Palamisilma- ja pakokaasujärjestelmien suunnittelu : siirrettävä moottoritutkimuslaboratorio

Abstract

Opinnäytetyö esittelee tulevaisuuden polttoaineita ja moottoreita tutkivan siirrettävän moottorilaboratorion palamisilma- ja pakokaasujärjestelmät sekä niiden suunnitteluun vaikuttavat tekijät. Siirrettävä moottoritutkimuslaboratorio mahdollistaa hiilineutraalien vetyjohdannaisten polttoaineiden palamisen tutkimisen polttomoottorissa. Tässä opinnäytetyössä suunnitellut ja mitoitetut palamisilma- ja pakokaasujärjestelmät ovat siirrettävän moottoritutkimuslaboratorion tukijärjestelmiä, jotka ylläpitävät tutkimusolosuhteita ja mahdollistavat tiedonkeruun tutkimuksesta.

Siirtymä vetytalouteen perustuu vedyn tai vetyjohdannaisten polttoaineiden käyttöön. Näillä polttoaineilla toimivia polttomoottoreita on kuitenkin markkinoilla vasta muutamia, joten niiden tutkimukselle on tilausta. Opinnäytetyössä tutustutaan yleisesti moottoritutkimukseen sekä polttomoottorin mahdollisuuksiin ja rajoitteisiin vetytaloudessa.

Siirrettävän moottoritutkimuslaboratorion palamisilma- ja pakokaasujärjestelmien suunnittelussa on otettava huomioon polttoaineiden ominaisuudet, jotta tutkimusympäristö olisi toimiva ja turvallinen. Vetyjohdannaiset polttoaineet ovat ominaisuuksiltaan keskenään täysin erilaisia, joka johtaa suuriin eroihin myös tutkittavissa moottoreissa. Järjestelmien on siis oltava joustavia, sillä niille mahdotonta määrittää yhtä ainoaa toimintapistettä. Lopulta järjestelmät saatiin vastaamaan vaatimuksia ja ne voitiin mallintaa siirrettävän moottoritutkimuslaboratorion 3D-malliin.

This thesis presents the combustion air and exhaust systems, and the factors that affect their design, of a mobile engine research laboratory that studies future fuels and engines. The mobile engine research laboratory will enable the combustion of carbon-neutral hydrogen-based fuels to be studied in an internal combustion engine. The combustion air and exhaust systems designed and dimensioned in this thesis are the support systems of the mobile engine research laboratory and they maintain the research conditions as well as enable data collection from the research.

The transition to a hydrogen economy is based on the use of hydrogen or hydrogen-based fuels. However, only a few internal combustion engines using these fuels are on the market, so there is a need for research on these engines. The thesis introduces engine research in general as well as the internal combustion engines potential and limitations in the hydrogen economy.

The design of combustion air and exhaust systems in the mobile engine research laboratory must factor in the characteristics of the fuels to ensure a functional and safe research environment. Different hydrogen-based fuels have completely different properties, which leads to differences in the engines that are tested. Therefore, systems must be flexible, as it is impossible to define a single operating point. Eventually, the systems met the requirements and could be modelled on a 3D model of the mobile engine research laboratory.