Cardan Gear Mechanism versus Slider-Crank Mechanism in Pumps and Engines

In machine design we always want to save space, save energy and produce as much power as possible. We can often reduce accelerations, inertial loads and energy consumption by changing construction. In this study the old cardan gear mechanism (hypocycloid mechanism) has been compared with the conventional slider-crank mechanism in air pumps and four-stroke engines. Comprehensive Newtonian dynamics has been derived for the both mechanisms. First the slidercrank and the cardan gear machines have been studied as lossless systems. Then the friction losses have been added to the calculations. The calculation results show that the cardan gear machines can be more efficient than the slider-crank machines. The smooth running, low mass inertia, high pressures and small frictional power losses make the cardan gear machines clearly better than the slider-crank machines. The dynamic tooth loads of the original cardan gear construction do not rise very high when the tooth clearances are kept tight. On the other hand the half-size crank length causes high bearing forces in the cardan gear machines. The friction losses of the cardan gear machines are generally quite small. The mechanical efficiencies are much higher in the cardan gear machines than in the slider-crank machines in normal use. Crankshaft torques and power needs are smaller in the cardan gear air pumps than in the equal slider-crank air pumps. The mean crankshaft torque and the mean output power are higher in the cardan gear four-stroke engines than in the slider-crank four-stroke engines in normal use. The cardan gear mechanism is at its best, when we want to build a pump or an engine with a long connecting rod (≈ 5⋅crank length) and a thin piston (≈ 1.5⋅crank length) rotating at high angular velocity and intermittently high angular acceleration. The cardan gear machines can be designed also as slide constructions without gears. Suitable applications of the cardan gear machines are three-cylinder half-radial engines for motorcycles, sixcylinder radial engines for airplanes and six-cylinder double half-radial engines for sport cars. The applied equations of Newtonian dynamics, comparative calculations, calculation results (tables, curves and surface plots) and recommendations presented in this study hold novelty value and are unpublished before. They have been made and written by the author first time in this study.

Cooling system optimization in medium-speed engines

Tässä työssä optimoidaan keskinopean Wärtsilä 32 -dieselmoottorin jäähdytysjärjestelmää ja tutkitaan taajuusmuuttajien käyttömahdollisuutta kiertopumppujen yhteydessä niin, että järjestelmässä saataisiin kiertämään vain kulloinkin tarvittava määrä vettä. Tutkimuksen mallinnus on toteutettu laatimalla aiemmin käytössä olleista yksinkertaisista simulointimalleista yksi malli, johon on sisällytetty sekä virtauksen että lämmönsiirron laskenta, jotka on aiemmin mallinnettu erillisillä ohjelmilla. Diplomityö on osa projektia, joka on tehty Sähkötekniikan osaston tutkijan Mikko Pääkkösen kanssa yhteistyössä. Tämän diplomityö keskittyy lähinnä virtausteknisiin ja lämmönsiirtoon liittyviin asioihin, kun taas sähkötekniikan osuus on esitetty Mikko Pääkkösen raportissa. Tulosten perustella voidaan sanoa, että taajuusmuuttajakäyttö kannattaa kiertopumppujen yhteydessä. Käyttämällä pumppujen virtaussäätöä voidaan jäähdytysjärjestelmästä jättää monia komponentteja, kuten termostaattiventtiilejä pois. Mallinnetut yksinkertaiset piiriratkaisut näyttävät toimivan ainakin yleisellä tasolla. Tutkimusta pumppujen säädöstä ja tässä projektissa luoduista jäähdytysjärjestelmäkonfiguraatioista kannattaa jatkaa.

TRACE ja sen käyttö painevesilaitosten mallinnuksessa

Tässä kandidaatintyössä on esitelty U.S. NRC:n kehittämä TRAC/RELAP Advanced Computational Engine termohydrauliikkamallinnusohjelmisto sekä sillä luodun yksinkertaistetun painevesilaitoksen mallin pienimuotoinen simulointi.

