Development of Advanced Combustions using Cylinder Pressure Signal

Zero-carbon powertrains development has become one of the main challenges for automotive industries around the world. Following this guideline, several approaches such as powertrain electrification, advanced combustions, and hydrogen internal combustion engines have been aimed to achieve the goal. Low Temperature Combustions, characterized by a simultaneous reduction of fuel consumption and emissions, represent one of the most studied solutions moving towards a sustainable mobility. Previous research demonstrate that Gasoline partially premixed Compression Ignition combustion is one of the most promising LTC. Mainly characterized by the high-pressure direct-injection of gasoline and the spontaneous ignition of the premixed air-fuel mixture, GCI combustion has shown a good potential to achieve the high thermal efficiency and low pollutants in compression ignited engines required by future emission regulations. Despite its potential, GCI combustion might suffer from low combustion controllability and stability, because gasoline spontaneous ignition is significantly affected by slight variations of the local in-cylinder thermal conditions. Therefore, to properly control GCI combustion assuring the maximum performance, a deep knowledge of the combustion process, i.e., gasoline auto-ignition and the effect of the control parameters on the combustion and pollutants, is mandatory. This PhD dissertation focuses on the study of GCI combustion in a light-duty compression ignited engine. Starting from a standard 1.3L diesel engine, this work describes the activities made moving toward the full conversion of the engine. A preliminary study of the GCI combustion was conducted in a “Single-Cylinder” engine configuration highlighting combustion characteristics and dependencies on the control parameters. Then, the full engine conversion was performed, and a wide experimental campaign allowed to confirm the benefits of this advanced combustion methodologies in terms of pollutants and thermal efficiency. The analysis of the in-cylinder pressure signal allowed to study in depth the GCI combustion and develop control-oriented models aimed to improve the combustion stability.

Development and testing of methodologies for the control and diagnosis of innovative combustion systems

In pursuit of aligning with the European Union's ambitious target of achieving a carbon-neutral economy by 2050, researchers, vehicle manufacturers, and original equipment manufacturers have been at the forefront of exploring cutting-edge technologies for internal combustion engines. The introduction of these technologies has significantly increased the effort required to calibrate the models implemented in the engine control units. Consequently the development of tools that reduce costs and the time required during the experimental phases, has become imperative. Additionally, to comply with ever-stricter limits on 〖"CO" 〗_"2" emissions, it is crucial to develop advanced control systems that enhance traditional engine management systems in order to reduce fuel consumption. Furthermore, the introduction of new homologation cycles, such as the real driving emissions cycle, compels manufacturers to bridge the gap between engine operation in laboratory tests and real-world conditions. Within this context, this thesis showcases the performance and cost benefits achievable through the implementation of an auto-adaptive closed-loop control system, leveraging in-cylinder pressure sensors in a heavy-duty diesel engine designed for mining applications. Additionally, the thesis explores the promising prospect of real-time self-adaptive machine learning models, particularly neural networks, to develop an automatic system, using in-cylinder pressure sensors for the precise calibration of the target combustion phase and optimal spark advance in a spark-ignition engines. To facilitate the application of these combustion process feedback-based algorithms in production applications, the thesis discusses the results obtained from the development of a cost-effective sensor for indirect cylinder pressure measurement. Finally, to ensure the quality control of the proposed affordable sensor, the thesis provides a comprehensive account of the design and validation process for a piezoelectric washer test system.

Evaluation of the performance of biodiesel from waste vegetable oil in a flame tube furnace

This work presents a theoretical and experimental study of the biodiesel (ethyl ester from a waste vegetable oil) performance in a flame tube furnace. The heat transfer rate was analysed in several sections along the furnace and the performance of the biodiesel was compared to that of diesel oil. The flow of heat from the burn of each fuel in the direction of the walls of the combustion chamber was evaluated under the same fuel injection pressure. The peak of the heat transfer occurred around 0.45 m far from the fuel injection nozzle in a 0.305 m inner diameter combustion chamber. The diesel oil showed a higher heat transfer rate in most parts exposed to the flame. In the region where the body of the flame is not present, the heat transfer of biodiesel becomes higher. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Emulação de um motor de combustão interna através de um acionamento eletromecânico de velocidade variável utilizando um motor de indução trifásico

