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.

Rankine-prosessin mallinnus keskilämpötila-alueessa

Tämä diplomityö on osa FCEP hankkeen Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisesta. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden ahtoilman hukkalämmön hyödyntämisestä sähköntuotannossa Rankine-prosessilla. Tavoitteena on myös suorittaa ahtoilman hukkalämpöä hyödyntävän koelaitteiston prosessitekninen mitoitus. Työssä kartoitetaan sovelluskohteeseen sopivimmat kiertoaineet sekä suoritetaan prosessin lämmönsiirtimien ja putkiston lämpö- ja virtaustekninen päämitoitus. Työssä tarkasteltavaksi moottoriksi valittiin Wärtsilä 4R32 – moottori. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien arvojen perusteella. Laskennan perusperiaatteena oli vertailla vesihöyryprosessia ja ORC-prosessia keskilämpötilaisen ahtoilman hyödyntämisessä. Työssä vertailtiin 12 eri kiertoaineen prosessihyötysuhdetta, saatavaa sähkötehoa sekä prosessin painetasoja. Kiertoainevertailun perusteella koelaitteeseen valittiin neljä kohteeseen parhaiten soveltuvinta kiertoainetta, joille mitoitettiin höyrystin, lauhdutin, rekuperaattori ja putkisto. Diplomityön laskennan perusteella tutkimuksen kohteena olleen moottorin sähköntuotannon lisäykseksi saatiin 1,77 %, kun ahtoilman hukkalämpö muunnetaan Rankine-prosessilla sähköksi. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottorin ahtoilman hukkalämmön sähköksi muuntamisesta sekä vesihöyryprosessilla, että ORC-prosessilla.

Työkoneiden dieselmoottoreiden hyötysuhteen parantaminen lämmöntalteenoton avulla

Tämä diplomityö on osa Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisessa. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen hyödyntämisestä sähköntuotannossa. Tavoitteena on muodostaa näkemys Mikro-ORC energiamuuntimen mahdollisuuksista ja reunaehdoista osana työkoneluokan (150 kW… 400 kW) dieselmoottorikokonaisuutta, erityisesti maataloussektorilla. Työssä tarkasteltaviksi moottoreiksi valittiin kaksi eri AGCO Sisu Powerin dieselmoottoria. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien hukkalämpövirtojen arvojen perusteella. Laskennan perusperiaatteena oli tutkia ORC-prosessin tuottamaa lisäsähkötehoa hyödyntämällä pakokaasujen lämpöenergiaa korkea-, keski- ja matalalämpötiloissa. Työssä vertailtiin kahden eri kiertoaineen prosessihyötysuhdetta, saatava sähkötehoa sekä prosessin sisäisiä parametreja. Lisäksi työssä tutkittiin ORC-prosessin laskentaa suunnittelupisteessä (design) ja suunnittelupisteen ulkopuolella (off-design), prosessisuureiden optimointia ja lämmönsiirtimien mitoitusta. Diplomityössä tarkasteltiin moottorin energiataseen mukaisten arvojen lisäksi moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavan tehoon. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen muuntamisesta sähköksi ORC:lla sekä moottorin energiatehokkuuden parantamisesta.

Mikro ORC-voimalan potentiaaliset sovelluskohteet

Tavoitteet energiatehokkuuden parantamisesta ja energiantuotannon ympäristövaikutusten vähentämisestä ovat nostaneet kiinnostusta hajautettua energiantuotantoa kohtaan. Pienissä kokoluokissa ei kuitenkaan sähköntuottaminen ole kannattavaa perinteisillä menetelmillä kuten vesihöyryprosessilla. Mikrokokoluokassa (alle 50 kWe) yksi varteenotettavimmista keinoista sähköntuotantoon on mikro ORC-prosessi. Tässä kandidaatintyössä on tavoitteena löytää mikro ORC-voimaloiden potentiaalisimpia sovelluskohteita ja ratkaisuja niiden hyödyntämiseen. Selvitystyön perusteella mikro ORC-voimaloiden potentiaalisimpia sovelluskohteita ovat hukkalämpöjen hyödyntäminen teollisuus- ja energiantuotantoprosesseissa, pienet CHP-laitokset, pienet lämpölaitokset, ajoneuvojen polttomoottorit, syrjäisten kohteiden sähköntuotanto sekä aurinkokeräimien ja kaukolämpöverkon hyödyntäminen rakennusten energiaomavaraisuuden parantamisessa.

Ilmastonmuutosteknologiat maailman patenttijärjestelmissä: Case autoteollisuus

Tässä työssä tarkastellaan kahden kansainvälisen patenttiluokitusjärjestelmän vihreiden teknologioiden luokitusjärjestelmiä autoteollisuudessa. Työn tarkoitus on tutkia, kuinka paljon vihreän teknologian patenttianalyysin tulokset eroavat toisistaan, jos tutkimuksissa käytetään eri patenttien luokitusjärjestelmiä. Vanhempi järjestelmä, International Patent Classification, on asemansa vakiinnuttanut kansainvälinen patenttienluokitusjärjestelmä. Vasta viime vuosina käyttöön otettu Cooperative Patent Classification on Euroopan ja Yhdysvaltojen patenttijärjestöjen kehittämä patenttien luokitusjärjestelmä. Tutkimusmenetelmissä hyödynnetään patenttianalyysia ja joukko-oppia. Tutkimuksessa vihreiden teknologioiden luokittelumenetelmien vertailukohteille saatiin määrällisesti samankaltaiset tulokset, mutta niiden sisältämät patentit eivät olleet pääsäännöllisesti samoja. Työssä tarkastellaan myös Toyotan, Daimlerin ja Fordin vihreiden autoteknologiapolkujen kehitystä. Varsinkin Toyota ja Daimler tulevat yhä enemmän panostamaan sähkö- ja hybridiautoihin verrattuna polttomoottoriautoihin.

Thermal modelling of commercial lithium-ion batteries

The accelerating adoption of electrical technologies in vehicles over the recent years has led to an increase in the research on electrochemical energy storage systems, which are among the key elements in these technologies. The application of electrochemical energy storage systems for instance in hybrid electrical vehicles (HEVs) or hybrid mobile working machines allows tolerating high power peaks, leading to an opportunity to downsize the internal combustion engine and reduce fuel consumption, and therefore, CO2 and other emissions. Further, the application of electrochemical energy storage systems provides an option of kinetic and potential energy recuperation. Presently, the lithium-ion (Li-ion) battery is considered the most suitable electrochemical energy storage type in HEVs and hybrid mobile working machines. However, the intensive operating cycle produces high heat losses in the Li-ion battery, which increase its operating temperature. The Li-ion battery operation at high temperatures accelerates the ageing of the battery, and in the worst case, may lead to a thermal runaway and fire. Therefore, an appropriate Li-ion battery cooling system should be provided for the temperature control in applications such as HEVs and mobile working machines. In this doctoral dissertation, methods are presented to set up a thermal model of a single Li-ion cell and a more complex battery module, which can be used if full information about the battery chemistry is not available. In addition, a non-destructive method is developed for the cell thermal characterization, which allows to measure the thermal parameters at different states of charge and in different points of cell surface. The proposed models and the cell thermal characterization method have been verified by experimental measurements. The minimization of high thermal non-uniformity, which was detected in the pouch cell during its operation with a high C-rate current, was analysed by applying a simplified pouch cell 3D thermal model. In the analysis, heat pipes were incorporated into the pouch cell cooling system, and an optimization algorithm was generated for the estimation of the optimalplacement of heat pipes in the pouch cell cooling system. An analysis of the application of heat pipes to the pouch cell cooling system shows that heat pipes significantly decrease the temperature non-uniformity on the cell surface, and therefore, heat pipes were recommended for the enhancement of the pouch cell cooling system.

