Integrated Data Acquisition for State-of-the-Art Large-Bore Engine Test Cell
Valkjärvi, Pauli (2022-11-02)
02.11.2022
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022110264145
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022110264145
Tiivistelmä
Abstract:
Internal combustion engines will have an important role on a road to decarbonization and a sustainable powertrain system in the maritime sector. Electrification of the maritime sector is currently difficult due to its excessive energy density demand. Therefore, internal combustion engines will remain a primary power source for ships in the near future. A novel combustion concept, reactivity-controlled compression ignition (RCCI), can be seen as one of the promising combustion technologies that enables simultaneous ultra-low NOx and soot emissions, as well as high thermal efficiency. Although the concept has been developed for a long time, its feasibility for large-bore engine applications has not been publicly demonstrated.
The goal of this thesis was to design and implement a new data acquisition system for the large-bore RCCI test bench in University of Vaasa’s VEBIC engine laboratory, as part of the Clean Propulsion Technologies (CPT) project’s work package 3, novel combustion and advanced aftertreatment. The test bench was instrumented with new sensors, analyzers and data acquisition hardware. Devices required to build the system were acquired and device installations, as well as electrical connections were established and supervised. Additionally, data storing workflow, suitable for the new system, was developed. In order to validate the system performance, a partial system test was carried out due to the inability to start up the engine during the thesis.
The results from the partial system test proved that the new data acquisition system is able to measure high sampling frequency signals and record them in reference to crank angle. The system that was designed and implemented in the thesis provided several improvements when compared to the previous system. The number of available high sample frequency channels increased from 8 to 16 and the system provides more flexible real-time post-processing capabilities. The upgraded system also provides a significant improvement in integration, as the high-speed and low-speed measurements can be recorded into a single file. In addition to immediate system improvements, the new system is able to expand according to future requirements of the test bench. Tiivistelmä:
Polttomoottoreilla tulee olemaan tärkeä rooli hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä ja kestävän voimansiirtojärjestelmän toteuttamisessa merenkulkualalla. Merenkulkualan sähköistäminen on nykyisellään hankalaa valtavan energiantarpeen vuoksi. Sen vuoksi polttomoottorit tulevat pysymään lähitulevaisuudessakin laivojen tärkeimpänä voimanlähteenä. Uutta palamismenetelmää, reaktiivisuudella hallittua puristussytytystä (RCCI), voidaan pitää yhtenä lupaavista polttomoottoriteknologioista, jonka avulla voidaan samanaikaisesti saavuttaa erittäin alhaiset typen oksidi- ja hiukkaspäästöt, sekä korkea hyötysuhde. Vaikka konseptia on kehitetty pitkään, soveltuvuutta isosylinterisissä moottoreissa ei ole osoitettu julkisesti.
Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa uusi tiedonkeruujärjestelmä isosylinteriseen RCCI -testipenkkiin Vaasan yliopiston VEBIC moottorilaboratoriossa osana Clean Propulsion Technologies (CPT) -projektin työpakettia 3. Testipenkki instrumentoitiin uusilla antureilla, analysaattoreilla ja tiedonkeruulaitteilla. Järjestelmän rakentamiseen tarvittavat laitteet hankittiin ja laiteasennukset sekä sähköliitännät toteutettiin. Lisäksi mahdollistettiin uuteen järjestelmään soveltuva tiedon tallennusprosessi. Järjestelmän suorituskyvyn arvioimiseksi suoritettiin osittainen järjestelmätesti, koska moottoria ei ollut mahdollista käynnistää vielä opinnäytetyön aikana.
Osittaisen järjestelmätestin tulokset osoittivat, että uusi tiedonkeruujärjestelmä kykenee mittaamaan korkealla näytteenottotaajuudella ja tallentamaan mittaukset kampiakselin asennon suhteen. Opinnäytetyössä suunniteltu ja toteutettu järjestelmä tarjosi useita parannuksia edelliseen järjestelmään verrattuna. Käytettävissä olevien korkean näytteenottotaajuuden kanavien lukumäärä kasvoi 8:sta 16:een ja järjestelmä tarjoaa joustavamman reaaliaikaisen tiedon jälkikäsittelyn. Päivitetty järjestelmä tarjoaa myös merkittävän parannuksen datan integroimiseen, koska nopeat ja hitaat mittaukset voidaan tallentaa samaan tiedostoon. Välittömien järjestelmän parannusten lisäksi uusi järjestelmä kykenee mukautumaan tulevaisuuden tarpeiden mukaan.
