Variable valve actuation and dual-fuel combustion

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2015-08-24
Department
Major/Subject
Henkilökohtainen sivuaine
Mcode
K9002
Degree programme
Konetekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
85 + 17
Series
Abstract
The constantly increasing interest in alternative fuels in transportation has given birth to new strategies in the internal combustion engine technology. The tightening emissions regulations further boost this development. The dual-fuel technology is one of the most promising new concepts for natural gas-fuelled engines and it has already been widely adopted by the marine and power generation industry. However, the transition from Diesel to dual-fuel engines in road and off-road traffic has not been as rapid. The relatively high hydrocarbon emissions are one of the drawbacks that hinder the use of dual-fuel engines. This Master’s thesis focuses on combustion and emissions research in a dual-fuel research engine with VVA. VVA is commonly used in passenger car engines but rarely in heavy-duty Diesel engines, even though it offers some indisputable benefits. Five different valve actuation profiles were used with several Diesel substitution rates. The effects of each parameter combination on the cylinder pressure and engine-out emissions were recorded. The analysis of the engine phenomena was mainly based on calculations utilizing the cylinder pressure data. The research engine was a conventional Diesel engine converted to run in dual-fuel mode. The conversion included a new exhaust system, methane feed line including injectors, several new sensors and other devices related to the methane injection. Moreover, the engine control system was updated for dual-fuel operation. The results of the engine tests can be concluded as follows: The dual-fuel combustion is very sensitive to IEGR, most likely due to high mixture temperature. High temperatures promote the partial pre-combustion oxidation of methane which causes a substantial increase in the heat release rate even with very lean mixtures. Low temperatures have the opposite effect, although it is not as pronounced. A significant amount of the HC emissions originate from the scavenging if methane is injected prior to the exhaust valve closing. Furthermore, high substitution ratios tend to increase the cycle-to-cycle variation.

Jatkuvasti kasvava kiinnostus vaihtoehtoisia polttoaineita kohtaan liikennekäytössä on synnyttänyt uusia lähestymistapoja polttomoottoritekniikassa. Kiristyvät päästömääräykset yhä vauhdittavat tätä kehitystä. Dual-fuel-teknologia on yksi lupaavimmista uusista maakaasua hyödyntävistä moottorikonsepteista ja se onkin saavuttanut jo vankan jalansijan merenkulku- ja voimalaitostekniikassa. Tieliikenne- ja työkonekäytössä muutos ei kuitenkaan ole ollut näin nopeaa. Verrattain korkeat hiilivetypäästöt ovat yksi dual-fuel-moottoreiden yleistymistä haittaavista tekijöistä. Tämä diplomityö paneutuu palamisen ja päästöjen tutkimukseen muuttuvalla venttiiliohjauksella varustetun dual-fuel-tutkimusmoottorin avulla. Muuttuvaa venttiiliohjausta käytetään yleisesti henkilöautojen moottoreissa, mutta varsin harvoin raskaan kaluston puristussytytteisissä moottoreissa. Tässä työssä käytettiin viittä erilaista venttiiliohjausstrategiaa ja useita eri korvaavuusasteita. Jokaisen yhdistelmän vaikutukset palamiseen ja päästöihin tallennettiin. Tutkittujen ilmiöiden analyysi pohjautui pitkälti sylinteripainetietoon ja sitä hyödyntäviin laskelmiin. Tutkimusmoottori oli dual-fuel-käyttöiseksi muunnettu Diesel-moottori. Muunnos sisälsi muun muassa uuden pakokaasujärjestelmän, metaanisyötön laitteineen, useita uusia antureita sekä muista metaanin ruiskutukseen liittyviä laitteita. Lisäksi moottorin ohjausjärjestelmä päivitettiin dual-fuel-järjestelmää ja mittauksia varten. Tutkimuksen tuloksista voidaan nostaa esille useita pääkohtia: Dual-fuel-palaminen on hyvin herkkä sisäiselle EGR:lle, mikä todennäköisesti johtuu seoksen lämpötilan noususta. Korkea lämpötila edistää metaanin osittaista hapettumista ennen varsinaista palamista, mikä puolestaan lisää huomattavasti seoksen palamisnopeutta myös hyvin laihoilla seoksilla. Matalilla lämpötiloilla on päinvastainen vaikutus, vaikka vaikutus on huomattavasti vähäisempi. Merkittävä osa hiilivetypäästöistä syntyy kaasunvaihdon aikana, jos metaani ruiskutetaan ennen pakoventtiilin sulkeutumista. Korvaavuusasteella vaikuttaisi olevan syklistä variaatiota lisäävä vaikutus.
Description
Supervisor
Larmi, Martti
Thesis advisor
Sarjovaara, Teemu
Keywords
dual-fuel, gas engines, alternative fuels, variable valve actuation
Other note
Citation