Verfahren zur echtzeitfähigen Simulation dynamischer Emissionsverläufe ausgewählter Schadstoffe von Ottomotoren

Im Rahmen dieser Arbeit werden Modellbildungsverfahren zur echtzeitfähigen Simulation wichtiger Schadstoffkomponenten im Abgasstrom von Verbrennungsmotoren vorgestellt. Es wird ein ganzheitlicher Entwicklungsablauf dargestellt, dessen einzelne Schritte, beginnend bei der Ver-suchsplanung über die Erstellung einer geeigneten Modellstruktur bis hin zur Modellvalidierung, detailliert beschrieben werden. Diese Methoden werden zur Nachbildung der dynamischen Emissi-onsverläufe relevanter Schadstoffe des Ottomotors angewendet. Die abgeleiteten Emissionsmodelle dienen zusammen mit einer Gesamtmotorsimulation zur Optimierung von Betriebstrategien in Hybridfahrzeugen. Im ersten Abschnitt der Arbeit wird eine systematische Vorgehensweise zur Planung und Erstellung von komplexen, dynamischen und echtzeitfähigen Modellstrukturen aufgezeigt. Es beginnt mit einer physikalisch motivierten Strukturierung, die eine geeignete Unterteilung eines Prozessmodells in einzelne überschaubare Elemente vorsieht. Diese Teilmodelle werden dann, jeweils ausgehend von einem möglichst einfachen nominalen Modellkern, schrittweise erweitert und ermöglichen zum Abschluss eine robuste Nachbildung auch komplexen, dynamischen Verhaltens bei hinreichender Genauigkeit. Da einige Teilmodelle als neuronale Netze realisiert werden, wurde eigens ein Verfah-ren zur sogenannten diskreten evidenten Interpolation (DEI) entwickelt, das beim Training einge-setzt, und bei minimaler Messdatenanzahl ein plausibles, also evidentes Verhalten experimenteller Modelle sicherstellen kann. Zum Abgleich der einzelnen Teilmodelle wurden statistische Versuchs-pläne erstellt, die sowohl mit klassischen DoE-Methoden als auch mittels einer iterativen Versuchs-planung (iDoE ) generiert wurden. Im zweiten Teil der Arbeit werden, nach Ermittlung der wichtigsten Einflussparameter, die Model-strukturen zur Nachbildung dynamischer Emissionsverläufe ausgewählter Abgaskomponenten vor-gestellt, wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Stickstoffmonoxid (NO) sowie Kohlenmono-xid (CO). Die vorgestellten Simulationsmodelle bilden die Schadstoffkonzentrationen eines Ver-brennungsmotors im Kaltstart sowie in der anschließenden Warmlaufphase in Echtzeit nach. Im Vergleich zur obligatorischen Nachbildung des stationären Verhaltens wird hier auch das dynami-sche Verhalten des Verbrennungsmotors in transienten Betriebsphasen ausreichend korrekt darge-stellt. Eine konsequente Anwendung der im ersten Teil der Arbeit vorgestellten Methodik erlaubt, trotz einer Vielzahl von Prozesseinflussgrößen, auch hier eine hohe Simulationsqualität und Ro-bustheit. Die Modelle der Schadstoffemissionen, eingebettet in das dynamische Gesamtmodell eines Ver-brennungsmotors, werden zur Ableitung einer optimalen Betriebsstrategie im Hybridfahrzeug ein-gesetzt. Zur Lösung solcher Optimierungsaufgaben bieten sich modellbasierte Verfahren in beson-derer Weise an, wobei insbesondere unter Verwendung dynamischer als auch kaltstartfähiger Mo-delle und der damit verbundenen Realitätsnähe eine hohe Ausgabequalität erreicht werden kann.

Development and evaluation of a range anxiety-reducing business model for connected full electric vehicles

This thesis develops and evaluates a business model for connected full electric vehicles (FEV) for the European market. Despite a promoting political environment, various barriers have thus far prevented the FEV from becoming a mass-market vehicle. Besides cost, the most noteworthy of these barriers is represented by range anxiety, a product of FEVs’ limited range, lacking availability of charging infrastructure, and long recharging times. Connected FEVs, which maintain a constant connection to the surrounding infrastructure, appear to be a promising element to overcome drivers’ range anxiety. Yet their successful application requires a well functioning FEV ecosystem which can only be created through the collaboration of various stakeholders such as original equipment manufacturers (OEM), first tier suppliers (FTS), charging infrastructure and service providers (CISP), utilities, communication enablers, and governments. This thesis explores and evaluates how a business model, jointly created by these stakeholders, could look like, i.e. how stakeholders could collaborate in the design of products, services, infrastructure, and advanced mobility management, to meet drivers with a sensible value proposition that is at least equivalent to that of internal combustion engine (ICE) cars. It suggests that this value proposition will be an end-2-end package provided by CISPs or OEMs that comprises mobility packages (incl. pay per mile plans, battery leasing, charging and battery swapping (BS) infrastructure) and FEVs equipped with an on-board unit (OBU) combined with additional services targeted at range anxiety reduction. From a theoretical point of view the thesis answers the question which business model framework is suitable for the development of a holistic, i.e. all stakeholder-comprising business model for connected FEVs and defines such a business model. In doing so the thesis provides the first comprehensive business model related research findings on connected FEVs, as prior works focused on the much less complex scenario featuring only “offline” FEVs.

