Dieselmoottorin pakokaasun jäähdytysjärjestelmän suunnittelu

Abstract

Opinnäytetyö tehtiin Tana Oy:lle osana uuden, vähäpäästöisen TIER 4/Euro 4 -moottorimoduulin suunnittelua. Työssä suunniteltiin järjestelmä, jolla varmistetaan, että uuden dieselmoottorin kuuma pakokaasu ei aiheuta syttymisriskiä pölyisillä tehdasalueilla.

Työssä selvitettiin, mikä on suurin pakokaasun lämpötila, joka ei vielä aiheuta syttymisvaaraa pölyisissä olosuhteissa. Selvityksen perusteella pakokaasun lämpötila saa olla enintään kaksi kolmasosaa pölyn syttymislämpötilasta. Työssä käytettiin lähtökohtana puupölyä, jonka syttymislämpötila on n. 500 °C. Pakokaasun lämpötila ei siis saa olla korkeampi kuin 330 °C, jotta puupölyn syttymisriskiä ei synny.

Opinnäytetyössä vertailtiin eri jäähdytysmenetelmiä ja päädyttiin suunnittelemaan laitteisto, jonka toiminta perustuu veden suihkuttamiseen pakokaasuvirtaan. Veden tarkoitettiin höyrystyvän pakoputkessa aiheuttaen pakokaasun jäähtymisen. Laskelmien perusteella päädyttiin suihkuttamaan vettä 1,4 l/min 600 celsiusasteiseen pakokaasuvirtaukseen, jonka massavirta on 180 g/s. Suunniteltu rakenne koostuu pääpiirteittäin vesisäiliöstä, sähköpumpusta ja suuttimesta.

Laitteistoa testattiin osana moottorimoduulin prototyypin testejä. Testien perusteella todettiin, että laitteisto ei täyttänyt täysin sille asetettuja vaatimuksia, eikä jäähdytystehoa voitu varmistaa. Pohdinnan perusteella veteen ei siirtynyt tarpeeksi lämpöä, jotta kaikki vesi höyrystyisi. Osa vedestä suihkusi pakokaasun mukana nestemäisenä.

Jäähdytyslaitteiston jatkokehittelyn avulla olisi mahdollista saada laitteisto toimivaksi. Jatkokehittelyssä suositellaan tutkimaan tarkemmin ilman sekoittamiseen liittyviä mahdollisuuksia.

The bachelor’s thesis was assigned by Tana Inc. as a part of developing TIER 4/Euro 4 emission class diesel engine module. The aim of this bachelor thesis was to ensure that the increased exhaust temperature will not cause fire or explosion hazard in at dusty industrial sites.

The research on safe exhaust temperature found that safe exhaust gas temperature is two thirds of the specific ignition temperature of the exposed material. Wood dust ignites at 500 degrees Celsius and therefore the safe temperature was defined 330 degrees Celsius.

The comparison of cooling methods showed that the best solution was to mix water in the exhaust stream. The water was to evaporate in the exhaust gas and therefore develop a cooling effect. The exhaust gas was flowing at the rate of 180 grams per second and at temperature of 600 degrees Celsius. The calculations indicated that the required water flow was 1.4 liters per minute in order to meet the requirements. The basic components in the cooling system were a nozzle, pump and tank. The pump was operated with electricity.

The cooling system was tested as a part of testing of the diesel engine module prototype. The tests of the cooling system indicated that the system didn’t function fully as expected. Some parts of the cooling water did not evaporate because heat transformation was not sufficient. Part of the water spurted through the exhaust system as liquid. The cooling power of the system could not be verified in this thesis.

The cooling system needs to be developed further to be effective. Based on this thesis it is recommended that further development is focused on the methods that utilize ambient air mixing.