Numerical Modelling of Combustion and Emission Formation in a Diesel Engine with Different Fuel Injection Characteristics

Päästöjen vähentäminen on ollut viime vuosina tärkeässä osassa polttomoottoreita kehitettäessä.Monet viralliset tahot asettavat uusia tiukempia päästörajoituksia. Päästörajatovat tyypillisesti olleet tiukimmat autoteollisuuden valmistamille pienille nopeakäyntisille diesel-moottoreille, mutta viime aikoina paineita on kohdistunut myös suurempiin keskinopeisiin ja hidaskäyntisiin diesel-moottoreihin. Päästörajat ovat erilaisia riippuen moottorin tyypistä, käytetystä polttoaineesta ja paikasta missä moottoria käytetään johtuen erilaisista paikallisista laeista ja asetuksista. Eniten huomiota diesel-moottorin päästöissä täytyy kohdistaa typen oksideihin, savun muodostukseen sekä partikkeleihin. Laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) avulla on hyvät mahdollisuudet tutkia diesel-moottorin sylinterissä tapahtuvia ilmiöitä palamisen aikana. CFD on hyödyllinen työkalu arvioitaessa moottorin suorituskykyä ja päästöjen muodostumista. CFD:llä on mahdollista testata erilaisten parametrien ja geometrioiden vaikutusta ilman kalliita moottorinkoeajoja. CFD:tä voidaan käyttää myös opetustarkoituksessa lisäämään paloprosessin tuntemusta. Tulevaisuudessa palamissimuloinnit CFD:llä tulevat epäilemättä olemaan tärkeä osa moottorin kehityksessä. Tässä diplomityössä on tehty palamissimuloinnit kahteen erilaisilla poittoaineenruiskutuslaitteistoilla varustettuun Wärtsilän keskinopeaan diesel-moottoriin. W46 moottorin ruiskutuslaitteisto on perinteinen mekaanisesti ohjattu pumppusuutin ja W46-CR moottorissa on elektronisesti ohjattu 'common rail' ruiskutuslaitteisto. Näiden moottorien ja käytössä olevien ruiskutusprofiilien lisäksi on simuloinneilla testattu erilaisia uusia ruiskutusprofiileja, jotta erityyppisten profiilien hyvät ja huonot ominaisuudet tulisivat selville. Matalalla kuormalla kiinnostuksen kohteena on nokipäästöjen muodostus ja täydellä kuormalla NOx-päästöjen muodostus ja polttoaineen kulutus. Simulointien tulokset osoittivat, että noen muodostusta matalalla kuormalla voidaan selvästi vähentää monivaiheisella ruiskutuksella, jossa yksi ruiskutusjakso jaetaan kahteen tai useampaan jaksoon. Erityisen tehokas noen vähentämisessä vaikuttaa olevan ns. jälkiruiskutus (post injection). Matalat NOx-päästöt ja hyvä polttoaineen kulutus täydellä kuormalla on mahdollista saavuttaaasteittain nostettavalla ruiskutusnopeudella.

Development of the Acoustic Emission Based Diagnostics Concept for the Rotary Lime Kiln

Reaaliaikainen, ennakoiva kunnonvalvonta on erittäin tärkeä osa modernin tehtaan tai tuotantolinjan toimintaa. Diplomityön teettäjä haluaa edelleen kehittää akustiseen emissioon perustuvaa kunnonvalvonta järjestelmäänsä, jotta siitä olisi enemmän hyötyä asiakkaalle. Diplomityö sisältää johdannonakustiseen emissioon ja akustisiin emissio sensoreihin. Työn tavoitteena oli kehittää päätöksentekojärjestelmä, jota käytettäisiin työn teettäjän valmistamien sensoreiden antaman tiedon automatisoituun analysointiin. Työssä on vertailtu kolmea eri ohjelmistotoimittajaa ja heidän ohjelmiaan, ja tehty ehdotus hankittavasta ohjelmistosta. Lisäksi työssä on kehitetty ohjeita, joiden avulla ohjelmisto ohjelmoidaan tuottamaan reaaliaikaista tietoa ja huolto-ohjeita sen käyttäjille. Lisäksi työssä annetaan ehdotuksia kunnonvalvonta- ja päätöksentekojärjestelmän edelleen kehittämiseen.

