gumrfВестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. МакароваVestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova2309-51802500-0551ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова»10.21821/2309-5180-2023-15-5-845-857gumrf-368Research ArticleСУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ИХ ЭЛЕМЕНТЫ (ГЛАВНЫЕ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ)SHIP POWER PLANTS AND THEIR ELEMENTS (MAIN AND AUXILIARY)Эффективность ограничения выбросов оксидов азота системами рециркуляции отработавших газов судовых ДВСEfficiency of limiting nitrogen oxides emissions by exhaust gas recirculation systems of marine internal combustion enginesЖивлюкГ. Е.ZhivljukG. E.

Живлюк Григорий Евгеньевич - кандидат технических наук, доцент

198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

Zhivljuk, Grigorij E. - PhD, associate professor

5/7 Dvinskaya Str., St. Petersburg, 198035

spb-engine-prof@mail.ruПетровА. П.PetrovA. P.

Петров Александр Павлович - кандидат технических наук, профессор

198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

Petrov, Aleksandr P. - PhD, professor

5/7 Dvinskaya Str., St. Petersburg, 198035

app.polab@inbox.ruФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»РоссияAdmiral Makarov State University of Maritime and Inland ShippingRussian Federation202310112023155845857Copyright © Живлюк Г.Е., Петров А.П., 20232023Живлюк Г.Е., Петров А.П.Zhivljuk G.E., Petrov A.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.gumrf.ru/jour/article/view/368

Предметом настоящего исследования являются системы обеспечения экологической безопасности судовых двигателей внутреннего сгорания, в частности, технологии ограничения выбросов оксидов азота (NOx ). В работе приведены нормативные требования по сокращению выбросов и рассмотрены основные теоретические аспекты проблемы образования оксидов азота в процессе сгорания в дизельном двигателе, на основании которых произведена оценка эффективности применения различных способов достижения требований к допустимому уровню концентрации NOx в составе отработавших газов. В качестве основных технологий рассмотрены системы рециркуляции отработавших газов (EGR) и системы селективного каталитического восстановления (SCR) как технологии, позволяющие добиться достижения наивысших показателей ограничения выбросов оксидов азота в соответствии с требованиями стандарта Tier третьего уровня. Учитывая особенности требований к конструкции и компоновке систем в составе судовой энергетической установки, а также эксплуатационные и инвестиционные затраты, основное внимание в работе уделено системам опосредованного влияние на внутрицилиндровые процессы двигателя, к которым относятся системы рециркуляции отработавших газов. На основании сопоставления EGR высокого и низкого давления определены преимущества и недостатки конструкций. Отмечается, что системы рециркуляции отработавших газов высокого давления имеют ряд преимуществ, к которым в первую очередь следует отнести компактность и высокую скорость реагирования системы на изменение эксплуатационных режимов. На примере разработок ведущих производителей продемонстрированы потенциальные возможности системы EGR высокого давления и характеристики двигателя, подтверждающие эффективность ее использования. На основе результатов работы сделано заключение о высокой эффективности и целесообразности использования систем рециркуляции отработавших газов для соблюдения требований действующих стандартов экологической безопасности судовых энергетических установок.

The subject of this study is systems for ensuring environmental safety of marine internal combustion engines, in particular, technologies for limiting emissions of nitrogen oxides (NOx). The regulatory requirements for reducing emissions are presented in the paper. The main theoretical aspects of the problem of nitrogen oxides formation during combustion in a diesel engine are considered. On the basis of these theoretical aspects the effectiveness of using various methods to achieve the requirements for the permissible level of NOx concentration in the exhaust gases is assessed. Exhaust gas recirculation (EGR) systems and selective catalytic reduction (SCR) systems are considered as the main technologies; they allow achieving the highest indicators of nitrogen oxide emissions control in accordance with the requirements of the Tier 3 standard. Taking into account the peculiarities of the requirements for the design and layout of systems as part of a ship power plant, as well as operational and investment costs, the main attention in the work is paid to systems of indirect influence on the engine in-cylinder processes, which include exhaust gas recirculation systems. Based on the comparison of high and low pressure EGR, the advantages and disadvantages of the designs are determined. It is noted that high-pressure exhaust gas recirculation systems have a number of advantages, which primarily include the compactness and high speed of the system response to changes in operational conditions. On the example of the leading manufacturers developments, the potential capabilities of the high-pressure EGR system and the engine characteristics confirming the effectiveness of its use are demonstrated. Based on the results of the work, a conclusion about the high efficiency and expediency of using exhaust gas recirculation systems to meet the requirements of the current environmental safety standards of ship power plants is made.

