Transient response of a large two-stroke marine diesel engine coupled to a selective catalytic reduction exhaust aftertreatment system

Abstract

Large two-stroke marine diesel engines are used as the prime mover in the majority of ocean going commercial vessels. With a view of reducing the environmental footprint of the marine sector, the International Maritime Organization has enacted regulations which set strict limits on the emitted NOx emissions from marine engines, also known as IMO Tier III. Selective Catalytic Reduction (SCR) is an exhaust aftertreatment technology which allows compliance with the new emission standards. Due to the need of high exhaust gas temperatures for proper SCR operation, in marine two-stroke applications the SCR system is placed upstream of the turbine, i.e. between the engine and the turbocharger. This disrupts the coupling between the engine and the turbocharger introducing challenges on the transient operation of the engine. Due to the large thermal inertia of the SCR system, the turbocharger responds to an engine load change with a significant time delay, which in low load engine operation might lead to thermal instability of the system. Researchers underlined the system’s susceptibility to thermal instability and proposed complicated solutions to ensure the system’s robust operation, such as Variable Turbine Geometry.This thesis investigates the transient response of a large two-stroke marine diesel engine, without turbocharging variability, coupled to a SCR exhaust aftertreatment system. The objective of the thesis is to investigate the effect of the high pressure SCR system on the transient response of the engine with focus on low load operation. Due to the high cost involved in large engine testing the investigation was carried out via modelling and simulation. Zero dimensional models were developed for the propulsion engine and the SCR system. The engine was modelled in the NTUA in-house engine process simulation code and validated against available steady state measurements from the engine’s shop trials. Moreover, a SCR model was developed to take into account the temperature dynamics of the SCR system and was integrated with the engine model. The SCR model was validated against available measured data from a full scale engine-SCR testbed. In transient loading conditions, the load that the engine has to overcome, i.e. the propeller load, is not known a priori, but is dependent on the complex interactions between the engine, propeller and the ship’s hull. In order to obtain an accurate prediction of the engine load during load transients, models for the propeller and the ship’s hull were also developed and integrated with the engine and SCR models. The coupled model of the propulsion system was validated under transient loading conditions using available on-board measured data from a commercial vessel.Simulations of the propulsion system under transient loading were carried out under both calm and heavy weather conditions. Results showed that the transient response of the engine is indeed affected by the presence of the SCR system and the effect is more pronounced at the lower engine load region. However, thermal instability of the system can be averted and the system is able to operate even during very low load operation.

