Utilization possibilities of high-pressure gas injection for 4-stroke diesel combustion
Karlsson, Rasmus (2021)
Diplomityö
2021
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021060132629
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021060132629
Tiivistelmä
Tämän työn tavoitteena oli tarkastella korkeapaineisen kaasunsyötön käyttömahdollisuuksia puristussytytteisellä, IMO Tier III päästörajoitukset täyttävällä 4-tahti monipolttoainemoottorilla. Työssä käydään läpi monipolttoainemoottorille mahdollisesti soveltuvia vaihtoehtoisia polttoaineita, jonka jälkeen tarkastellaan moottorin tarvitsemaa kaasunsyöttöjärjestelmää. Kaasunsyöttöjärjestelmän tarkastelu tehdään nesteytetylle maakaasulle. Työssä käydään läpi kaasunsyöttöjärjestelmän tarvitsemia komponentteja, kuten pumppuja, kompressoreita, lämmönvaihtimia sekä mahdollisia pakokaasun puhdistusjärjestelmiä nesteytetyn maakaasun käytön kannalta.
Työ pohjautuu teoreettisiin tutkimusmenetelmiin. Polttoaineet ja korkeapaineisen kaasunsyöttöjärjestelmän tarvitsemat laitteet sekä moottorin päästöjen arviointi pohjautuvat kirjallisuustutkimukseen. Lisäksi työssä on suoritettu markkinoilla olevien suuritehoisten 2- ja 4-tahti monipolttoainemoottoreiden vertailuanalyysi. Kirjallisuustutkimuksen sekä vertailuanalyysin lisäksi kaasunsyöttöjärjestelmien polttoaineen paineistamiseen tarvitsema teho sekä kaasunsyöttöjärjestelmän mahdollinen lämmitys- tai jäähdytystarve on arvioitu HYSYS simulointiohjelmistolla. Lopulta järjestelmien komponenttien hintoja on vertailtu toimittajien- ja kirjallisuudesta löydettyjen hintavertailujen pohjalta.
Työn tuloksena on arvio korkeapaineisen kaasunsyöttöjärjestelmän toteutettavuudesta. Korkeapaineinen kaasunsyöttöjärjestelmä voidaan toteuttaa ainakin pumppujen tai kompressoreiden avulla. Verrattuna matalapaineiseen järjestelmään, hinta, huollon tarve sekä järjestelmän monimutkaisuus ja tehon tarve kasvavat. Korkeapaineisen järjestelmän etuna on metaani päästöjen eliminointi sekä mahdollisuus heikompi laatuisen maakaasun käyttöön. Toisin kuin matalapaineisella kaasunsyöttöjärjestelmällä, korkeapaineinen järjestelmä vaatii kuitenkin pakokaasujen jälkikäsittelyä tai muita toimenpiteitä moottorilla täyttääkseen IMO Tier III NOx päästörajoitukset. Suurimmat ongelmat korkeapaineisen kaasunsyötön toteutuksessa 4-tahtimoottorilla liittyvät ruiskutussuuttimen tai -suuttimien sijoittamiseen moottorin sylinterikannella, missä tila on vähissä. The aim of this thesis was to evaluate the utilization possibilities of high-pressure gas injection in a compression ignited 4-stroke dual fuel engine operating in IMO Tier III emission limits. In this thesis the applicable fuels as well as the fuel gas supply systems of such an engine are investigated. The fuel gas supply system evaluation is done with the assumption that liquefied natural gas will be used as the fuel. The various components of the fuel gas supply system, such as pumps, compressors, heat exchangers as well as possibly needed exhaust aftertreatment systems are investigated.
The research methods used in this thesis are primarily theoretical. A literature review was conducted for the alternative fuels and for the fuel gas supply system components as well as for the emission level of the engine. A market benchmarking of high output 2- and 4-stroke dual-fuel engines was also made. Additionally, a simulation model made in HYSYS was used to estimate the power – and heating as well as cooling consumptions required for the different fuel gas supply systems. Finally, the rough prices of the components constituting the systems was made with the help of price comparisons found from suppliers and literature.
