Simulation of performance improvements and turbocharger selection for large gas spark-ignited engines

Gustavo Nunes Laureano

Key information

Authors:

Gustavo Nunes Laureano (Gustavo Nunes Laureano)

Supervisors:

Pedro Jorge Martins Coelho (Pedro Jorge Martins Coelho); Clément Leroux

Published in

March 27, 2023

Abstract

O sector energético vive um momento de transição. Demandas cada vez maiores pela diminuição da emissão de gases de efeito estufa estão a gerar legislações cada vez mais rigorosas. Entretanto, muitos dos meios renováveis de produção de energia, como turbinas eólicas ou painéis solares, são fontes intermitentes, e por isso é crucial o desenvolvimento de fontes contínuas e confiáveis de geração de energia, altamente eficientes, para auxiliar na transição energética. Motores a gás natural emitem consideravelmente menos carbono do que os tradicionais motores a diesel ou a gasolina, e, portanto, estão sendo cada vez mais utilizados como fonte de geração de energia. Esta dissertação visa avaliar possibilidades de melhoria da eficiência e diminuição da emissão de hidrocarbonetos de um motor a gás de grande porte. O ponto de partida para esse estudo foi a criação de um modelo multifísico unidimensional para avaliação do desempenho do motor. Uma vez criado o modelo, ele é calibrado utilizando resultados experimentais, medidos em condições controladas. De posse do modelo calibrado, diversos estudos são realizados, como a alteração do tempo de abertura das válvulas de admissão e exaustão, diminuição da temperatura do gás na admissão, alteração do rácio de compressão, aumento da potência máxima, modificação do tempo de ignição e alterações gerais do posicionamento de componentes. Uma atenção especial é dada ao selecionamento do turbocompressor para melhor desempenho do motor. Os resultados indicam uma possibilidade de melhoria da eficiência em mais de 2%, enquanto as emissões de hidrocarbonetos podem ser reduzidas em até 1000 ppm, dependendo da configuração selecionada. The energy sector is currently in transition. Increasing demands for the reduction of greenhouse gas emissions are generating ever-stricter legislation. However, many renewable means of energy production, such as wind turbines or solar panels, are intermittent sources. Therefore, developing continuous and reliable sources of highly efficient power generation is crucial to aid the energy transition. Natural gas engines emit considerably less carbon than traditional diesel or petrol engines and are, therefore, increasingly being used as a source of power generation. This thesis aims at evaluating possibilities to improve the efficiency and decrease the hydrocarbon emission of a large gas engine. The starting point for this study was creating a one-dimensional multiphysics model to evaluate the engine performance. Once the model is made, it is calibrated using experimental results, measured under controlled conditions. With the aid of the model, several studies are carried out, such as altering the intake and exhaust valves lift curves, lowering the gas temperature at intake, altering the compression ratio, increasing the maximum power, modifying the ignition timing and general changes to the positioning of components. Special attention is paid to selecting the correct turbocharger for the best engine performance. The results indicate a possibility of improving the efficiency by more than 2%, while hydrocarbon emissions can be reduced by up to 1000 ppm, depending on the selected configuration.