Studies on the reduction of nitrogen oxides emission in a large-bore diesel engine

Simple item page
dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorSarjovaara, Teemu, Dr., Neste Corporation, Finland
dc.contributor.authorImperato, Matteo
dc.contributor.departmentKonetekniikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Mechanical Engineeringen
dc.contributor.labInternal Combustion Engine Technologyen
dc.contributor.schoolInsinööritieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Engineeringen
dc.contributor.supervisorLarmi, Martti, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
dc.date.accessioned2016-06-30T09:01:18Z
dc.date.available2016-06-30T09:01:18Z
dc.date.defence2016-07-26
dc.date.issued2016
dc.description.abstractThis experimental research studied different technologies for reducing nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gases, running with a large-bore medium-speed diesel research engine. NOx mainly form during combustion in local high temperature zones. This study considered primary methods, avoiding high combustion temperatures. In particular, the Miller cycle, which is a proven concept for NOx reduction, was deeply studied. This technology was applied by closing early the intake valves to create a first gas expansion before the compression stroke, thus reducing the effective compression ratio. At high load, a detailed analysis of the mixing-controlled combustion, which constitutes the most influent part of the combustion process, was carried out, reaching in-cylinder pressure of 300 bar. Same NOx level and no soot were achieved increasing the output power, while keeping the same fuel injection pressure.At partial load, a more extensive study of different Miller rates was performed. An advanced Miller rate resulted in NOx reduction up to 55%. Since the Miller cycle presented some limitations, other techniques were implemented together with the Miller cycle. First, a split injection strategy was tested with low fuel injection pressure. Then, a paraffinic fuel, hydrotreated vegetable oil (HVO), was tested, while keeping lower oxygen content in the combustion chamber, obtained by retaining a part of the exhaust gases. The results of the experiments with split injection showed that it was difficult to decrease further NOx emissions compared to the values obtained with the Miller cycle alone, but specific fuel consumption decreased when a small pilot injection was used. However, a later injection timing could be used to obtain lower NOx values with a small drawback in fuel consumption. HVO's ignitability allowed running with very advanced Miller cycle and low oxygen content. It was possible to obtain low NOx figures, but a certain increase of specific fuel consumption took place.This thesis showed that a unique tool for obtaining a significant NOx reduction without drawbacks in the whole engine load spectrum could not be found. Due to lower combustion temperatures, a higher specific fuel consumption was a common downside. Optimization of injection strategy, use of alternative fuels and dilution with inert mass are valuable tools to implement for achieving low engine-out NOx in large-bore engines. However, the investment costs the possible drawbacks must be accurately evaluated in each case.  en
dc.description.abstractTämän väitöstutkimuksen tavoitteena oli vertailla erilaisia tekniikkoja typen oksidien (NOx) vähentämiseksi isossa keskinopeassa tutkimusmoottorissa. Pääsääntöisesti NOx-päästö muodostuu paikallisen korkean lämpötilan alueilla ja tässä tutkimuksessa hyödynnettiin menetelmiä korkeiden palamislämpötilojen välttämiseksi. Erityisesti tutkittiin eri sovelluksien niin kutsuttu Miller-työkiertoa, joka on tunnettu tekniikka NOx-päästön vähentämiseksi. Tämä toteutettiin aikaisella imuventtiilien sulkemisella tehollisen puristussuhteen pienemiseksi. Täydellä kuormalla saavutettiin erittäin korkea sylinteripaine (300bar) ja palamisprosessi oli näissä olosuhteissa lähes täysin sekoituksen. Moottorin tehoa pystytiin nostamaan merkittävästi korkeamman sylinteripaineen ansiosta ja Miller ajoitusta käyttämällä NOx päästöt eivät nousseet normaali tehoon nähden. Korkean kuorman testeissä hiukkaspäästöt olivat erittäin alhaiset. Osakuormalla tehtiin laajempi Miller-työkierto parametritutkimus. Aikaisella Miller-ajoituksella NOx:n vähentäminen oli jopa 55%. Miller-ajoitus asetti joitakin käyttörajoituksia alhaisilla kuormilla, ja siksi Miller-ajoituksen rinnalla hyödynnettiin myös muita tekniikoita. Jaksotettua