Effect of soil wetness on air composition and nitrous oxide emission in a loam soil

Selostus: Maan märkyyden vaikutus ilman koostumukseen ja dityppioksidiemissioon hiuemaassa

Power quality improving with virtual flux-based voltage source line converter

Line converters have become an attractive AC/DC power conversion solution in industrial applications. Line converters are based on controllable semiconductor switches, typically insulated gate bipolar transistors. Compared to the traditional diode bridge-based power converters line converters have many advantageous characteristics, including bidirectional power flow, controllable de-link voltage and power factor and sinusoidal line current. This thesis considers the control of the lineconverter and its application to power quality improving. The line converter control system studied is based on the virtual flux linkage orientation and the direct torque control (DTC) principle. A new DTC-based current control scheme is introduced and analyzed. The overmodulation characteristics of the DTC converter are considered and an analytical equation for the maximum modulation index is derived. The integration of the active filtering features to the line converter isconsidered. Three different active filtering methods are implemented. A frequency-domain method, which is based on selective harmonic sequence elimination, anda time-domain method, which is effective in a wider frequency band, are used inharmonic current compensation. Also, a voltage feedback active filtering method, which mitigates harmonic sequences of the grid voltage, is implemented. The frequency-domain and the voltage feedback active filtering control systems are analyzed and controllers are designed. The designs are verified with practical measurements. The performance and the characteristics of the implemented active filtering methods are compared and the effect of the L- and the LCL-type line filteris discussed. The importance of the correct grid impedance estimate in the voltage feedback active filter control system is discussed and a new measurement-based method to obtain it is proposed. Also, a power conditioning system (PCS) application of the line converter is considered. A new method for correcting the voltage unbalance of the PCS-fed island network is proposed and experimentally validated.

Product Line Profitability- Case Halton Indoors

Diplomityön tavoitteena on rakentaa malli kohdeyrityksen yhden strategisen liiketoimintayksikön tuoteryhmänkohtaisten kannattavuuksien selvittämiseksi yli kokotoimitusketjun. Työssä on keskitytty vain välillisiin kustannuksiin ja välittömien kustannusten osalta on luotettu toiminnanohjausjärjestelmän antamiin tietoihin. Työn lähtökohtana ja teoreettisena viitekehikkona on toimintoperustainen kustannuslaskenta, jonka periaatteita noudattaen kannattavuusmalli rakennettiin. Mallin periaatteet on esitetty työssä mutta sen tuottamia tuloksia ei ole syvemmin analysoitu. Ongelma osoittautui haasteelliseksi ja tulosten verifiointi lähes mahdottomaksi käytettyjen subjektiivisten arvioiden ja ennalta odottamattomien välittömien tuotekustannusten suurten virheiden vuoksi. Työn johtopäätöksissä keskitytään sisäisen laskentatoimen kulttuurin kehittämiseen tuotekustannuslaskennan ja yleisen kustannusvalvonnan näkökulmasta kohdeyrityksessä.