Optical Character Recognition for Symbian OS

This Master's thesis addresses the design and implementation of the optical character recognition (OCR) system for a mobile device working on the Symbian operating system. The developed OCR system, named OCRCapriccio, emphasizes the modularity, effective extensibility and reuse. The system consists of two parts which are the graphical user interface and the OCR engine that was implemented as a plug-in. In fact, the plug-in includes two implementations of the OCR engine for enabling two types of recognition: the bitmap comparison based recognition and statistical recognition. The implementation results have shown that the approach based on bitmap comparison is more suitable for the Symbian environment because of its nature. Although the current implementation of bitmap comparison is lacking in accuracy, further development should be done in its direction. The biggest challenges of this work were related to developing an OCR scheme that would be suitable for Symbian OS Smartphones that have limited computational power and restricted resources.

Biopolttoaineilla toimiva Stirling-voimalaitos

Stirling-moottori on ns. kuumailma moottori, joka toimii kaasun lämpötilaeron avulla. Kuumailma moottorin erityispiirteitä on laitteen ulkopuolella tapahtuva palaminen, josta lämpö johdetaan moottorille. Yleensä polttoaineena on käytetty vähän likaavaa polttoainetta esim. maakaasua mutta fossiilisten polttoaineiden kallistumisen ja niistä aiheutuvien päästöjen vuoksi niiden korvaaminen biopolttoaineella on tullut ajankohtaiseksi aiheeksi. Biopolttoaineiden likaavuuden takia niillä ei kuitenkaan voida lämmittää Stirling-moottoria suoraan vaan tarvitaan ylimääräinen lämmönsiirrin. Tämä diplomityö suoritettiin Lappeenrannan teknilliselle yliopistolle ja sen tarkoituksena oli tutkia juuri tähän laitteistoon suunnitellun, Stirling-moottorin ja polttokammion välisen lämmönsiirtimen suoritusarvoja ja likaantumista. Lisäksi työssä tutkittiin lämmönsiirtimeltä Stirling-moottorille menevien ilmaputkien lämpöhäviöitä. Työssä tultiin siihen tulokseen, että tämän tyyppinen lämmönsiirrin on suoritusarvoiltaan keskiverto kaasu-kaasu lämmönsiirrintä parempi ja ei likaannu erityisen nopeasti. Lämpöhäviöt olivat toisaalta merkittävämmässä asemassa kuin likaantuminen. Suurista lämpötiloista johtuva eristeiden lämmöneristyskyvyn heikkeneminen tai lämmönsiirtimen vuoto aiheutti merkittäviä lämpöhäviöitä.

Unsupervised visual object categorization

The number of digital images has been increasing exponentially in the last few years. People have problems managing their image collections and finding a specific image. An automatic image categorization system could help them to manage images and find specific images. In this thesis, an unsupervised visual object categorization system was implemented to categorize a set of unknown images. The system is unsupervised, and hence, it does not need known images to train the system which needs to be manually obtained. Therefore, the number of possible categories and images can be huge. The system implemented in the thesis extracts local features from the images. These local features are used to build a codebook. The local features and the codebook are then used to generate a feature vector for an image. Images are categorized based on the feature vectors. The system is able to categorize any given set of images based on the visual appearance of the images. Images that have similar image regions are grouped together in the same category. Thus, for example, images which contain cars are assigned to the same cluster. The unsupervised visual object categorization system can be used in many situations, e.g., in an Internet search engine. The system can categorize images for a user, and the user can then easily find a specific type of image.