polttoaineen ruiskutusta tutkittiin alhaisella polttoaineen ruiskutuspaineella, koska sen on todettu alentavan paineen nousun jyrkkyyttä nopeakäyntisissä moottoreissa. Miller-työkiertoa tutkittiin myös käyttämällä parafiinistä uusiutuvaa korkean setaaniluvun dieselpolttoainetta (vetykäsitelty kasviöljy, HVO) ja alentamalla moottorin täytöksen ilmakerrointa. Jaksotettu ruiskutus ei laskenut NOx–päästöjä merkittävästi käytettäessä Miller-ajoitusta alhaisella kuormalla, mutta moottorin polttoaineen kulutus laski jaksotetulla ruiskutuksella. HVO:n parempi syttyvyys (korkea setaaniluku) mahdollisti voimakkaamman Miller-ajoituksen ja alhaisella happipitoisuuden palotilassa. HVO:lla oli mahdollista saada alhaisia NOx arvoja, mutta samalla polttoaineen ominaiskulutus nousi. Tämä väitöstutkimus osoitti se, että yksi menetelmä ei tarjoa ratkaisua NOx päästöjen vähentämiseen kaikilla kuormitusalueilla, mutta hyödyntämällä useita eri tekniikoita voidaan saavuttaa merkittäviä NOx päästöjen alenemisia. Huomattavaa oli kuitenkin se, että monissa kuormapisteissä moottorin polttoaineen kulutus kasvoi samalla. Miller-työkierto, ruiskutuksen strategian optimointi, vaihtoehtoisten polttoaineiden käyttö ja pakokaasujen takaisin kierrätys ovat hyviä välineitä alhaisten NOx:n päästöjen saavuttamiseksi laivamoottoreissa.fi
dc.format.extent54 + app. 54
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-60-6898-5 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-6897-8 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/21217
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-6898-5
dc.language.isoenen
dc.opnTikkanen, Seppo, Prof., Tampere University of Technology, Finland
dc.opnPanagiotis, Dr., Kyrtatos, ETH Zurich, Switzerland
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: Imperato, Matteo; Kaario, Ossi; Sarjovaara, Teemu; Larmi, Martti. Influence of the In-Cylinder Gas Density on the Combustion Characteristics with Variable Fuel Pressure in a Large-Bore Diesel Engine. 2016. International Journal of Engine Research, volume 17, issue 5, pages 525-533. ISSN: 1468-0874. DOI: 10.1177/1468087415589043
dc.relation.haspart[Publication 2]: Imperato, Matteo; Antila, Eero; Sarjovaara, Teemu; Kaario, Ossi; Larmi, Martti; Kallio, Ilari; Isaksson, Sten. 2009. NOx Reduction in a Medium-Speed Single-Cylinder Diesel Engine using Miller Cycle with Very Advanced Valve Timing. SAE Technical Paper 2009-24-0112. DOI: 10.4271/2009-24-0112
dc.relation.haspart[Publication 3]: Imperato, Matteo; Kaario, Ossi; Sarjovaara, Teemu; Larmi, Martti. 2016. Split Injection in a Large-Bore Engine with Advanced Miller Cycle. Applied Energy, volume 162, pages 289–297. ISSN: 0306-2619. DOI:10.1016/j.apenergy.2015.10.041
dc.relation.haspart[Publication 4]: Imperato, Matteo; Tilli, Aki; Sarjovaara, Teemu; Larmi, Martti. 2012. Large-Bore Compression-Ignition Engines: High NOx Reduction Achieved at Low Load with Hydro-Treated Vegetable Oil. SAE. SAE International Journal of Fuels and Lubricants, volume 5, issue 1, pages 225-232. ISSN: 1946-3960. DOI: 10.4271/2011-01-1956
dc.relation.haspart[Publication 5]: Imperato, Matteo; Tilli, Aki; Sarjovaara, Teemu; Larmi, Martti. 2012. Hydrotreated Vegetable Oil and Miller Timing in a Medium-Speed CI Engine. SAE Technical Paper 2012-01-0862. DOI: 10.4271/2012-01-0862
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries130/2016
dc.revWimmer, Andreas, Prof., Large Engine Competence Center, Austria
dc.revSchramm, Jesper, Prof., Technical University of Denmark, Denmark
dc.subject.keywordlarge-bore engineen
dc.subject.keywordNOx reductionen
dc.subject.keywordin-cylinder pressureen
dc.subject.keywordsplit injectionen
dc.subject.keywordMiller cycleen
dc.subject.keywordhydrotreated vegetable oilen
dc.subject.keywordlaivamoottorifi
dc.subject.keywordNOx-päästöjen vähentäminenfi
dc.subject.keywordkorkea sylineripainefi
dc.subject.keywordjaksotettu polttoaineen ruiskutusfi
dc.subject.keywordMiller-syklifi
dc.subject.keywordvetykäsitelty kasviöljyfi
dc.subject.otherEnergyen
dc.subject.otherMechanical engineeringen
dc.titleStudies on the reduction of nitrogen oxides emission in a large-bore diesel engineen
dc.titleTutkimuksia typenoksidien vähentämisestä keskinopeaan laivamoottoriinfi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2016_06_29_klo_14_57
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526068985.pdf
Size:
1.01 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Download
Collections
[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG