NOx-reductie voor Scheepsdieselmotoren

-NOx-reductie

voor

Scheepsdieselmotoren

Job R. Voormolen

4 MO-w

10 maart 1995

Voorwoord

Als student op de Hogere Zeevaartschool te Amsterdam dient iedereen in het vierde jaar een scriptie te schrijven. Men kart kiezen tiit een hele verscheidenheid aan onderwerpen, zolang het maar op de een of andere manier met de mad tieme sector verbonden is. Mijn specialisatie in dit laatste jaar is

werktuigkunde, en daarom lag het voor de hand om een onderwerp in de technische sfeer te zoeken. Daarbij komt dat ik mij, met het oog op de toekomst. wilde verdiepen in een onderwerp dat laternog van pas kan komen. Na mij enige tijd in de bekende technische tijdschriften verdiept te hebben besloot ik het veelbesprok-en onderwerp 'milieuvervuiling' uit te kiezen. Dit onderwerp komt 'aan de war steeds meet in opspraak. helaas loopt men in de scheepvaart in dat opzicht nog enigzins achter. De luchtvervuiling van scheepsmotoren past ( nog niet ) in het leerprogramma en ook de wetgeving is nog druk bezig om deze vervuiling aan banden te leggen.

Zodoende ben ik zelf naar de benodigde informatie op zoek gegaan. De gebruik.te informatie waarmee ik deze scriptie gemaakt heb. komt voor een deel uit tijdschriften. Het grootste deel bestaat echter uit informatie die mij door verschillende bedrijven is toegestuurd. lk wil dan ook de volgende mensen hiervoor hartelijk bedanken voor hun vriendelijke medewerkino:

- J. Bergman, afdelino projects van Stork-Warsilb. Diesel te Amsterdam C. den Hartog. technische afdelinL, van Deutz ivrwm

H. Kromeich. verkoopafdeling van MaK Nederland b.v.

-Inhoudsopgave

Inleiding

4

1

Wetgeving

5

2 Vorming van NO

₈

3 Maatregelen ter beperking van NOx-emissie

12

3.1 'Standaard' aanpassingen aan het ontwerp 12

3.2

Aanvullende maatregel en in de motor 13

3.3 Exteme maatregelen buiten de motor 23

4 Motoren met een beperkte emissie

29

4.1 De Wdrtsila 20 ₃₀

4.2

De Stork-Wartsila 38 31 4.3 Mak 32 ₃₂

4.4

MAN B&W L32/40 34

4.5

16 SW-280 met SCR 36

4.6

SWD 8TM-620 met SCR -'I

4.7

Sulzer 6RTA-38 met SCR 39

4.8

RO-RO ferry M/S Aurora van Helsingborg 41

Conclusie

43

Bijlagen

Bijlage 1 _{Equilibriumvergelijking =14}

Bijlage 2 Equilibriumconcentraties bij diverse temperaturen 45

Bijlage 3 Zeldovich kettingreactie ₄₆

Bijlage 4 Solenoid bediend injectiesysteem 47

Bijlage 5 _{Katalysator vervangingsschema 48}

Bijlage 6 Technische beschrijvi tpz. Siemens SCR-installatie ₄₉

Inieiding

De dieselmotor bestaat inmiddels al meer dan 100 jaar en heeft een niet weg te denken plaats in onze samenleving verworven. Met een alsmaar toenemende wereldbevolking,, die sinds 1950 verdubbeld is, stijgt ook de handel en het transport van Goederen. Vandaag, de dag, wordt zo'n 90 % van alle vracht door dieselmotoren vervoerd in vrachtwagens. treinen of schepen. Voleens ale experts zal de diesel motor deze kopposi tie ook in de toekomst behouden omdat er geen concurrerende altematieven zijn. Gasturhines zijn qua produktie meer dan twee keer zo duur en hebben een beduidend hoaer bmndstofverbruik, voor stoomturbines lig,t dit verbruik nog hoger. Wanneer men een electrische locomotief met een diese II ocomotief veraelijkt blijkt ook bier weer dat de dieselmotor qua rendement in het voordeel is. Dit komt omdat centmal opaewekte energie, compleet met verdeelnetwerkenen electrische aandrijving, qua kosten en rendement nadelig uitpakt. Naast waterkrachtcentrales(

voorzien momenteel 5 % van Europa's energie behoefte kanmen alleen kemcentrales als alternatief beschouwen. zij het dater aan deze methode van eneraie-opwekking enkele grote nadelen kleven.

Anno 1995 is het wegtransport inmiddels al bijna tot het maximale belast. en daarom zal de stijaende behoefte van tranport van Goecieren en personen in toenemende mate via rails en water gebeuren. Op deze terreinen heeft de diesel motor het zrootste aandeel in de aandrijving/voortstuwin0.

Naast de welbekende voordel en van de dieselmotor ( economise& gemakkelijk in onderhoud. mobiliteit. op maat gemaakt voor de belasting, economisch bij deellast. meerdere brandstof

moaelijkheden. grote bekendheid en dus voordelig qua onderhoud en bediening zijn crook enige nadelen. DIE zijn trillingen. vibraties, geluidsoverlast en schadelijke uitlaatgassen.

De schadelijke stoffen in de uitlaatgassen van dieselmotoren zijn:

Stikstof oxiden ( NO.( ) ontstaan wanneer de stikstofmoieculen die deels in de atmosfeer en deels in de brandstof zitten door hoge temperatureng.aan reageren met zuurstof. Naderhand oxideert deze reactie in de afkoelende uitlaatgassen.

Zwavel dioxide ( SO2 ) wordt Gevormd door de aanwezige zwavel in de brandstof Koolmonoxide ( CO ) ontstaat door onvolledige verbranding en kan tot CO, worden omgezet door naverbranding.

Onverbrande koolwaterstoffen ( HC zitten in de brandstofen smeerolie. en kunnen door naverbranding onschadelijk worden gemaakt.

Roet. ontstaat door onvolledige verbrandin a en onreinheden in brandstofen smeerolie. Door hoge verbrandingstemperaturen wordt roetvorrning normaal gesproken voorkomen.

De stikstofoxiden zijn het meest schadelijk. en in een tijd dat bet milieu steeds meer in de aandacht komt, is hier dan ook de meeste aandacht op gericht. zowel door de wetgevers als door de

motorfabrikanten.

4

)

1 Wetgeving

In een tijdperk waarin de aandacht voor het milieu met de dag stijgt ontkomt ook de scheepvaart bier niet aan. Inmiddels zijn er voor auto's en landinstallaties al talloze strenge regels LTemaakt. waaraan de producenten van nieuwe motoren zich uiteraard houden. Deze wetten zijn alien van landelijk,e of lokale aard en dat is nu juist het probleem in de scheepvaart. De mate van luchtvervuiling die schepen hebben op het milieu worth vooral duidelijk op plaatsen met een grote intensiteit. In Noorwegen ontstond grote bezorgdheid toen een studie uitwees dat het aandeel van de scheepvaart in de totale

NOx_emissie 40 % , en _{in de zwavel uitstoot 14 % is. Noorwegen heeft dan oak als eerste aan de bel} getrokken op de tweede intemationale conferentie ter bescherming van de Noordzee in 1987. De ministers van de Noordzee landen zijn toen overeengekomen dat de hiervoor aeschikte organisaties zoals de IMO en de ISO acties moeten ondememen die verrnindering van deluchtvervuilin 2: door

maritieme installaties en verbeteing in de kwaliteit van residuale olie moeten bevorderen. Er zijn inmiddels enkele jaren verstreken. nadere berekeningen hebben uitgewezen dat de scheepvaart onaeveer 7 % van de totale wereldwijde NOx_ernissie veroorzaakt en 4 % van de totale

zwaveluitstoot. Op de 30e MEPC ( Marine Environmental Protection Committee ) bijeenkomst in december 1992 is door een internationale werkgroep onder andere het volgende streven naar voren gekomen:

vervuiler

beoogde doel

_{in het jaar}

SO, 50% van het huidiae nivo. te bereiken door intemationale limieten ₂₀₀₀ in de bunk.erhandel af te spreken met maximaal 1.5 % zwavel voor

oceaantrajecten en 1 % zwavel voor gebruik op binnenwateren en in havens.

NO 70 % van het huidig,e nivo. te realiseren door 'BATNEEC' ( Best ₂₀₀₀

Available Technology Not Entailing, Excessive Cost ).

Wat de IMO betreft blijft de maritieme sector deze eeuw nog; vrij van enige wetgeving, dit hoofdzakelijk vanwege bezwaren door lidstaten die alaemeen als goedkope vlaglanden worden

beschouwd. Zij zeggen meer tijd nodig, te hebben. Dit wekt groot ong,enoegen op bij milieu bewustere landen. zoals de landen rond de Oostzee, die eigen voorstellen hebben gedaan.

In Amerika. waar de wetaeving ( op land ) voor de uitstoot van schadelijke stoffen het zwaarst is heeft men op landelijk nivo nog niet om strengere eisen geroepen omdat men de invloed van de maritieme sector op de totale emissie verwaarloosbaar acht. Op lokaal gebied is dat wel anders, zoals

in Alaska en Los Angelos. Hier zijn zeer strenge eisen voorgesteld. In Europa zijn er recentelijk een hoop voorstanders ( waaronder Nederland ) voor het uitbreiden van de reeds bestaande wetaevina op het land naar de maritieme sector.

Enkele voorbeelden van lok.ale voorstellen voor landinstallaties zijn:

Duits land

Ca1iforni

Japan

TA-Loft

CARB

Osaka

gr/m3 5% On TA-Luft voorgestelde binnen stad

amendement ingang vanaf reeds enkele

mei 1991 1995 _{jaren van kracht}

NO

1.00 0.53

0.47

roet

0.08 0.16

De grenswaarden van Californie en Osaka zijn omgerekend naar de TA-Lull eenheid van gram per m3 met 5% 02.

Dan is er nog een 2roep die net beoogde doe van de IMO voor de aehele maritieme sector niet haal baar acht. wanneer de verminderde emissie door nieuw te bouwen schepen alleen gerealiseerd moet warden. Zij zijn van mening dat een algehele reductie van 30 % al leen te bereiken is door reeds bestaande motoren oak aan te passen.