Electricity, hot water and cold water production from biomass. Energetic and economical analysis of the compact system of cogeneration run with woodgas from a small downdraft gasifier

Wood gasification technologies to convert the biomass into fuel gas stand out. on the other hand, producing electrical energy from stationary engine is widely spread, and its application in rural communities where the electrical network doesn't exist is very required. The recovery of exhaust gases (engine) is a possibility that makes the system attractive when compared with the same components used to obtain individual heat such as electric power. This paper presents an energetic alternative to adapt a fixed bed gasifier with a compact cogeneration system in order to cover electrical and thermal demands in a rural area and showing an energy solution for small social communities using renewable fuels. Therefore, an energetic and economical analysis from a cogeneration system producing electric energy, hot and cold water, using wooden gas as fuel from a small-sized gasifier was calculated. The energy balance that includes the energy efficiency (electric generation as well as hot and cold water system; performance coefficient and the heat exchanger, among other items), was calculated. Considering the annual interest rates and the amortization periods, the costs of production of electrical energy, hot and cold water were calculated, taking into account the investment, the operation and the maintenance cost of the equipments. Crown Copyright (C) 2010 Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Identification of lubricant contamination by biodiesel using vibration analysis and neural network

Purpose - The purpose of this paper is to provide information on lubricant contamination by biodiesel using vibration and neural network.Design/methodology/approach - The possible contamination of lubricants is verified by analyzing the vibration and neural network of a bench test under determinated conditions.Findings - Results have shown that classical signal analysis methods could not reveal any correlation between the signal and the presence of contamination, or contamination grade. on other hand, the use of probabilistic neural network (PNN) was very successful in the identification and classification of contamination and its grade.Research limitations/implications - This study was done for some specific kinds of biodiesel. Other types of biodiesel could be analyzed.Practical implications Contamination information is presented in the vibration signal, even if it is not evident by classical vibration analysis. In addition, the use of PNN gives a relatively simple and easy-to-use detection tool with good confidence. The training process is fast, and allows implementation of an adaptive training algorithm.Originality/value - This research could be extended to an internal combustion engine in order to verify a possible contamination by biodiesel.

A case study of compact cogeneration using various fuels

A method for studying the technical and economic feasibility of absorption refrigeration systems in compact cogenerators is presented. The system studied consists of an internal combustion engine, an electric generator and a heat exchanger to recover residual heat from the refrigeration water and exhaust gases. As an application, a computer program simulates the cogeneration system in a building which already has 75 kW of installed electric power. The maximum electric and refrigeration demands are 45 kW and 76 kW respectively. This study simulates the system performance, utilizing diesel oil, sugar cane alcohol and natural gas as possible fuels. (C) 1997 Elsevier B.V. Ltd.

Estudio de viabilidad tecnico-economica para la conversion de hornos electricos en hornos a gas natural

Technical and economic feasibility of using natural gas as a non-polluting energy source was studied. Conversion of electric ovens to gas-fired ovens for the preparation of aluminum plates for laminations was used as an example of this application. Four cases were evaluated for the use of heat derived from residual gases following combustion of the natural gas. Additionally, two possibilities are included for the use of systems of co-generation; one using an internal combustion engine, and second using a gas turbine. Results suggested that it was technically and economically feasible to convert the electric ovens considered to natural gas-operated ovens.

Manutenção preditiva de motores de combustão interna, à gasolina, através da técnica de análise de lubrificantes

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Projeto de um motor 4 tempos a gasolina monocilíndrico: calculo termodinâmico, desenho, usinagem e montagem da parte alternativa

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Análise técnica econômica de um gaseificador de biomassa de 100 kg/h para acionamento de um motor de combustão interna

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)