Polttoainelaadun vaikutus dieselhenkilöauton ... - TransEco
Polttoainelaadun vaikutus dieselhenkilöauton ... - TransEco
Polttoainelaadun vaikutus dieselhenkilöauton ... - TransEco
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Tiivistelmä<br />
<strong>Polttoainelaadun</strong> <strong>vaikutus</strong> dieselhenkilöauton<br />
hiukkassuodattimen toimintaan<br />
Otettaessa käyttöön uusiutuvia polttoaineita pitää pystyä varmistumaan, että pakokaasun<br />
puhdistuslaitteet ja moottorit toimivat oikein myös uusilla polttoaineilla. Tässä työssä tutkittiin<br />
polttoainelaadun <strong>vaikutus</strong>ta dieselhenkilöauton hiukkassuodattimen toimintaan. Dieselautojen<br />
hiukkassuodattimet vähentävät hiukkaspäästöjä tehokkaasti mutta tukkeutuvat nopeasti. Siksi<br />
hiukkassuodatin täytyy puhdistaa eli regeneroida 300…700 kilometrin välein.<br />
Hiukkassuodattimeen kertyneen noen nopea hapettuminen vaatii 600 °C lämpötilan. Tässä<br />
tutkimuksessa käytetyssä autossa hiukkassuodattimen lämpötila nostettiin polttoaineen<br />
jälkiruiskutuksen avulla. Palotilassa höyrystynyt polttoaine palaa pakosarjassa ja<br />
hapetuskatalysaattorissa. Hiukkassuodattimen regenerointi kaksinkertaistaa polttoaineen hetkellisen<br />
kulutuksen, mikä lisää keskimääräistä polttoaineen kulutusta regenerointivälistä riippuen 0,2…0,4<br />
litraa sadalla kilometrillä.<br />
Raakaöljyperäisen dieselin tilalle on kehitetty uusiutuvista lähtöaineista tehtyjä polttoaineita, joita<br />
voidaan käyttää dieselmoottoreissa. Kasviöljyn metyyliesteri (FAME) voi aiheuttaa ongelmia<br />
nykyisissä dieselmoottoreiden polttoainejärjestelmissä ja siksi sitä voidaan käyttää vain pieninä<br />
osuuksina raakaöljyperäisen dieseliin sekoitettuna. FAME aiheuttaa ongelmia myös<br />
hiukkassuodattimen regeneroinnin aikana, koska se ei höyrysty kokonaan ja siksi sitä pääsee<br />
liukenemaan moottoriöljyyn. Vetykäsiteltyä kasviöljyä (HVO) voidaan käyttää kaikissa<br />
dieselmoottoreissa joko seostamattomana tai sekoitettuna raakaöljyperäiseen dieseliin. HVO:lla sekä<br />
FAME:lla syntyy vähemmän hiukkaspäästöjä kuin tavallisella dieselillä. Hiukkassuodatin tukkeutuu<br />
hitaammin hiukkaspäästöjen ollessa pienemmät.<br />
Tutkimuksessa vertailupolttoaineena oli raakaöljyperustainen dieselpolttoaine EN 590 ja<br />
koepolttoaineina olivat 100 % vetykäsitelty kasviöljy (HVO), 30 % HVO:ta ja 70 %<br />
raakaöljyperäistä dieseliä sisältävä seos, sekä 10 % FAME:a ja 90 % raakaöljyperäistä dieseliä<br />
sisältävä seos. Kokeissa käytetty FAME oli tehty rypsiöljystä eli se oli rypsiöljyn metyyliesteriä<br />
(RME). Mittaukset tehtiin VTT:n kevyellä alustadynamometrillä yhtä henkilöautoa käyttäen. Kokeet<br />
suoritettiin käyttäen NEDC-testiä ja vakionopeuskoetta. Tutkimuksessa vertailtiin ajettua matkaa<br />
regenerointien välillä eri polttoaineilla. Mittauksissa kerättiin tietoa myös regeneroinnin aikana<br />
syntyvistä pakokaasupäästöistä ja regeneroinnin vaikutuksesta polttoaineen kulutukseen. Hiukkasten<br />
lukumäärä pakokaasussa nousi regeneroinnin alkaessa yli tuhatkertaiseksi kaikilla polttoaineilla<br />
auton pakoputken päästä mitattuna.<br />
Tutkimuksessa todettiin, että regenerointiväli oli pisin 10 % FAME:a sisältävällä polttoaineella,<br />
vaikka hiukkassuodatin tukkeutui hitaimmin käytettäessä 100 % HVO-polttoainetta.<br />
Hiukkassuodattimen hitaampi tukkeutuminen ei siis välttämättä johda pidempään regenerointiväliin<br />
tutkimuksessa käytetyssä autossa. Regenerointiväli käytettäessä 30 % HVO:ta sisältävää seosta sekä<br />
raakaöljyperäistä dieseliä oli lähes sama. Mittauksissa saatujen tietojen perusteella auton<br />
moottorinohjauksen laskema noen määrä hiukkassuodattimessa ratkaisee, milloin regenerointi<br />
aloitetaan.<br />
Avainsanat: diesel, hiukkassuodatin (DPF), regenerointi, vetykäsitelty kasviöljy (HVO), kasvirasvan<br />
metyyliesteri (FAME)<br />
2
Abstract<br />
Effect of fuel quality on particulate filters of diesel cars<br />
As renewable fuels are introduced it is necessary to ensure that not only engine but exhaust-cleaning<br />
devices too apparatuses and engines also function properly with these new fuels. This study assesses<br />
the effect of fuel quality on the function of particulate filters of a diesel car. The particulate filters<br />
reduce particulate emissions effectively, but soot can clog them quickly. Particulate filters must<br />
therefore be regenerated every 300 to 700 kilometers.<br />
The rapid oxidization of the soot that accumulates in a particulate filter requires a temperature of 600<br />
°C. The temperature of the particulate filter in the car used in this study was raised by fuel afterinjection.<br />
Fuel that has evaporated in the combustion chamber burns in the exhaust manifold and<br />
oxidation catalyst. The regeneration of a particulate filter doubles the momentary consumption of<br />
fuel, which increases the average fuel consumption by 0.2…0.4 liters per hundred kilometers,<br />
depending on the frequency of regeneration.<br />
Fuels that can be used in diesel engines have been produced from renewable sources to replace part<br />
of diesel from crude oil. Fatty acid methyl ester (FAME) can cause problems in the fuel systems of<br />
modern diesel engines and therefore it can only be used as small percentages mixed into diesel from<br />
crude oil. FAME also causes problems during the regeneration of particulate filters because it does<br />
not evaporate entirely and therefore dissolves into the engine oil. Hydrotreated vegetable oil (HVO)<br />