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Energia

Ageing on commercial automotive catalysts, a structure reactivity study

Increasingly stringed regulations for diesel engine emissions have a significant impact on the required efficiency of DOC. Lowered DOC oxidation efficiency due to thermal aging effects influences the efficiency of the exhaust aftertreatment systems downstream of the DOC. In this work carried out in the Jean Le Rond d’Alembert Institute the effect of hydrothermal aging on the reactivity and structure of a commercial DOC was investigated. The characterization of the catalytic performance was carried out on a synthetic gas bench using carrots catalyst under conditions close to the realistic conditions i.e. using a synthetic gas mixture, representative of the exhaust gases from diesel engines. Different structural characterization techniques were performed: textural and morphological proprieties were analyzed by BET and TEM, the characterization of the presented crystallographic phases was performed by DRX and the determination of the number of reducible species was possible by TPR. TEM results shown, an increase of the metal particle size with the aging caused by the agglomeration of metal particles, revealing the presence of metal sintering. DRX results also suggest the presence of support sintering. Furthermore, DRX and BET results unexpectedly reveal that the most drastic aging conditions used actually activated the catalyst surface. As expected, the aging affected negatively the catalyst performance on the oxidation of methane and CO, however an improvement of the NO oxidation performance with the aging was observed. Nevertheless, for the aging conditions used, catalytic activity results show that the influence of aging in DOC performance was not significant, and therefore, more drastic aging conditions must be used.

Zylinderdruckbasierte Auflade- und Abgasrückführregelung für PKW-Dieselmotoren

Boost pressure, egr, cylinder pressure, ecu, model based control strategy, diesel engine

Modellierung der Ruß- und NOx-Emissionen des Dieselmotors

Diesel Engine, Soot- and NOx-Emissions, Potency Product Approaches, zero-dimensional Models, optical and thermodynamical Methods, semi-empirical, Combustion Strategy, Injection Rate Shape

Fabricació i anàlisi del biodièsel

La producció de biodièsel a partir d'olis de cuina utilitzats, amb l'objectiu de transformar un residu en un producte amb valor comercial i ambiental, és més net que els combustibles fòssils i contribueix a disminuir el gran consum de petroli que estem fent. En una primera part teòrica s’ha realitzat un treball de recerca d' informació del biodièsel per saber si és un bon combustible i si podria ser un possible substitut dels combustibles fòssils. En quant a la part pràctica l'objectiu principal ha estat fabricar el biodièsel . Les matèries primeres són oli de gira-sol i oli de cuina utilitzat, per tal de comparar les seves qualitats. S’ha arribat a la conclusió que presenten característiques molt semblants. Després de fer les anàlisis físico-químics de qualitat vam fer una mescla dels dos biodièsels fabricats, i el vam provar en un motor Dièsel per comprovar si funciona correctament i fer una comparació dels gasos emesos pel nostre combustible amb els emesos pel gasoil comercial. El resultat va ser molt positiu ja que el motor va funcionar correctament, i la comparació de gasos va sortir tal i com esperàvem ja que les quantitats de diòxid i monòxid de carboni emeses eren menors que en el gasoil.

Development of a dose-controlled multiculture cell exposure chamber for efficient delivery of airborne and engineered nanoparticles

In order to study the various health influencing parameters related to engineered nanoparticles as well as to soot emitted b diesel engines, there is an urgent need for appropriate sampling devices and methods for cell exposure studies that simulate the respiratory system and facilitate associated biological and toxicological tests. The objective of the present work was the further advancement of a Multiculture Exposure Chamber (MEC) into a dose-controlled system for efficient delivery of nanoparticles to cells. It was validated with various types of nanoparticles (diesel engine soot aggregates, engineered nanoparticles for various applications) and with state-of-the-art nanoparticle measurement instrumentation to assess the local deposition of nanoparticles on the cell cultures. The dose of nanoparticles to which cell cultures are being exposed was evaluated in the normal operation of the in vitro cell culture exposure chamber based on measurements of the size specific nanoparticle collection efficiency of a cell free device. The average efficiency in delivering nanoparticles in the MEC was approximately 82%. The nanoparticle deposition was demonstrated by Transmission Electron Microscopy (TEM). Analysis and design of the MEC employs Computational Fluid Dynamics (CFD) and true to geometry representations of nanoparticles with the aim to assess the uniformity of nanoparticle deposition among the culture wells. Final testing of the dose-controlled cell exposure system was performed by exposing A549 lung cell cultures to fluorescently labeled nanoparticles. Delivery of aerosolized nanoparticles was demonstrated by visualization of the nanoparticle fluorescence in the cell cultures following exposure. Also monitored was the potential of the aerosolized nanoparticles to generate reactive oxygen species (ROS) (e.g. free radicals and peroxides generation), thus expressing the oxidative stress of the cells which can cause extensive cellular damage or damage on DNA.

