In this thesis a method for determining optimal dead space in an axial-type expander is developed. The axial-type expander in question is for use in a steam engine, a environmental friendly and fuel-agnostic alternative to the ICE-engine. Optimal dead space is of importance as an increase in the dead space lowers the efficiency of the engine, however, is needed to ensure operation of expander as the piston could otherwise collide with the expander chamber top surface. The model for determining the optimal dead space in this thesis is based on vectorial tolerance models used for kinematic assemblies, and include the effect of thermal expansion, clearances at joints, manufacturing tolerances and deformations. With resulting tolerances and safety factors, a safe position of the expansion chamber top surface can then be established by Monte Carlo analysis. With input of design variables and the effect from factors mentioned and their effect on the minimal safe distance is calculated using the model in this thesis. From numerical analysis, the factors having the most contribution on the dead space are concluded to be thermal expansion of piston and piston rod, dimensional manufacturing tolerances of piston and piston rod, clearance at ball joints, axial clearance at shaft and bending of Z-shaft. / I detta examensarbete har en metod för att bestämma det optimala avståndet mellan kolv och expansionskammarens högsta yta tagits fram. Axial-kolvmotorn avses för bruk i en ångmotor, ett miljövänligt alternativ till bensin och dieselmotorer som kan drivas med många drivmedel, t.ex. biomassa. Att bestämma detta optimala avstånd är viktigt eftersom en ökning i detta avstånd minskar motorns effektivitet. Dock behövs ett visst avstånd för att säkerställa att ingen kontakt mellan de två ytorna sker under drift. Modellen framtagen i detta examensarbete baserar sig på tolerans analys-modeller med vektorer som används för mekanismer under rörelse. I denna modell inkluderas effekten av termisk expansion, glapp i kontakt mellan komponenter, tillverkningstoleranser och deformationer på kolvens rörelse. Med hjälp av resulterande toleranser och säkerhetsfaktorer kan genom Monte Carlo simulationer ett optimalt avstånd mellan kolv och expansionkammaren bestämmas. Genom inmatning av designvariabler och undersökta effekter kunde genom numerisk analys konstateras att de viktigaste parametrarna att undersöka med störst effekt på axial-kolvmotorn var termisk expansion av kolv och kolvstång, dimensionella toleranser av kolv och kolvstång, glapp i kul-kontakter, axial rörelsefrihet vid kulled och böjning av Z-axel.

This project evaluates the opportunity to convert a three-cylinder automobile piston engine (the Tiny Friendly Giant) to an aircraft engine from an environmental and practical point of view. The problem of increased emissions from aviation calls for technical and socioeconomic solutions, which is the reason why this report is written. The main goals are to choose the best fuel for the piston engine in aviation, as well as to study emissions, engine cooling and practical challenges with conversion. The structure resembles a feasibility study where the problem is solved using literature in a trade study, together with emission estimations using The Greenhouse gases, Regulated Emissions, and Energy use in Technologies Model framework and Boeing Fuel Flow Method 2. An estimation for engine cooling is done using a semiemprical method from Lycoming, showing air cooling can be sufficient for the Tiny Friendly Giant in aviation. The results furthermore show that none of the alternative automobile fuels are appropriate for use in aviation and that alternative pathways to jet fuel are more suited for high altitude. The conclusion is thus that the engine should be converted to jet fuel compatibility. To avoid large turning moment fluctuations, two-stroke can be applied. Conversion and use of the engine in aviation is not considered to be feasible because of practical limitations - instead the study concludes designing a new engine from scratch is easier and most likely quicker. The study shows that reducing carbon dioxide emissions also lead to reductions in water and sulfur- and nitrous oxides. However, the same mitigation strategy leads to increase in carbon monoxide and hydrocarbons. In general, the conclusion is that alternative fuels can significantly reduce aircraft emissions. / Detta examensarbete utvärderar möjligheten att konvertera en trecylindrig bilkolvmotor (Tiny Friendly Giant motorn) till en flygplansmotor från en miljömässig och praktisk synvinkel. Problemet med ökade utsläpp från flyget kräver tekniska och socioekonomiska lösningar, vilket är anledningen till att detta arbete är genomfört. De största målen går ut på välja det bästa bränslet för kolvmotorn inom flyget, samt att studera utsläpp, motorkylning och praktiska utmaningar med konvertering. Strukturen liknar en förstudie där problemet löses med hjälp av litteratur i en paramterstudie, tillsammans med utsläppsuppskattningar med hjälp av The Greenhouse gases, Regulated Emissions, and Energy use in Technologies Model ramverket och Boeing Fuel Flow Method 2. En uppskattning för motorkylning är beräknat med en semiemprisk metod från Lycoming, som visar att luftkylning vara tillräckligt för Tiny Friendly Giant motorn inom flyg. Resultaten visar vidare att inget av de alternativa bilbränslena är lämpliga för användning inom flyget och att alternativa vägar till flygbränsle är mer lämpat för hög höjd. Slutsatsen är att motorn bör konverteras till flygbränslekompatibilitet. För att undvika stora vridmomentfluktuationer kan tvåtakt användas. Konvertering och användning av motorn inom flyget anses inte vara genomförbart på grund av praktiska begränsningar - istället drar studien slutsatsen att design av en ny motor från grunden är enklare och med största sannolikhet snabbare. Studien visar att minskade koldioxidutsläpp också leder till minskningar av vatten och svavel- och dikväveoxider. Samma strategi leder dock till en ökning av kolmonoxid och kolväten. Generellt sett är slutsatsen att alternativa bränslen avsevärt kan minska flygplanens utsläpp.