Er werd een nieuwe werkgroep opgericht: CIMAC Exhaust Emission Controls Working Group. Deze werkgroep bestaat uit de zes grootste scheepsrederijen. zeven motorfabrikanten en vier technische- en onderzoeksinstellingen. Het doe van deze werkg,roep is om een intemationale discussie op gang te brengen over de verschillende voorstellen en hierdoor de aanname van realistische en uniforme wetgeving, die aebaseerd is op technische. economische en milieu beginselen. te bevorderen. Zij zijn van mening dat de vereiste reductie van 30 7c) voor nieuw te ontwikkelen motoren goed haalbaar is. maar achten de kans om dit voor bestaande modellen te realiseren zeer onwaarschijnlijk. Hun voorstel is dan oak om de wetgeving zodania in te voeren dat de maritieme sector er minimal e hinder van heeft. en dat bestaande lokale voorstellen samengesmolten worden met de huidig,e IMO-voorstellen. De werkgroep stelt ook voor dat de discussie over uitzonderingsgroepen kortgesloten moet worden door bij voorkeur een uitzondering tot een een bepaald motorvermogen en niet tot een bepaald tonnage in te voeren. aezien er veel kleine boten/schepen met een overgedimsioneerde motor

rondvaren. Een wet op de emissie moet. 2ezien het internationale karakter. door de_IMO

gentroduceerd worden. De regels dienen uit een enkel systeem te bestaan dat wereldwijd van kracht wordt. Voorts erkent men dat er op sommige plaatsen een aanvullende wet moet komen. met

zoaenaamde 'Special Areas'. Het raamwerk waaraan de IMO momenteel werkt voorziet al in deze aebieden.

De mate waarin de NOx_uitstoot vermindert moet warden diem overeen te stemmen met de technische mogelijkheden op het tijdstip van ingang, om voorts op gelijke voet met de verdere ontwikkeling van de techniek mee te lopen. Op dit moment zijn era! serieuze voorstellen gedaan door twee

verenigingen van motorfabrikanten. Het eerste voorstel is gedaan door Euromot. de ettropese vereniging van motorfabrikanten. Het tweede voorstel is via het Japanse ministerie van transport gedaan. Beide voorstellen zijjn gebaseerd op de huidige motortechnologie en zijn via een wiskundige formule afhankelijk van het toerental van de motor ( tot 1200 rpm ).

NOx = a / rpm b- gr/kWh I EUROMOT a nominaal belast 30.97 0.167 "")- volgens de schroefwet 34.23 0.167 JAPAN I- notninaal belast 45.00 0.2 0 200 400 600 Engine speed /rpm) 800 1000

Fi;...;uur I. ernissievoorstel van Euromot.

Een andere grote verenigde groep motorfabrikanten stelt een enkel maximale emissie waarde voor waar alle motoren aan moeten voldoen, ongeacht het toerental en de grootte van de motor. Als tussenfase stelt deze groep een emissieliniet_{voor die gebaseerd is op het type schip en zijn}

diensttraject. Hoewel er nog flinke mening,sverschillen zijn over de manier waarop de arenswaarden vastgesteld moeten worden is iedereen het erover eens dat ook de scheepvaart nu eindelijk vat moet doen. Ondertussen zijn era! diverse veerbootdiensten die op eigen initiatief al hun uitstoot van schadelijke stoffen beperkt hebben en reclame maken met een milieu vriendelijk imago.

Het verschil in de coefficienten komt door een verschil ten tijde van de invoer. Fig.,uttr 1 laat het voorstel van

van mening, over de haalbare mogelijkheden Euromot gratisch zien.

-Emission (g/kWhI 25 20 15 10 Marine 5 Stationary 0 '1-NOx

2 Vorming van NOx

De stikstofoxiden worden hoofdzakelijk door verbrandingsmotoren gevormd. Onderstaande tabel last zien dat het diesel proces in vergelijking met andere verbrandingsprocessen vrij veel NOx-vorming., per eenheid van opgewekte energie heeft.

verbrandingsproces

gas gestookte ketel olie gestookte ketel kolengestookte ketel benzinemotoren stat. benzinemotoren 4--slag, diesel 2-slag diesel fasturbine

1 ppmv NO ( x % 02 ). droog gas a121-x mg NOx/MJ (NOx als NO2) a = 11.1 voor kolen en °lie. a = 10.3 voor gas.

NON, stikstofoxiden ontstaan op twee manieren door verbranding in een diesel proces. Ms eerste k.an er stikstof in de brandstof zitten, bij sommige brandstoffen kan dit wel 1 % zijn. Wanneer dat het geval is, dan oxideert age aanwezige stikstof ( NO ) tot NON. De reactie treedt al bij een vrijlage temperatuur op en is betrekkelijk on.gevoelk/voor temperatuursveranderingen. Het is niet moaelijk om deze NOx-vorming via modificaties aan de motor te voorkomen. Deze vorming van NON, ook wel bekend als 'brandstof-NO' kan dan een bijdrage van ca. 300 ppmv of 20 % van de totale NOx-productie bedragen. Aanaezien motorfabrikanten geen invloed op dit verschijnsel hebben wordt deze NOx_vorming verder niet besproken.

De tweede manier van NOx-vorming is wanneer de aanwezige zuurstof- en stikstofmoleculen gaan reageren. Op bijlage 1 staat een form ule die aangeeft hoeveel NO er gevormt is uit stikstof- en zuurstofmoleculen bij een bepaalde temperatuur ( in graden Kelvin ) in de evenwichtstoestand. Hieruit blijkt dat de parameters voor de vorming van NOx de volgende zijn :

partiele zuurstofdruk partiele stikstofdruk

temperatuur van het mengsel

ppmv NO

mg NOx/MJ

50 - 500 1 25 - 250 200 - 600 3 125 - 350 400 - 700 6 300 - 500 1000 - 4000 0 500 - 2000 300 - 1000 5 200 - 800 600 - 1400 13 _{800 - 1900} 1000- 1700 15 2100 - 3100

100- 300

15

200- 500

%

Hieruit blijkt duidelijk dat de temperatuur de grootste invloed heeft. Bijlaae 2 laat dit tevens zien. Een tweede belangrijke factor is tijd. Het verband tussen tijd en de oevormde hoeveelheid NO is jets ingewikkelder. De chemische reactie worth in 3 delen opgesplitst. zoals te zien is op bijlage 3. Samen vormen zij de zogenaamde Zeldovich kettinareactie, naar de bekende ingenieur die dit verschijnsel in 1946 ontdekte.

Zoals duidelijk blijkt 'lit de reactie is de hoeveelheid aevormde NO per tijdseenheid afhankelijk van de concentratie reagerende stoffen en wederom sterk afhankelijk van de temperatuur van het menasel.

Wanneer men de veroelijking integreert kan men de totale hoeveelheid a,evormde NO op een bepaald tijdstip vinden.

Door het verkorten van de beschikbare reactietijd kan de werkelijk.e gevorrnde NO-hoeveelheid minder zijn dan de hoeveelheid die in de evenwichtstoestand ontstaat. De temperatuur en de tijd hebben dus de grootste invloed op de NOx-vormina.,.

Wanneer we naar het verbrandingsproces in de dieselmotor kijken zien we dat de hoae temperatuur tijdens de verbrandino in de cilinder ontstaat door:

stookwaarde brandstof - ternperatuur verbrandinoslucht turbodrukvulling compressie-verhoudin - ontstekinastijdstip homogeen lucht/brandstolmenasel grootte van de motor

- motorbelastin 2

Op de eerste twee punten heeft de motor ontwerper weinig invloed. Door de hoE.Tere brandstofprijzen zijn inmiddels all e moderne hulpmotoren op schepen uitaerust om zware olie te verstoken, of een menasel van diesel en zware olie. De luchtkoeler is inmiddels een standaard onderdeel van de motor geworden, net als de turbo. De compressieverhouding, maximale verbrandinasdruk en aemiddelde effecti eve druk hebben in de laatste 50 jaar een grote stijging meea.,emaakt. Zo is voor vierslaa

motoren de maximale verbrandingsdruk van ca. 80 bar ( in de zestiger jaren ) met een factor 2

toegenomen. en verwacht men dat dit in de nabije toekomst zelfs een factor 2.5 wordt. Teraelijkertijd nam de oemiddelde effectieve druk toe van ca. 11 bar tot 21-23 bar. De overproportionele stijaing _van de verbrandingsdruk in de laatste jaren komt door de verwoede inspanninaen van de

motorfabrikanten om een krachtiaere compacte motor te bouwen en teraelijkertijd het specifiek brandstofverbruik te verminderen. De afsteilin g, van het ontstekinastijdstip en de menging van [Licht en brandstof zijn in de laatste jaren zodanig ontwikkeld dat ze het rendement optimaal ten aoede k.wamen ( VIT-reaeling voor deellast. von m inlaat-luchtpoortenetc. ).

De arootte van de motor heeft een kwadratische verhouding met de warmteverliezen. Hoe groter de motor. hoe minder de kern afkoelt tussen de verbrandingen in. dit heeft uiteraard een positief effect op het thermisch rendement.

In principe wordt een diesel motor aan boord vrijwel altijd volbelast. Voor voortstuwingsmotoren op grote schepen gaat dit zeker op omdat de vaste dagkosten hoger zijn dan de brandstofkosten. De hulpmotoren worden zo mogelijk ook volbelast om vervuiling van de motor tegen te gaan. Het is duidelijk dat bij hogere belastingen de temperaturen in de verbrandingskamertoenemen omdat er meer energie opgewekt wordt en de warmteverliezen relatief gezien minder worden.

De tweede factor die invloed heeft op de NOx-vorming is de tijd dat de verbranding duurt. De tijdsduur van de verbranding in een dieselmotor wordt bepaald door:

inspuitdruk en de mate van vemevelin! luchtibrandstof verhouding,

- naverbranding

vorm verbrandingsruimte ( cilinderkop en zinger)

De Britse motorconstructeur Ricardo heel de periode nadat de brandstof ingespoten is in de motor onderverdeelt in vier fasen.

