fits exactly in the latter context, with the purpose first to examine in depth the physical processes included in the strategy and then to identify between the existing EGR applications which lead to best trade-off between NOx and brake specific fuel consumption. An initial pre-study phase has been carried out to understand the reasons behind certain choices made by the main marine engine manufacturers. As result of this first part, three concepts have been selected to be investigated and compared, including two HP-EGR solutions and a LP-EGR solution. The whole EGR investigation has been carried out following a zero/one-dimensional approach and employing GT-Power as simulation tool. For each EGR topology, a full system model has been built up including all the main components with the objective of representing the real engine as faithfully as possible.To determine pros and cons of each concept and to make a complete comparison between LP and HP-EGR, a detailed simulative DOE study has been conducted, including thousands of steady operating conditions. The post -processing phase has been oriented to the search for the best engine setup in terms trade-off for both Tier II and Tier III mode, due to necessity to cover all the sailing conditions However, the overall comparison doesn’t allow to identify significant differences and thereby to say which topology is more convenient from NOx-BSFC point of view.
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Abstract
Nel corso degli ultimi anni, il trasporto marittimo ha avuto una crescita continua e nel 2016 per la prima volta il volume degli scambi ha superato i10 miliardi di tonnellate. In termini percentuali, ciò significa che il settore navale è responsabile per circa il 90% del commercio mondiale totale, un risultato impressionante se si considerano le diverse modalità di trasporto disponibili oggigiorno. I principali contributi al trasporto marittimo complessivo provengono da grandi navi, come portacontainer, navi portarinfuse e navi cisterna (petrolio e gas), le quali solitamente sono azionate da motori diesel due tempi. Questi motori hanno un'alta efficienza e sono in grado di bruciare combustibili di bassa qualità come l'HFO, consentendo alle compagnie di navigazione di ridurre i costi operativi. D'altra parte, sono anche responsabili di una parte significativa delle emissioni inquinanti, come NOx, SOx e PM. Al fine di ridurre l'impatto delle spedizioni sull'ambiente, negli ultimi anni l'Organizzazione marittima internazionale (IMO) ha introdotto diverse norme per regolare le emissioni dei motori marini. Per quanto riguarda gli NOx, sono attualmente in vigore due restrizioni: Tier III per la navigazione in Emission Control Areas e Tier II per le aree globali. I rigorosi limiti imposti a NOx dal Tier III non possono essere soddisfatti solo migliorando la combustione o regolando l'iniezione e la fasatura delle valvole, quindi sono necessarie altre contromisure. A tale scopo, i costruttori di motori stanno sviluppando nuove tecnologie in grado di ridurre le emissioni e allo stesso tempo assicurare un buon consumo di carburante. Una delle soluzioni tecniche più comuni è il ricircolo dei gas di scarico (EGR), una tecnologia che consente di ridurre le temperature di combustione e quindi la formazione di NOx grazie alla ricircolazione di parte dei gas di scarico al motore. Tuttavia, questa tecnologia di abbattimento delle emissioni è abbastanza recente nell'industria navale, quindi ancora oggetto di studi e ricerche. Il lavoro presentato in questa tesi si inserisce esattamente in quest'ultimo contesto, con l'obiettivo innanzitutto di esaminare in profondità i processi fisici inclusi nella strategia e quindi di identificare tra le applicazioni EGR esistenti quelle in grado di assicurare miglior compromesso tra NOx e BSFC. Una prima fase di pre-studio è stata condotta per comprendere le ragioni dietro le scelte fatte da alcuni dei principali produttori di motori marini. Come risultato di questa prima parte, sono stati selezionati tre concepts da esaminare e confrontare, tra cui due soluzioni HP-EGR e una LP-EGR. L'intera indagine EGR è stata condotta seguendo un approccio zero / monodimensionale e impiegando GT-Power come strumento di simulazione. Per ogni topologia EGR è stato creato un modello di completo che include tutti i componenti principali con l'obiettivo di rappresentare il motore reale nel modo più fedele possibile. Per determinare i pro e i contro di ogni concetto e per fare un confronto completo tra LP e HP-EGR, è stato effettuato un DOE, includendo migliaia di condizioni operative stazionarie. La fase di post-elaborazione è stata orientata alla ricerca del miglior setup motore a livello di compromesso BSFC-NOX per entrambe le modalità Tier II e Tier III, in linea con la necessità di coprire tutte le condizioni di navigazione. Tuttavia, il confronto complessivo non consente di identificare differenze significative e quindi dire quale topologia è più conveniente dal punto di vista consumi-emissioni.
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