300bar palaminen, uusia tutkimustuloksia. Ossi Kaario

300bar palaminen, uusia tutkimustuloksia Ossi Kaario

300bar palaminen 350 300 250 P (bar) 200 150 100 50 0-50 0 50 100 150 DegCA

Alusta Rakentaminen aloitettu 1999 1. versio valmis 2004 2. versio valmis 2006 3. versio valmis 2010 running time (hrs) 440 420 400 380 360 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 3.4.2006 1.8.2006 29.11.200 6 29.3.2007 27.7.2007 24.11.200 7 EVE running hours 23.3.2008 21.7.2008 18.11.200 8 date (dd.mm.yyyy) engine rotating engine firing 18.3.2009 16.7.2009 13.11.200 9 13.3.2010 11.7.2010

EVE vuodesta 2006 Sylinterihalkaisija 200mm Iskun pituus 280 mm Iskutilavuus 8796 cc Puristussuhde 15.0

EVE vuodesta 2006 Miksi EVE on erityisesti niin monipuolinen tutkimusmoottori? elektrohydraulinen venttiilikoneisto erillinen ahtoilmakompressori yksisylinterisyys

Mitä tutkittu? Polttoaineenruiskutus BSNOx (g/kwh) 16 15 14 13 12 11 10 Sturman Dash4 1400 square Sturman Dash4 1400 ramp Sturman Dash4 1400 stepped Sturman Dash4 2400 square Sturman Dash4 2400 ramp Sturman Dash4 2400 stepped 9 8 7 6 216 220 224 228 232 236 240 244 248 252 BSFC (g/kwh) Kuva: Imperato et al.

Mitä tutkittu? Polttoaineenruiskutus Heat Release Rate (%) 9.5% 9.0% Sturman Dash4 2400 square 8.5% 8.0% Sturman Dash4 2400 ramp 7.5% 7.0% Sturman Dash4 2400 stepped 6.5% 6.0% 5.5% 5.0% 4.5% 4.0% 3.5% 3.0% 2.5% 2.0% 1.5% 1.0% 0.5% 0.0% -10-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 CAD Kuva: Imperato et al.

Optiset mittaukset toimivassa moottorissa Kuvat: Sarjovaara et al.

Optiset mittaukset toimivassa moottorissa a) b) c) d) e) f) Kuvat: Sarjovaara et al. g)

Miller sykli 18 16 14 12 Intake reference exhaust reference IVC=50 CAD BBDC IVC=70 CAD BBDC valve lift (mm) 10 8 6 18 16 asymm scavenging left, INT asymm scavenging left,exh symm scavenging, INT 4 14 symm scavenging, EXH asymm scavenging right, INT 2 12 asymm scavenging right, EXH 0 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 CAD valve lift (mm) 10 8 6 18 16 14 12 AEVO in intake stroke, INT AEVO in intake stroke, EXH AEVO in compression stroke, INT AEVO in compression stroke, EXH 4 2 0 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 CAD valve lift (mm) 10 8 6 4 2 0 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 CAD Kuva: Imperato et al.

Miller sykli ISFC and ISNOx variation (%) 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% -10% -20% -30% ISFC - Miller 50 ISFC - Miller 70 ISNOx - Miller 50 ISNOx - Miller 70 FSN - Miller 50 FSN - Miller 70 0.10 0.05 0.00-0.05 FSN -40% -50% -60% Ref Diesel Ref Scav 60 Scav 30 Scav 0 Scav -30 Scav -45-0.10 Kuva: Imperato et al.

Polttoainetutkimus 210 200 BSFC - Diesel BSFC - NExBTL NOx - Diesel NOx - NExBTL 18 16 190 14 ISFC (g/kwh) 180 12 ISNOx (g/kwh) 170 10 160 8 150 75% 50% 25% 6

Uusi 300bar EVE Tavoitteena 300bar maksimisylinteripaine 12 m/s keskimääräinen männän nopeus Kuva: O. Ranta et al.