Internal combustion engines will have an important role on a road to decarbonization and a sustainable powertrain system in the maritime sector. Electrification of the maritime sector is currently difficult due to its excessive energy density demand. Therefore, internal combustion engines will remain a primary power source for ships in the near future. A novel combustion concept, reactivity-controlled compression ignition (RCCI), can be seen as one of the promising combustion technologies that enables simultaneous ultra-low NOx and soot emissions, as well as high thermal efficiency. Although the concept has been developed for a long time, its feasibility for large-bore engine applications has not been publicly demonstrated.
The goal of this thesis was to design and implement a new data acquisition system for the large-bore RCCI test bench in University of Vaasa’s VEBIC engine laboratory, as part of the Clean Propulsion Technologies (CPT) project’s work package 3, novel combustion and advanced aftertreatment. The test bench was instrumented with new sensors, analyzers and data acquisition hardware. Devices required to build the system were acquired and device installations, as well as electrical connections were established and supervised. Additionally, data storing workflow, suitable for the new system, was developed. In order to validate the system performance, a partial system test was carried out due to the inability to start up the engine during the thesis.
The results from the partial system test proved that the new data acquisition system is able to measure high sampling frequency signals and record them in reference to crank angle. The system that was designed and implemented in the thesis provided several improvements when compared to the previous system. The number of available high sample frequency channels increased from 8 to 16 and the system provides more flexible real-time post-processing capabilities. The upgraded system also provides a significant improvement in integration, as the high-speed and low-speed measurements can be recorded into a single file. In addition to immediate system improvements, the new system is able to expand according to future requirements of the test bench.
Polttomoottoreilla tulee olemaan tärkeä rooli hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä ja kestävän voimansiirtojärjestelmän toteuttamisessa merenkulkualalla. Merenkulkualan sähköistäminen on nykyisellään hankalaa valtavan energiantarpeen vuoksi. Sen vuoksi polttomoottorit tulevat pysymään lähitulevaisuudessakin laivojen tärkeimpänä voimanlähteenä. Uutta palamismenetelmää, reaktiivisuudella hallittua puristussytytystä (RCCI), voidaan pitää yhtenä lupaavista polttomoottoriteknologioista, jonka avulla voidaan samanaikaisesti saavuttaa erittäin alhaiset typen oksidi- ja hiukkaspäästöt, sekä korkea hyötysuhde. Vaikka konseptia on kehitetty pitkään, soveltuvuutta isosylinterisissä moottoreissa ei ole osoitettu julkisesti.
Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa uusi tiedonkeruujärjestelmä isosylinteriseen RCCI -testipenkkiin Vaasan yliopiston VEBIC moottorilaboratoriossa osana Clean Propulsion Technologies (CPT) -projektin työpakettia 3. Testipenkki instrumentoitiin uusilla antureilla, analysaattoreilla ja tiedonkeruulaitteilla. Järjestelmän rakentamiseen tarvittavat laitteet hankittiin ja laiteasennukset sekä sähköliitännät toteutettiin. Lisäksi mahdollistettiin uuteen järjestelmään soveltuva tiedon tallennusprosessi. Järjestelmän suorituskyvyn arvioimiseksi suoritettiin osittainen järjestelmätesti, koska moottoria ei ollut mahdollista käynnistää vielä opinnäytetyön aikana.
Osittaisen järjestelmätestin tulokset osoittivat, että uusi tiedonkeruujärjestelmä kykenee mittaamaan korkealla näytteenottotaajuudella ja tallentamaan mittaukset kampiakselin asennon suhteen. Opinnäytetyössä suunniteltu ja toteutettu järjestelmä tarjosi useita parannuksia edelliseen järjestelmään verrattuna. Käytettävissä olevien korkean näytteenottotaajuuden kanavien lukumäärä kasvoi 8:sta 16:een ja järjestelmä tarjoaa joustavamman reaaliaikaisen tiedon jälkikäsittelyn. Päivitetty järjestelmä tarjoaa myös merkittävän parannuksen datan integroimiseen, koska nopeat ja hitaat mittaukset voidaan tallentaa samaan tiedostoon. Välittömien järjestelmän parannusten lisäksi uusi järjestelmä kykenee mukautumaan tulevaisuuden tarpeiden mukaan.