Design of adjustable packaging line

Diplomityön tavoite oli tutkia, mitä toimintoja ja tekniikoita uusi, joustava kartonkipakkauslinja sisältää ja mitkä suuntaukset pakkausteollisuudessa tulevat olemaan tärkeitä tulevaisuudessa. Pakkauslinjan päätoimintoja tarkasteltiin nykyisten jatulevaisuuden tekniikoiden pohjalta. Erityisesti tarkasteltiin laser-sovellusten käytön mahdollisuutta pakkauslinjan eri osatoiminnoissa. Katsaus pakkausteollisuuden tulevaisuuden näkymiin luotiin kirjallisuuden ja aikaisempien tutkimusten pohjalta, minkä perusteella työssä oletetaan, että yksilölliset ja monitoimipakkaukset tulevat lisääntymään tulevaisuudessa. Eri tuotantoerien välillä olevat asetusajat tulee saada minimoitua, mutta millä keinoin joustavuus on saavutettavissa? Yksi ratkaisu pakkausten valmistamisessa on käyttää robottisolua, mikä on mahdollista luultavasti ainakin kuppimuotoisten pakkausten kohdalla. Muutenkin robotiikka on lisääntymässä pakkausteollisuudessa. Digitaalisten painotekniikoiden kehitys on mahdollistanut yksilölliset painatukset. Tulevaisuudessa painatus on mahdollista tehdä pakkauslinjan loppupäässä, jopa vasta täytön ja suljennan jälkeen. Laserleikkaus on jo nyt käytössä, mutta tulevaisuudessa myös saumaus ja perinteinen nuuttaus on mahdollista tehdä lasersovelluksia käyttäen. Kehittynyt, väyläpohjainen ohjausjärjestelmä on tulevaisuudessa välttämätön joustavassa pakkauslinjassa. Internetin välityksellä toimiva etäohjattu virheenkorjausdiagnostiikka tulee myös olemaan itsestäänselvyys tulevaisuudessa. Kustannussäästöjä voidaan saavuttaa käyttämälläpakkauslinjassa modulaarista rakennetta. Standardiosien ja standardiosajärjestelmien käyttäminen pienentää myös käyttö- ja huoltokustannuksia. Tärkeää on kuitenkin muistaa, ettei joustavuutta voida saavuttaa pelkästään yhtä ominaisuutta tai tekniikkaa hyödyntäen vaan monia menetelmiä yhdistäen. Suunniteltavan pakkauslinjan toiminta on myös hyvä varmistaa käyttäen apuna mallinnusta ja simulointia.

Uuteaineiden on-line-mittaus koivusulfaattisellutehtaalla

Tämän työn tarkoituksena oli tutkia pihkanhallintaa sulfaattisellutehtaalla ja uuteaineiden analysointimenetelmiä massasta ja suodoksesta. Tavoitteena oli kehittää uuteaineiden on-line mittausmenetelmä sulfaattisellutehtaalle. Kirjallisuusosassa esitettiin sulfaattisellun valmistusprosessi ja uuteaineiden käyttäytyminen prosessissa. Lisäksi työssä käsiteltiin tärkeimpiä pihkanhallintamenetelmiä ja uuteaineiden analysointia. Kokeellisessa osassa määritettiin uuteainepitoisuudet 29:stä massa- ja pesusuodosnäytteestä. Lisäksi suodosnäytteiden sameus ja kemiallinen hapenkulutus määritettiin laboratoriossa. On-line mittaukset tehtiin DD-pesurin paluusuodoksesta, josta mitattiin johtokyky, lämpötila, taitekerroin ja pH. Sameutta yritettiin mitata on-line nefelometrillä, mutta käytössä ollut laite ei soveltunut tumman suodoksen mittaamiseen. Työssä saatujen tulosten perusteella voidaan todeta, että pesusuodoksen ominaisuuksia mittaamalla ei voida arvioida massan uutepitoisuutta luotettavasti. Suodoksen ja massan uutepitoisuuksien välinen selitysaste oli 54%. Saippuoitumattomien uuteaineiden pitoisuuden ollessa erityisen suuri, suodoksen uutepitoisuus ei korreloi massassa olevan uutteen määrän kanssa. Täten kyseinen mittausmenetelmä ei ole sopiva, sillä se ei toimi silloin, kun olisi tärkeintä tietää oikea uuteainepitoisuus pihkanhallintakemikaalien annosten määrittämiseksi. Suodoksen sameus riippui sen uutepitoisuudesta 80% selitysasteella. Sameusmittaus on nopea ja suhteellisen luotettava menetelmä suodosten uutepitoisuuksien arviointiin, mutta se vaatii mittalaitteen joka käyttää usean ilmaisimen tekniikkaa. On-line-mittauksissa laitteisto tulisi varustaa automaattisella pesulaitteella, sillä mittarin linssit likaantuvat helposti prosessivirrassa.

