Fuel Consumption and CO2 Emission Estimation for Engine Testing Environments

Abstract

This thesis project focuses on the development and implementation of an automated estimation model for predicting fuel consumption and CO2 Emissions in Wärtsilä's engine test operations. The aim was to improve planning accuracy, increase environmental transparency, and support long-term compliance with evolving emissions regulations. The estimation model was designed to be integrated into Wärtsilä's existing test planning system, enabling test planners to access fuel and emission forecasts directly during the scheduling process.

The project was carried out in collaboration with Wärtsilä's Testing & Validation department. The implementation covered both customer delivery tests and laboratory R&D operations. The estimation logic was based on established parameters, including engine power output, test duration, Brake Specific Fuel Consumption (BSFC), lower heating values, and emission factors. Various test types were analyzed to define appropriate inputs and default values.

To ensure functionality and accuracy, manually calculated estimations were used to cross-validate the automated outputs in prototype stages. The final solution required only minimal manual input, ensuring user-friendliness and scalability. In conclusion, the system improved operational predictability and prepared Wärtsilä's test activities for future emissions trading requirements by allowing reliable, test-specific emission forecasting and early fuel demand estimations.

Detta examensarbete behandlar utvecklingen och implementeringen av en automatiserad estimeringsmodell för att förutse bränsleförbrukning och koldioxidutsläpp inom Wärtsiläs motortestverksamhet. Syftet var att förbättra planeringsnoggrannhet, öka miljötransparens samt stödja långsiktig efterlevnad av kommande utsläppsregleringar. Estimeringsmodellen designades för att integreras i Wärtsiläs befintliga planeringssystem, vilket möjliggör tillgång till bränsle- och utsläppsprognoser direkt under planeringsarbetet.

Projektet genomfördes i samarbete med Wärtsiläs Testing & Validation-avdelning och omfattade både leveranstester till kunder och interna laboratorietester inom forskning och utveckling. Estimeringslogiken baseras på väletablerade parametrar såsom motoreffekt, testlängd, specifik bränslekonsumtion (BSFC), bränslenas lägre värmevärden (LHV) samt utsläppsfaktorer. Olika testtyper analyserades för att fastställa relevanta indata och standardvärden.

För att säkerställa noggrannhet och funktionalitet jämfördes automatiserade estimeringsmodeller med manuellt beräknade värden under prototypstadiet. Den slutliga lösningen kräver minimalt manuellt arbete, vilket säkerställer användarvänlighet och skalbarhet. Sammanfattningsvis förbättrar modellen den operativa förutsägbarheten och förbereder Wärtsiläs testverksamhet för framtida krav inom utsläppshandel genom tillförlitlig, testspecifik prognostisering av utsläpp och tidig uppskattning av bränslebehov.

Tässä opinnäytetyössä kehitettiin ja otettiin käyttöön automatisoitu arviointimalli Wärtsilän moottoritestaustoiminnan polttoaineenkulutuksen ja hiilidioksidipäästöjen ennustamiseksi. Tavoitteena oli parantaa testisuunnittelun tarkkuutta, lisätä ympäristönäkyvyyttä sekä tukea pitkän aikavälin vaatimustenmukaisuutta tulevien päästölainsäädännön vaatimusten osalta. Arviointimalli suunniteltiin integroitavaksi osaksi Wärtsilän käytössä olevaa testisuunnittelujärjestelmää, jotta testaussuunnittelijat voisivat hyödyntää arvioita jo varhaisessa suunnitteluvaiheessa.

Projekti toteutettiin tiiviissä yhteistyössä Wärtsilän Testing & Validation -osaston kanssa, ja se kattoi sekä asiakastoimituksiin liittyvät testit että sisäiset tutkimus- ja kehitystarkoituksessa tehdyt laboratoriotestit. Arviointilogiikka perustui tunnettuihin parametreihin, kuten moottorin tehoon, testin kestoon, polttoaineen ominaiskulutukseen (BSFC), alempiin lämpöarvoihin (LHV) sekä päästötekijöihin. Eri testityyppejä analysoitiin sopivien syöttötietojen ja standardoitujen oletusarvojen määrittämiseksi.

Mallin tarkkuuden varmistamiseksi automaattisesti tuotettuja arvioita verrattiin prototyyppivaiheessa manuaalisesti laskettuihin arvoihin. Lopullinen ratkaisu vaati vain vähäistä manuaalista käyttöä ja toimi sujuvasti olemassa olevien prosessien rinnalla. Yhteenvetona voidaan todeta, että kehitetty malli paransi Wärtsilän testausympäristön operatiivista ennakoitavuutta ja valmisteli organisaatiota tuleviin päästökauppavaatimuksiin tarjoamalla luotettavan, testikohtaisen päästö- ja polttoaine-ennusteen.