Exergy Evaluation of Engine Operations
Combustion Process to Exhaust Flow
Tid: To 2023-11-16 kl 14.00
Plats: Gladan, Brinellvägen 85, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/66874899819
Språk: Engelska
Ämnesområde: Maskinkonstruktion Energiteknik
Respondent: Ph.D. student Beichuan Hong , Mekatronik och inbyggda styrsystem, Competence Center for Gas Exchange (CCGEx)
Opponent: Professor Sundar Rajan Krishnan, University of Alabama, Department of Mechanical Engineering
Handledare: Universitets lektor Andreas Cronhjort, Competence Center for Gas Exchange (CCGEx), Mekatronik och inbyggda styrsystem; Professor Mihai Mihaescu, Competence Center for Gas Exchange (CCGEx), Linné Flow Center, FLOW, Strömningsmekanik och Teknisk Akustik
Abstract
Att övergå transportsektorn till rena energikällor är avgörande för att minska utsläppen av växthusgaser och uppnå koldioxidneutralitet. En samarbetslösning som kombinerar både elbilar och förbränningsmotorer som använder förnybara bränslen kan visa sig vara mer effektiv än konkurrenskraftiga alternativ. Detta kräver fokus på att utveckla hållbara förbränningsmotorer genom att förbättra deras effektivitet med hjälp av förnybara energikällor och innovativa teknologier.
Den här avhandlingen använder exergianalys för att utvärdera motorernas effektivitet, förluster och oundvikliga förluster, samt arbetspotentialen hos avgasflöden. Särskild tonvikt läggs på konsekvenserna av dessa exergianalyser i förhållande till motoroperationer, särskilt vad gäller förbränningsprocesser och avgaspulser. Exergianalys kvantifierar det maximala arbetet som kan utvinnas från en energikälla och möjliggör identifiering och kvantifiering av förluster och ineffektiviteter i termiska processer. En tvåbränslemotor för sjöfart med tvåstegs turboladdning och en etanoldriven motor med lågbelastning och tändstiftning med gnistbildning (SI) undersöks med validerade en-dimensionella motormodeller för att analysera motorprestanda och förluster från både energi- och exergiperspektiv. I etanol-eldad SI-motor undersöks effekten av magert bränsleblandning vid hög belastning genom att variera överskottsluftförhållandet upp till 1,8 och bedöma dess påverkan på termisk verkningsgrad, förbränningsfasning samt energi- och exergifördelningar. Resultaten indikerar att användning av magert bränsleblandning förbättrar motorverkningsgraden med avancerad förbränningstidpunkt, men leder också till mer exergiförlust. Vikten av att upprätthålla hög exergiåtervinning genom turboladdning för utspädd drift framhålls också.
Dessutom medför högfrekventa avgaspulser som uppstår på grund av ventilmotion utmaningar när det gäller att noggrant fastställa avgasenergi och exergi. För att tackla detta undersöker denna avhandling metoder för karakterisering och mätning av avgaspulsar under instabila flödesförhållanden. Känslighetsanalyser, baserade på en simulering av en tung lastbilsmotor, understryker vikten av tidsupplösta massflödesmätningar för att kvantifiera energin och exergin hos avgaspulsarna. Därefter implementerar denna forskning en metod baserad på Pitot-rör för att mäta vevvinkelupplösta massflöden från motorns avgaser och för att ytterligare analysera effekten av dämpad temperaturmätning på att fastställa ögonblickliga massflöden. Resultaten visar att temperaturvariationer relaterade till avgasflödesförhållandena endast har en relativt liten påverkan på massflödesmätningarna. Baserat på mätningarna av avgasflödet diskuteras också massflödets egenskaper i samband med utblåsnings- och skavenging-faserna.