Development and Build of an Auxiliary systems to an Optical Spray Combustion Chamber
Sjöström, Roberth (2023)
Sjöström, Roberth
2023
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20231207152268
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20231207152268
Tiivistelmä
The development of internal combustion engines has never been as relevant as it is now when phasing out fossil fuels to switch to renewable alternatives. The development of injectors for internal combustion engines and ways to analyze the data without the need for multi-cylinder engines and having simulated and virtual tests confirmed can be done using an optical test rig and is a step in the right direction to develop the internal combustion engine further.
This thesis aims to develop and build the necessary auxiliary systems for an optical test rig to enable use in two operational modes: cold stage with non-reactive diesel injection in a pressurized chamber and hot stage with reactive diesel injection by performing a pre-combustion of a gas-mixture before injecting fuel.
The theoretical part studies the bachelor’s thesis by Grahn (2018), which is the reason and need for this master’s thesis. The diverse types of optical test rigs and their areas of use in research. The auxiliary systems of the various optical test rigs are analyzed to compare the concepts used. The pre-combustion technique used in optical test rigs is examined as to how the structure of the systems has been made and what advantages and disadvantages rigs may have in comparison to each other. Hydraulic system and how it can be used in the auxiliary systems, and the structure and functions of hydraulic components. Instrumented components study the function of pressure and heat sensors, how they work, areas of use, and the differences between the instruments. Piping and instrumentation diagram advantages they have during the planning and construction of building systems.
The practical part describes the planning and construction of various auxiliary systems for an optical test rig. The work was done in two stages: the cold stage and the hot stage, and the auxiliary system constructed contained a hydraulic system, fuel system, air system, and gas system. The planning for the cold stage is explained step by step with piping and instrumentation (P&I) diagrams and three-dimensional (3D) modeling, which defines how the system has been done, from planning to construction, commissioning, and testing. Like the cold stage, the hot stage has been developed with P&I diagrams and 3D modeling for the added systems to the optical test rig that needs to be used in the hot stage. In the hot stage, calculating the pre-combustion is also an essential part of the work, focusing on how the equations are used to calculate the pre-combustion composition of the gas mixture, depending on the pressure wanted in the chamber.
The result is a constant volume hot pre-combustion cell with a fully functional auxiliary system that can be used in two different operating modes. The gas calculations are made for the pre-combustion, and the calculations can be used as a reference calculator for the operator so that it is easy for the operator to pre-calculate for each test. The calculator is transferred into a matrix laboratory (MATLAB) code to automatize the gas system based on the gas calculations. Utvecklingen av förbränningsmotorer har aldrig varit så relevant som nu när man fasar ut fossila bränslen för att övergå till förnybara alternativ. Utvecklingen av injektorer för förbränningsmotorer, sätt att analysera data utan behov av flercylindriga motorer och att få simulerade och virtuella test bekräftade kan allt göras med en optisk test rigg. Detta är ett steg i rätt riktning för att vidareutveckla förbränningsmotorn. Detta examensarbete syfte är att utveckla och bygga nödvändiga hjälpsystemen för en optisk test rigg för att kunna användas i två driftslägen: kallt skede med icke-reaktiv diesel insprutning i en kammare fylld med tryckluft och varmt skede med reaktiv diesel insprutning genom att utföra en förbränning av en gasblandning före insprutning av diesel, vilket antänds.
Den teoretiska delen studerar ingenjörsarbetet av Grahn (2018), vilket är anledningen till detta diplomingenjörsarbetet. De olika typerna av optiska test riggar och deras användningsområden i forskning. De olika optiska test riggarnas hjälpsystem analyseras för att jämföra de koncept som använts. Den förbränningsteknik som används i optiska test riggar analyseras hur strukturen på gas systemen har gjorts och vilka fördelar och nackdelar de kan ha i jämförelse med varandra. Hydrauliksystem och hur det kan användas i hjälpsystem samt hydrauliska komponenters struktur och funktioner. Instrumenterade komponenter såsom tryck- och värmesensorers funktion, hur de fungerar, användningsområden och skillnaderna mellan instrumenten. Rördiagrams fördelar under planering och konstruktion av system.
Den praktiska delen beskriver planering och konstruktion av olika hjälpsystem för enoptisk test rigg. Arbetet utfördes i två skeden: det kalla skedet och det varma skedet, och det konstruerade hjälpsystemet innehöll ett hydrauliksystem, bränslesystem, luftsystem och gassystem. Planeringen för det kalla skedet förklaras steg för steg med rördiagram (P&I) och tredimensionell (3D) modellering, som definierar hur arbetet har utförts, från planering till konstruktion, driftsättning och testning. I likhet med det kalla skedet har det varma skedet gjorts med rördiagram och 3D-modellering av tillagda system till den optiska testriggen som behöver användas i det varma skedet. I det varma skedet är även beräkningen av förbränningen av gas blandningen en väsentlig del av arbetet, med fokus på hur uträkningar har gjorts för att beräkna sammansättning av gasblandningen beroende på vilket tryck som önskas i kammaren.
