Comparison of large bore single-cylinder engine testing to multi-cylinder engine testing

Abstract

Engine testing is one of the most essential phases of internal combustion engine research and development processes. Testing can be done either with a production engine based multi-cylinder engine (MCE) or with a single-cylinder engine (SCE) that is particularly made for engine testing purposes. Comparison of these two methods regarding economic efficiency for the Finnish energy technology firm Wärtsilä is the main topic of this thesis.

There is already a medium-bore (MB) SCE engine in Wärtsilä’s engine laboratory. However, a large-bore (LB) SCE is lacking although the need for investing in one has long been under discussion for improving and speeding up engine technology development. There is a clear cost-efficiency advantage for SCE over MCE on operating expenses. First, the amount of test parts and components required for one cylinder is less than for MCE. Second, testing is faster since replacement of components needs to be done for only one cylinder at a time. More tests can hence be performed with SCE compared to MCE within the same time frame. As a result, we conclude in this thesis that using SCE can speed up the engine development process in Wärtsilä and thus enable it to deliver new products to the market sooner. A shorter product development cycle will enable the company to gain more competitiveness on the engine market.

Focus of SCE testing during the engine development project is to replicate the combustion in terms of combustion chamber geometry, gas exchange, fuel injection and combustion phenomena itself. Detailed understanding of the combustion process will be important in the future when developing engines running with alternative fuels. Yet, it is not known what the most attractive fuel in the future will be, which means that engine fuel flexibility has become a crucial feature for customers. All the new fuels behave differently in combustion engines which causes more need for combustion concept testing in future.

To be able to stay competitive in the large bore engine market R&D processes have to be efficient. An SCE enables cost-effective integrated approaches for engine development when combined with advanced simulation software. It is known that at least one of Wärtsilä’s main competitors has LB SCE in their engine laboratory. It is therefore essential to clarify whether the investment in LB SCE will give significant technological advantage to competitors, potentially accumulating the technological gap and, thus, decreasing the competitiveness of Wärtsilä.

This thesis conducts a literature survey, estimates the costs and benefits and the schedule of future R&D projects with and without LB SCE, and discusses the insights obtained in a series of internal interviews among the key personnel in Wärtsilä. The main objective of this research is to raise awareness of LB SCE possibilities and advantages on engine development and assist the management in decision making about LB SCE investment.

Moottori testaus on yksi tärkeimmistä osa-aluista polttomoottori tutkimuksessa. Testaus voidaan suorittaa joko käyttäen monisylinteristä tuotanto moottoriin perustuvaa moottoria tai erityisesti tutkimustarkoitusta varten valmistetulla yksisylinterisellä tutkimusmoottorilla. Näiden tapojen keskinäinen vertailu kustannusten ja ajansäästö potentiaalin vertailu työn toimeksiantajana toimivan energiateknologia yhtiö Wärtsilän, kannalta on tämän työn keskeisin tavoite.

Yhtiöllä on jo ennestään keskisuuren kokoluokan yksisylinterinen tutkimusmoottori moottorilaboratoriossaan. Suuren kokoluokan yksisylinteristä tutkimusmoottoria ei yhtiöllä ole. Yhtiön sisällä on käyty pitkään keskusteluja siitä, tehostaisiko tällainen moottori R&D toimintaa. Yksisylinteri moottori on käyttökustannuksiltaan edullisempi testausalusta kuin vastaavan kokoinen monisylinterimoottori. Testauksessa tarvittavien osien ja komponenttien lukumäärä on vähäisempi kuin monisylinterisellä moottorilla. Testaaminen on myös nopeampaa, sillä muutoksia tarvitsee tehdä ainoastaan yhteen sylinteriin. Yksisylinterisellä moottorilla pystytään näin ollen tekemään enemmän testausta samassa ajassa kuin monisylinterisellä moottorilla. Tutkimus ja tuotekehitys prosessit nopeutuvat, mikä mahdollistaa uusien tuotteiden lanseeraamisen markkinoille aikaisemmin ja auttaa yhtiötä parantamaan kilpailukykyä.

Yksisylinteri testauksen painopiste on jäljitellä palamisprosessia, niin että polttoaineen syöttö, kaasunvaihto ja palamisprosessi vastaisi oikeaa moottoria. Palamis- prosessin syvällinen ymmärrys on tärkeä tutkimus ja tuotekehitys työssä kehitettäessä vaihtoehtoisilla polttoaineilla toimivia moottoreita. Vielä ei tiedetä mikä uusista polttoaineista muodostuu suosituimmaksi vaihtoehdoksi tulevaisuudessa, moottorin polttoaine joustavuudesta on tullut tärkeä ominaisuus asiakkaille. Uusien polttoaineiden palamis- ominaisuudet ovat erilaisia, jolloin palamis- konseptien kehittämisen tarve tulee lisääntymään tulevaisuudessa.

Pysyäkseen kilpailukykyisenä yhtiön tuotekehitys prosessien tulee olla tehokkaita. Yksisylinterimoottori yhdessä kehittyneiden simulointi ohjelmistojen kanssa mahdollistaa nopeat ja kustannustehokkaat testaus prosessit. Tiedetään että ainakin yhdellä Wärtsilän kilpailijoista on tutkimus ja tuotekehitys käytössä suuren kokoluokan yksisylinteri moottori. On tärkeää selvittää antaako yksisylinteri moottori merkittävää teknologista etumatkaa kilpailijalle, joka pitkässä juoksussa saattaa heikentää Wärtsilän kilpailukykyä markkinoilla.

Tässä työssä suoritetaan kirjallisuus katsaus, haastattelu kierros avain henkilöstölle sekä vertailu arvio tulevaisuuden R&D projektien aikataulusta yksisylinterimoottorin kanssa sekä ilman yksisylinterimoottoria. Työn tavoitteena on luoda selvitys, joka lisäisi tietoisuutta yksisylinteri moottorin tuomista mahdollisuuksista ja eduista moottori testauksessa. Selvitys auttaa johtoa päätöksenteossa ison kokoluokan yksisylinteri moottori investointiin liittyen.