Exergy Evaluation of Engine Operations : Combustion Process to Exhaust Flow

• Transitioning the transport sector to clean energy sources is crucial for mitigating greenhouse gas emissions and achieving carbon neutrality. A collaborative solution, combining both electric vehicles and combustion engines using renewable fuels, may prove more effective than competitive ones. This necessitates a focus on developing sustainable combustion engines by improving their efficiency through renewable energy sources and innovative technologies.This thesis uses exergy analysis to evaluate engine efficiency, losses, and irreversibilities, as well as the work potential of exhaust flows. Particular emphasis is placed on the implications of these exergy analyses in relation to engine operations, especially concerning combustion processes and exhaust pulsations. Exergy analysis quantifies the maximum work extractable from an energy source, enabling the identification and quantification of losses and inefficiencies in thermal processes. A dual-fuel marine engine with two-stage turbocharging and an ethanol-fueled heavy-duty spark-ignition (SI) engine using lean burn are examined with validated one-dimensional engine models to analyze engine performance and losses from an exergy perspective. In the tested marine engine, irreversibilities are quantified and categorized into three types, with combustion irreversibility being the most significant, followed by losses through gas exchange and heat dissipation. In the ethanol-fueled SI engine, the effect of lean-burn combustion at high load is investigated through the excess air ratio up to 1.8, assessing its impact on thermal efficiency, combustion phasing, as well as energy and exergy distributions. Results indicate that employing lean burn improves engine efficiency with advanced combustion phasing but also leads to more exergy destruction. The importance of maintaining high exergy recovery through turbocharging for diluted operation is also highlighted.Additionally, high-frequency exhaust pulsations resulting from valve motion pose challenges in accurately resolving exhaust energy and exergy. To address this, this thesis investigates methods for exhaust pulse characterization and measurement under unsteady flow conditions. Sensitivity analyses, based on a heavy-duty engine simulation, highlight the importance of time-resolved mass flow measurements in quantifying the energy and exergy of exhaust pulsations. Subsequently, this research implements a Pitot tube-based approach to measure crank angle-resolved engine exhaust mass flow rates and to further analyze the effect of attenuated temperature measurements on resolving instantaneous mass flows. The findings indicate that temperature variations pertaining to exhaust flow conditions have only a relatively small impact on mass flow measurements. Based on the exhaust flow measurements, the mass flow characteristics of exhaust pulsations are also discussed with regard to the blow-down and scavenge phases.

• 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.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik -- Energiteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering -- Energy Engineering (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik -- Annan maskinteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering -- Other Mechanical Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

Thermal efficiency

Exergy analysis

Marine engine

Lean-burn combustion

Pulsating flow measurement

Pitot tube

Sensitivity analysis

Energy and exergy losses

Termisk verkningsgrad

Exergianalys

Marinmotor

Magertbränningsförbränning

Pulserande flödesmätning

Pitotrör

Känslighetsanalys

Energiförluster och exergiförluster

Machine Design

Maskinkonstruktion

Energiteknik

Energy Technology

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)