can be either used in all diesel motors as such or mixed with diesel from crude oil. It takes longer for<br />
a particulate filter to become obstructed when there are fewer particulates.<br />
The reference fuel used in the study was an ordinary oil based diesel fuel, and the test fuels were<br />
100% hydrotreated vegetable oil (HVO), 30% HVO and a mixture containing 70% diesel from crude<br />
oil, and a mixture comprised of 10% FAME and 90% diesel from crude oil. The FAME used in the<br />
tests was produced from rapeseed oil, i.e. it was rapeseed methyl ester (RME). Measurements were<br />
conducted on VTT’s chassis dynamometer using one passenger car. Tests were run conducted using<br />
the NEDC test followed by a constant speed test. Comparisons were made in the study of the<br />
distance travelled between regenerations using different fuels. Data were also collected during the<br />
tests of the exhaust emissions generated during regeneration and the effect of regeneration on fuel<br />
consumption. The number of particulates measured at the end of the car’s exhaust pipe during the<br />
start of regeneration by more than a factor of one thousand for all fuels.<br />
This study shows that the regeneration interval was longest for the fuel comprised of 10% fatty acid<br />
methyl ester, although the particulate filter became obstructed the slowest with 100% HVO fuel.<br />
However, a slower obstruction or clogging of particulate filters does not always result in longer<br />
intervals between regeneration. The regeneration interval was nearly the same whether the fuel used<br />
was a mixture with 30% HVO or diesel from crude oil. Measurements based on data from this study<br />
show the amount of soot in the particulate filter, as calculated by the car’s engine control unit,<br />
determines when regeneration begins.<br />
Keywords: diesel, diesel particulate filter, regeneration, Hydro treated vegetable oil (HVO), fatty<br />
acid methyl ester (FAME)<br />
3
Tiivistelmä ............................................................................................................. 2<br />
<strong>Polttoainelaadun</strong> <strong>vaikutus</strong> dieselhenkilöauton hiukkassuodattimen toimintaan 2<br />
Abstract.................................................................................................................. 3<br />
Effect of fuel quality on particulate filters of diesel cars.................................. 3<br />
Alkulause ............................................................................................................... 4<br />
Käytetyt lyhenteet................................................................................................... 7<br />
Johdanto................................................................................................................. 8<br />
1 Pakokaasupäästöt............................................................................................ 9<br />
1.1 Hiukkaset.............................................................................................. 10<br />
1.1.1 Hiukkasten kokoluokat.................................................................. 10<br />
1.1.2 Pakokaasuhiukkasten synty ........................................................... 11<br />
1.1.3 Pakokaasuhiukkasten rakenne........................................................ 13<br />
1.1.4 Kaukokulkeuma ja katupöly .......................................................... 14<br />
1.1.5 Päästöjen terveysvaikutukset ......................................................... 15<br />
1.2 Kaasumaiset päästöt.............................................................................. 16<br />
1.2.1 Liikenteen hiilidioksidipäästöt....................................................... 16<br />
1.2.2 Palamattomat hiilivedyt ................................................................. 18<br />
1.2.3 Hiilimonoksidi .............................................................................. 19<br />
1.2.4 Typenoksidit ................................................................................. 19<br />
2 Pakokaasun puhdistuslaitteet ja –menetelmät ................................................ 21<br />
2.1 Hiukkassuodattimet............................................................................... 21<br />
2.1.1 Yleistä hiukkassuodattimista ......................................................... 22<br />
2.1.2 Passiivinen regenerointi................................................................. 24<br />
2.1.3 Aktiivinen regenerointi.................................................................. 24<br />
2.1.4 Hiukkaskatalysaattorit ................................................................... 26<br />
2.2 Hapetuskatalysaattori............................................................................ 27<br />
2.3 Typenoksidien vähennysmenetelmät ..................................................... 27<br />
2.3.1 Pakokaasun takaisinkierrätys......................................................... 28<br />
2.3.2 Pelkistävä katalysaattori ................................................................ 28<br />
3 Päästöluokat ja -rajat henkilöautoille............................................................. 30<br />
4 Tekniikan kehitys henkilöautoissa................................................................. 31<br />
4.1 Päästövaatimusten täyttäminen.............................................................. 31<br />
5 Polttoaineet................................................................................................... 34<br />