Akku ja vetypolttokenno sähköauton voimanlähteenä

Tässä kandidaatintyössä on käsitelty akkuja ja vetypolttokennoja sähköauton voimanlähteenä. Työssä on esitelty sähköautojen ja niiden voimanlähteiden teknologioiden periaatteita, energiankantajia, hyötysuhteita ja päästöjä. Lisäksi on tarkasteltu polttomoottorikäyttöisiä autotekniikoita vertailukohdan saamiseksi. Työn lopuksi on analysoitu sähköautojen markkinoita ja niiden yleistymiseen vaikuttavia tekijöitä. Sähköautot mahdollistavat vaihtoehtoisten energialähteiden käytön, joka antaa tilaisuuden saasteiden ja päästöjen keskitettyyn vähentämiseen ja talteenottoon. Niiden avulla päästään myös pois öljyriippuvuudesta ja paikallisesti aiheutuneista päästöistä. Nykyisten polttoaineiden helpon käsiteltävyyden, kohtuullisien energiatiheyksien ja laajojen infrastruktuurien vuoksi käytössä olevien tekniikoiden syrjäyttäminen on vaikeaa. Uusien tekniikoiden etuja ja haittoja voidaan tarkastella yksinkertaisilla metodeilla, kuten kustannusten, hyötysuhteiden, päästöjen ja polttoaineiden elinkaarien vertailulla. Vertailua vaikeuttaa tosin hintatasojen ja verotuksen eroavaisuudet eri maissa, ja se on siksi suoritettava osin maakohtaisesti. Suurimpia esteitä uusille tekniikoille ovat tällä hetkellä niiden tuomat lisäkustannukset, infrastruktuurien puuttuminen ja nykyisten polttoaineiden korvaaminen toisella.

Perustutkimus palveluinnovaatioprosessissa rahoitusalalla

Palveluinnovaatioprosessi voidaan jakaa 5 eri vaiheeseen: strategiasidonnaisuus, perustutkimus, suorituskyvyn analysointi, systeemimuutokset sekä kaupallistaminen. Tästä palveluinnovaatioprosessista voidaan johtaa perustutkimusprosessi rahoitusalalle: strategiasidonnaisuus, ideoiden luonti ja karsinta, suorituskyvyn analysointi, differointimahdollisuuksien kartoittaminen ja palveluinnovaation myynti yritysjohdolle sekä osakkaille. Strategiasidonnaisuudella varmistetaan, että yritys pysyy omalla osaamisalueellansa hyödyntämällä omia ydinkompetenssejaan. Perustutkimus osana palveluinnovaatioprosessia selvittää oleellisimmat tiedot markkinatilanteesta sekä toimii ohjaavana että karsivana tekijänä uuden tuotteen jatkotoimenpiteille. Yrityksen kyvykkyyksien mittaaminen perustutkimusta varten on oleellinen vaihe uuden palvelun vaatimien liiketoiminnallisten muutosten määrittämiseksi. Tuotedifferoinnilla voidaan luoda kilpailullista etua tuotteiden puolesta homogeenisilla markkinoilla, joissa kilpailu tapahtuu pääosin hinnoittelussa. Rahoitusalalla tuotedifferointi voi muodostua haastavaksi kuluttajien suhtautuessa konservatiivisesti uusiin tuotteisiin. Makroekonomisten tekijöiden perusteella voidaan päätellä, että suomalaiset kuluttajat ottavat lainaa tulevaisuudessakin. Asuntolaina on ollut lainamarkkinoilla luottokannan kasvun veturina ja tästä syystä uudet asuntolainan kaltaiset tuotteet voisivat olla menestyksekkäitä. Kilpailu asuntolainamarkkinoilla kulminoituu kolmen hallitsevan kilpailijan ympärille: Osuuspankki, Sampo Pankki ja Nordea. Asuntolainan kaltainen käänteinen asuntolaina voisi olla menestys markkinoilla, jos sitä pystyttäisiin differoimaan kylliksi. Markkinapotentiaali pelkälle käänteiselle asuntolainalle on tällä hetkellä liian alhainen. GE Money Finland ei myöskään pysty tarjoamaan tuotetta yhtä kilpailulliseen hintaan kuin kilpailijansa. GE Money Finlandin tulisi edellä mainituista syistä johtuen pyrkiä differoimaan käänteisen asuntolainan kaltaista tuotettaan Heloc, jotta se menestyisi markkinoilla.