I- ontstekingsvertraging onbeheerste verbrandina beheerste verbranding naverbranding

De ontsteking,svertraging is afhankelijk van brandstofeigenschappen ( zware olie heeft meer moeilijk ontbrandbare koolwaterstoffen dan diesel en dus een langere ontstekingsvertrkaing ), vorm van de verbrandinsruimte wordt later besproken 1. detemperatuur in de ruimte na de compressieslag. de luchtovermaat en verstuiving, en de grootte van de brandstofdruppeltjes.

Hoe groter de diameter. des te [anger duurt het voordat deze druppeltjes opgewarrnt en verdampt zijn. Zo is de opwarmtijd van een druppel van 80 micrometer dusdanig groot dat de verbrandin,g te lang duurt en er zelfs onverbrande brandstofdeeltjes kunnen worden afgevoert. Een diameter van 20 micrometer heeft een verwaarloosbare opwarmtijd._{en het spreekt voor zich dat om die reden een} fijne verstuiving wenselijk is.

De verbrandina van het eerste gekraakte brandstofdeeltje begint in de tweede fase, waarin de

brandstof die tijdens de ontstekingsvertraging ingespoten is. verbrandt. In deze periode lopen druk en temperatuur zeer snel en ongecontroleerd op. In de derde fase is er een beheerste mate van inspuiting en verbranding. De warmte ontwikkeling in de verbrandingsruimte blijft echter achter bij de toevoer van brandstof door de afnemende concentratie zuurstof. Hoe minder de luchtoverrnaat en de

10 (

verneveling van de brandstof, des te meer blijft de warmte ontwikkeling achter. Als de effectieve persslag ophoudt zijn er nog onverbrande brandstofdeeltjes in de verbranding,sruimte. Deze verbranden nu alsnog. Dit onvermijdelijke verschijnsel dient zoveet mogelijk beperkt te worden omdat dit naast een dating van het rendement de tijdsduur van verbranding ernstig verlengt, hetgeen

naast NOx-vorming ook oververhitting van motor onderdelen kan veroorzaken.

De vorm van de verbrandingsruimte is in de afgelopen jaren niet ongewijzigd gebleven. De steeds hog,ere slag/diameter verhouding maakte aanpassing noodzakelijk. Door de vorm van deze ruimte is de snelheid van de verbranding vooreen rootdeel direct te beinvloeden. Dit hangt nauw samen met de iniaat van lucht en brandstof. welk-e een bepaaide draaiing kunnen meekrijgen. Zo worden bij tweeslagmotoren de inlaatpoorten schuin uitgefreest, bij vierstaamotoren wordt aan de inlaatleidina voor de kleppen een draaiing gegeven, en bij alie motoren is de platte zuigerkop inmiddels vervangen door een enigzins uitE,Yeholde. omdat men inmiddels ook de zuigerkop als een onderdeel van de verbrandingsruimte is aaan zien.

De vorm van de verbrandingsruimte wordt tec_renwoordi a met _{zeer uitgebreide drie-dimensionale} computerrnodelen ontworpen om de verbranding optimaal te laten veriopen.

3 Maatregelen ter beperking van NOx-emissie

De maatregelen die motorfabrikanten kunnen treffen om de uitstoot van de giftige stikstofoxiden te

beperken zijn in drie groepen onder te verdelen:

'standaard' aanpassinaen aan her ontwerp - aanvullende maatregelen in de motor

exteme maatregelen bui ten de motor

3.1

IStandaarcr aanpassingen aan het ontwerp

Hiermee worden de volg_ende aanpassingen aan de motor bedoelt:

Ian gere slag,

- verhoogde compressie verhoogde piekdruk

De huidige dieselmotor heeft een tweevoudig verbrandingsproces: gedeeltelijke verbmnding onder constant volume en gedeeltelijke verbranding onder constante druk., dit in tegenstelling tot de

oorspronkelijke dieselmotor die verbranding onder constante druk had. Het huidige

verbrandingsproces vereist een snelle verbranding om tot een optimale verhoudimg tussen specifiek brandstofverbruik en NOx-vorming te k.omen. Dit wordt ondermeer bereikt door een hogere compressieverhouding, hetg,een this door een langere slag bereikt wordt en bijkomsti_a een stij,_ging,

van het theoretisch thermisch rendement als gevols.= heeft. De piektemperatuur stijgt terwijl het specifiek brandstofverbruik daalt. Een stijg,inc,, van de piek.temperatuur betekent in dit geval !Teen

stijg.ing, van de NOx-vorming omdat het verbranding,sproces_{nu sneller verloopt. zodat er minder} beschikbare tijd is om NO te vorrnen. Wanneer men de slag/boring verhoudina _{vergroot. verandert} er het een en ander mee in de motor. Er rnoet altijd voldoende hoogte boven de zuiger overblijven _om de ideale kleplichthooate en spoelluchtverstuiving zoved mogelijk te benaderen. Om nu toch de cilinderwand in thermisch opzicht zoveel mogelijk te ontlasten, en tergelijkertijd de balans tussen specifiek brandstofverbruik en NOx-emissie niet te verstoren, mg de verhouding, tussen gemiddelde ,?,elndiceerde druk en spoelluchtdruk niet te veel oplopen. Dit betekent dus dat er turbo's met een hogere vuldruk LYebruikt moeten worden ( o.a. ABB VTR-4P serie ).

Uit een verhoogde compressiedruk voigt automatisch een hogere piekdruk. Een sneller verioop van de verbranding wordt tevens voor een zeer groot deel bepaalt door de vorm van de

verbrandingsruimte efficienter te maken.

12

-Zo worden de zuigerveren bijvoorbeeld meer naar boven geplaatst en Ale, voleens drie-dimensionale computer berekeningen 'onnodiee ruimten zoals de ruimte die in de overgang van de cilinderk.op naar de ciiinderwand zit ) worden ope,evuld. Zodoende verbetert men het verbrandingsproces en voorkomt men dater gedeeltelijke onverbrande koolwaterstoffen achterblijven.

3.2 Aanvullende maatregelen in de motor

Flier e,aat het om modificaties die nag steeds de motor zelf betreffen, maar al een stuk verder !min dan de eerst genoemde categorie. Deze zijn:

verlate inspuiting

aanpassing tijdsduur en de inspuiteigenschappen zelf uitlaatgassenrecirculatie ( EGR )

waterinjectie

Wanneer men de inspuitinLY van de brandstof verlaat, dan daalt de maximale verbrandinesdruk in de motor. heteeen op zijn beurt weer een daline van de piektemperatuur tot aevole, heeft. Hierdoor is her moeelijk om de NOx-vormine met maximaal 30 % te verminderen. De mate waarin de inspuitine verlaat wordt varieert van 8° bij vollast tot 4° bij deellast.

Het verlaten van het moment van de brandstofinspuiting betekent dat het verbrandimzsproces verder van het kringproces van Carnot af komt te ligaen ( verbrandina met constant volume in bovenste dode punt ). De warmte wordt nu namelijk niet meer bij de hoogst mogelijke temperatuur toee,evoerd, en dat resulteert in een daline van het rendement. Wanneer men op deze manier de NOx-vormine met 30 % wil verminderen stijgt het brandstofverbruik_{met 5 %.}

Een nadeel van het verlaten van de inspuiting is dat de uitlaateassen donkerder van kleur worden. Vooral bij residuale brandstoffen stijgt de rookvormine en de concentratie van kool monoxide en onverbrande koolwaterstoffen in de uitlaataassen. De mate waarin de inspuiting verlaat kan worden hangt dus heel sterk af van de eigenschappen van de gebruikte brandstof. Dit maakt deze manier van NOx_reductie dan ook meer geschikt voor destilaat brandstoffen dan voor residuale brandstoffen.

De componenten die de brandstofinspuitine_{verzorgen ( verstuiver, pomp, nokvorm ) hebben een} grate invloed op de NOx-vorming. De verstuiver bepaalt voor een groot deel de verbrandine in de

motor. Het doel van de verstuiver is om de brandstof zo homoeeen mogelijk_{in de} verbrandingsruimte te verdel en.

Dit bereikt men in eerste instantie door zoveel mogelijk verstuivereaatjes in de verstuivertip te maken. Wan neer de brandstof volledie homoaeen verdeelt is in de verbrandingsruimte zal er overall de zelfde temperatuur gevormd worden en bl Liven extreme piektemperaturen ult. Proeven_{met een}

-Stork TM-620 motor wijzen uit dat er bij een conventionele verstuiver drie verschillende

temperatuursstijgingen tijdens de verbranding ontstaan. De laagste temperatuur ( 900°K ) wordt gevormd op een plaats waar de armste brandstot/lucht verhouding is. de middelste temperatuur wordt bereikt in een gebied waar een min of meer stochiometrische verhouding bestaat. en de hooaste temperatuur ( 3000°K wordt gevormd in een gebied met een overschot aan brandstof. Vervolaens heeft men de gevormde hoeveelheid NO berek-end die aan het eind van de verbranding oevormd is ( de duur van de verbranding is op 500 krukgraden oftewel 0.02 seconde gesteld ), tezamen met de equilibriumconcentratie.

brandstoUlucht verhouding

totaal gevormd

equilibrium

zeer arm 1 2067

stochiometrisch 5666 8043

zeer rijk 19898 19898

In het mengselarme gebied is er nauwelijks NO gevormd. bij een stochiometrische verhouding is at 70% bereikt, en in het gebied met een overschot aan brandstof is de voile 100% van de maximaal te vormen NOx ontstaan. Hieruit blijkt duidelijk de noodzaak voor een goede verstuiving zodat er zo min mogelijk gebieden met een rijke brandstof/lucht verhouding ontstaan. Dit vereist dus een verstuiver met een maximaal toelaatbaar aantal verstuivergaatjes.