Paperinkeräysyhtiön ympäristölupa sekä energiajakeen vastaanoton, haketuksen ja hyötykäytön suunnittelu ja kannattavuuden arviointi

Papinniemi Oy harjoittaa paperiteollisuuskuidun jatkojalostus- ja paperinkeräystoimintaa. Yhteensä raaka-ainetta tulee käsiteltäväksi noin 10 000 t/a. Työn tavoitteena oli uudistaa yhtiön jätelain (1072/1993) 42 §:n mukainen jätelupa hakemalla toiminnalle uusi ympäristönsuojelulain (86/2000)mukainen ympäristölupa. Lupahakemus toimitettiin Kaakkois-Suomen ympäristökeskuksen Lap-peenrannan toimipisteeseen 22.6.2006. Hakemuksen kuulutusajan ja lausuntokierroksen jälkeen ympäristökeskus teki asiasta myönteisen ympäristölupapäätöksen 1.11.2006. Lupapäätöksen kuulu-tusaika on 30 päivää, jonka jälkeen päätös saa lainvoiman, ellei siitä valiteta. Papinniemi Oy:n tulee tehdä hakemus lupamääräysten tarkistamiseksi 30.6.2017 mennessä. Papinniemi Oy aikoo tulevaisuudessa laajentaa toimintaansa energiajakeen vastaanotto- ja kierrä-tyspolttoaineen valmistustoimintaan. Työn toisena tavoitteena oli laatia suunnitelma ja kannatta-vuuslaskelma ko. toiminnan aloittamiseksi. Saatujen tulosten perusteella kierrätyspolttoaineen val-mistus on kannattavaa, mikäli energiajakeen saatavuus Imatran seudulla on vähintään 1700 t/a. Täl-löin yhden kierrätyspolttoainetonnin valmistuskustannus on 90 ¤. Kustannus vastaa edullisimman Imatralla kilpailevaa toimintaa harjoittavan yrityksen energiajakeen vastaanottohintaa. Polttokel-poista jätettä tuottaville yrityksille tehdyn kyselyn perusteella energiajakeen saatavuus Imatran seu-dulla on noin 3000 t/a, jolloin yhden kierrätyspolttoainetonnin valmistuskustannus on 51,49 ¤. Vaikka kierrätyspolttoaineen hinta romahti EU:n jätteenpolttodirektiivin (2000/76/EY) vaatimusten voimaantulon myötä vuoden 2006 alussa, tullee kierrätyspolttoaineen hinta nousemaan lähivuosina takaisin direktiiviä edeltäneelle tasolle (24 ¤/t). Tällöin energiajakeen vastaanottohinta toiminnan kannattavuusrajalla on 27,49 ¤/t. Kierrätyspolttoaineiden käyttöä tulevaisuudessa lisännee muiden polttoaineiden hinnan nousu, meneillään olevakierrätyspolttoaineiden standardisoimistyö, jätteiden hyödyntämisasteen parantamistavoitteet, jätteiden kaatopaikkasijoituskustannusten nousu ja päästö-kaupan vaikutus.

Determining, Balancing and Controlling of Pitch and White Pitch at Stora Enso Kabel Production Line 4

Työn ensimmäisenä tarkoituksena oli kartoittaa kiinteä-neste ja neste-neste uuttomenetelmillä pihkan ja valkopihkan määrä Stora Enso Kabelin tuotantolinja 4:llä. Työn kannalta oli myöstärkeää saada selvyys saostumien koostumuksesta. Lopullinen päämäärä oli automatisoida fiksatiivin annostelu uuden, jatkuvatoimisen märänpäänanalysaattorin avulla. Mäntyosuuden kasvattaminen hiokemassassa lisää hydrofobisten partikkeleiden lukumäärää, minkä uskotaan lisäävän saostumariskiä. Työtä varten kehitetty neste-neste uuttomenetelmä, jota ei ole liiemmin paperiteollisuudessa käytetty, voi olla hyvä menetelmä lipofiilisten komponenttien määrän arviointiin tietyssä määrässä massa- tai prosessivesinäytettä. Virtaussytometri-menetelmän avulla tutkittiin pihka- tai valkopihkapartikkeleiden määrää ja kokojakaumaa eri prosessinäytteissä. Virtaussytometri-menetelmällä mitattujen valkopihkapartikkeleiden lukumäärän ja päällystetyn hylyn saostimen suodoksen sameuden välille löytyiselvä korrelaatio. Fiksatiivimäärän vaikutusta päällystetyn hylyn saostimen suodoksen sameuteen tutkittiin koeajojaksolla, jossa fiksatiivin annostelua säädettiin käsin. Käytetyt annosmäärät eivät riittäneet sameuden pitämiseen tasaisena matalalla tasolla.

