External compression in medium-speed engines
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2018-03-19
Department
Major/Subject
Energy Technology
Mcode
ENG21
Degree programme
Master’s Programme in Energy Technology (EEN)
Language
en
Pages
82 + 15
Series
Abstract
This Master’s thesis is a study of an alternative type of internal combustion engines. Such engines are referred to as the external compression engines. A significant part of the compression of the combustion air is done outside the working cylinder, in other words externally. The external compression engines use an alternative type of two-stroke cycle. Instead of exhaust gas scavenging, gas exchange is done with poppet valves, like in a four-stroke engine. External compression engines have potential to increase an internal combustion engine’s efficiency in a similar way as the Atkinson and Miller cycle. The purpose of this thesis is to find out the engine performance potential of such engines, within medium-speed engine boundary conditions. The thesis starts with a review of the related theory and the different external compression engine concepts. Two engine concepts, the Z-engine and the Hoos Variant engine are studied using 1-D engine performance simulations utilizing GT-Power simulation software. A sensitivity analysis is done to find out how sensitive the concepts are to different engine parameters. The concepts are optimized and compared to a reference Wärtsilä four-stroke medium-speed engine. Standard boundary conditions are defined so that the comparison will be sensible. The result of the final comparison is that with the standard boundary conditions, both the Z-engine and the Hoos Variant are less fuel efficient than the reference Wärtsilä engine. The main reason is very high heat transfer losses during the whole working cycle in the concepts, which is caused by the working cycle of the concepts. The major problem with this working cycle is that the cylinder is constantly operating with extremely hot residual gases, which causes an unreasonably high heat load. However, due to the efficient turbocharging and the unique two-stroke cycle, with the standard boundary conditions, the concepts have significant margin to increase the maximum cylinder pressure. If this margin is utilized with a fast heat release, such as HCCI, then both concepts are significantly more efficient than the reference engine. The conclusion is that it is not recommended for Wärtsilä to start the development of these engine concepts. If Wärtsilä decides to investigate the subject further, certain additional simulation studies are recommended to substantiate the conclusions of this thesis.Tämä diplomityö tutkii vaihtoehtoisten polttomoottorien tyyppiä, joita kutsutaan ulkoisen puristuksen moottoreiksi. Huomattava osa paloilman puristuksesta tehdään työsylinterin ulkopuolella, eli ulkoisesti. Moottoreissa käytetään toisentyyppistä kaksitahtityökiertoa. Pakokaasuja ei huuhdella sylinteristä, sen sijaan kaasunvaihto tehdään venttiileillä, niin kuin nelitahtimoottorissa. Näillä moottoreilla on potentiaalia parantaa polttomoottorin hyötysuhdetta samalla tavoin kuin Atkinson- ja Miller-työkierto. Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää näiden vaihtoehtoistyyppisten moottorien suorituskykypotentiaali keskinopeusmoottorien reunaehdoilla. Kirjallisuuskatsauksella selvitetään teoria, ja minkälaisia ulkoisen puristuksen moottorikonsepteja on kehitetty. Tarkempaan tutkimukseen on valittu kaksi konseptia: Z-moottori ja Hoos Variant-moottori. Näitä konsepteja tutkitaan 1-ulotteisen moottorisimulaation avulla käyttäen GT-Power-ohjelmistoa. Herkkyysanalyysillä selvitetään kuinka herkkiä konseptit ovat eri moottoriparametreille. Konseptit optimoidaan ja niitä verrataan nelitahtiseen keskinopeuksikseen referenssi-Wärtsilä-moottoriin. Vertailulle on määritelty standardireunaehdot, jotta se olisi järkevä. Standardireunaehdoilla lopputulos on, että referenssimoottorilla on parempi hyötysuhde kuin Z-moottorilla ja Hoos Variant-moottorilla. Pääsyynä on erittäin korkeat lämpöhäviöt, johon pääsyynä on moottorien käyttämä työkierto. Pääongelma työkierrossa on, että moottorin sylinterissä on jatkuvasti erittäin kuumia jäännöskaasuja, joka aiheuttaa kohtuuttoman suuren lämpökuorman moottorille. Kuitenkin, standardireunaehdoilla hyvän turboahtamisen hyötysuhteen ja ainutlaatuisen työkierron ansiosta konsepteilla on huomattavasti marginaalia nostaa sylinterin maksimipainetta. Jos tämä marginaali hyödynnetään käyttämällä nopeaa palamistyyppiä, kuten homogeenista puristussytytystä, on kummankin moottorikonseptin hyötysuhde huomattavasti parempi kuin referenssimoottorin. Loppupäätelmänä on, että näiden moottorikonseptien kehityksen aloittaminen ei ole kannattavaa Wärtsilälle. Jos Wärtsilä päättää tutkia näitä moottoreita tarkemmin, ylimääräisiä simulaatiotutkimuksia suositellaan, jotta tämän työn päätelmät voidaan vahvistaa.Description
Supervisor
Vuorinen, VilleThesis advisor
Hattar, ChristerKeywords
medium-speed engines, external compression, engine concepts, two-stroke engines, Z-engine, Hoos engine