Työnkulkumoottorien käyttö sähköisten huutokauppojen koordinoinnissa

Sähköinen huutokauppapaikka on internetissä sijaitseva huutokauppalaitos. Sähköiset huutokauppapaikat ovat kasvattaneet suosiotaan huimasti, mistä johtuen sähköisten huutokauppojen kehittäminenkin on lisääntynyt. Tässä työssä tutkitaan kuinka sähköisen huutokaupan järjestäjä voi kasvattaa tuloaan kutsumalla vain potentiaalisimmat huutajat huutokauppaansa. Huutajien kutsuminen perustuu webpalveluiden käyttöön, joiden avulla huutajia voidaan koordinoida heidän ominaisuuksiensa mukaan. Asian tutkimiseksi selvitetään mitkä tekijät tekevät huutajasta potentiaalisen huutajan, ja miten huutokaupan järjestäjä voi kasvattaa tuloaan kutsumalla nämä huutajat huutokauppaansa web-palveluiden avulla. Työssä toteutetaan koordinointipalvelu, jonka avulla tutkitaan kuinka huutajien koordinointi voidaan toteuttaa web-palveluiden avulla. Toteutettu web-palvelu etsii potentiaalisimmat huutajat oletetusta huutajarekisteristä, ja voisi toimia esimerkiksi sähköisen huutokauppatalon promootiotyökaluna asiakkaille.

Electrical machine in a Hybrid Electrical Vehicle

Hybrid electric vehicles (HEV) have attracted very much attention during the latest years. Increasing environmental concern and an increase in fuel prices are key factors for the growing interest towards the HEV. In a hybrid electric vehicle the power train consists of both a mechanical power system and an electric power transmission system. The major subsystems in the mechanical power system are the internal combustion engine which powers the vehicle; electric power transmission including an energy storage, power electronic inverter, hybrid control system; the electric motor drive that runs either in the generating mode or in the motoring mode to process the power flow between the energy storage and the electrical machine. This research includes two advanced electric motors for a parallel hybrid: induction machine and permanent magnets synchronous machine. In the thesis an induction motor and a permanent magnet motor are compared as propulsion motors. Electric energy storages are also studied.

The state of research and development in Australia: implications for future development

The scale of research and development (R&D), and other technological activities, and the way in which the available resources are managed and organized at the enterprise and national level contribute to the rate of technological change in a country. A well organized national innovation system can be a powerful engine of progress, whereas a lack of interaction between institutions results in the slowing down of technological change, thereby diminishing its contribution to economic growth and welfare. The research object of this thesis is Australia’s national innovation system and the state of R&D in Australia. In order to establish an overall picture of the situation and to be able to make recommendations for future development, the general level of R&D activity and the main performers and funders of R&D within the system are analyzed. The framework policies supporting R&D and prevalent dynamics between different actors and sectors are of specific interest of the research. The findings reveal that the Australian culture is not a culture of research and innovation and that the main challenge is building a coherent system with strong domestic and international linkages.

Modelling of the PWR PACTEL vertical steam generator with the TRACE code

The behavior of the nuclear power plants must be known in all operational situations. Thermal hydraulics computer applications are used to simulate the behavior of the plants. The computer applications must be validated before they can be used reliably. The simulation results are compared against the experimental results. In this thesis a model of the PWR PACTEL steam generator was prepared with the TRAC/RELAP Advanced Computational Engine computer application. The simulation results can be compared against the results of the Advanced Process Simulator analysis software in future. Development of the model of the PWR PACTEL vertical steam generator is introduced in this thesis. Loss of feedwater transient simulation examples were carried out with the model.