двигатель внутреннего сгоранияэкологическая безопасностьэмиссия оксидов азотасистемы судового двигателярециркуляция отработавших газовдостижение нормативных требованийmarine internal combustion engineenvironmental safetyemission of nitrogen oxidesexhaust gas recirculation systemachievement of regulatory requirementsReferencesЖивлюк Г. Е. Техническое обеспечение для соответствия судовых энергетических установок новым требованиям 2021 г. по выбросам оксидов азота / Г. Е. Живлюк, А. П. Петров // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2020. — Т. 12. — № 1. — С. 122–138. DOI: 10.21821/2309-5180-2020-12-1-122-138.Zhivljuk, Grigorij E., and Aleksandr P. Petrov. “Technical support for ship power plants compliance with the new requirements for nitrogen oxide emissions in 2021.” Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova 12.1 (2020): 122–138. DOI: 10.21821/2309-5180-2020-12-1-122-138.Петров А. П. Технологии достижения новых требований по выбросам оксидов азота судовыми энергетическими установками / А. П. Петров, Г. Е. Живлюк // Труды Крыловского государственного научного центра. — 2021. — № S1. — С. 83–85. DOI: 10.24937/2542-2324-2021-1-S-I-83-85.Petrov, A. P., and G. E. Zhivlyuk. “Technologies for achieving new requirements for emissions of nitrogen oxides by marine power plants.” Transactions of the Krylov state research centre S1 (2021): 83–85. DOI: 10.24937/2542-2324-2021-1-S-I-83-85.Вибе И. И. Новое о рабочем цикле двигателей / И. И. Вибе. — М.: Машгиз, 1962. — 173 с.Vibe, I. I. Novoe o rabochem tsikle dvigatelei. M.: izd-vo MAShGIZ, 1962.Лашко В. А. Образование выбросов отработавших газов и управление процессом сгорания в поршневом двигателе / В. А. Лашко, И. Ю. Привальцев // Ученые заметки ТОГУ. — 2014. — Т. 5. — № 1. — С. 324–337.Lashko, V. A., and I. Y. Privaltsev. “Education exhaust emissions and control process combustion piston engine.” Scientists notes PNU 5.1 (2014): 324–337.Зельдович Я. Б. Окисление азота при горении / Я. Б. Зельдович, П. Я. Садовников, Д. А. Франк-Каменецкий. — М.: Изд-во АН СССР, 1947. — 145 с.Zel’dovich, Ya. B., P. Ya. Sadovnikov, and D. A. Frank-Kamenetskii. Okislenie azota pri gorenii. M.: Izdvo AN SSSR, 1947.Зельдович Я. Б. Математическая теория горения и взрыва / Я. Б. Зельдович, Г. И. Баренблатт, В. Б. Либрович, Г. М. Махвиладзе. — М.: Наука, 1980. — 479 с.Zel’dovich, Ya. B., G. I. Barenblatt, V. B. Librovich, and G. M. Makhviladze. Matematicheskaya teoriya goreniya i vzryva. M.: Nauka, 1980.Fenimore C. P. Formation of nitric oxide in premixed hydrocarbon flames / C. P. Fenimore // Symposium (international) on combustion. — Elsevier, 1971. — Vol. 13. — Is. 1. — Pp. 373–380. DOI: 10.1016/S0082-0784(71)80040-1.Fenimore, Charles P. “Formation of nitric oxide in premixed hydrocarbon flames.” Symposium (international) on combustion. Vol. 13. No. 1. Elsevier, 1971. 373–380. DOI: 10.1016/S0082–0784(71)80040-1.Семенов Н. Н. Тепловая теория горения и взрыва / Н. Н. Семенов // Успехи физических наук. — 1940. — Т. 24. — Вып. 4. — С. 433–486. DOI: 10.3367/UFNr.0024.194008a.0433.Semenov, N. N. “Teplovaya teoriya goreniya i vzryva.” Uspekhi fizicheskikh nauk 24.4 (1940): 433–486. DOI: 10.3367/UFNr.0024.194008a.0433Варнатц Ю. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / Ю. Варнатц, У. Маас, Р. Диббл. — М.: ФИЗМАТ-ЛИТ, 2003. — 352 с.Warnatz, J., Ulrich Maas, and Robert W. Dibble. Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation. 4th edition. Springer, 2006.Шаулов Ю. Х. Горение в жидкостных ракетных двигателях / Ю. Х. Шаулов, М. О. Лернер. — М.: Оборонгиз, 1961. — 195 с.Shaulov, Yu. Kh., and M. O. Lerner. Gorenie v zhidkostnykh raketnykh dvigatelyakh. M.: Gos.nauch.-tekh izd-vo OBORONGIZ, 1961.Гришанов П. А. Физико-химические процессы образования окислов азота в дизельном двигателе (обзор состояния вопроса) / П. А. Гришанов // Символ науки. — 2023. — № 5–2. — С. 27–33.Grishanov, P.A. “Fiziko-khimicheskie protsessy obrazovaniya okislov azota v dizel’nom dvigatele (obzor sostoyaniya voprosa).” Simvol nauki: mezhdunarodnyi nauchnyi zhurnal 5–2 (2023): 27–33.Мельник Г. В. Технологии для достижения требований ИМО Tier III (по материалам конгресса CIMAK) / Г. В. Мельник // Двигателестроение. — 2020. — № 4 (282). — С. 41–57.Mel’nik, G. V. “Tekhnologii dlya dostizheniya trebovanii IMO Tier III (po materialam kongressa CIMAK).” Dvigatelestroenie 4(282) (2020): 41–57.Живлюк Г. Е. Особенности развития экологически безопасных современных дизельных энергетических установок / Г. Е. Живлюк, А. П. Петров // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2017. — Т. 9. — № 3. — С. 581–596. DOI: 10.21821/2309-5180-2017-9-3-581-596.Zhivljuk, Grigorij E., and Aleksandr P. Petrov. “Features of the development of environmentally safe modern diesel power plants.” Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova 9.3 (2017): 581–596. DOI: 10.21821/2309-5180-2017-9-3-581-596.Emission project guide. MAN B&W Two-stroke Marine Engines. — Copenhagen SV, Denmark: MAN Energy Solutions, 2019. — 110 p.Emission project guide. MAN B&W Two-stroke Marine Engines. Copenhagen SV, Denmark: MAN Energy Solutions, 2019.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.