Resultatet är en optisk test rigg med ett fullt fungerande hjälpsystem som kan användas i två olika driftlägen. Gasberäkningarna för förbränningen av gasblandningen i varma skedet och beräkningarna kan användas som referensräknare för operatören så att det är lätt för operatören att på förhand beräkna gas sammansättningen inför varje testkörning. Räknaren har sammansatts till en matrixlaboratorium (MATLAB) kod för att automatisera gassystemet enligt gasberäkningarna.
This thesis aims to develop and build the necessary auxiliary systems for an optical test rig to enable use in two operational modes: cold stage with non-reactive diesel injection in a pressurized chamber and hot stage with reactive diesel injection by performing a pre-combustion of a gas-mixture before injecting fuel.
The theoretical part studies the bachelor’s thesis by Grahn (2018), which is the reason and need for this master’s thesis. The diverse types of optical test rigs and their areas of use in research. The auxiliary systems of the various optical test rigs are analyzed to compare the concepts used. The pre-combustion technique used in optical test rigs is examined as to how the structure of the systems has been made and what advantages and disadvantages rigs may have in comparison to each other. Hydraulic system and how it can be used in the auxiliary systems, and the structure and functions of hydraulic components. Instrumented components study the function of pressure and heat sensors, how they work, areas of use, and the differences between the instruments. Piping and instrumentation diagram advantages they have during the planning and construction of building systems.
The practical part describes the planning and construction of various auxiliary systems for an optical test rig. The work was done in two stages: the cold stage and the hot stage, and the auxiliary system constructed contained a hydraulic system, fuel system, air system, and gas system. The planning for the cold stage is explained step by step with piping and instrumentation (P&I) diagrams and three-dimensional (3D) modeling, which defines how the system has been done, from planning to construction, commissioning, and testing. Like the cold stage, the hot stage has been developed with P&I diagrams and 3D modeling for the added systems to the optical test rig that needs to be used in the hot stage. In the hot stage, calculating the pre-combustion is also an essential part of the work, focusing on how the equations are used to calculate the pre-combustion composition of the gas mixture, depending on the pressure wanted in the chamber.
The result is a constant volume hot pre-combustion cell with a fully functional auxiliary system that can be used in two different operating modes. The gas calculations are made for the pre-combustion, and the calculations can be used as a reference calculator for the operator so that it is easy for the operator to pre-calculate for each test. The calculator is transferred into a matrix laboratory (MATLAB) code to automatize the gas system based on the gas calculations.
Den teoretiska delen studerar ingenjörsarbetet av Grahn (2018), vilket är anledningen till detta diplomingenjörsarbetet. De olika typerna av optiska test riggar och deras användningsområden i forskning. De olika optiska test riggarnas hjälpsystem analyseras för att jämföra de koncept som använts. Den förbränningsteknik som används i optiska test riggar analyseras hur strukturen på gas systemen har gjorts och vilka fördelar och nackdelar de kan ha i jämförelse med varandra. Hydrauliksystem och hur det kan användas i hjälpsystem samt hydrauliska komponenters struktur och funktioner. Instrumenterade komponenter såsom tryck- och värmesensorers funktion, hur de fungerar, användningsområden och skillnaderna mellan instrumenten. Rördiagrams fördelar under planering och konstruktion av system.
Den praktiska delen beskriver planering och konstruktion av olika hjälpsystem för enoptisk test rigg. Arbetet utfördes i två skeden: det kalla skedet och det varma skedet, och det konstruerade hjälpsystemet innehöll ett hydrauliksystem, bränslesystem, luftsystem och gassystem. Planeringen för det kalla skedet förklaras steg för steg med rördiagram (P&I) och tredimensionell (3D) modellering, som definierar hur arbetet har utförts, från planering till konstruktion, driftsättning och testning. I likhet med det kalla skedet har det varma skedet gjorts med rördiagram och 3D-modellering av tillagda system till den optiska testriggen som behöver användas i det varma skedet. I det varma skedet är även beräkningen av förbränningen av gas blandningen en väsentlig del av arbetet, med fokus på hur uträkningar har gjorts för att beräkna sammansättning av gasblandningen beroende på vilket tryck som önskas i kammaren.
Resultatet är en optisk test rigg med ett fullt fungerande hjälpsystem som kan användas i två olika driftlägen. Gasberäkningarna för förbränningen av gasblandningen i varma skedet och beräkningarna kan användas som referensräknare för operatören så att det är lätt för operatören att på förhand beräkna gas sammansättningen inför varje testkörning. Räknaren har sammansatts till en matrixlaboratorium (MATLAB) kod för att automatisera gassystemet enligt gasberäkningarna.
Kokoelmat
- 222 Muu tekniikka [50]