Aan de brandstofpomp en de nok kan in het kader van de NOx-vorming ook nog het een en ander verbetert worden. Om een optimale verhouding, tussen rendement en NOx-vorming te krijgen moet de pomp de volgende eigenschappen bezitten:

- korte injectie periode

hoge injectiedruk ( ± 1500 bar bij de verstuiver ) geen cavitatie aan de hoge druk zijde

stabiele naaldheffing, snel le opening en sl uiting - aanvaardbare mechanische belasting

Een korte injectieperiode en een hoge injectiedruk worden bereikt door de vorm van de aandrijvende nok te veranderen. Men kan de steilheid van de eerste nokflank groter maken en zodoende

hoeveelheid ing,espoten brandstof tijdens de ontstekingsvertraging, beperken. Hetzelfde geldt voor de nokflank die het einde van de slag bepaald: zodra de juiste hoeveelheid in te spuiten brandstof is bereikt moet de brandstofinjectie abrupt afbreken. Zodoende beperkt men de naverbranding en d us ook de concentratie van onverbrande k-oolwaterstoffen en roet. Het construeren van zo'n nok is verre van eenvoudig en kan ivm. de optredende materiaalbelastingen slechts benaderd worden.

14

Een toename van de gemiddelde injectieciruk tot rond de fl 500 bar heeft als voordeel dat de

verstuiving., beter wordt, en dat het korter (-Nut om de benodigde hoeveelheid brandstof te injecteren. Dit laatste heeft in combinatie met de hierboven beschreven verlate inspuitng her voordeel dat her specifiek brandstofverbruik niet aangetast wordt: het is nu namelijk nog steeds mogelijk om de

injectie vlaki na top te doen plaatsvinden.

De fabrikant l'Orange heeft de extra slijtag,eproblemen die bij continue injectie van 1500 bar optreden succesvol opgelost door speciale coatings ( er wordt onder andere met titanium-nitrit gewerkt _{lop de} loopvlakken van de plunjer en her huis aan te brengen. de pomp heeft een langdurige test op zware olie van 20.000 uur goed doorstaan. Wanneer men de injectiedrukken naar 1800 - 2000 bar wil verhogen moet er echter een volledige nieuwe pomp met een versterkte nokkenas en as-aandrijving ontworpen warden.

Om nu te zorgen dat de toegevoerde volumestroom brandstof naar de plunjer toe gelijkmatiz blijft en er geen cavitatie optreedt bieden dempers in de toe- en afvoerleidingen een oplossing.

Bij een conventionele verstuiver heeft de naald die de brandstoftoevoer naar de verbrandingsruimte opent en sluit. een conische vorm met een jets grotere tophoek ( 0.5° ) dan de tophoekvan de zitting,. MAN B&W Diesel heeft een nieuwe verstuiver ontwikkeld waarbij de afsluitina van de brandstof op een andere manier geschiedt. In plaats van een conische naald cgebruikt men het cilindrische _holle einde van de stift om de verstuivergaatjes af te dichten. Verder zijn alle onderdelen van de verstuiver identiek aan het oorspronkelijke model. Her arote voordeel is nu dater geen brandstof meer uit de verstuivertip kan weglekken in een later gedeelte van de arbeidsslag. Deze verstuiver is uitvoerig getest op verschillende motor grootten, van de K90MC tot de S26MC aan toe. De resultaten zijn verbluffend hoog. de NC x wordt met 20-25 % beperkt. onverbrande koolwaterstoffen dalen met

15-30% en de roetvorming, neemt met 20-50 % af. Een lichte damper isdater bij sommige motoren een stijging in het specifiek brandstofverbruik van la 2 % zemeten is.

Fuel pressure I sensor Fuel pressure Fuel pressure; control Common rail Valve signal ECS Low pressure

High pressure pump High pressure

Fialur 2. schema L'oranize common rail system.

L_L.; ,... Injector Engine speed Additional informations Drain ( ) I

Een ontwikkeling die bij scheepsdieselmotoren nog in de Icinderschoenen staat is die van de electronisch geregelde brandstofinjectie. Bij vrachtwa.eenmotoren met hogere toerentallen is deze manier van injectie al enie,e tijd bekend. Het grote voordeel van een electronische regeling is dat alle oeoevens van de motor ( deellast. snel wisselende belastingen, emissiegegevens. verschillende bmndstoffen etc. ) betrekkelijk eenvoudie en goedkoop in een computer eeheueen zijn vast te leggen. jets wat op mechanische wijze nooit eezamelijk in te stellen is. Zoals in fieuur 2 te zien is vallener een aantal onderdelen van de motor wee. De nokkenas en de aparte brandstofpompen voor iedere cilinder worden vervaneen door een 'common rail system waar de brandstof onder _{constante hoge} druk staat en via solenoidkleppen naar de verstuivers wordt gestuurd. Deze oemeenschappelijke hoge dnik brandstofleiding wordt door een pomp gevoed. De opbrengst van deze pi unjerpomp wordt electronisch geregeld en is afhaakelijk van de belasting. Deze uitvoerine blijktvoor gotere dieselmotoren ( Dorman SE, Allen's Sl2G. Electro-Motive's 710 en Caterpillar's 3500en 3600 serie ) steeds minder voordelen te hebben. Dit komt omdat de pompcapaciteit van een enkele pomp ontoereikend is. en er geen constante druk meer in de 'common rail' te handhaven is.

Een Engelse specialist op dit gebied, Lucas Bryce heeft echter een systeem ontwik-keld dat geschikt is voor grotere motoren en toch nog met de solenoidkleppen werkt. Dit principe is op de bijla2e te

zien.

Deze methode vereist wel een nokkenas met aparte nokken en plimjers voor iedere cilinder. De brandstof worth via een poort in de pompcilinder toegelaten. De plunjer wordt door de nok

aangedreven en sluit de inlaatpoort af. De brandstof stroomt echter direct via de openstaande solenoid bediende klep wee naar de retourleidino. Wanneer de solenoid bekrachtigt wordt sluit de

overstroomIclep zich en bouwt de druk zich heel snel op in de toevoer naar de verstuiver, die vrijwel onmiddellijk zal openen. De injectie eindigt zodra de computer de bekrachtigine van de solenoid opheft. De veerdruk zal dan de overstroomklep openen. Het grote voordeel is nu dat de

eieenschappen van het begin, de duur en het einde van de injectie niet in het nokontwerp verwerkt hoeft te worden, zodat deze betrek-kelijk eenvoudig eeconstrueerd kan warden. De huidiee motoren op schepen. zowel hoofd- als hulpmotoren zijn allemaal eeschikt om op zware olie te draaien.Het 2rootste struikelblok op dit moment is dan ook dat de bijbehorende electronica ( nog ) niet bestand is teeen de temperaturen waarmee zware olie geInjecteerd wordt _{150 °C ). Het is dan ook de vraag of} deze injectie-reeelino ooit op de maritieme markt eebracht zal warden.

De recirculatie van uitlaatgassen is een techniek die al in de jaren '50 uitoebreid onderzocht is. In de voertuioentechniek is het sfebruik van uitlaateassen recirculatie een vrij bekende manier om aan de strenee eisen te voldoen. In Amerika en Duitsland zijn er reeds zeer strenize normen voor onder andere dieselmotoren. Mercedes-Benz heeft bijvoorbeeld al sinds 1990 een turbodiesel I 250-D ) die voorzien is van uitlaatoassenrecirculatie en een katalysator.Ook andere fabrikanten hebben zulke motoren op de markt eebracht.

Het effect dat het recirculeren van uitlaateassen heeft is eebaseerd op het 'verrijken' van de

verbrandinoslucht met stikstof( N, ), en teeelijkertijcl het gedeeltelijk vervan!en van zuurstof ( On )

16

door de inerte stof k.00ldioxide ( CO-, ). De concentmtie zuurstof in de verbmndingslucht wordt nu door menging gereduceerd tot het punt waarbij nog net een complete verbranding mogelijk is. Proeven hebben uitgewezen dat dit voor dieselmotoren een luchtovermaat van ong,eveer 1.1 is. Het gevolg van een zuurstof-arme verbrandinasniimte is dat de verdampte brandstofdeeltjes zich tussen de CO, en N, moleculen door wringen op zoek naar het zuurstof molecuul om de verbrandingsreactie aan te gaan. Hierdoor vindt er een intensieve warrntewisseling plaats tussen brandend gas en de inerte stoffen. De stof CO-, bestaat uit 3 atomen en heeft daarom een grotere capaciteit om warmte op te nernen dan de uit twee atomen bestaande stof NO2. De CO, neemt een groot deel van de vrijgekomen warmte in zich op met als resultaat dat de temperatuur in veraelijking met een verbmndinasproces met volledige verse lucht een stuk lager is. Om een maximale NOx-reductie te bereiken moeten de

gerecirculeerde uitlaatgassen dan ook zo ver mogelijk afgekoeld worden. Het verschil in de twiner van warmte ontwikkeling in een motor met recirculatie is dat de warmte ophouw veel gelei del ijker gaat, en uiteraard minder wordt. In een aewone motor waar een tlinkeluchtovermaat is, verbrandt de brandstof zeer snel op plekken met een rijke brandstofilticht verhouding en worden daar de hoae piektemperaturen gevormd. De hoae piektemperaturen worden naderhand enigzins afgekoeld door onaebruikte verbrandingslucht en door verbrandingsaas dat in een arme hrandstof/Iticht verhoudina ontstaan is en dat dus een lagere tempemtuur heeft.

Bij een verbrandinasproces met gerecirculeerde iiitlaataassen moet praktisch all e gelijkmatig verdeel de zuurstof in de verbrandingsniimte aebruikt worden om de brandstof te verbranden. Dit betekent

_dater

een confirm menproces is waardoor de warmte zeer aeleidelijk oploopt.

Een onvermijdelijk nadeel is dat bij uitlaataassenrecirculatie de vorming van roet toeneemt wanneer de verbrandingstemperatuur daalt ( en dus de NOx-vormina ). Sterker nog, het beperken van de

luchtovermaat veroorzaakt at een verhoogde roetvortning tijdens de verbrandina. Dit dilemmawas begin jaren '80 voor de meeste fabrikanten al reden aenoeg om van deze methode van NOx-reductie af te stappen.