5.1 Polttoaineen <strong>vaikutus</strong> regenerointiin ja hiukkaspäästöihin ..................... 35<br />
5.2 Polttoaineiden ominaisuuksia ................................................................ 35<br />
5.3 Dieselpolttoaine .................................................................................... 37<br />
5.4 Rasvahapon metyyliesteri...................................................................... 38<br />
5.5 Vetykäsitelty kasviöljy.......................................................................... 39<br />
5.6 GTL polttoaine...................................................................................... 40<br />
6 Yleistä alustadynamometrikokeista............................................................... 42<br />
7 Alustadynamometrikokeet ............................................................................ 43<br />
7.1 Mittausten valmistelut........................................................................... 43<br />
7.2 Koeympäristö........................................................................................ 44<br />
7.3 Koepolttoaineet..................................................................................... 46<br />
7.4 Ajosyklit ............................................................................................... 47<br />
7.4.1 NEDC-testi.................................................................................... 49<br />
7.4.2 Vakionopeuskoe............................................................................ 50<br />
5
7.5 Polttoaineen syöttö................................................................................ 53<br />
7.6 Tutkimuksessa käytetty auto ................................................................. 54<br />
7.6.1 Perustiedot .................................................................................... 54<br />
7.6.2 Hiukkassuodattimeen liittyvät anturit............................................. 55<br />
7.6.3 Kokeissa käytetyn auton hiukkassuodattimen toiminta .................. 55<br />
7.6.4 Hapetuskatalysaattori ja hiukkassuodatin....................................... 57<br />
7.6.5 Moottorinohjauksen toiminta regeneroinnin aikana ....................... 57<br />
7.6.6 Regeneroinnin ehdot...................................................................... 58<br />
8 Tulokset........................................................................................................ 60<br />
8.1 Regenerointivälit................................................................................... 60<br />
8.1.1 EN 590.......................................................................................... 61<br />
8.1.2 30 % HVO / 70 % EN 590............................................................. 61<br />
8.1.3 100 % HVO................................................................................... 61<br />
8.1.4 10 % FAME / 90 % EN 590 .......................................................... 62<br />
8.1.5 Regenerointivälit kokeittain........................................................... 62<br />
8.2 Paine-ero hiukkassuodattimen yli.......................................................... 64<br />
8.2.1 Paine-ero regeneroinnin aikana...................................................... 65<br />
8.2.2 Hiukkassuodattimen aiheuttama vastapaine eri polttoaineilla......... 66<br />
8.3 Regeneroinnin <strong>vaikutus</strong> polttoaineen kulutukseen ................................. 68<br />
8.4 Regeneroinnin kestoaika ....................................................................... 69<br />
8.5 Regeneroinnin <strong>vaikutus</strong> hiukkaspäästöihin ............................................ 70<br />
8.6 Regeneroinnin <strong>vaikutus</strong> hiilivetypäästöihin ........................................... 71<br />
8.7 Regeneroinnin <strong>vaikutus</strong> hiilidioksidipäästöihin ..................................... 72<br />
9 Johtopäätökset .............................................................................................. 74<br />
Liite<br />
6
Käytetyt lyhenteet<br />
HVO<br />
FAME<br />
RME<br />
REE<br />
F-T<br />
GTL<br />
BTL<br />
DPF<br />
DOC<br />
CRT<br />
SCR<br />
EGR<br />
OBD<br />
CVS<br />
vetykäsitelty kasviöljy (Hydrotreated Vegetable Oil)<br />
rasvahapon metyyliesteri (fatty acid methyl ester)<br />
rypsiöljyn metyyliesteri<br />
rypsiöljyn etyyliesteri<br />
Fischer-Tropsch, synteesiprosessi, jolla valmistetaan polttonesteitä,<br />
esimerkiksi dieselpolttoainetta, synteesikaasusta<br />
maakaasusta valmistettu nestemäinen polttoaine (Gas To Liquids)<br />
biomassasta valmistettu nestemäinen polttoaine (Biomass to liquids)<br />
dieselauton hiukkassuodatin (Diesel Particulate Filter)<br />
dieselauton hapettava katalysaattori (Diesel Oxidation Catalyst)<br />
jatkuvasti puhdistuva hiukkassuodatin, jossa noki poltetaan hapettavan<br />
katalysaattorin tuottamalla typpidioksidilla (Continuous Regenerating<br />
Trap)<br />
ammoniakkipitoisen liuoksen avulla typenoksideja pelkistävä<br />
katalysaattori (Selective Catalytic Reduction)<br />
Pakokaasun takaisinkierrätys järjestelmä (Exhaust Gas Recirculation)<br />
auton omavalvontajärjestelmä (On Board Diagnostic)<br />
pakokaasupäästöjen mittauksessa käytetty<br />
vakiotilavuusnäytteenottomenetelmä<br />
7
Johdanto<br />
Energian kulutusta halutaan vähentää, samoin kasvihuonekaasupäästöjä.<br />
Uusiutuvien polttoaineiden osuutta halutaan lisätä. Fossiilisen polttoaineen tilalle<br />
täytyy löytää korvaava polttoaine, joka täyttää niin ympäristövaatimukset kuin<br />
moottoreiden vaatimukset. Autoteollisuudelle dieselkäyttöiset henkilöautot ovat<br />