The results serve as a feasibility study to utilizing high-pressure gas injection in a 4-stroke engine. High-pressure gas injection can be used by pressurizing the fuel with pumps or compressors. The high-pressure gas supply system has a higher price, needs more maintenance and the fuel pressurization consumes more power than a low-pressure gas supply system. The high-pressure system is also more complex. The advantage of using high-pressure gas injection is that the engine methane slip can be eliminated, and lower quality natural gas can be used. But unlike low-pressure systems, a high-pressure system will need exhaust aftertreatment or other on-engine methods to comply with IMO Tier III NOx limits. Biggest on-engine obstacles for high-pressure injection are related to the placement of the injector on the cylinder head, as the space is limited on a 4-stroke engine.
Työ pohjautuu teoreettisiin tutkimusmenetelmiin. Polttoaineet ja korkeapaineisen kaasunsyöttöjärjestelmän tarvitsemat laitteet sekä moottorin päästöjen arviointi pohjautuvat kirjallisuustutkimukseen. Lisäksi työssä on suoritettu markkinoilla olevien suuritehoisten 2- ja 4-tahti monipolttoainemoottoreiden vertailuanalyysi. Kirjallisuustutkimuksen sekä vertailuanalyysin lisäksi kaasunsyöttöjärjestelmien polttoaineen paineistamiseen tarvitsema teho sekä kaasunsyöttöjärjestelmän mahdollinen lämmitys- tai jäähdytystarve on arvioitu HYSYS simulointiohjelmistolla. Lopulta järjestelmien komponenttien hintoja on vertailtu toimittajien- ja kirjallisuudesta löydettyjen hintavertailujen pohjalta.
Työn tuloksena on arvio korkeapaineisen kaasunsyöttöjärjestelmän toteutettavuudesta. Korkeapaineinen kaasunsyöttöjärjestelmä voidaan toteuttaa ainakin pumppujen tai kompressoreiden avulla. Verrattuna matalapaineiseen järjestelmään, hinta, huollon tarve sekä järjestelmän monimutkaisuus ja tehon tarve kasvavat. Korkeapaineisen järjestelmän etuna on metaani päästöjen eliminointi sekä mahdollisuus heikompi laatuisen maakaasun käyttöön. Toisin kuin matalapaineisella kaasunsyöttöjärjestelmällä, korkeapaineinen järjestelmä vaatii kuitenkin pakokaasujen jälkikäsittelyä tai muita toimenpiteitä moottorilla täyttääkseen IMO Tier III NOx päästörajoitukset. Suurimmat ongelmat korkeapaineisen kaasunsyötön toteutuksessa 4-tahtimoottorilla liittyvät ruiskutussuuttimen tai -suuttimien sijoittamiseen moottorin sylinterikannella, missä tila on vähissä.
The research methods used in this thesis are primarily theoretical. A literature review was conducted for the alternative fuels and for the fuel gas supply system components as well as for the emission level of the engine. A market benchmarking of high output 2- and 4-stroke dual-fuel engines was also made. Additionally, a simulation model made in HYSYS was used to estimate the power – and heating as well as cooling consumptions required for the different fuel gas supply systems. Finally, the rough prices of the components constituting the systems was made with the help of price comparisons found from suppliers and literature.
The results serve as a feasibility study to utilizing high-pressure gas injection in a 4-stroke engine. High-pressure gas injection can be used by pressurizing the fuel with pumps or compressors. The high-pressure gas supply system has a higher price, needs more maintenance and the fuel pressurization consumes more power than a low-pressure gas supply system. The high-pressure system is also more complex. The advantage of using high-pressure gas injection is that the engine methane slip can be eliminated, and lower quality natural gas can be used. But unlike low-pressure systems, a high-pressure system will need exhaust aftertreatment or other on-engine methods to comply with IMO Tier III NOx limits. Biggest on-engine obstacles for high-pressure injection are related to the placement of the injector on the cylinder head, as the space is limited on a 4-stroke engine.