Painevärähtelyt Intake pipe EVE - Pressure in inlet port Exhaust pipe Pressure [bar a] 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 Original No tank optimized. 300 l tank 3,5 Cylinder head Balancing tank 3,0-180 -90 0 90 180 270 360 450 540 Crank angle [deg]

Suunnittelu ja valmistus Wärtsilä / Harri Rinta-Torala Uusi kansi

Uusi kansi Punainen = tuore ilma Vanha kansi Sylinterin virtauskenttä laskettu CFD:llä Kuvat: E. Antila et al. Uusi kansi Ca=420

Uusi kiertokanki Suunnittelu ja valmistus Wärtsilä / Patrik Kulla Kuvat: Wärtsilä / Cimac 2010

Uusi mäntä Suunnittelu ja valmistus Componenta Pistons

Lämmönsiirto Lämpövuo kannessa Lämpövuo männässä Kuvat: M. Nuutinen

Tasapainotus Reciprocating mass forces 1st and 2nd order Current Uusi mäntä 28.65 kg New Vanha mäntä 29.5 kg Force 0 90 180 270 360 Uusi kiertokanki 74.7 kg CA [deg] Vanha kiertokanki 79.7 kg

Palamisprosessin suunnittelu In-Cylinder Pressure (bars) 300 270 240 210 180 150 lambda 2.2 - SOI 0 120 peak187 - CR=14.2 5.5 peak300 - CR=14.2 5.2 90 peak300 - CR=15.2 4.9 60 peak300 - CR=16.2 30 peak300 - CR=17.2 4.6 peak300 - CR=18.2 4.3 0-40 -35-30 -25-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 CAD Charge Air Pressure (bars) 7.3 7.0 6.7 6.4 6.1 5.8 lambda 2.4 - SOI 0 lambda 2.4 - SOI 2 lambda 2.4 - SOI 4 lambda 2.2 - SOI 0 lambda 2.0 - SOI 0 14.2 14.2 14.7 15.2 15.7 16.2 16.7 17.2 17.7 18.2 Ref Peak300 BSNOx (g/kwh) 18 16 14 12 10 lambda=2.2 later SOI peak187 - CR=14.2 peak300 - CR=14.2 peak300 - CR=15.2 peak300 - CR=16.2 peak300 - CR=17.2 peak300 - CR=18.2 8 6 175 180 185 190 195 200 205 210 215 ISFC (g/kwh) Kuvat: M. Imperato et al.

Palamisprosessin suunnittelu Polttoaineen ruiskutuksen 1-D simulointi injection dose (g) 2.3 2.2 2.1 2 1.9 1.8 8 holes 9 holes dose / g 2.4 2.3 2.2 2.1 2 1.9 9 Holes, dur 35 CA 8 holes, dur 35 CA Target 8 holes, dur 30 CA 9 holes, dur 30 CA 1.7 1.6 0.38 0.39 0.4 0.41 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 hole diameter (mm) 1.8 1.7 1.6 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4 0.41 hole diameter/mm Nykyinen ruiskutuspaine ja ruiskutuksen kesto sekä vakio puristussuhde. Korkeampi ruiskutuspaine ja puristussuhde Kuvat: A. Tilli et al.

Palamisprosessin suunnittelu Erittäin korkean paineen vaikutus kaasun käyttäytymiseen huomioitava simuloinneissa 1.15 3000K Compressibility factor Z = PV / RT 1.1 1.05 1 0.95 2500K 2000K 1500K 1000K 500K 350K 300K 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Ideal gas law Peng-Robinson Redlich-Kwong 300bar maximum cylinder pressure 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 3.00E+07 2.80E+07 2.60E+07 2.40E+07 2.20E+07 2.00E+07 1.80E+07 1.60E+07 1.40E+07 1.20E+07 1.00E+07 8.00E+06 6.00E+06 4.00E+06 2.00E+06 0.00E+00 Pressure (Pa) Pressure (bar) Crank angle Kuvat: A. Tilli et al.

Palamisprosessin suunnittelu Palamisen CFD laskenta Palaminen vakiomoottorissa. Korkeampi puristussuhde ja ruiskutuspaine. 300bar max sylinteripaine. Kuvat: A. Tilli et al.

Lähitulevaisuus Sisäänajo ja varovainen paineen nosto alhaisella kuormalla ennen kesää. Jos ei tule suuria yllätyksiä, aloitetaan kuorman nosto vähitellen. Vaikka kyseessä on olennainen moottorin tehotiheyden nosto, päästöt ja polttoaineen kulutus ovat erittäin tärkeitä myös kaikessa jatkotutkimuksessa.