Design of a Condition Monitoring System for a Glass Wool Production Line

Työn tarkoituksena oli suunnitella kunnonvalvontajärjestelmä kahdelle lasivillan tuotantolinjalle. Suunnitteluprosessin lisäksi työssä on esitelty erilaisia kunnonvalvontamenetelmiä. Työn alussa on kerrottu erilaisista kunnonvalvontamenetelmistä, joilla voidaan seurata erilaisten laitteiden ja koneiden toimintakuntoa.Erityisesti työssä on tarkasteltu teollisuudessa yleistyviä kunnonvalvonnan värähtelymittauksia. Työssä suunniteltu kunnonvalvontajärjestelmä perustuu viiteen eri menetelmään, jotka ovat värähtelymittaus, lämpötilanmittaus lämpökameralla, lämpötilanmittaus kannettavalla mittarilla, kuuntelu elektronisella stetoskoopilla ja pyörivien osien kunnontarkkailu stroboskoopilla. Kunnonvalvontajärjestelmän suunnittelu on tehty useassa eri vaiheessa. Ensin työssä on kartoitettu tuotannon kannalta tärkeimmät laitteet ja niiden mahdolliset vikaantumistavat. Seuraavaksi on valittu sopivat kunnonvalvontamenetelmät ja tehty mittaussuunnitelma, jossa on esitetty eri laitteille suoritettavat mittaukset ja mittausten aikavälit.Lopuksi työssä on esitelty muutama esimerkkitapaus kunnonvalvontamenetelmien käytöstä sekä kerrottu mahdollisista tulevaisuuden kehitysmahdollisuuksista.

In-line Monitoring of Precipitation Process using Raman Spectroscopy and ATR-FTIR

Polymorfian jatkuva seuranta saostuksessa on hyödyllistä suunnittelun ja kidetuotteen ominaisuuksien sekä kiteytystä seuraavan jatkoprosessoinnin kannalta. Tässä diplomityössä on tutkittu L-glutamiinihapon kahden (- ja ß) polymorfimuodon liukoisuuden riippuvuutta pH:sta ja lämpötilasta.Tulokseksi saatiin, että kummankin polymorfin liukoisuus kasvoi sekä pH:ta ettälämpötilaa kasvatettaessa. ¿¿muodon liukoisuus oli korkeampi kuin ß-muodon liukoisuus valituilla pH-arvoilla eri lämpötiloissa. Lisäksi seurattiin puolipanostoimisen saostuksen aikana 1-litraisella laboratoriokiteyttimellä muodostuvan kiteisen polymorfiseoksen koostumusta hyödyntäen in-line Raman-spektroskopiaa. Myös liuoksen pH-muutosta seurattiin sekä liuoksen koostumusta ATR FTIR-spektroskopian (Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectrometer) avulla. Tutkittavina muuttujina olivat mm. sekoitusintensiteetti, sekoitintyyppi, reaktanttien (natriumglutamaatti ja rikkihappo) konsentraatiot sekä syötetyn rikkihapon syöttökohta kiteyttimessä. Työhön sisältyi 36 koetta ja osa kokeista toistettiin tulosten oikeellisuuden tarkistamiseksi. Inline-mittaustulosten verifioimiseksi kidenäytteet analysoitiin myös käyttämällä konfokaali Raman-mikroskooppia. Kidemorfologiaa tutkittiin SEM-kuvien (Scanning Eletronic Microscope) avulla. Työ osoitti, että Raman-spektroskopia on joustava ja luotettava menetelmä saostusprosessin jatkuvaan seurantaan L-glutamiinihapolla. Alhaiset lähtöainepitoisuudet tuottivat pääasiassa ¿¿muotoa, kun taas alhainen sekoitusteho edisti ß-muodon muodostumista. Syöttökohta vaikutti merkittävästi polymorfiaan. Kun rikkihapon syöttökohta oli epäideaalisesti sekoitetulla vyöhykkeellä, nousi ylikylläisyystaso korkeaksi ja päätuote oli tällöin ß-muotoa. 6-lapainen vinolapaturbiini (nousukulma 45o) ja 6-lapainen levyturbiini eivät merkittävästi poikenneet toisistaan muodostuvien polymorfien osalta.