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.

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.

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.

Energiavarastojen mitoitus laivasähköjärjestelmään

Jatkuvasti kiristyvät päästörajoitukset ajavat eri alojen energiatuottajia kehittämään uusia ratkaisuja päästöjen pienentämiseksi. Viime aikoina myös laivojen päästörajoituksia on tiukennettu ja tulevaisuudessa niitä tullaan tiukentamaan lisää. Nämä tiukentuvat päästörajoitukset asettavat myös laivan dieselmoottoreiden valmistajat uusien haasteiden eteen. Yhtenä vaihtoehtona on lisätä dieselmoottorin rinnalle energiavarasto, joka vähentää dieselmoottorin päästöjä varsinkin nopeissa kuormituksen muutoksissa. Tässä diplomityössä tarkastellaan sähköisten energiavarastojen mitoitusta laivan sähköjärjestelmään. Energiavarastot mitoitetaan useaan eri toimintatilanteeseen. Mitoituksen lisäksi pohditaan energiavarastoilla saatavaa mahdollista rahallista hyötyä sekä päästöjen vähenemistä.

Dieselmoottorin analogisen kierrosnopeusmittauksen digitalisointi

Työssä suunnitellaan kierrosnopeusmittauksen toteutus vanhaan Ford -teollisuusdieseliin käyttäen moottorin alkuperäistä kierrosnopeusanturia. Anturi kunnostetaan vaihtamalla vanha, palanut käämi uuteen digitaaliseen järjestelmään soveltuvaan käämiin. Sen toimin-ta halutulla kierrosnopeusalueella varmistetaan mittauksin ja tämän perusteella suunnitel-laan kytkentä sen liittämiseksi kierrosnopeuden laskevaan mikrokontrolleriin. Kytkennän toimivuutta testataan simuloimalla ennen prototyypin rakentamista. Erilaisia vaihtoehtoja analogisen näytön toteuttamiseksi tutkitaan ja niistä valitaan yksi ve-nekäyttöön soveltuva, joka toteutetaan järjestelmän näyttöratkaisuksi. Järjestelmälle suunnitellaan piirilevy, jolle prototyyppi kasataan. Mikrokontrollerille koodataan C -ohjelmointikielellä ohjelma, joka laskee dieselmoottorin kierrosnopeuden anturipulssien perusteella ja ohjaa näyttöä.

Microgeneration of electricity with producer gas in dual fuel mode operation

Among the alternatives to meet the increasing of world demand for energy, the use of biomass as energy source is one of the most promising as it contributes to reducing emissions of carbon dioxide in the atmosphere. Gasification is a technological process of biomass energy production of a gaseous biofuel. The fuel gas has a low calorific value that can be used in Diesel engine in dual mode for power generation in isolated communities. This study aimed to evaluate the reduction in the consumption of oil Diesel an engine generator, using gas from gasification of wood. The engine generator brand used was a BRANCO, with direct injection power of 7.36 kW (10 HP) coupled to an electric generator 5.5 kW. Diesel oil mixed with intake air was injected, as the oil was injected via an injector of the engine (dual mode). The fuel gas was produced in a downdraft gasifier. The engine generator was put on load system from 0.5 kW to 3.5 kW through a set of electrical resistances. Diesel oil consumption was measured with a precision scale. It was concluded that the engine converted to dual mode when using the gas for the gasification of wood decreased Diesel consumption by up to 57%.