Modelling and evaluation of oxy-combustion and in-situ oxygen production in a two-stroke marine engine

Abstract

[ES] Teniendo en cuenta la preocupación por la reducción de emisiones en el sector marítimo, el presente trabajo evalúa, mediante modelado y simulación, la oxicombustión en un motor de barco de dos tiempos (2SE) y la mejor configuración del sistema de producción para obtener el oxígeno (O2) necesario. Se calibra un modelo inicial de motor de barco con los datos del fabricante del motor y luego se adapta para trabajar con O2 como oxidante para eliminar las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx), y con recirculación de gases de escape (EGR) para controlar la temperatura de combustión en el cilindro. Las membranas de conducción iónica-electrónica mixta (MIEC) producen el O2 necesario a partir del aire ambiente, que se calienta y presuriza mediante un sistema acoplado de intercambiadores de calor y de turboalimentación para proporcionar las condiciones de aire necesarias para el correcto funcionamiento de la MIEC. Se evalúan varias disposiciones de este sistema para el punto de funcionamiento del motor a plena carga con el fin de encontrar la configuración óptima del sistema de producción de O2. Los resultados revelan que el motor que funciona en condiciones de oxicombustión mitiga las emisiones de NOx a expensas de un mayor consumo específico de combustible en la frenada (BSFC) para obtener el par de frenado original, y además expulsa una corriente compuesta exclusivamente de CO2 y H2O, lo que facilita la separación del CO2 de los gases de escape.

[EN] Considering the concerns for emissions reduction in the maritime sector, the present paper evaluates, through modeling and simulation, oxy-fuel combustion in a two-stroke ship engine (2SE) and the best production system configuration to obtain the required oxygen (O2). An initial model of a ship engine is calibrated with the engine manufacturer¿s data and then adapted to work with O2 as the oxidant to eliminate nitrogen oxide (NOx) emissions and with exhaust gas recirculation (EGR) to control the in-cylinder combustion temperature. Mixed Ionic¿Electronic Conducting (MIEC) membranes produce the necessary O2 from the ambient air, which is heated up and pressurized by a heat exchanger and turbocharging coupled system to provide the air conditions required for the proper operation of the MIEC. Several layouts of this system are evaluated for the full load engine operating point to find the optimum O2 production system configuration. Results reveal that the engine operating under oxy-fuel combustion conditions avoids NOx emissions at the expense of higher brake-specific fuel consumption (BSFC) to obtain the original brake torque, and also expels a stream composed exclusively of CO2 and H2O, which facilitates the separation of CO2 from exhaust gases.