hyviä pyrittäessä alittamaan hiilidioksidipäästötavoite 130 g/km. Fossiilisten<br />
polttoaineiden korvaaminen uusiutuvilla vaatii tiivistä yhteistyötä polttoaine- ja<br />
autotekniikan tuotekehityksessä. Dieselkäyttöisille autoille on tarjolla kokonaan<br />
uusiutuvista raaka-aineista tehtyä polttoainetta, jota voi käyttää ilman muutoksia<br />
kaikissa dieselautoissa.<br />
Tämän työn tavoitteena on selvittää polttoaineen <strong>vaikutus</strong> dieselauton<br />
hiukkassuodattimen toimintaan ja siten myös polttoaineen kulutukseen. Johtaako<br />
hiukkassuodattimen hitaampi tukkeutuminen pidempään regenerointiväliin? VTT:n<br />
alustadynamometrillä ajetuilla autokokeilla vertaillaan henkilöauton<br />
hiukkassuodattimen tukkeutumista ja regenerointiväliä eri polttoaineilla. Tässä<br />
työssä keskitytään dieselkäyttöisen henkilöauton hiukkassuodattimen toimintaan ja<br />
hiukkaspäästöihin. Koepolttoaineet olivat hiilivetypolttoaine (tavallinen<br />
dieselpolttoaine EN 590), uusiutuva HVO-polttoaine, 30/70 %<br />
HVO/hiilivetydieselseos ja 10 % FAME:a ja 90 % hiilivetydieseliä sisältävä seos.<br />
Dieselkäyttöiset henkilöautot kuluttavat vähemmän polttoainetta kuin vastaavan<br />
kokoiset bensiini- ja etanolikäyttöiset autot. Tiukentuvat päästörajat pakottavat<br />
kehittämään ympäristöystävällistä tekniikkaa. Dieselautojen päästöissä ongelmana<br />
ovat NO x - ja hiukkaspäästöt, koska moottoriteknisin menetelmin voidaan vähentää<br />
vain toisia kerrallaan. Moottoriteknisten keinojen lisäksi hiukkaspäästöjä<br />
vähennetään hiukkassuodattimilla ja typenoksidipäästöjä pelkistävällä<br />
katalysaattorilla.<br />
Tutkimuksessa todettiin polttoaineen kulutuksen olevan regeneroinnin aikana<br />
kaksinkertainen normaaliin tilanteeseen verrattuna. Regenerointi lisää siten<br />
keskimääräistä polttoaineen kulutusta 0,2…0,4 l/100 km. Keskimääräinen<br />
polttoaineen kulutus laskee, jos regenerointiväliä voidaan pidentää. Aktiiviseen<br />
regenerointiin käytettävän polttoaineen jälkiruiskutuksen haitta<strong>vaikutus</strong> on myös<br />
lisääntynyt polttoaineen liukeneminen moottoriöljyyn.<br />
8
1 Pakokaasupäästöt<br />
Säännellyt päästöt ovat uusissa henkilöautoissa jo niin pienet, että mitään suurta<br />
parannusta on vaikea saada enää aikaan. Asiaan vaikuttaa myös se, mihin päästöihin<br />
halutaan vaikuttaa milloinkin - painotetaanko maailmanlaajuisia kasvihuonekaasuja<br />
vai niin sanottuja lähipäästöjä? Polttoaineiden puhtaus ja tasainen laatu ovat joka<br />
tapauksessa ehdottomia edellytyksiä: Jos polttoaineen laatu vaihtelee, ei palamista<br />
voida hallita riittävän tarkasti. Täytyy tietää mitä aineita reaktioissa on mukana ja<br />
miten reaktiot toimivat sylinterissä vallitsevissa olosuhteissa. /1/<br />
Dieselmoottorin pakokaasuissa on runsaasti happea ilmaylimäärän vuoksi.<br />
Pakokaasun suuri happiosuus vaikeuttaa typenoksidien pelkistämistä. Kuva 1 esittää<br />
dieselmoottorin päästöjakauman täydellä kuormalla. Osakuormalla pakokaasussa on<br />
enemmän ilmaa mukana, eli pienempi osuus haitallisia päästöjä, toisin sanoen<br />
pakokaasu on laimeampaa.<br />
Kuva 1. Dieselmoottorin pakokaasupäästöjakauma täydellä kuormituksella /2, s.13/<br />
Dieselmoottorin pakokaasuista suurin osa eli 67 % on typpeä (N 2 ), hiilidioksidia<br />
(CO 2 ) 12 %, vesihöyryä 11 % ja happea (O 2 ) 10 %. Varsinaisten saasteiden<br />
osuudeksi jää siis alle 0,5 %, kuten kuvasta 1 voidaan havaita.<br />
Dieselautojen päästöissä typenoksidit (NO x ) ja hiukkaspäästöt (PM) ovat suurin<br />
ongelma. Bensiinikäyttöisissä autoissa hiukkaspäästöjen osuus pakokaasussa on<br />
pieni ja kaasumaiset haitalliset päästökomponentit on suhteellisen helppo poistaa<br />
kolmitoimikatalysaattorilla.<br />
9
1.1 Hiukkaset<br />
1.1.1 Hiukkasten kokoluokat<br />
Pienhiukkasista puhuttaessa tarkoitetaan alle 2,5 µm ja hengitettävillä hiukkasilla<br />
pienempiä kuin 10 µm aerodynaamiselta halkaisijaltaan. Kuva 2 havainnollistaa<br />
hiukkasten mittasuhteita.<br />
Kuva 2. Eri lähteistä syntyvien hiukkasten kokoluokkia. /3/<br />
Liikenne synnyttää hiukkaspäästöjä: pienhiukkaset syntyvät polttomoottorissa ja<br />
suuret hiukkaset ovat tiepölyä. Dieselhenkilöautojen moottoreissa syntyy<br />
pienhiukkasia joiden koko on välillä 0,003…0,7 µm. Samaa kokoluokkaa olevia<br />
pienhiukkasia sisältää myös tupakansavu. Kuvaan 2 on vertailun vuoksi lisätty<br />
10
näkyvän valon aallonpituutta havainnollistava mitta-alue. Nano- ja ultrapieniä<br />
hiukkasia ei voida tutkia näkyvän valon avulla. Karkeasti voidaan todeta, että<br />
dieselhenkilöautojen pakokaasuhiukkaset ovat kaasumolekyylejä suurempia, mutta<br />
enimmäkseen bakteereja pienempiä.<br />
1.1.2 Pakokaasuhiukkasten synty<br />
Hiukkaset ovat erityisen suuri ongelma kaupunkien katukuiluissa, joissa autot ja<br />
jalankulkijat ovat lähellä toisiaan. Hiukkaspäästöjen vaikutukset eivät ole<br />
vähentyneet samassa suhteessa kuin hiukkaspäästöt. Pakokaasupäästöt lisääntyvät<br />
eniten siellä missä ihmisiäkin on paljon. Päästöt voidaan jakaa sellaisiin, jotka<br />
vaikuttavat lähellä (lähipäästöt), kuten hiukkaspäästöt, typenoksidit ja häkä.<br />
Hiilidioksidin <strong>vaikutus</strong> on maailmanlaajuinen eikä sillä ole merkitystä haitallisena<br />
lähipäästönä. /4, s.8/<br />
Kuva 3. Palava dieselsuihku /5/<br />
Kuva 3 esittää dieselin palamista polttoainesuihkussa. Suoraruiskutusdieselissä<br />
polttoaine palaa diffuusioliekillä. Hiukkasia syntyy dieselin palaessa siellä missä<br />
11
polttoaine - ilma -seos on rikas. Typenoksideja muodostuu siinä osassa, missä<br />