Direct-on-line axial flux permanent magnet synchronous generator static and dynamic performance

In distributed energy production, permanent magnet synchronous generators (PMSG) are often connected to the grid via frequency converters, such as voltage source line converters. The price of the converter may constitute a large part of the costs of a generating set. Some of the permanent magnet synchronous generators with converters and traditional separately excited synchronous generators couldbe replaced by direct-on-line (DOL) non-controlled PMSGs. Small directly networkconnected generators are likely to have large markets in the area of distributed electric energy generation. Typical prime movers could be windmills, watermills and internal combustion engines. DOL PMSGs could also be applied in island networks, such as ships and oil platforms. Also various back-up power generating systems could be carried out with DOL PMSGs. The benefits would be a lower priceof the generating set and the robustness and easy use of the system. The performance of DOL PMSGs is analyzed. The electricity distribution companies have regulations that constrain the design of the generators being connected to the grid. The general guidelines and recommendations are applied in the analysis. By analyzing the results produced by the simulation model for the permanent magnet machine, the guidelines for efficient damper winding parameters for DOL PMSGs are presented. The simulation model is used to simulate grid connections and load transients. The damper winding parameters are calculated by the finite element method (FEM) and determined from experimental measurements. Three-dimensional finite element analysis (3D FEA) is carried out. The results from the simulation model and 3D FEA are compared with practical measurements from two prototype axial flux permanent magnet generators provided with damper windings. The dimensioning of the damper winding parameters is case specific. The damper winding should be dimensioned based on the moment of inertia of the generating set. It is shown that the damper winding has optimal values to reach synchronous operation in the shortest period of time after transient operation. With optimal dimensioning, interferenceon the grid is minimized.

Applicability of Power-Line Communications to Data Transfer of On-line Condition Monitoring of Electrical Drives

The research of power-line communications has been concentrated on home automation, broadband indoor communications and broadband data transfer in a low voltage distribution network between home andtransformer station. There has not been carried out much research work that is focused on the high frequency characteristics of industrial low voltage distribution networks. The industrial low voltage distribution network may be utilised as a communication channel to data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors. The advantage of using power-line data transfer is that it does not require the installing of new cables. In the first part of this work, the characteristics of industrial low voltage distribution network components and the pilot distribution network are measured and modelled with respect topower-line communications frequencies up to 30 MHz. The distributed inductances, capacitances and attenuation of MCMK type low voltage power cables are measured in the frequency band 100 kHz - 30 MHz and an attenuation formula for the cables is formed based on the measurements. The input impedances of electric motors (15-250 kW) are measured using several signal couplings and measurement based input impedance model for electric motor with a slotted stator is formed. The model is designed for the frequency band 10 kHz - 30 MHz. Next, the effect of DC (direct current) voltage link inverter on power line data transfer is briefly analysed. Finally, a pilot distribution network is formed and signal attenuation in communication channels in the pilot environment is measured. The results are compared with the simulations that are carried out utilising the developed models and measured parameters for cables and motors. In the second part of this work, a narrowband power-line data transfer system is developed for the data transfer ofon-line condition monitoring of electric motors. It is developed using standardintegrated circuits. The system is tested in the pilot environment and the applicability of the system for the data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors is analysed.