Improved turbocharging system layout for large bore medium speed engine

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Raikio, Tero
dc.contributor.author Tuominen, Jouni
dc.date.accessioned 2016-03-29T11:38:48Z
dc.date.available 2016-03-29T11:38:48Z
dc.date.issued 2016-03-21
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/19987
dc.description.abstract The area of focus in developing large bore medium speed engines are reducing nitrogen oxide emissions and improving fuel economy. Usually, both targets cannot be achieved simultaneously, since a solution lowering the production of nitrogen oxides has a negative impact on fuel consumption, and vice versa. A two-stage turbocharging system, utilizing Miller timing, can lower both nitrogen oxide emissions and fuel consumption at the same time. In Miller timing the intake stroke of the engine ends earlier than normally, resulting in a lower intake air temperature at the end of the intake stroke. This results in a lower temperature at the end of the compression stroke, lowering the production of nitrogen oxides, which are formed in high temperatures. Two-stage turbocharging has proven to be the most practical way to produce very high boost pressures, required to utilize Miller timing. However, a two-stage turbocharging system is larger and heavier than a single-stage turbocharging system. The goal of the study was to design a compact two-stage turbocharging system, with a good dynamic behavior, for a large bore medium speed engine. The larger mass and size of a two-stage turbocharging system changes the dynamic behavior of the system. The first eight designs were evaluated and scored, stressing the importance of a low center of gravity, easy servicing, and a compact design. Two designs were chosen for further development. In the first chosen design, all of the turbochargers are fastened to a single turbocharger bracket. In the second chosen design, the turbocharging system is divided into separate low pressure and high pressure sections. This increases the design freedom of the turbocharging system, but increases the amount of components, size, and mass. Natural frequency calculations, modelling the dynamic behavior of a system, were carried out to the detailed designs. The first design had a problematic dynamic behavior, due to its large mass and little support to the engine. In the second design, the problematic dynamic behavior was found mainly in the low pressure section, and the problematic natural frequencies were higher than in the first design. Future designing will benefit from the two separate turbocharging sections, giving more freedom to adjust the dynamic behavior. The dynamic behavior of the models can be improved in the future by adjusting their mass, stiffness, and component placement. en
dc.description.abstract Keskinopeiden polttomoottoreiden kehittämisen painopisteitä ovat typen oksidipäästöjen vähentäminen ja polttoainetaloudellisuuden parantaminen. Yleensä molempia tavoitteita ei voida saavuttaa yhtäaikaa, sillä typen oksidipäästöjä alentavalla ratkaisulla on negatiivinen vaikutus polttoaineen kulutukseen ja päinvastoin. Kaksivaiheisella turboahdinjärjestelmällä, hyödyntäen Miller-ajoitusta, pystytään yhtäaikaa alentamaan typen oksidipäästöjä ja polttoaineen kulutusta. Miller-ajoituksessa moottorin imutahti päättyy normaalia aiemmin, johtaen alhaisempaan imuilman lämpötilaan imutahdin päättyessä. Tämän seuraksena myös puristustahdin loppulämpötila on alhaisempi, jolloin korkeissa lämpötiloissa muodostuvat typen oksidipäästöt laskevat. Miller-ajoituksen hyödyntäminen vaatii hyvin korkeita ahtopaineita, joiden tuottamiseen kaksivaiheinen turboahtaminen on osoittautunut käyttökelpoisimmaksi ratkaisuksi. Kaksivaiheinen turboahdinjärjestelmä on kuitenkin yksivaiheista turboahdinjärjestelmää kookkaampi ja painavampi. Työn päämääränä oli suunnitella kompakti kaksivaiheinen turboahdinjärjestelmä hyvällä dynamiikalla keskinopeaan moottoriin. Kaksivaiheisen turboahdinjärjestelmän suurempi koko ja massa muuttivat järjestelmän dynaamista käytöstä. Suunnittelun ensimmäiset kahdeksan mallia arvioitiin ja pisteytettiin, painottaen alhaista painopistettä, hyvää huollettavuutta ja kompaktia rakennetta. Näistä kaksi valittiin jatkosuunnitteluun. Ensimmäisessä valitussa mallissa kaikki turboahtimet olivat kiinnitetty yhteen turboahdinhyllyyn. Toisessa valitussa mallissa turboahdinjärjestelmä oli jaettu erillisiin matala- ja korkeapaineosiin. Ratkaisu lisäsi suunnittelun vapautta, mutta kasvatti turboahdinjärjestelmän komponenttimäärää, kokoa ja massaa. Järjestelmän dynaamista käytöstä mallintava ominaistaajuuslaskenta suoritettiin jatkosuunnittelun malleille. Ensimmäisen mallin kohdalla dynaaminen käytös oli ongelmallista, johtuen suuresta massasta ja vähäisestä tuennasta moottoriin. Toisessa mallissa dynaamisen käytöksen ongelmat esiintyivät matalapaineosassa ja ongelmalliset ominaistaajuudet olivat korkeammalla kuin ensimmäisessä mallissa. Toisen mallin kahden erillisen turboahdinjärjestelmän ansiosta suunnittelulla on enemmän vapauksia säätää dynaamista käytöstä. Molempien mallien dynamiikkaa voitaisiin tulevaisuudessa parantaa säätämällä niiden massaa, jäykkyyttä ja komponenttien sijoittelua. fi
dc.format.extent 107
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.title Improved turbocharging system layout for large bore medium speed engine en
dc.title Keskinopean moottorin turboahdinjärjestelmän sijoittelun parantaminen fi
dc.type G2 Pro gradu, diplomityö en
dc.contributor.school Insinööritieteiden korkeakoulu fi
dc.subject.keyword two-stage turbocharging en
dc.subject.keyword medium speed engine en
dc.subject.keyword engine dynamics en
dc.subject.keyword conceptual design en
dc.identifier.urn URN:NBN:fi:aalto-201603291610
dc.programme.major Koneensuunnittelu fi
dc.programme.mcode K3001 fi
dc.type.ontasot Master's thesis en
dc.type.ontasot Diplomityö fi
dc.contributor.supervisor Kuosmanen, Petri
dc.programme Konetekniikan koulutusohjelma fi


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account