Dieselmoottorin esisuunnittelun kehittäminen simuloimalla

Diplomityö tehtiin Wärtsilä Finland Oy:n toimeksiannosta. Työ kohdistui yrityksen suunnittelemien keskinopeudella pyörivien nelitahti dieselmoottoreiden esisuunnittelun kehittämiseen. Esisuunnittelun osuus koko tuotesuunnittelussa on merkittävä, minkä vuoksi esisuunnitteluprosessin tehostaminen vaikuttaa koko tuotesuunnitteluprosessiin ja sen lopputuloksiin. Tällä hetkellä esisuunnitteluprosessi on jakautunut useaan eri vaiheeseen ja eri tiimeille, mikä aiheuttaa ongelmia esisuunnittelun läpiviemisessä. Työn tavoitteena oli tutkia nykyaikaisen kaupallisen simulointiohjelmiston soveltuvuutta kohdeyrityksessä esisuunnitteluprosessin eri vaiheiden yhdistämiseen. Työssä selvitettiin esisuunnittelun alussa käytettäviä suunnitteluparametreja, ja niiden hyödyntämistä suunniteltaessa simulointimallia kaupalliseen ohjelmistoon. Vaatimuksena oli, että ohjelmiston on toimittava parametreilla, jotka jo nyt ovat yrityksessä käytössä. Lisäksi simulointimallin antamat tulokset oli oltava hyödynnettävissä yksiselitteisesti yrityksen myöhemmissä tuotesuunnitteluvaiheissa. Myös mallin luomiseen tarvittavien parametrien määrä tuli pitää mahdollisimman pienenä. Esisuunnittelumallin toteuttamisessa tutkittiin kaupallisen AVL Excite Designer - ohjelmiston soveltuvuutta. Ohjelmisto ei soveltunut täysin tuottamaan halutun muotoisia tuloksia annetuilla parametreilla. Ohjelmiston muokkaaminen vaatimuksia vastaavaksi osoittautui työmäärältään suureksi. Yhtenä ratkaisuna olisi kaupallisen ohjelmiston käyttämisen sijaan suunnitella kyseiseen ongelmaan paremmin soveltuva oma ohjelmisto, jolloin toimivuus ja pitkän tähtäimen käyttövarmuus paranisi.

Sähkökäyttöinen moottorikelkka

Diplomityö on tehty Lappeenrannan teknillisen yliopiston sähkötekniikan yksikössä. Työssä tarkastellaan mahdollisuuksia toteuttaa sähkökäyttöinen moottorikelkka. Työn alussa selvitetään, millaiset ovat moottorikelkan käytön aiheuttamat kuormat ja pyörimisnopeusalueet sekä miten polttomoottorit niistä selviävät. Seuraavaksi tarkastellaan eri sähkömoottorityyppien ja akkuvaihtoehtojen soveltuvuutta vastaavaan tehtävään. Työn tuloksena valitaan sähkökäyttöiseen moottorikelkkaan soveltuva sähkömoottori- ja akkutyyppi.

Polttomoottorivoimalan energiatehokkuuden parantaminen hukkalämpövirtojen sähköksi muunnolla

Tämä diplomityö on osa FCEP hankeen Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisesta. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen hyödyntämisestä sähköntuotannossa. Tavoitteena on kartoittaa polttomoottorin hukkalämpövirtojen sähköksi muunnon potentiaalia valituilla menetelmillä ja tekniikoilla. Työssä tarkasteltavaksi moottoriksi valittiin DF- monipolttoainemoottori. DF-moottorin polttoaineena voidaan käyttää joko kaasua tai polttoöljyä. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien hukkalämpövirtojen arvojen ja moottorin lämpötaseen avulla. Laskennan perusperiaatteena oli vesihöyryprosessin ja ORC-prosessien vertailu pakokaasulämmön hyödyntämisessä sekä matalalämpöisten hukkalämpövirtojen hyödyntäminen ORC-prosesseilla. Lisäksi työssä tutkittiin korkealla painesuhteella ja korkealla hyötysuhteella toimivan turboahtimen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavaan tehoon. Diplomityössä tarkasteltiin moottorin lämpötaseen mukaisten arvojen lisäksi moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavaan tehoon. Moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta moottorin akselitehoon tai moottorin lämpötaseeseen ei kuitenkaan tämän tutkimuksen puitteissa tarkasteltu. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen muuntamisesta sähköksi eri menetelmillä sekä moottorin energiatehokkuuden parantamisesta.