lämpötila on korkea. Samassa osassa, eli liekin kuorella happea on eniten.<br />
Diffuusiopalamisessa happi on palavan aineen ympärillä. Palaminen tapahtuu<br />
rajapinnalla ja hapen osuus vähenee mentäessä liekin kuorelta kohti sisustaa. Happi<br />
diffusoituu kohti pienempää konsentraatiota. Esimerkiksi kynttilä palaa<br />
diffuusioliekillä.<br />
Hiukkasten koostumus riippuu olosuhteista: Niistä haihtuu, ja niihin voi<br />
kondensoitua muita yhdisteitä. Pakokaasun jäähtyessä kaasumaisessa olomuodossa<br />
olevia hiilivetyjä kondensoituu kiinteiden hiukkasten pinnalle. Kun pakokaasu<br />
virtaa pakoputkesta ulos, se jäähtyy ja laimenee ilmaan, kuten kuvasta 4 havaitaan.<br />
Ilmassa muodostuu uusia hiukkasia kun hiukkaset yhdistyvät ja kaasumaisia<br />
hiilivetyjä muuttuu nestemäiseen olomuotoon.<br />
/3/<br />
Kuva 4. Pakokaasun laimentuminen ilmaan /6/<br />
Pakokaasun laimentumista ilmaan ja hiukkasten nukleoitumista käsittelevistä<br />
tutkimuksista kerrotaan myös lähteessä /7/ kohdassa ”Otto- ja dieselmoottoreiden<br />
nestehiukkaset: voiteluaineen ja jälkikäsittelyn <strong>vaikutus</strong>”.<br />
“Itse asiassa suurin osa ultrapienistä hiukkasista muodostuukin vasta pakoputkessa<br />
ja/tai ulkoilmassa, kun pakokaasujen lämpötila laskee. Silloin kaasumaisista<br />
hiilivedyistä alkaa tiivistyä pieniä pisaramaisia hiukkasia.” /8/<br />
12
1.1.3 Pakokaasuhiukkasten rakenne<br />
Pakokaasuhiukkaset muodostuvat kiinteistä yhteen liittyneistä hiilihiukkasista.<br />
Kiinteän ytimen ympärille on kondensoitunut palamattomia hiilivetyjä, nesteitä ja<br />
kaasuja. 0,01…0,08 millimetrin kokoiset ytimet tarttuvat toisiinsa ja hiilivetyjen<br />
kerros ympäröi monimutkaisen ytimistä koostuneen ryhmän. Hiili muodostaa<br />
hiukkasen ytimen, jonka ympärille adsorboituu hiilivetyjä, nestemäisiä hiukkasia ja<br />
sulfaatteja. Hiukkasiin voi liittyä myös kaasumaisessa muodossa olevia hiilivetyjä.<br />
/9/<br />
Kuvassa 5 on esitetty hiukkasen rakennetta ja sen kiinteän ytimen ympärille<br />
adsorboituneita aineita.<br />
Kuva 5. Pakokaasuhiukkasen rakenne /9, s.28/<br />
Kuvassa 5 on esimerkki siitä, miltä dieselmoottorissa syntynyt pakokaasuhiukkanen<br />
voi näyttää. Mustat pallot kuvaa hiilestä muodostuneita ytimiä ja harmaa verho<br />
niiden ympärillä adsorboituneita hiilivetyjä. Siniset avoimet ympyrät kuvaavat<br />
pisaramaisia hiukkasia, jotka ovat nestemäisiä hiilivetyjä ja suljetut ympyrät veteen<br />
liuenneita sulfaatteja. Pienet pisteet hiukkasen ympärillä ovat höyrystyneitä<br />
hiilivetyjä.<br />
13
1.1.4 Kaukokulkeuma ja katupöly<br />
Euroopassa on esitetty ohjearvoksi hiukkasten haitalliselle vuorokausipitoisuudelle<br />
50 µg/m 3 . Turvallista rajaa ei kuitenkaan ole, sillä riski kasvaa pitoisuuden<br />
kasvaessa. Pitkäaikainen altistuminen yli 100 µg/m 3 pitoisuuksille heikentää<br />
astmaattisten lasten ja nuorten keuhkojen toimintaa. /10/<br />
Vain osa ilman pienhiukkasista tulee autojen pakokaasupäästöistä. Esimerkiksi<br />
katupöly on keväisin merkittävä hiukkaslähde. Kuvasta 6 nähdään piikki<br />
kevätkuukausien aikana PM 10 -kokoluokan hiukkasten määrässä. 2,5 µmkokoluokan<br />
hiukkasten pitoisuus on pysynyt alle 10 µg kuutiometrissä.<br />
Kevätkuukausien aikana halkaisijaltaan 10 µm olevien hiukkasten pitoisuus on<br />
noussut Oulun keskustassa jopa 65 µg/m 3 .<br />
Kuva 6. Hiukkasten pitoisuudet Oulun keskustassa vuosina 2002-2005 /11/<br />
Pienhiukkaset voivat kulkeutua pitkiäkin matkoja. Elokuussa 2006 Karjalan<br />
metsäpalot nostivat ilman hiukkaspitoisuudet Suomessakin tietyillä alueilla 20-<br />
kertaisiksi. Kaukokulkeuman vuoksi ilmanlaatu oli huono Oulun korkeudella asti.<br />
/11/<br />
14
1.1.5 Päästöjen terveysvaikutukset<br />
Liikenteen terveydelle haitalliset päästöt ovat vähentyneet ja vähenevät edelleen<br />
parempien polttoaineiden ja tiukentuvien päästömääräysten myötä. Päästöjen<br />
aiheuttamat terveysvaikutukset eivät kuitenkaan ole vähentyneet samassa suhteessa.<br />
Liikenteen kasvu tiheästi asutuilla alueilla on syönyt osan teknisen kehityksen<br />
tuomasta hyödystä. Toisaalta jos tekniikan kehitys ei olisi mahdollistanut päästöjen<br />
vähentämistä, tilanne olisi paljon huonompi. Liikenteen tuottamat päästöt ovat joka<br />
tapauksessa vakava haitta ihmisten terveydelle: 200-1000 suomalaista kuolee<br />
vuosittain ennenaikaisesti ilman epäpuhtauksien johdosta. /4/<br />
Hiukkasilla on ihmisiin sekä lyhytaikaisia että pitkäaikaisia vaikutuksia.<br />
Lyhytaikaisia ovat hengenahdistus ja ärsytysoireet. Pitkäaikaisia vaikutuksia taas<br />
ovat sydän- ja hengityselinkuolleisuus. /7/<br />
Hiukkasten kulkeutuminen ihmisen hengitysteissä on esitetty kuvassa 7. Mitä<br />
pienempiä hiukkaset ovat, sitä huonommin elimistö kykenee torjumaan ne.<br />
Pienimmät hiukkaset kulkeutuvat keuhkorakkuloista verenkiertoon.<br />
Nanohiukkasiakin tutkitaan, mutta niiden <strong>vaikutus</strong>ten arviointi on vaikeaa, koska<br />
vaihtoehtoisia yhdistelmiä on paljon. Nanohiukkasilla tarkoitetaan yleensä alle 0,1<br />
µm kokoisia hiukkasia.<br />
Hengitysteitä verhoaa ripsiepiteeli, johon hiukkaset jäävät. Ripset ja hengitysteiden<br />
pinnalla oleva lima kuljettavat hiukkaset nieluun. 10 µm hiukkaset jäävät<br />
nenäonteloon ja 5 µm hiukkaset jäävät henkitorveen. 1 µm hiukkaset kulkeutuvat<br />
keuhkoihin asti ja sitä pienemmät 0,1 µm hiukkaset pääsevät keuhkoista<br />
verenkiertoon. Ylähengitysteihin jäävät hiukkaset poistuvat terveillä ihmisillä<br />
melko tehokkaasti elimistöstä. /7/<br />
Kuva 7 havainnollistaa erikokoisten hiukkasten kulkeutumista ihmisen<br />
