Instant loading for gas 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
2016-06-13
Department
Major/Subject
Energiteknik
Mcode
K3007
Degree programme
Energia- ja LVI-tekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
74+1
Series
Abstract
The increasing amount of renewable energy today makes the power generation challenging to control. When tuned correctly, internal combustion engines have good potential to make the power generation more stable. In this thesis, engine loading of a Wärtsilä medium speed, turbocharged gas engine was investigated, by the use of cylinder direct air injection (CAI). During loading, the engine is supplied with more fuel gas, which temporarily makes the air–fuel mixture rich. This increases the risk for engine knock or misfiring. The air supply is limited during the first most critical seconds after the loading, due to lag in turbocharger rotational speed. It is therefore beneficial to supply additional air for the combustion in another way. Previous tests have showed that CAI is a promising air supply method. To preserve a proper combustion during engine loading with CAI, the in-cylinder mixing is crucial, and was hence investigated by computational fluid dynamics (CFD) simulations. Simulations with GT-Suite revealed that the compression temperature gets very high with CAI, since it compresses the air–fuel mixture. One solution is to cool down the injected air, but the CAI parameters could also be optimized. According to simulations, a CAI not close to the BDC gave the lowest compression temperature, since this caused the least compression of air–fuel mixture. A late CAI, with no intake valve Miller timing, gave the highest power output, due to the least pumping losses. An engine loading experiment on a single-cylinder engine was done in Vaskiluoto, Vaasa, to study the real combustion with CAI. Additionally, preparatory simulations before the experiment were performed. Load steps were taken by using a specific CAI duration, and then by stepwise increasing the fuel gas duration until a limit was reached. The results were analysed and post processed by tuning the GT-Suite simulation model to correspond to the experiment results. In this way, a deeper understanding about the test results could be gained, like e.g. compression temperature, air and gas masses through the valves, and air–fuel ratio. The study of CAI, by means of GT-Suite simulations, CFD and engine testing, provided useful knowledge for further development of this method to improve engine loading.Den ökande mängden förnybar energi idag gör att kraftproduktionen är svår att kontrollera. Med rätt inställningar har förbränningsmotorer en stor potential att göra kraftproduktionen mera stabil. I denna avhandling undersöktes lastupptagningsförmågan hos en medelvarvig, turboladdad Wärtsilä gasmotor, genom användning av direkt injektion av luft i cylindern (CAI). Under lastupptagningen tillförs mera gas till motorn, vilket temporärt gör luft–bränsleblandningen rik. Detta ökar risken för knackning eller misständning i motorn. Lufttillförseln är begränsad under de första mest kritiska sekunderna efter att lastupptagningen startat, på grund av tidsfördröjning i turbons rotationshastighet. Det är därför gynnsamt att tillföra ytterligare luft inför förbränningen på ett annat sätt. Tidigare tester har visat att CAI är en lovande lufttillförselmetod. För att ha en fortsatt bra förbränning under lastupptagning med CAI är blandningen inuti cylindern essentiell, och blev därför undersökt genom simuleringar i strömningsdynamik (CFD). Simuleringar med GT-Suite visade att kompressionstemperaturen blir väldigt hög med CAI, eftersom det komprimerar luft–bränsleblandningen. En lösning är att kyla ner den injicerade luften, men CAI parametrarna kan också optimeras. I enlighet med simuleringar ger CAI, som inte är nära det nedre dödläget, den lägsta kompressionstemperaturen, eftersom detta orsakade minst kompression av luft–bränsleblandningen. En sen CAI, utan Miller timing för insugsventilen, gav högst effekt, på grund av den lägsta mängden pumpförluster. Ett lastupptagningsexperiment på en encylindrig motor gjordes i Vasklot, Vasa, för att studera den verkliga förbränningen med CAI. Dessutom gjordes även förberedande simuleringar inför experimentet. Laststeg utfördes genom att använda en specifik varaktighet för CAI, och därefter genom att stegvis öka mängden gas tills en gräns blev nådd. Resultaten analyserades och processerades genom att ställa in GT-Suite simuleringsmodellen, så att den motsvarade resultaten från experimentet. I och med detta kunde en djupare förståelse för testresultaten fås, som exempelvis kompressions-temperaturen, luft- och gasmassorna genom ventilerna, och luft–bränsleförhållandet. Studien av CAI, med hjälp av GT-Suite simuleringar, CFD och motortest, gav användbar vetskap för fortsatt utveckling av denna metod för att förbättra lastupptagningsförmågan hos förbränningsmotorer.Description
Supervisor
Larmi, MarttiThesis advisor
Hattar, ChristerKeywords
instant loading, single-cylinder, gas engine, simulation, GT-Suite, direct air injection