Het opvoeren van de drukvullina met betere turbo's is een goede manier om minder roet te vormen en toch een temperatuursstijging te voorkomen. Wanneer men de I ucht/brandstof verhouding opvoert en een luchtkoeler toepast is de stijain2, van de verbrandingstemperatuur namelijk nihil. Fen ander. _zo

moaelijk nog aroterprobleem is het ontwerpen van een betrouwbaar zelf-reaenerend filterdat de roetdeeltjes [lit de ilitlaatgassen haalt. die onvermijdelijk gevormd worden. De techniek om turbo's te ontwerpen is inmiddels een stuk verder en ook zijn er inmiddels betrouwbare filters, zoals die van KHD/Deutz ( figuur 3 ). Dit filtersysteem bestaat uit een keramisch filter dat thermisch aereaenereerd wordt met een speciale brander. Dit systeem is in staat om de roetvorming van tiitlaatgassen met een NOx-concentratie van 0.5 gram /m3 beperkt te houden tot en met een aemiddelde 2e-indiceerde druk van 18 bar. Het is ook moaelijk om de reaeneratie electrisch nit Ic voeren met aloeipunten of een ( electrisch verhit ) rooster.

Voor een NOx-reductie van 50 % moet er ongeveer 10-20 % uitlaatgassen !erecirculeerd worden. Het aanbrenaen van een recirculatie systeem op bestaande motoren is niet moaelijk omdat er zo'n 5 tot 10 % zuurstof vervanaen wordt door inerte gassen_{en de drukvullina dus sterk opaevoert meet}

warden om de roetvorming te voorkomen. of men moet filters inbouwen. De aanwezigheid van roet

in de iiitlaatgassen heeftal s gevolg dat de turbo en de iiitlaatgassen koeler snel kunnen vervuilen. en

dat slijtage van cilinder en zui ger een versnelde vorm krijgen. Warineer de motor afg,esteld isvoor

[age_{roetvorming, dan zijn deze problemen vrij eenvoudig op te lossen indien men laag}

zwavelhoudende dieselolie als brandstof aebruikt. Wanneer men echter zware olie verbruikt tredener

grote problemen op. Bijkomend nadeel is dat deze NOx-reductie methode well ten koste gaat_{van her}

specifiek brandstof verbruik. dit stijgt met enkele procenten. Ondanks dit alleszegt dr. Jacob

Vollenweider. de manager van de 'emissie-afdeling' van New Sulzer Diesel dat dezemethode van

NOx-reductie de meest effectieve is en een grote toekomst heeft bij Sulzer.

Engine Oil Temp.

Diesel Fuel

Exhaust

Burner Air Compressor

Fieuur 3. Deutz in line full-flow monofilter system.

In vergelijking met uitlaatgassenrecirculatie is de toevoegingvan water aan de brandstof een simpelere

methode om door temperatuursdaling de NOx-vorming te verminderen. Fret ideestamt uit de

19e eetiw toen Benski water g,ebruikte als_{een intern koelrniddel voor het Otto-proces. Het principe is}

gebaseerd op de verdamping,swarmte die water aan zijn omgeving onttrekt wan_nneer het verdampt tot stoom. Er zijn meerdere manieren van water toevoeging:

water na dedrukvull in; in de verbrandingslucht vernevelen

water gesynchroniseerd boven de inlaatkleppen verstuiven - water in de verbrandinasruimte verstui ven

- water-emulsie brandstof Engine Speed Exhaust Temp.

Backpressure---0.

11.4 Filter Temp. Burner Control Burner Trap ECU Exhaust out Ignition_System ifs

-Het verstuiven van water in de gecomprimeerde verbrandingsl ucht is betrekkelijk eenvoudig en kan zelfs naderhand in een motor worden ingebouwd. Resultaten van proeven met een 3000 KW V-16 medium-speed motor hadden goede resultaten: 30-40% reductie met een betreklcelijk gering verlies Iin rendement. Bij latere proeven, heeft men een vernevelaars (een voor elke inlaatpoort ) gepraatst. Dit verminderde het gevaar van het onevenredig belasten van de cilinders. Een groot voordeel is dat de installatie af te zetten is als de motor bijvoorbeeld in deellast draait en de afkoelingsverschijnselen

te groot Worden. Bovendien verandert er verder niets in het motor ontwerp. Anders wordt het

wanneer er water direct ( voor de verbranding ) in de verbrandingsruimte wordt verstoven. Men kan dit doen door een extra verstuiver in de kop naast de brandstof verstuiver te plaatsen of door een verstuiver ( centraal geplaatst ) zowel brandstof als water onafhankelijk van elkaar te laten injecteren. In beide gevallen moet er een flinke aanpassing in her ontwerp van de motor plaatsvinden. Het verbruik van ( schoon ) water moet men trouwens niet onderschatten: dit zal zo'n 50% van de verbruikte hoeveelheid brandstof zijn. Deze methoden van water injectie zijn onder andere op een. tO MW voortstuwingsmotor aan boord getest en hadden een positief effect op de NOx-reductie. Helaas nam de hoeveelheid gevormde roet wet aanmerkelijktoe.

Een volstrekt ander verschijnsel doet zich voor wanneer men wateriin brandstof g.aat emdlgeren. De eigenschappen van de brandstof veranderen, en ook de brandstofpomp en her toevoersysteem moeten aangepast worden. Er vindt veel onderzoek plaats _{naar water emulsie brandstof omdat her specifiet} brandstofverbruik in veel gevallen daalt. De meeste experimenten zijn dan ook meer gericht op dit verschijnsel,, dan op her bijkomende verschijnsell dat de NOx-vorrnin! vermindert. De verbetering in specifiek brandstofVerbruik ontstaat door micro-explosies _{van het verdampende waterin de die die} plaatsvinderr wartneer de stoomdruk de oppervlaktespanning.overwint. Ms deze micro-explosies! pfaatsvinden voordat het emulsie-druppeltje verdampt is. dan heeft her toevoegen van water een positieve werlcing op de snelheid waarmee de brandstof verdampt, en dus een stijaine van, her

rendement tot gevolgin dc voormaldrige USSR zijn in de zestiger jaren veel experimenten uitgevoerd. en de russische onderzoekers ( oa. I vanov en Nefedof ) ontdekten dat met water geimpregneerde brandstof sneller verbrandt en een positief effect heeft op de verminderde uitstoot van schadelijke stoffen. Zij kwamen wen al met een theorie waarin verondersteld wordt dat de geweldadige

framentatie van emulsie-druppels ( micro-explosies_{)ontstaat door inwendige drukopbouw}

_wanneer

de druppels oververhit worden. Dit is later ook bewezen door westerse onderzoekers. Inmiddels bestaat er voldoende bewijs om de verbetering van her specifiek brandstofverbruik te verklaren. Een stijging van het tendement ontstaat hoofdzakelijk door een tweede verstuiving van de brandstof ( secondary atomization ), die door de ,micro-explosies bereikt worden. Om daadwerkelijk een

verbetering van her specifiek brandstofverbruik te Icrijgen moet er aan drie eisen voldaan worden:

- De verstuiving en her lucht/water/brandstof mengsel moeten afgesteld zijn op de' vorming, van micro-explosies.

- De micro-explosiesmoeren in een vroeg stadium van het bestaan van de 16-tal

emu! sie-druppelplaatsvinden.

De micro-explosies moeten een dusdanige intensiteit hebben dat het mengproces van lucht en brandstof verbetert.

De crrootte waarmee het rendement stijgt wordt grotendeels bepaalt door de mate waarin men aan deze voorwaarden kan voldoen. Een bijkomend verschijnsel is dat er een dating in de verbrandinos

temperatuur ontstaat. Wanneer we nu water-emulsie gaan gebruiken om de NOx-vorming te verminderen dan gaat dat op twee manieren:

- Door water toevoeoino wordt de concentratie zuurstof atomen vermindert en de vorming van hydroxyl bevordert. Dit geeft een kleine reductie in de NOx-productie. - Grote reducties in NOx-vorming ontstaan door dating van de temperatuur. Dit kan

alleen met grote waterconcentraties bereikt worden. De verbrandinosduur worth verlengt en de pie kdruk zakt.

De lagere concentratie zuurstof ontstaat omdat door toevoeging van water de samensmeltin ( die druk afhankelijk is ) van waterstof en zuurstof bevorderd wordt. Dit is verantwoordelijk voor de verminderde chemische reactiesnelheid in de motor en dus voor een tragere verbranding.

F120 + H ==> H2 + OH H20 + 0 ==> OH + OH T-z

ro/

L.00.0 13

a

10

Fiuuur 4. leidim2schema van een cmulsie brandstokysteem.

De waterdruppeltjes hebben een afmetin2 die varieert tussen de 2 en de 5yin,bij deze grootte is de homogene mens,Ying in de brandstof optimaal. De emuisie-bmndstof ( zware olie ) blijft gemiddeld tot zo'n 4 weken stabiel, en de vraag is dan ook gerezen of het zinvol is om de emulsie-brandstof aan de wal te produceren. Flier is men al snel vanaf 2estapt, en proefondervindelijk is gebleken dat de beste

20

1. Bunker main 2. Storage tants 3. Transfer system, 1. Settling tanks S. Separators lpurdiecelartlierl 6. Sludge system 7. Daily 'emote tank E. Supply pumps

S. Emulsification data 10. NonresurP valve 11. Water hosts. _{12. Emulsifier controls} 13. Watt" suPPIY 14. Berms, pumps 15. Final hostr 16. Viscosrty contrail*"

plaats om brandstof te emu' oeren vlak voor de boosterpompen van de motor is. Figuur 4 laat zo'n installatie zien.Er zijn twee methoden om water-emulsie aan boord te produceren. ultrasoon en via een zogenaamde 'homogenizer ( zie tiguur 5 en 6).

Fiuuur 5. ecn ultrasone mixer.

In de ultrasoonmenger botst water en brandstof tegen een resonerende drum of plaat.

Deze resonator stuurt schokoolven door de vloeistof en veroorzaakt cavitatie. waardoor de water deeltjes ( in de brandstof ) tot hun uiteindelijke grootte worden afgebroken.

De homogenizer heeft een hoge druk pomp nodig die de brandstofen het water met een druk van ongeveer 800 psi ( 57 bar ) door een speciale vematiwde opening perst. De opgeslagen energie in de vorm van druk wordt ogenblikkelijk omoezet in een ho,o,e snelheid waarin de brandstofen het water emul.,Teren door wrijving. cavitatie. botsing of implosie.

Fit.pur (5.de homogenizer.

Aan boord van schepen verkiest men de homogenizer omdat deze effectiever_{zijn. Met 'effectier} wordt een resultaat van ten minste 90 % bedoelt met een grootte van 1 tot 10pm. Bovendi enis het

wenselijk om de druppelgrootte te kunnen varieren.

RESONANT DRUM EMULSION OUT PORT "A" (PLUGGED) MAIN NOZZLE CAVITATION ZONE (10111.5104 OUR 1.4,F. PORT "8" (PRESS. GAUGE) DISPERSION OF WATER IN OIL WATER IN WATER ORIFICE

Met een toename van de waterconcentratie in de brandstof stijgt ook de viscositeit van de brandstof. Bij destilaat brandstoffen blijft de emulsie maar korte tijd stabiel ( in de orde van enkele min uten), dit probleem kan men oplossen door additieven aan de brandstof toe te voegen. Deze hebben echter weer het nadeel dat zij ten koste gaan van het beoogde doe!: rendementsverbetering en NOx-reductie. Het

probleem lost zichzelf echter op door de emulgatie vlak voor de injectie te laten piaatsvinden.

Er zijn diverse proeven genomen met verschillende type motoren. zowel aan boord als ineen

laboratorium-opstelling. Zo heeft men uitgebreide testen gedaan met slow speed motoren, en kwam

men in het algemeen tot een verminderde NOx-uitstoot. De Sulzer 4RLB/76 is langdurig in een

laboratorium op zware olie aetest ( 1985). De geemulgeerde cakewerd voor de injectie in een tank

opgeslagen Bij een druppelgrootte van 5 /tm en een concentratie van 20% water werder een

verminderde NOx-uitstoot van 20 % gemeten. ten koste van 1 % stijging in het brandstofverbruik. Aan boord van 10 schepen van de 'Lithuanian Shipping Company' zijn in 1989 emulgeer-installaties gepiaatst die het rendement van de motor ( MAN B&W 562-VT2BF 440) moeten verbeteren. De

brandstofworthin drie fasen omgezet tot een emulsie. In de eerste fase worden water en brandstof

gemengd door een statische menger die in de brandstofleiding geplaatst is en niet extern aang,edreven

worth. Het water wordt onder druk ( uit een hydrofoor ) via filtersen een reduceer omgezet in een

continue stroom. De mate van injectie is afhankelijk van de belastina. In de tweede fase_worthher

mengsel, waar een extra draaiing, aanworthgegeven door een tandradboosterpomp geperst. dit type

pompis filerideaal voor. In de derde fase wordt de brandstof-emulsie in het hoge druk gedeelte van

de brandstof pomp nog eens extra gemengd door de snelle stijging, en daling van de druk die daar

plaats vindt. De retourolie van de brandstofpomp wordt uiteraard aerecirculeerd. Metingen hebben

aangetoond dat de grootte van de waterdruppels na de injectiepomp in grootte afneemt van 30 /cm

naar 5-7pm.Nadat er drie jaar met deze installatie gevaren is met brandstof van 150-180cSt Week

dater

minder afzettingen in de motor onstonden ( en de onderhoudsinterval hiervanmet een factor 1.5

verlengt kon worden ), er 150 ton brandstof per schip per jaar bespaard werd ( rendementsteeg met

4 % ). en dat de uitlaatg,assen f.,emiddeld zo'n 15-20 °C lagerwaren. Hoewel de NOx-concentratie

niet daadwerkelijk gemeten is. is deze per definitie verminderd door de lagere uitlaatgassentemperattitir.

Met medium-speed motoren is er veel geexperimenteerd. Een Atlas 216 x 241 motor behaalde bij een

cilinderdruk van 144-147 bar en een injectiedruk van maximaal 1200 bar_{een NOx-reductie van 30 %}

met een waterconcentratie van 25 %. Een Ruston 6-cilinder ( 1000 rpm ) behaalde een reductie van

44 % bij een wateraehalte van 30 %. Bij een afstelling_{voor optimaal rendement ( 10 % vvatergehalte )}

werd er nog altijd 15-20 % minder NO gevormd. De EPA ( Environmental Protection Agency )

heeft een project gefinancierd dat er speeiaal _{op gericht was om NOx-emissie te verminderen. Bij}

medium-speed motoren werden reducties behaald _{van 45-50 % met een wateraehalte van 50 %. Er}

werden brandstofpompen zebruikt die een capaciteitvan 3 tot 10 keer het brandstofverbruik hadden

zodat de emulsie veelvuldig :z!erecirculeerd werd nadat het door circulatiepomp aeperst werd. Bij een

watergehalte van 50 % werd het opstarten van de motor problematisch. omdat de _{diesel-emulsie niet}

stabiel genoeg was en er waterproppen geInjecteerd werden. Men koos er dos voor om de motor met

'pure brandstof op te stamen. Het Southwest Research Institute heeft in opdracht van de US-Coast Guard een serie testen uitgevoerd met een V-12 149TI tweeslag Detroit Diesel en een viersiag

VTA-1710 C800 Cummins dieselmotor. Het rendement verbeterde niet of nauwelijks, maar de NON-reductie werd in sotninige gevallen met 60 % g.,ereduceerd. tezamen met een verminderde rook vorming en een datingvan CO. Dit ging wel ten koste van her rendement. en ook het gehalte

onverbrande koolwaterstoffen steeg aanmerkelijk. De ORF ( Ontario Research Foundation ) heeft in dit verband ook testen uitgevoerd met een vierslag Deutz en een tweeslag Detroit Diesel motor. Er werden NOx-reducties tot 50 % bereikt. waarbij het CO en HC gehalte licht toenam. terwijI het specifiek brandstofverbruik na2enoea., constant beef. Het geleverde vermogen van de beide motoren nam in eerste instantie af ( 10 % met 15 % water in de emulsie ), maar dit werd simpelweg

gecorrigeerd door de re,aelateur bij te stellen.

De al gemene vinding van alle verichtte proeven is dat de motoren kunnen starten op emulsie. NOR-emissie met 10 tot maximaal 50 % vermindert k.an worden. CO-vorming daalt met 28 % bij hoaere belastinaen. rookvorming onveranderd blijft bij lage belastingen. maar bij vollast met 50% afneemt. De mate waarin de injectie vertraagt moet worden verschilt uiteraard per motor, en is aemiddeld zo'n 70 krukoraden.

3.3 Externe maatregelen buiten de motor

Dit zijn maatregelen die men neemt om de reeds gevormde NO alsnog uit de uitlaataassen te halen. De plaats waar dit gebeurt is in de uitlaatgassenleiding, zo dicht mogelijk na de drukvulgroep of tussen de drukvuls.,Troep en motor in. Hiervoor kan men gebruik maken van:

niet selectieve 3-weg catalysator se1ectieve catalytische reductie SCR)

Het gebruik van katalysatoren worth al enige jaren wereldwijd toegepast om op landinstallaties de gifti2e uitlaatgassen van diverse verbrandingsprocessen te reinigen.

De 3-weg katalysator vermindert de uitstoot van NO, COen HC door deze om te zetten in N2, CO2 en H.O. Deze 3-weg katalysator behaalt goede resultaten bij uitlaat2assen waar een minimale

concentratie 02 in zit. Bij een lamda van 0.99 is de werking optimaal. Deze katalysator werkt dan ook in combinatie met eenlamda-sensor die de zuurstofconcentratie zo laag mogelijk houdt.Dit betekent dat deze manier van NOx-reductie volledig ongeschikt is voor gebruik aan boord omdat 'onze' dieselmotoren altijd met een grate luchtovermaat werken en dus hoae concentraties zuurstof in de uitlaatgasssen hebben. In de automotoren techniek wordt deze manier van reductie echter wel vaak toe gepast.

De tweede soon katalysator is de selectieve katalyifsche reductor. Deze is zeer geschikt voor got& motoren die uitlaatgassen met een hoge zuurstof concentratie hebben. Bovendien is uit onderzoek gebleken dat katalysatoren het meest effectief zijn wanneer ze een giftige stof individueel.aanpakken. Een principe werking staat op de onderstaande flepur.

RueGaSfl

PressurizedAir

Steam.1-2 bar., g

Figuur7, herSCR proms,

Deze methode van reductiegebeurt door ammoniak ( NH3), verdund in water, of door urea in de uitlaatgassen te injecteren. De ammoniak worth meestal verdund tot een concentratie van 25%

( 520 gram NH3 op 1 kg water bij 20°C ). Ammoniak is giftig _{en kan in gasvorrn explosief zijn. Het:} is ook mogelijk om urea ( 2 ( NH,) CO ) te gebruiken, dit is minder gevaareijk en heeft een wine kristalvorm en een smeltpunt van 133 °C. Het lost gemakkelijk op in water ( on geveer 3540 % verdunning ) en is ongevaarlijk tijdens opslae. Bij injectie in de uitlaateassen ontleedt her_{zich tot} ammoniak. Omwil le van de veiligheid geniet her de voorkeur om alleen urea aan boord van schepen aebruiken.

De injectie van ammoniak ( ali dan Met verdund ) gebeurt nadat her verdampt isdoor electrische- of stoomverwarming en achtereenvolgens verdund is met lucht. De urea oplossing kan echter eelijk in de here uitlaatgassen geinjecteerd worden. De urea ontleedt zich gedeeltelijk tot ammoniak en wordt, grondig gemengd met de uitlaatgassen door verschillende statische mixers. Hiema_{komt her in de} reactor.

Her is belangrijk dater een homogene mengverhouding_{van ammoniak en NO in de atid aatgassen zit} zodat her reductie-proces optimaal werkt en de kens op een 'ammonia-slip rninimaal is. Deze

ammoniak-slip ( de concentratie ongereageerde ammoniak die lanes de catalysator stroomt ) kan ontstaan bij wisselende belastingen of bij ten te scherp afgestelde ammoniak-NOx verhouding, in

Cleaned Gas SCR Reactor 24 --1 te

beide gevailen is de oorzaak het falen van de regelkring die de hoeveelheid te injecteren ammoniak stuurt.

