Optimisation of the combustion process in a low viscosity fuel engine
Okhotnikova, Evgenia (2020-09-30)
30.09.2020
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020093076312
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020093076312
Tiivistelmä
The scope of the thesis was to evaluate new engine technologies to enable ultimate fuel flexibility. It was written as part of a Wärtsilä R&D project, where a system that enables the use of Liquid Gases (LGs) as fuel in the diesel principle engine was developed. These fuels are available as side- or waste products of other processes, for example as natural gases condensates. The focus of this work was to maximise engine power output and overall performance, when using ultra-low viscosity fuels which have poor quality characteristics as fuel for engines that are currently available on the market.
To reach these objectives, three experimental areas were carried out:
1. Testing different fuels in the LG range in a Combustion Research Unit (CRU) to evaluate their ignitability and combustion response. Results provide a wide overview about ignitability of different fuels in the low viscosity range and the required amount of pilot fuel to enable the combustion.
2. Fuel injection rig testing to identify the material and geometry validation of fuel injection components for the LG engine. Based on a 500-hours endurance test, one of the three tested materials was selected as candidate material for injector nozzles.
3. Engine testing, which was the major part of the project. This stage validated the previous test stages, the simulations done for the injection system and for engine performance. The outcome provided one single set of parameters (hardware and software) for operation with all LG fuels, based on testing with LPG, LFO and liquid volatile organic com-pound (LVOC) fuels and two different injector nozzle setups.
The outcome of the tests was an engine able to meet the initial project targets, which consisted of defining a concept that can run freely with all LG fuels and the defined power output of the engine, without any changes in hardware (injector nozzle) or software settings (main fuel pressure and pilot settings), despite a varying chemical composition of the fuel. Opinnäytetyön tarkoituksena oli arvioida uusia moottoritekniikoita, jotka mahdollistavat laajan polttoainejoustavuuden. Työ kirjoitettiin osana Wärtsilän tutkimus- ja kehityshanketta. Hankkeessa kehitettiin järjestelmä, joka mahdollistaa nestemäisten kaasujen (LG) käytön polttoaineena dieselmoottorissa. Nämä polttoaineet ovat muiden prosessien sivu- tai jätetuotteita, ja niitä syntyy esimerkiksi maakaasujen käsittelyyn liittyvissä proseissa, kuten uuttamisessa. Työn painopisteenä oli selvittää moottorin teho ja -suorituskyky, kun käytetään kaupallisesti saatavilla olevaa erittäin pienen viskositeetin polttoainetta, jonka ominaisuudet eivät ole ideaalisia nykymoottoreihin.
Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi toteutettiin kolme kokeellista tehtävää:
1. Tutkittiin erilaisten nestemäisten kaasujen syttymistä ja palamista tähän tarkoitukseen kehitetyssä analysaattorissa (combustion research unit, CRU). Tulokset antoivat yleiskuvan erilaisten pienviskoositeettipolttoaineiden syttyvyydestä ja tarvittavasta sytytyspolttoaineen määrästä palamisen mahdollistamiseksi.
2. Polttoaineen ruiskutuskomponenttien materiaaleja ja geometriaa tutkittiin erilisessä LG-moottorin ruiskutuslaitteiston testipenkissä. Viidensadan tunnin kestävyyskokeen perusteella yksi kolmesta tutkitusta materiaalista valittiin ehdokasmateriaaliksi ruiskutussuuttimiin.
3. Projektin pääosassa olivat moottorimittaukset, jotka validoivat edelliset vaiheet sekä ruiskutusjärjestelmää ja moottorin suorituskykyä varten tehdyt simulaatiot. Tuloksena saatiin parametrijoukko, jota voidaan käyttää kaikkien LG-polttoaineiden kanssa. Laboratoriomoottorilla ajetuissa mittauksissa käytettiin nestekaasua sekä LFO- että LVOC (liquid volatile organic compound) -polttoaineita. Lisäksi mittaukset tehtiin käyttäen kahta eri ruiskutussuutinta.
Tutkimuksen tuloksena moottori kykeni saavuttamaan alkuperäiset tavoitteet. Tässä työssä mainittujen mittauksien avulla määriteltiin uusi moottoriratkaisu, joka voi toimia vapaasti kaikilla LG-polttoaineilla. Moottorilla pystytään saavuttamaan tavoiteltu teho ilman muutoksia moottoriparametreissä ja riippumatta polttoaineen kemiallisesta koostumuksesta.
To reach these objectives, three experimental areas were carried out:
1. Testing different fuels in the LG range in a Combustion Research Unit (CRU) to evaluate their ignitability and combustion response. Results provide a wide overview about ignitability of different fuels in the low viscosity range and the required amount of pilot fuel to enable the combustion.
2. Fuel injection rig testing to identify the material and geometry validation of fuel injection components for the LG engine. Based on a 500-hours endurance test, one of the three tested materials was selected as candidate material for injector nozzles.
3. Engine testing, which was the major part of the project. This stage validated the previous test stages, the simulations done for the injection system and for engine performance. The outcome provided one single set of parameters (hardware and software) for operation with all LG fuels, based on testing with LPG, LFO and liquid volatile organic com-pound (LVOC) fuels and two different injector nozzle setups.
The outcome of the tests was an engine able to meet the initial project targets, which consisted of defining a concept that can run freely with all LG fuels and the defined power output of the engine, without any changes in hardware (injector nozzle) or software settings (main fuel pressure and pilot settings), despite a varying chemical composition of the fuel.
Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi toteutettiin kolme kokeellista tehtävää:
1. Tutkittiin erilaisten nestemäisten kaasujen syttymistä ja palamista tähän tarkoitukseen kehitetyssä analysaattorissa (combustion research unit, CRU). Tulokset antoivat yleiskuvan erilaisten pienviskoositeettipolttoaineiden syttyvyydestä ja tarvittavasta sytytyspolttoaineen määrästä palamisen mahdollistamiseksi.
2. Polttoaineen ruiskutuskomponenttien materiaaleja ja geometriaa tutkittiin erilisessä LG-moottorin ruiskutuslaitteiston testipenkissä. Viidensadan tunnin kestävyyskokeen perusteella yksi kolmesta tutkitusta materiaalista valittiin ehdokasmateriaaliksi ruiskutussuuttimiin.
3. Projektin pääosassa olivat moottorimittaukset, jotka validoivat edelliset vaiheet sekä ruiskutusjärjestelmää ja moottorin suorituskykyä varten tehdyt simulaatiot. Tuloksena saatiin parametrijoukko, jota voidaan käyttää kaikkien LG-polttoaineiden kanssa. Laboratoriomoottorilla ajetuissa mittauksissa käytettiin nestekaasua sekä LFO- että LVOC (liquid volatile organic compound) -polttoaineita. Lisäksi mittaukset tehtiin käyttäen kahta eri ruiskutussuutinta.
Tutkimuksen tuloksena moottori kykeni saavuttamaan alkuperäiset tavoitteet. Tässä työssä mainittujen mittauksien avulla määriteltiin uusi moottoriratkaisu, joka voi toimia vapaasti kaikilla LG-polttoaineilla. Moottorilla pystytään saavuttamaan tavoiteltu teho ilman muutoksia moottoriparametreissä ja riippumatta polttoaineen kemiallisesta koostumuksesta.