hengitysteissä.<br />
15
Kuva 7. Hiukkasten kulkeutuminen hengitysteissä /7/<br />
Suuremmat kuin 10 mikrometrin kokoiset hiukkaset laskeutuvat maahan ja sitä<br />
pienemmät hiukkaset pysyvät ilmassa pidempään. Hiukkaseen, kuten kaikkiin<br />
kappaleisiin, vaikuttavat niin maan vetovoima kuin sen pudotessa ilmassa<br />
ilmanvastusvoimakin. Ilmanvastus hidastaa putoamista ja kun hiukkanen on<br />
riittävän kevyt, sen painovoima ei riitä kiihdyttämään hiukkasen putoamisnopeutta.<br />
Pienet hiukkaset siis putoavat niin hitaalla nopeudella, että ne käytännössä leijuvat.<br />
1.2 Kaasumaiset päästöt<br />
1.2.1 Liikenteen hiilidioksidipäästöt<br />
Dieselkäyttöisten henkilöautojen osuus henkilöautokannasta on kasvanut 2000-<br />
luvulla. Uusien dieselkäyttöisten henkilöautojen CO 2 -päästöt ovat kääntyneet<br />
selvään kasvuun, koska kuluttajat suosivat entistä isompia autoja. Vuonna 2006<br />
16
dieselautojen keskimääräiset hiilidioksidipäästöt olivat vielä hieman pienemmät<br />
kuin bensiiniautoilla, mutta bensiiniautojen CO 2 -päästöt ovat pysyneet noin 180<br />
gramman tasolla sataa kilometriä kohti vuoteen 2007 asti. Dieselautojen CO 2 -<br />
päästöt olivat alle 160 grammaa sataa kilometriä kohti 2000-luvun alussa. Suomen,<br />
ja Euroopan, kaikista kasvihuonekaasupäästöistä noin viidennes tulee liikenteestä,<br />
josta edelleen kolmasosa tulee tieliikenteestä. Liikenteen osuus<br />
kasvihuonekaasupäästöistä koko maailmassa on 13 %. /4/<br />
Kuva 8. Suomeen ensirekisteröityjen autojen CO 2 -päästöt. /12/<br />
Kuvasta 8 havaitaan uusien autojen keskimääräiset hiilidioksidipäästöt vuodesta<br />
2000 alkaen. Uusien dieselautojen keskimääräiset hiilidioksidipäästöt ovat<br />
kasvaneet 2000-luvulla vuoteen 2006 asti. Kun uusien dieselautojen keskimääräiset<br />
hiilidioksidipäästöt ovat kasvaneet, bensiinikäyttöisten autojen vastaava luku on<br />
jopa hieman laskenut. Muutosta voisivat selittää polttoaineiden hinta ja se, että isot<br />
henkilöautot on ostettu yhä useammin dieselmoottorilla varustettuina. Vuonna 2006<br />
dieselautojen hiilidioksidipäästöjen taso lähes saavutti uusien bensiiniautojen<br />
keskimääräisen hiilidioksidipäästöjen tason. Tämän jälkeen kumpikin arvo on<br />
laskenut alle 160 g/km tason. Lasku johtuu verotuksen muuttumisesta<br />
hiilidioksidiperusteiseksi. Autovero ja ajoneuvovero ovat sitä suurempia, mitä<br />
enemmän auto tuottaa hiilidioksidipäästöjä. Tässä on se haittapuoli, että monen<br />
kuluttajan mielessä hiilidioksidipäästöt ovat nousseet terveydelle haitallisia päästöjä<br />
merkityksellisemmiksi.<br />
17
Ensirekisteröityjen henkilöautojen keskimääräiset hiilidioksidipäästöt tulevat<br />
tasoittumaan hitaaseen laskuun tulevina vuosina. Nopea lasku vuoden 2007 jälkeen<br />
on saatu aikaan markkinoiden ohjaamisella ja tulevan laskun määrää tekniikan<br />
kehitys. Tarjolla on ollut jo pitkään vähän hiilidioksidia tuottavia autoja, mutta ne<br />
eivät ole olleet niin suosittuja kuin verouudistuksen jälkeen, jolloin autovero ja<br />
ajoneuvovero muutettiin CO 2 -perusteiseksi. Verouudistus sai siis kuluttajat<br />
valitsemaan useammin vähiten hiilidioksidia tuottavan vaihtoehdon. Nykyäänkin<br />
yhtä moni kuluttaja valitsee vähiten hiilidioksidia tuottavan automallin. Tekniikan<br />
kehitys määrää, kuinka nopeasti näiden vähiten kuluttavien vaihtoehtojen<br />
hiilidioksidipäästöt laskevat. Tekniikan kehitys mahdollistaa hitaamman kehityksen<br />
kuin markkinoiden ohjaus. /13/<br />
1.2.2 Palamattomat hiilivedyt<br />
Hiilivetypäästöt, eli HC-päästöt ovat palamatta jääneitä hiilivetyjä kuten<br />
polttoainetta tai öljyhöyryä. Jaksoittain tapahtuva palaminen on epätäydellistä ja<br />
siksi pakokaasuun jää pieni määrä hiilivetyjä.<br />
Puristussytytteisessä moottorissa palaminen alkaa monesta kohdasta, joten palotilan<br />
eri osissa polttoaine - ilma -seos on erilainen. Palotilan muotoilulla ja polttoaineen<br />
ruiskutuksen kehittämisellä pyritään vähentämään moottorissa syntyviä HCpäästöjä.<br />
Suoraruiskutusdieselmoottorissa palaminen alkaa kun osa polttoaineesta<br />
on vielä tulematta ruiskutussuuttimesta. Tämän vuoksi ruiskutetun<br />
polttoaineannoksen alku ja loppu palavat erilaisissa olosuhteissa. Osa polttoaineesta<br />
voi myös tiivistyä nestemäiseksi palotilan seinämiin./14/<br />
Uusissa autoissa hiilivetyjen osuus pakokaasussa on pieni, dieselautoissa joitakin<br />
miljoonasosia. Hapetuskatalysaattori poistaa tehokkaasti raakapakokaasussa olevat<br />
palamattomat hiilivedyt. Tietyssä tilanteessa osa polttoaineesta jätetään<br />
tarkoituksella polttamatta moottorissa.<br />
Bensiinimoottorissa HC-päästöjä syntyy muun muassa siksi, että palorintama ei<br />
etene sylinterin seinämiin asti vaan pysähtyy muutaman mikrometrin päähän<br />
seinämästä. Kolmitoimikatalysaattorit poistavat nämä raakapakokaasussa olevat<br />
palamattomat hiilivedyt tehokkaasti. /15/<br />
18
1.2.3 Hiilimonoksidi<br />
Hiilimonoksidi (CO), eli häkä, on myrkyllinen väritön ja hajuton kaasu, joka<br />
sitoutuu veren hemoglobiiniin ja estää siten hapen sitoutumisen hemoglobiiniin.<br />
Häkä poistuu hemoglobiinista huonosti ja sitoutuu vereen happea 200 kertaa happea<br />
tehokkaammin. Häkää syntyy pääasiassa epätäydellisessä palamisessa, kun happea<br />
on liian vähän. Häkä aiheuttaa herkästi pääkipua ja suurempina annoksina<br />
tajuttomuuden ja kuoleman. Ihmisen elimistössä hapenpuutteelle herkimpiä ovat<br />
aivot ja sydän. /16/<br />
Dieselmoottorin palotapahtumassa happea on reilusti ja siksi häkäpitoisuus on<br />
normaalisti pieni. Dieselmoottorin pakokaasupäästöjakauma on esitetty aiemmin<br />
