9001 Matalan lämpötilan palamisen tekniikat moottoreissa

Transkriptio

1 9001 Matalan lämpötilan palamisen tekniikat moottoreissa Päästörajoitusten tiukentuessa on kehitetty uusia polttoaineensyöttö- ja palamistekniikoita, joissa on piirteitä sekä Otto- että Dieselmoottoreista. Yhteistä tekniikoille on, että palamislämpötilat pyritään pitämään alhaisina. Mitä tekniikoita on kehitetty ja mihin matalan lämpötilan palamisen edut perustuvat? Työn tarkoituksena on tehdä selvitys matalan lämpötilan palamisen tekniikoista ja niiden perusteista Päästömääräysten ja pakokaasun puhdistusmenetelmien kehittyminen Liikenteen päästörajoitukset ovat tiukentuneet valtavasti viime vuosina ja samalla on kehitetty yhä tehokkaampia teknologioita päästöjen vähentämiseksi. Tässä työssä tehdään selvitys sitä, miten moottorien eri käyttökohteiden päästörajoitukset ovat kehittyneet ja millä tekniikoilla rajat on moottoreissa saavutettu Hapetuskatalysaattorit dieselmoottoreissa Hapetuskatalysaattorien rooli dieselmoottoreissa korostuu jatkuvasti päästömääräysten kehittyessä tiukemmiksi. Tässä kirjallisuuskatsauksessa tutustutaan syihin katalysaattorien käyttöön, eri katalysaattorityyppeihin sekä niiden rakenteeseen, kemiaan ja toimintaan Millä polttoaineella kulkevat tulevaisuuden laivat? Martti Larmi, Professori, Laivapolttoaineen tärkeimpänä valintakriteerinä on perinteisesti ollut siitä maksettava hinta, mutta kiristyvien päästömääräyksien vuoksi tämän kriteerin rinnalle on tullut ja on tulossa myös muita vaatimuksia. Rikki- ja typpioksidipäästöjen vähentäminen polttoainetta vaihtamalla saattaa olla ristiriidassa kustannuskysymysten kanssa. Millä polttoaineella kulkevat tulevaisuuden laivat? Tulevaisuuden merenkulkupolttoaineiden on pystyttävä vastaamaan tähän kasvavaan haasteeseen.

2 9005 Toteutetaan päästötön moottori: keinovalikoima ja potentiaali Tässä työssä etsitään ja kootaan olemassa olevasta tutkimustiedosta keinoja, joilla voidaan minimoida moottorin palamisprosessista tulevat päästöt. Mitä täysin päästötön palaminen vaatisi? Ovatko keinot toteutettavissa? Jos ovat, olisiko mahdollista toteuttaa tälläinen moottori? 9006 Typenoksidipäästöt (NOx): muodostuminen ja vähennysmenetelmät Kirjallisuuskatsauksessa käydään läpi typenoksidipäästöjen (NOx) pääasialliset muodostumismekanismit korkean lämpötilan olosuhteissa, tuodaan yksinkertaisin laskuin esiin lämpötilan vaikutus NOx:n muodostumiseen ja selvitetään NOx-päästöjen vähentämistapoja Kaksoispolttoainepalamisen (dual-fuel combustion) suosio kasvaa. Entä tulevaisuus? Kaksoispolttoainepalamisen suosio kasvaa merkittävästi mm. meriliikenteessä. Tämä johtuu pitkälti kaasun käytön lisääntymisestä. Työssä perehdytään kaksoispolttoainepalamisen tekniikoihin ja katsotaan lähitulevaisuuteen miten asiat todennäköisesti etenevät Pisarasuihkun fysiikkaa ja yksinkertaista simulointia Ossi Kaario, Erikoistutkija, TkT, Tavoitteena on kuvata ne yksittäiset prosessit, jotka ohjaavat polttoainesuihkujen kehitystä korkean lämpötilan olosuhteissa. Jos tekijä niin haluaa, työ voi olla mallinnuspainotteinen.

3 9009 Kirjallisuuskatsaus polttoainesuihkun virtauksen dynamiikasta ruiskutustapahtumassa Tavoitteena on muodostaa kirjallisuuskatsaus nykyaikaisen diesel-moottorin polttoainesuihkun fysiikasta ruiskutustapahtuman ensihetkinä. Esiintyviä ilmiöitä ovat mm. turbulenssi, ilma-polttoaineseoksen sekoittuminen, lämmönsiirtoefektit, nestemäisen polttoaineen höyrystyminen yms. Näiden ilmiöiden laatuun vaikuttaa mm. polttoaine, ruiskutuspaine ja -lämpötila, ympäröivä paine ja lämpötila, pisarakoko, suutinkoko yms. Tarkoitus keskittyä vain suihkun dynamiikkaan Tieteellisen laskennan tulevaisuudennäkymät energiateknologian sovelluksissa: Supertietokoneet ja metodit virtauslaskennassa Laskentatehon kasvu antaa mahdollisuuden yhä suurempiin ja monimutkaisempiin tietokonesimulaatioihin. Perinteisen suoritinteknologian ohessa grafiikkapiirien (GPU) hyödyntäminen virtauslaskennassa on myös kasvavan kiinnostuksen kohde. Suoranaisen laskentatehon kasvun lisäksi uusien mallinnusmenetelmien ja algoritmien kehitys on tärkeää, jotta laskentatehosta saadaan paras hyöty irti. Työn tavoitteena on muodostaa kirjallisuuskatsaus laskentakapasiteetin kehityksestä ja kehitteillä olevista menetelmistä energiateknisissä (esim. kokonaisen diesel-moottorin virtausmallintaminen) virtaussimulaatioissa Virtauslaskentaohjelmiston (OpenFoam) yhtälöryhmäratkaisijoiden parametritestaus Useilla tieteen aloilla fysikaalisen ilmiön mallintaminen tietokoneella perustuu suuren matriisimuotoisen yhtälöryhmän ratkaisemiseen esimerkiksi: konjugaattigradientti- tai monihila-algoritmien avulla. Työn tarkoituksena on tutustua OpenFoam-ohjelmiston tarjoamiin mahdollisuuksiin kontrollitilavuusmenetelmän puitteissa ja muodostaa kuva menetelmistä niin kirjallisuuden kuin itse virtaussimulaatioiden ajamisen kautta. Esitiedot CFD:stä on suotavaa. auttaa perehdyttämisessä ja tarjoaa valmiit simulaatiorungot, joiden parametrejä muunnellaan.