De reactor bestaat nit een of meerdere lagen katalysator. Het volume hiervan, en dus ook de grote van de reactor-installatie wordt bepaald door het gewenste effect op de NOx-reductie, de drukval over de reactor en de kans op een ammoniak-slip. De arootte van de katalysator wordt uitgedrukt in NHSV,

dit is de hoeveelheid normaalkubieke meters uitlaatgas die per kubieke meter katalysator peruur

behandeld wordt.

In de reactor reageert de ammoniak met de stikstofmonoxode en de stikstofdioxide als volgt:

4N0 + 4NH3 + 0, ==> 4N2 6H20

6NO2 + 8NH3 ==> 7N2 + 12H,0

Zoals te zien is zijn de restproducten na de reactie volledig onaevaarlijk.

Uit de grafiek van figuur 8 blijkt hoe de NOx-reductie en de ammoniak-slip varierenmet de

ammoniak/NOx verhouding., voor twee verschillende grootte van katalysatoren. Zoals te zien is nemen de NO.-reductie en de ammoniak-slip toe met een toenemende NH3/NOx verhouding.

NOX Reduction (%)

100

20

NHSV 5.000 Nm3 /m3 ft

NHSV = 10.000 Nryr3 /m3 h

Fi21111I.8, NO\-reductie en NH.1-slip als functic vanNT-13/NO\verhouding.

Tevens is te zien dat er met een twee keer zo kleine katalysator hetzelfde effect te bereiken is door de

NH3/NOx verhouding op te voeren. De kans op een ammoniak-slip neemt dan wel toe en dit laatste

speelt een grote rot bij de vereiste uootte van de katalysator. Normaat gesproken worden

katalysatoren ontworpen voor een ammoniak-slip van maximaal 5- 10 ppm. Zo blijkt dus dat een

NH3 Slip (ppm) 60 20 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 NH3 /NOX Ratio -= 80 de

grotere NOx-reductie bereikt moet worden door een arotere katalysator. Een ho.Y,ere reductie vereist oak een betere regeling van de ammoniak-dosering. omdat bij een NE-{3/NO x verhouding die grater dan I is. de NH -A -slip sowieso al toeneemt door de stijgende hoeveelheid ongebruikte ammoniak die dus niet heeft kunnen reageren.

De regelaar die bepaalt hoeveel ammoniak er ingespoten moet worden bestaat meestal uit een kleine computer die twee continue meetsignalen 'binnenkrij et. Het eerste meetsignaal kan een continue meting van de hoeveelheid uitlaatgassen zijn, of een continue meting van de belasting van de motor ( waama de bijbehorende hoeveelheid uitlaatgassen berekend wordt ). Het tweede meetsignaal is

uiteraard de concentratie NO in de onbehandelde uitlaataassen. Voor relatieflage NOx-reducties ( 60-80 % ) zijn deze twee meetsignalen samen met een setpoint ( NH/NO x verhouding ) en een vast geheugen van gevormde NO bij diverse belasting,en voldoende om tot de benodiade reductie te komen. Voor hogere reducties is een meting van de NOx-concentratie in de behandelde uitlaat,aassen in de vorm van een terugkoppeling op de regelaar nodig. Dit is nodig, om de injectie van ammoniak nauwkeuriaer te maken.

Bij brandstoffen die zwavel bevatten ( zware olie ) moet de ammoniak-injectie onderbroken warden wanneer de temperatuur van de uitlaatgassen onder de 310-320 °C komt. Doet men dit niet. dan kan de katalysator beschadi gen door afzettinaen van ammoniaksulfaat..

De uitlaatgassen van dieselmotoren hebben in vergelijking met uitlaatgassen van andere

verbmndingsprocessen het nadeel dat ze veel vettiger zijn ( onverbrande koolwaterstoffen ) en dat het een pulserende uitlaatgassenstroom is. Tevens is het op schepen sneller mogelijk dat motortrillingen overgebracht warden op de reactor. De Deense fabrikant Haldor-Topsoe, die al sinds 1982 bezig is met onderzoek naar katalysatoren heeft voor dieselmotoren speciale katalysatoren ontwikkeld met een kanaaldiameter van 4.6 mm. Deze fabrikant brengt een serie SCR-modules op de markt onder de naam DENOX. Deze installaties zijn arotendeels ontwikkeld naar aanleiding van langdurige proeven met een 14 MW tweesla! MAN B&W motor die op zware olie ( 380 cSt / 50°C) met een

zwavelc,,ehalte van 2.5 % liep.

De plaats van de SCR reactor is afhankelijk van het type motor. De katalysator heeft namalijkeen

optimale werking tussen de 320 en de 420°C. Dit betekent dat bij tweeslaamotoren de reactor voor de drukvulgroep geplaatst mod t worden en bij vierslagmotoren emchter ( figuur 9).

Een voordeel van het plaatsen voor de drukvulgroep is dat het volume van de reactor kleiner kan zijn omdat de druk van de uitlaatgassen bier hoger is ( ca. 3 bar). dit is constructief gezien echter niet altijd mogelijk.

Vergeken met hulpmotoren hebben voortstuwingsmotoren het nadeel dat ze tijdens manoeuvreren een zeer snel wisselende belastino hebben. Dit maakt het regelen van de ammoniak injectie vrij moeilijk, met het gevaar dat perioden van hoae NOx-concentraties en hoge ammoniak-slip elkaar afwisselen. Tevens moet de SCR reactor voorzien zijn van een ( electrische ) voorvervvarmer die condensatie

tijdens het opstarten voorkomt.

2 Stroke Engines

35trC

4 Stroke Engines

Engine 93XF 66CrF TC SCR 3613-C Boiler Stack

Fie.t.tur 9 pia:Asti-1g van de SCR reactor voor diesel motoren.

De eigenlijke katalysator bestaat uit kubusvormige blokken die een monolytische structuur hebben. Dit betekent dat de blokken een grote hoeveelheidluchtkanalen hebben waarvan de wanden

katalytisch actief zijn. Zodoende zijn stofafzettingen op de katalysator minimaal en wordt de drukval over de katalysator zoveelmogelijk beperkt. Wanneer men de diameter van de kanalen verkleint neemt de activiteit toe en &aft het totale volume van de installatie. Een nadeel is echter de toenemende kans op stofafzettingen en de stijgende drukval. tilt onderzoek blijkt dus dat een k.anaaldiameter van 4.6 mm voor dieselmotoren het best aan de eisen voldoet.

Het is onvermijdelijk dat de katalysator langzaam de-activeert. en zijn werking afneemt. Dit komt door stofafzettin gen en door thermische veroudering. Na enige tijd is de werkina van de

oorspronkelijke lading van katalysator blolcken niet meer voldoende en moeten deze vervang,en A_{orden. Het spreekt voor zich dat het vervangen van deze blokkeneen dure aangele,_aenheid is. en} gelukkig is het mogelijk om bier enigzins op te besparen door een 'slim' vervangschema op te stellen. zoals dat op bijlage 5 te lien is.

Men moet daartoe de levensduur van de installatie ( in ons geval het schip ) bepalen op bijvoorbeeld 15 a 16 jaar. Op de bijlage zijn drie grafieken te zien waarin de activiteit van de katalysator tegen de levensduur uitgezet is. De katalysator die op de bijage ter illustratie gebruikt wordt heeft 3 bedden waarin drie katalysator blokken 2:eplaatst kunnen worden. In geval A en B worden ze alledrie aevuld.

in geval Cook, maar is er nog een extra bed dat in eerste instantie leea blijft. Wanneer de activiteit onder het ontwerp punt komt moet er 'iets vervan_{gen worden. Het stompzinni,c: vervangen van} alledrie de katalysatorblokken kost in totaal 12 blokken. oftewel 0.75 per jaar. Een jets slimmere manier van vervanging levert al een besparingop van 25 % ( 9 bloklcen in totaal. 0.60 per jaar ). Manier C is de meest efficiente manier van vervanging zoals dat in moderne katalysatoren gebeurt.

AAA

41 01 210-C Boiler Stack TC SCR Engine 680-F

Nadat de eerste lading het ontwerp punt bereikt wordt er een vierde blok bijgeplaatst, hiema wordt er volgens schema B vervangen. Met deze manier van vervang,ing., 'melkt' men de activiteit van de blokken helemaal uit enlevert dit een besparing op van 42% in vergelijking met vervangschema A

( 7 blokken in 15 jaar. an per jaar

De kosten voor een SCR-installatie verschillen per motor grootte en per fabrikant. Haldor-Topsoe geeft de onderstaande prijzen in dollars op voor een huipmotor-installatie die 85 % NO reduceert. bij een aangenomen concentratie van 800 ppmv en een katalysator levensduur van 6 jaar ( vervancrina volgens schema C).

Het ammoniak verbruik wordt op 36 en 90 ton gehouden. gebasseerd op -omgerekend- 3000 uur voilast per jaar ( annual equivalent full load operating hours.), Hierbij wordt de prijs van vloeibare

ammoniak op $ 350.- per metrische ton gehouden.

De kosten die de plaatsing van de installatie met zich meebrengen zijn niet inbegrepenbij de

installatiekosten. Het onderhoud van de installatie wordt op 3 % van de installatie kosten gehouden. Er zijn inmiddels enkele schepen uitgerust met een SCR-installatie van het merk Haldor-Topsoe.

28

motorvermogen

4 MW 10 MW i nstallatiekosten 515.000 840.000

jaarlijkse kosten

afschrijving 52.000 84.000 katalysatorkosten 17.000 42.000 ammoniakkosten 13.000 32.000 onderhoud 15.000 25.000

to tale jaarkosten

_{97.000 183.000} ).

4 Motoren met: een beperkte emissie

In dit hoofdstuk warden enkele, motoren besproken die op een van de in hoofdstuk 3 besproken methoden de NOx-emissie vemilndert hebben. Sommige installaties zijn aan board

imilieuvriendelijkee.gemaakt, andere warden rechtstreeks vanaf de fabriek geleverd met een verminderde uitstoot van onder andere NO.