kappaleen 1 Pakokaasupäästöt kuvassa 1.<br />
1.2.4 Typenoksidit<br />
Typenoksideista käytetään lyhennettä NO x . Pakokaasupäästöistä puhuttaessa<br />
typenoksideilla tarkoitetaan pääsääntöisesti typpioksidia ja typpidioksidia eli NO ja<br />
NO 2 . Typpi reagoi hapen kanssa korkeissa lämpötiloissa. Kun moottorin<br />
hyötysuhdetta halutaan parantaa, myös lämpötila nousee palotapahtumassa.<br />
Typenoksidien syntymistä hillitään kierrättämällä palotilaan jäähdytettyä<br />
pakokaasua. Pakokaasu syrjäyttää osan hapesta ja hillitsee lämpötilan nousua myös<br />
ilmaa suuremman ominaislämpökapasiteetin ansiosta. /17, 18, 19, Hakusana:<br />
typenoksidit/<br />
Typenoksideja muodostuu polttoainesuihkun kuorikerroksessa, jossa seos sisältää<br />
enemmän happea kuin pilven keskellä. Tämä näkyy aiemmin olevasta kuvasta 3<br />
Palava dieselsuihku.<br />
19
Kuva 9. Suomen tieliikenteen typenoksidipäästöjen kehitys vuodesta 1980 alkaen ja ennuste 2020-<br />
luvulle. /18/<br />
Kuva 9 esittää typenoksidipäästöjen kehitystä Suomessa. Kolmitoimikatalysaattorin<br />
yleistyminen bensiiniautoissa vähensi typenoksidipäästöjä huomattavasti.<br />
Euroluokkien vaatimukset vähentävät uusien autojen sallittuja hiukkas- ja<br />
typenoksidipäästöjä. Moottorissa syntyy pääasiassa typpioksidia (NO), joka<br />
hapettuu ilmassa hitaasti typpidioksidiksi (NO 2 ). /18/<br />
Typen seitsemästä oksidista vain kahdella, NO:lla ja NO 2 :lla on työhygieenistä<br />
merkitystä. Typenoksideja muodostuu korkeissa, 500…1000 °C lämpötiloissa typen<br />
reagoidessa hapen kanssa. Typenoksideja syntyy polttomoottorin lisäksi<br />
hitsauksessa ja salaman ympärillä ukkosella sekä räjäytystöissä. Ilmaan pääsee<br />
typenoksideja myös tulivuorenpurkauksissa ja joidenkin bakteerien toiminnan<br />
seurauksena. Kosteassa ilmassa typenoksideista voi syntyä typpihapoketta ja<br />
typpihappoa. Moottorissa syntyvien typenoksidien määrä kasvaa siis moottorin<br />
kuormituksen kasvaessa, koska lämpötila ja paine nousevat. Typenoksidit<br />
liukenevat huonosti veteen ja siksi ne eivät aiheuta merkittäviä ärsytysoireita<br />
limakalvoilla eivätkä ylemmissä hengitysteissä. Ne aiheuttavat ongelmia lähinnä<br />
alemmissa hengitysteissä ja keuhkoissa. Sekä NO että NO 2 liukenevat helposti<br />
keuhkojen kautta verenkiertoon. Astmaa sairastavilla henkilöillä on todettu oireita<br />
jo hyvin matalilla NO x -pitoisuuksilla. /20/<br />
20
2 Pakokaasun puhdistuslaitteet ja –menetelmät<br />
2.1 Hiukkassuodattimet<br />
Hiukkassuodattimet ovat kennorakenteisia suodattimia, jotka päästävät kaasut läpi<br />
mutta keräävät kiinteät hiukkaset huokoisiin rakenteisiinsa. Hiukkassuodattimet<br />
suodattavat pakokaasua tehokkaasti, mutta huokoisen kennon nopea tukkeutuminen<br />
on ongelma. Suodattimen tukkeutuessa sen kenno täytyy puhdistaa.<br />
Hiukkassuodattimen puhdistamista sanotaan regeneroinniksi. Kun hiukkassuodatin<br />
regeneroidaan, siihen kertynyt noki poltetaan.<br />
Kuva 10. Hiukkassuodattimien jaottelu /21/<br />
Hiukkassuodattimet jaetaan kuvassa 10 DieselNetin mukaan /21/ regeneroitaviin ja<br />
kertakäyttöisiin. Regeneroitavat jaetaan edelleen passiivisesti ja aktiivisesti<br />
regeneroitaviin sekä näiden yhdistelmiin. Passiivisesti regeneroitavat<br />
hiukkassuodattimet polttavat kertynyttä hiiltä jatkuvasti tai ilman varsinaista<br />
regenerointia käynnistävää toimenpidettä. Aktiivinen regenerointi taas tarkoittaa,<br />
että regeneraatio käynnistetään tietyllä toimenpiteellä. Tämä tarkoittaa sitä, että<br />
21
hiukkassuodattimen kennon lämpötila nostetaan noen syttymislämpötilan<br />
yläpuolelle.<br />
Kuva 11. Läpivirtaava ja ohivirtaava hiukkassuodatin /21/<br />
Hiukkassuodattimista ja niiden toiminnasta on kerrottu lisää myöhemmin<br />
kappaleessa 7.6 Tutkimuksessa käytetty auto.<br />
2.1.1 Yleistä hiukkassuodattimista<br />
Tulevien päästörajojen täyttäminen vaatii sekä suoraan moottorista tulevien, ns.<br />
raakapäästöjen, vähentämistä että jälkikäsittelylaitteiden käyttöä. Nykyiset<br />
pakokaasun dieselajoneuvojen jälkikäsittelyjärjestelmät koostuvat<br />
hapetuskatalysaattorista (DOC), hiukkassuodattimesta (DPF) ja NO x -<br />
jälkikäsittelylaitteesta. Järjestelmän tehokas ja turvallinen toiminta edellyttää<br />
tarkkaa ohjausta ja säätöä, sekä erityisesti tehokasta katalysaattoria. /22/<br />
Hiukkassuodatin on olennainen osa tekniikkaa nykyaikaisissa dieselajoneuvoissa.<br />
Moottorin ja hiukkassuodattimen yhteistoimintaa optimoidaan koko ajan lisää.<br />
Suodattimet voidaan asentaa suhteellisen moniin moottoreihin. Hyvän termisen<br />
tehokkuuden vuoksi suodatin olisi hyvä asentaa lähelle moottoria. Moottoritilassa ei<br />
kuitenkaan ole aina riittävästi tilaa hiukkassuodattimelle. Kaikki nykyiset DPFjärjestelmät<br />
pyrkivät saamaan regeneroinnin aikaan kaikissa eri olosuhteissa.<br />
Yleensä tämä tarkoittaa sekä passiivisen että aktiivisen regeneroinnin yhdistelmää.<br />
Passiivisilla keinoilla tarkoitetaan katalysoivan pinnoitteen tai lisäaineen käyttöä ja<br />
aktiivisilla polttoaineen jälkiruiskutusta. /22/<br />
Periaatteena on noen hapettaminen NO 2 :n tai O 2 :n avulla. Jatkuva, eli passiivinen,<br />
hiukkassuodattimen puhdistuminen saadaan aikaan NO 2 :lla, jota syntyy<br />
22
hapetuskatalysaattorissa NO:n hapettuessa. Tästä käytetään nimitystä jatkuva<br />
regenerointi eli lyhyesti CRT (Continuous Regenerating Trap). Passiivinen<br />
regenerointi on mahdollista noin 250...450 °C lämpötilassa. Jalometallipinnoitteen<br />
avulla regenerointi voi olla osittain jatkuvaa. /22/<br />