4 9012 Korkeamman kertaluvun tarkkuuden virtauslaskentaohjelmiston ominaisuuksien testaus Polttomoottorin palotapahtuman mallintaminen on erittäin monimutkainen ja monialaista fysiikkaa sisältävä prosessi. Laskentatehon kasvaessa kehittyvät myös ratkaisumenetelmät ja tulevaisuudessa nk. korkeamman kertaluokan mallinnusmenetelmät kuten epäjatkuvat Galerkinin menetelmät (discontinuous Galerkin) ja vuon rekonstruointi (flux reconstruction) -menetelmä voivat tarjota isoja etuja nykyään yleiseen kontrollitilavuusmenetelmään verrattuna. Työn tavoitteena on tutustua valittuun menetelmään ja muodostaa yhdessä ohjaajan kanssa yksinkertaisia simulaatioita ja verrata tuloksia sekä laskenta-aikaa tyypillisiin tämän hetken menetelmiin Suurten pyörteiden menetelmä polttomoottoreiden virtausmekaanisessa simuloinnissa Jukka-Pekka Keskinen, Tohtorikoulutettava, FM, Viimeisen kymmenen vuoden aikana tietokoneiden laskentateho saavuttanut riittävän tason siihen, että suurten pyörteiden menetelmää (engl. large eddy simulation, LES) voidaan käyttää polttomoottoreiden virtausmekaaniseen simulointiin. Tämä menetelmä mahdollistaa aiempaa yksityiskohtaisemman tiedon saamisen mm. moottorin sylinterin sisällä tapahtuvista virtauksista. Kandityössä on tarkoitus tutustua alan tuoreisiin julkaisuihin ja koostaa näiden perusteella tutkimuksen nykytilaa ja tulevaisuutta luotaava kirjallisuusselvitys Vuorajoittimen käyttö implisiittisenä alihilamallina putkivirtausten simuloinnissa Jukka-Pekka Keskinen, Tohtorikoulutettava, FM, Suurten pyörteiden menetelmässä (engl. large eddy simulation, ILES) on mahdollista korvata alihilamalli esimerkiksi vuonrajoittimilla. Samoin kuin varsinaisten alihilamallien tapauksessa, myös erilaisia vuonrajoittimia on olemassa runsaasti. Tässä kandityössä opiskelija selvittää OpenFOAM-ohjelmistosta löytyvien vuonrajoittimien soveltuvuutta putkivirtauksen simulointiin annetun simulaatiomallin avulla. Aiempi kokemus virtausmekaniikasta on suotavaa.

5 9015 Optiset mittausmenetelmät Optisia mittausmenetelmiä voidaan käyttää häiritsemättä mitattavaa kohdetta tai prosessia. Menetelmät ovat laajalti käytössä teollisuuden laadunvalvonnassa ja niitä hyödynnetään runsaasti tutkimuskäytössä. Työn tarkoituksena on esitellä tavallisimpia optisia mittausmenetelmiä ja selvittää niiden tyypilliset käyttökohteet sekä syventyä hieman tarkemmin energiatekniikan alalla käytettäviin menetelmiin Makro- ja mikrokuvaus tutkimusmenetelmänä Makro- ja mikrokuvaus on pienten asioiden ja ilmiöiden valokuvaamista. Menetelmiä käytetään teollisuuden laadunvalvonnassa sekä lukuisissa tutkimuskohteissa. Työn tarkoituksena on esitellä makro- ja mikrokuvauksen optiset periaatteet, niissä käytettävät välineet ja tyypilliset sovelluskohteet teollisuudessa ja tutkimuskäytössä Suurnopeuskuvaaminen tutkimusmenetelmänä Suurnopeuskamera on videokamera, joka kuvaa erittäin suurella kuvataajuudella ja kuvaustulos esitetään hidastettuna katsojalle. Tutkimuskäytössä suurnopeuskameraa hyödynnetään tutkittaessa ilmiöitä, jotka tapahtuvat suurella nopeudella tai hyvin lyhyen ajan kuluessa. Työn tarkoituksena on esitellä kuvauksen periaatteet, niissä käytettävät välineet ja tyypilliset sovelluskohteet tutkimuskäytössä.