De volgende motoren warden besproken:,

Wartsila-20

-SW 38

- MAK 32 - MAN B&W L32/40 - 16 SW 280 met SCR -8 TM 620 met SCR

Sulzer 6 RTA 38 met SCR

ms Aurora ( 4 * Wartsila 6 R 32 g)

De iaatste vier motoren zijn alien met een SCR-install atie intgevoerd.bij de eerste twee motoren is er ,gebruik gemaakt van een instarlatie die niet optimaal afgestemd is op een motor. bij de laatste twee is dat wet het geval..

4.1 De Wartsilil 20

De SW-200 motor is door de Wartsilii-groep in samenwerking met het franse bedrijf SACM

ontwikkeld. Deze nieuwe motor bevat een combinatie van high-speed en medium-speed techniek. De motor wordt geleverd alslijnmotor tot 9 cilinders en in een 12,16 en 18 cilinder versie als V-motor. De Warsila 20 is de maritieme versie. die op een lager toerental draait, en uiterrnate _aeschikt is voor de electriciteitsproductie. De hoofdafmeting,en van deze motor zijn:

Deze motor is gebaseerd op een high-speed motor die een compressieverhouding van 16:1 heeft en ontworpen is voor cilinderdrukken van 200 bar. de ontwerptheorie om tot een verminderde NON_ uitstoot van 50 % it komen is gebaseerd op de volgende punten:

Een hogere temperatuur van de verbrandingslucht bij aanvang van de inspuiting van de brandstof beperkt het ontstekingsuitstel.

Een venraaade en kortere injectie periode zorgt ervoor dat de verbranding op het idea le tijdstip plaatsvindt met betrekking tot her rendement.

Een verbeterde brandstof verstuiving

- Een aangepaste verbrandin.c..7skamer voor betere menging van lucht en bran dstof.

De brandstof pompen van het merk Bosch zijn in eenzgn. 'multihouse uitvoering, een nieuwe filosofie die het aantal onderdelen van de motor drastisch beperken. De brandstofdruk in de hoge drukzijde van de brandstofpomp is afgesteld op zo'n 1500 bar, en is bestand teg,en drukken van 2000 bar. De onderdelen van de pomp zijn voorzien van een speciale coating en dusdanig ontworpen dat de kans op cavitatie geelimineerd is. De verstuivers zijn ongekoeld, en de verstuivertips zijn thermisch behandeld om slijtage te beperken en beter bestand te zijn tegen de hete temperaturen. De turbodnikvulling levert een vuldruk van maximaal 2.75 bar, de compressieverhouding is 13:1 en de maximale compressiedruk wordt 124 bar. De motor heeft een hoge temperatuur- en een laze temperatuurskoelsysteem. De luchtkoeler ( [age temperatuurs koelsysteem ) koelt de

verbrandinE.,slucht af tot circa 60 °C. De slag/boring verhouding is 1.4 aeworden. De motor is

volledig, geschikt om op zware olie te starten en haalt een rendement van maximaal 42.5% ( specifiek brandstofverbruik 189 gr/kWh bij 100 % 6R20-versie ). De NOx_emissie blijft beneden de 7 gr/kWh.

30

- boring 200 mm - cilindervermogen 130 - 165 KW

- slag 280 mm - gem. effectieve druk 24.6 - 22.5 bar

- toerental 720- 1000 rpm - ontstekingsdruk 165- 175 bar

- zuigersnelheid 6.72 - 9.33 m/s - configuratie _{4L. 6L, 8L, 9L}

-11

4.2" 'De 'Stork-Wiirtsila 38

De SW 38 is de eerste motor die SWD op de markt brengt nadat bet is gaan samenwerken met de Wartsila Diesel Group.Deze nieuwe motor van Stork-Wartsila is ontwikkeld in een tijd dat men milieu bewuster is gewordenL, en met deze motor wordt bewezen dat het wet degelijk mogelijk is om zowel een laag brandstofverbruik alsook een lage emissie te hebben. De oplossing voor deze paradox is een nieuwe verbrandingstheorie die ook in andere SW-motoren is toegepast. Deze nieuwe theorie bevat de volgende parameters

= lag/boring verhouding, > 1.25

maximale cilinderdruk 210 bar

=maxi male injectiedruk 1.500 bar

De SW 38 is volgens deze theorie ontwikkeld met als resultaat dat de NOx-ernissie met 50% verminderd is. De hoofdafmetingen van deze motor itirt:

De inspuiting is met een paar Icrukgraden vertraagtom de NOx-emissie te verminderen. Er is een volledig nieuwontwikkeldeibrandstofpomp en verstuiver gebruikt die de injectietijd verlcortenen de kwaliteit van de verstuiving aanmerkelijk verbeteren. De nieuwe brandstofpomp kan een continue inspuitdruk van 1500 bar leveren en heeft speciale dempers en drukvereffenaars in de tot- en

afvoerleidingen van de pomp zitten om cavitatie en pulsen in de vloeistofstroom te voorkomen. Deze. verbeterde injectie compenseert de stijging in het specifiek brandstofverbruik dat door

inspuitvertrang ontstaat en reduceert de NOx-uitstoot nog verder. Een optimale balanstussen specifiek brandstofverbruik en NOruitstoot zonder de motor thermisch te overbelasten vereist voorts een hoge vuldruk. De drukvulgroep van her merk ABB type VTR 4P geeft een hoge vuldruk van 3.7 bar en een Esoed rendement bij alle belastingen. Bij deze motor is tevens her aantal onderdelen drastisch verminderd, onder andere door de meeste leidingen voor _{water en olie in het gerten frame} te venverken. Dankzij computermodellen waarmee talloze simulaties zijn worden uitgevoerdwas het mogelijk om een optimale verbrandinaskamer te ontwikkelen voor zowel her rendement als de

NON-vorming. Een slag/diameter verhouding van 1.25 maakte her mogelijk om naast een hoge compressie verhouding toch nog voldoende ruimte boven de zui!er te houden. zodat de spoeling en een ideale kleplicht hoogte toch nog gerealiseerd konden worden.

- boring, 380 mm -ci/indervermogen 660 KW

- slag 475 mm - gem. effectieve druk 24.5 bar

- toerentall 600 rpm - maximale druk 180 bar

4.3 MaK 32

De MaK 32 is een zeer moderne motor die in januari 1995 geintroduceerd is. De hoofdafmetingen van

In deze motor vinden we een flink aantal factoren die de NOx-vorming veminderen. Zo heeft men de slag/boring verhouding op 1.5 gesteld, en de verbrandingsdruk op 170 bar afgesteld. De motor onderdelen zijn echter zwaarder geconstrueerd. en indien het nodig blijkt kan men de

verbrandingsdruk in de toekomstflogopvoeren. Er is gekozen voor een compressieverhouding van lets dat alleen at voor een verminderde NOx-vorming van 25% zorgt. in vergelijking met zijn voorgan2er ( compressieverhoudina van 1:13.1 ). Bovendien heeft de MaK 32 een zogenaamd VMP (Variable Multi Pulse ) drukvulsysteem. Deze turbo geeft een hoge vuldruk en heeft een speciale aanpassing, om bij deellast toch een hoge druk te kunnen leveren. De inlaat van de turbine bestaat uit twee poorten. Bij deellast kan er met een speciale vlinderklep een poort zodanig afgesloten worden. dat de uitlaat.gassenstroom in zijn geheel door de resterende poort gaat. Het effect is hetzelfde als een verwisselde turbine-ring, en zodoende kan er but deellast toch nog een hoae vuldruk geleverd

worden.

Pignut°, variaue in deaanvang van deperssla2.

De MaK 32 motor heeft de mogelijkheid om de injectie enigzins te verlaten.hetgeen tezamen met de voorgaande maatregelen al voor een heel aardig resultaatzorg,t. Wanneer men dan de

deze motor zijn:

- boring 320 mm - cilindervermogen 440 KW

- slag 480 mm - gem. effectieve druk 22.8 bar

- toerental 600 rpm - maximale druk 170 bar

compressieverhouding verhoogt naar 1:15.5 en zodoende de maximale verbrandingsdruk opvoert naar 185 bar clan voldoet deze motor qua NOx-emissie aan de voorgestelde IMO-cis van 11 gr/kWh. wat een stijging van ongeveer 1% in het brandstofverbruik betekent.

De grotetroef van deze motor is echter de mogelijkheid om verdere NOx-reducties via een

uitlaatgassenrecirculatie te bewerkstelligen ( optic, motor is er wel al geheel voor aangepast ). Dit gebeurt niet volgens de methode zoals deze in hoofdstuk 3.2 beschreven is. maar door een interne recirculatie die zeer weinig extra onderdelen bevat. De uitlaatgassenrecirculatie gebeurt doorhet tijdstip waarop de in- en uitlaatkleppen gelicht worden. te varieren. Di t gebeurt via een eccentriek.

FiLtuur 11. rc2chntr. van Inlaavuittaia- en perssiaLzaankane.

Zodoende is het mogelijk om -onafhankelijk van elkaar en ongelimiteerd- de aanvang van de injectie en het lichten van de beide kleppen te beInvloeden. Na een uitgebreide analyse bleek dat het niet nodig is om alledrie de tijden apart te regelen. Het is mogelijk om een compromis te vinden door de motor slechts voor twee doelen af te stellen: optimaal rendement en minimale NOx-emissie. Dit is gedaan en deze eigenschappen zijn in de stand van de eccentrische schijven en hun afstand tot de hartlijn terug te vinden. Nu tande reaelstang relatief eenvoudig met_{een drukcilinder bedient worden tijdens}

bedrijf ). Deze tnethode van recirculatie biedt ook veel voordelen bij het gebruik van zware cafe, omdat er geen kans is op zware vervuiling of toenemende slijtage. Een bijk.omend voordeel is dat in de afstelling ook de eigenschappen van goedkoop brandstofgebruik op voile zee ( zvvare olie ) en milieu-vriendelijk brandstofverbntik ( diesel ) voor onder de kust verwerkt kan worden. Met dit systeem is het mogelijk om een reductie van 50 tot 75 % te halen. Zoals uit de 'twee-standen' configuratie blijkt is deze motor uitstekend voorbereid op eventuele lokale emissie-limieten.