Οι μεγάλοι δίχρονοι ναυτικοί κινητήρες diesel χρησιμοποιούνται ως μέσο πρόωσης στην πλειονότητα των ποντοπόρων ναυτικών εφαρμογών. Με στόχο τη μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος του θαλάσσιου τομέα, ο Διεθνής Ναυτιλιακός Οργανισμός έχει θεσπίσει κανονισμούς που θέτουν αυστηρά όρια στις εκπεμπόμενες εκπομπές οξειδιών του αζώτου (ΝΟx) από ναυτικούς κινητήρες, γνωστούς και ως κανονισμούς ΙΜΟ Tier III. Η Επιλεκτική Καταλυτική Αναγωγή (Selective Catalytic Reduction, SCR) είναι μια τεχνολογία μετεπεξεργασίας καυσαερίων που επιτρέπει την συμμόρφωση με τα νέα πρότυπα εκπομπών NOx. Λόγω της απαίτησης υψηλών θερμοκρασιών για ομαλή λειτουργία του συστήματος SCR, σε ναυτικές εφαρμογές 2-Χ κινητήρων, το SCR τοποθετείται ανάντη του στροβίλου, δηλαδή μεταξύ του κινητήρα και του υπερπληρωτή (στην πλευρά υψηλής πίεσης του στροβίλου). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την διατάραξη της σύζευξης του κινητήρα και του υπερπληρωτή εισάγοντας προκλήσεις στην μεταβατική λειτουργία του κινητήρα. Λόγω της μεγάλης θερμικής αδράνειας του συστήματος SCR, ο υπερπληρωτής αποκρίνεται σε μία μεταβολή φορτίου του κινητήρα με μία σημαντική χρονική καθυστέρηση, η οποία σε χαμηλό φορτίο του κινητήρα μπορεί να οδηγήσει το σύστημα σε θερμική αστάθεια. Ερευνητές έχουν υπογραμμίσει την ευαισθησία του συστήματος και έχουν προτείνει περίπλοκες και κοστοβόρες λύσεις για να διασφαλίσουν την εύρωστη λειτουργία του, όπως το σύστημα στροβίλου μεταβλητής γεωμετρίας (Variable Geometry Turbine, VTG).Η διατριβή αυτή διερευνά τη μεταβατική απόκριση μεγάλου δίχρονου ναυτικού κινητήρα diesel, χωρίς μεταβλητότητα υπερπληρωτή, συνδεδεμένου με σύστημα απορρύπανσης καυσαερίων SCR. Σκοπός της εργασίας είναι η διερεύνηση της επίδρασης του συστήματος SCR υψηλής πίεσης στην μεταβατική απόκριση του κινητήρα με έμφαση στη λειτουργία σε χαμηλό φορτίο κινητήρα. Λόγω του υψηλού κόστους που εμπεριέχεται στα πειράματα με μεγάλους δίχρονους κινητήρες, η έρευνα διεξήχθη μέσω μοντελοποίησης και προσομοίωσης. Αναπτύχθηκαν μοντέλα μηδενικής διάστασης (zero dimensional models) για την προσομοίωση του κινητήρα πρόωσης και του συστήματος SCR. Το μοντέλο του κινητήρα αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας τον κώδικα προσομοίωσης κινητήρων του Εργαστηρίου Ναυτικής Μηχανολογίας MOTHER και επιβεβαιώθηκε με χρήση διαθέσιμων μετρήσεων από τις δοκιμές αγοράς του κινητήρα (shop trials). Επιπλέον, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο για το σύστημα SCR ώστε να ληφθεί υπόψη η θερμοκρασιακή δυναμική του συστήματος. Το μοντέλο SCR επιβεβαιώθηκε μέσω σύγκρισης των αποτελεσμάτων του, με διαθέσιμες μετρήσεις από μία κλίνη δοκιμών ναυτικού κινητήρα με σύστημα SCR. Σε μεταβατικές καταστάσεις φόρτισης, το φορτίο που πρέπει να υπερνικήσει ο κινητήρας, δηλαδή η ροπή της έλικας, δεν είναι γνωστό εκ των προτέρων αλλά είναι προιόν περίπλοκων αλληλεπιδράσεων μεταξύ του κινητήρα, της έλικας και της γάστρας του πλοίου. Προκειμένου να επιτευχθή ακριβής πρόβλεψη του φορτίου του κινητήρα κατά τη διάρκεια των μεταβατικών φαινομένων, μοντέλα για την έλικα και τη γάστρα του πλοίου αναπτύχθηκαν και ενσωματώθηκαν στα μοντέλα γάστρας και έλικας. Το συζευγμένο μοντέλο του συστήματος πρόωσης επικυρώθηκε υπό συνθήκες μεταβατικής φόρτισης χρησιμοποιώντας διαθέσιμα μετρημένα δεδομένα επί πλοίου.Το συνολικό σύστημα προσομοιώθηκε υπό μεταβατική φόρτιση υπό καλές και δυσμενείς καιρικές συνθήκες. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η μεταβατική απόκριση του κινητήρα επηρεάζεται πράγματι από την παρουσία του συστήματος SCR και το αποτέλεσμα είναι πιο έντονο στην περιοχή χαμηλότερου φορτίου κινητήρα. Ωστόσο, η θερμική αστάθεια του συστήματος μπορεί να αποφευχθεί και το σύστημα είναι σε θέση να λειτουργεί ακόμη και κατά τη λειτουργία σε πολύ χαμηλό φορτίο.