Henkilöautoissa ei juurikaan käytetä jatkuvaa regenerointia, vaikka pakokaasujen<br />
lämpötila on yleensä riittävä. Menetelmä toimii hyvin vain korkeilla NO x -<br />
pitoisuuksilla. NO 2 :n ja NO:n termodynaaminen stabiilius rajoittaa myös<br />
menetelmän tehokkuutta. Terminen regenerointi onnistuu pakokaasussa olevan<br />
hapen avulla yli 500 °C lämpötiloissa. Vaadittuun lämpötilaan päästään aktiivisilla<br />
toimenpiteillä, esimerkiksi (ylimääräisellä) polttoaineen jälkiruiskutuksella, ja<br />
lisäämällä siten palamattomien hiilivetyjen määrää hapetuskatalysaattorissa.<br />
Tilannetta hankaloittaa se, että suurimman osan ajasta moottori käy<br />
osakuormituksella, kuten kaupunkiliikenteessä. Regeneroinnin kesto riippuu<br />
pääasiassa suodattimeen kertyneen noen määrästä. /22/<br />
Aktiiviseen regenerointiin liittyvät keinot lisäävät polttoaineen kulutusta, koska<br />
kaikki energia otetaan polttoaineesta. Palotilaan ruiskutettava jälkiruiskutus lisää<br />
myös polttoaineen liukenemista moottoriöljyyn. Lisäksi regeneroinnin aikana<br />
esiintyvät korkeat lämpötilat ja nopeat lämpötilanvaihtelut lyhentävät suodattimen<br />
katalyyttien kestoikää. Siksi regeneraation parantamiseksi tehdään paljon<br />
kehitystyötä, jotta noki saataisiin syttymään mahdollisimman matalassa<br />
lämpötilassa. Noen katalyyttinen polton nopeuttaminen on kuitenkin<br />
monimutkainen tehtävä. Reaktion pitäisi käynnistyä nopeasti, mutta liian nopea<br />
lämpötilan nousu rasittaa suodatinta ja kenno voi sulaa hallitsemattoman reaktion<br />
vuoksi. Hiukkassuodattimien tehokkuutta pyritään lisäämään uusilla katalyyteillä,<br />
jotka parantavat noen syttymistä pienentämällä aktivaatioenergiaa. Jotta tämä<br />
tavoite saavutettaisiin, pitäisi yhdistää nanorakenteen ja jalometallien edut<br />
katalysaattoreissa. /22/<br />
Polttoaineen liukeneminen moottoriöljyyn on ongelma erityisesti käytettäessä<br />
esteröimällä tehtyä FAME-biodieseliä, jonka tislausalue on niin korkealla, että se ei<br />
höyrysty kunnolla ja pääsee männänrenkaiden ohi. FAME ei myöskään poistu<br />
moottoriöljystä haihtumalla.<br />
23
2.1.2 Passiivinen regenerointi<br />
Passiivinen regenerointi tapahtuu itsekseen, kun pakokaasun lämpötila on riittävän<br />
korkea. Passiiviseen regenerointiin perustuvia järjestelmiä käytetään enemmän<br />
raskaassa kalustossa kuin henkilöautoissa. Passiivisesti toimivia järjestelmiä<br />
voidaan asentaa ajoneuvoihin myös jälkikäteen. CRT (Continuous Regenerating<br />
Trap) tarkoittaa jatkuvasti regeneroituvaa eli puhdistuvaa suodatinta. /23/<br />
Hiukkasten syttymistä parantava katalyytti voidaan lisätä myös polttoaineen sekaan.<br />
Polttoaineeseen lisätyllä katalyytillä tehostettu regenerointi on myös passiivinen<br />
tapa. Ainoa periaatteellinen ero katalysoituun hiukkassuodattimeen on se, että<br />
katalyyttiä tuodaan polttoaineen mukana. Menetelmästä käytetään englanninkielistä<br />
termiä ”fuel borne catalyst”. PSA-yhtymän autoissa ja joissakin PSA:n moottoreita<br />
käyttävissä autoissa on käytössä Ceriumia sisältävä katalysoiva lisäaine, jota<br />
sekoitetaan auton polttoainesäiliöön auton tankkauksen yhteydessä. Auto tunnistaa<br />
tankkauksen ja sekoittaa polttoainesäiliöön laskemansa annoksen lisäainetta.<br />
Lisäainesäiliö täytetään huollossa. Uusissa PSA-yhtymän malleissa säiliön tilavuus<br />
on 1,5 litraa ja valmistaja lupaa lisäaineen riittävän 120 000...150 000 kilometrin<br />
ajoon. Metallisen lisäaineen käyttö tuottaa tuhkaa hiukkassuodattimeen ja siksi sitä<br />
pitää käyttää mahdollisimman vähän, mutta riittävästi, jotta hiukkassuodattimessa<br />
oleva noki hapettuu. Hiukkassuodattimeen kerääntyy tuhkaa ja suodatin pitää<br />
vaihtaa puhdistettuun suodattimeen samassa huollossa, jossa lisäainesäiliö<br />
täytetään. PSA-yhtymä on ilmoittanut parannetusta hiukkassuodattimen rakenteesta,<br />
jolla huoltoväli on 250 000 kilometriä. /8/<br />
2.1.3 Aktiivinen regenerointi<br />
Aktiivisessa regeneroinnissa on siis kyse siitä, että hiukkassuodattimeen kertynyt<br />
noki poltetaan, jolloin suodatin puhdistuu. Tällöin noen aiheuttama painehäviö<br />
pienenee. Pakokaasun lämpötila on kuitenkin yleensä niin matala, että noen<br />
hapettumisreaktio ei käynnisty ilman avustavia toimenpiteitä. Jotta reaktio voisi<br />
alkaa, täytyy syttymislämpötila ylittää. Aktiivinen regenerointi tähtää<br />
hiukkassuodattimen lämmittämiseen.<br />
24
Hiukkassuodattimen lämpötilaa voidaan kohottaa eri tavoin: käyttämällä<br />
polttoaineen jälkiruiskutusta poistotahdin aikana, ruikuttamalla polttoainetta<br />
suoraan pakosarjaan tai polttamalla polttoainetta ennen hiukkassuodatinta erillisellä<br />
polttimella. Hiukkassuodatinta voidaan lämmittää myös sähkövastuksella tai<br />
polttoainetta voidaan höyrystää pakokaasun sekaan sähkölämmitteisellä<br />
höyrystimellä. /24/<br />
Tapoja on monia, mutta kaikille on yhteistä se, että ne kuluttavat energiaa ja siksi<br />
lisäävät polttoaineen kulutusta. Lisäksi kaikkia näitä järjestelmiä pitää ohjata<br />
tarkasti, koska muuten ne lisäävät päästöjä. Lisäksi ne nostavat ajoneuvon hintaa,<br />
mikä vaikuttaa sitä enemmän, mitä halvemmasta ajoneuvosta on kysymys.<br />
Barbier, Faucon ja Vandenplas /25/ ovat tutkineet pakokaasun lämpötiloja<br />
fossiilisella dieselpolttoaineella sekä 30 % rypsiöljyn metyyliesteristä (RME)<br />
tehdyllä polttoaineella: Käytettäessä biodieseliä pakokaasun lämpötilan havaittiin<br />
olevan matalampi ennen hiukkassuodatinta ja lisäksi pakokaasun lämpötila laski<br />
hiukkassuodattimessa enemmän kuin raakaöljyperäistä dieselpolttoainetta<br />
käytettäessä.<br />
2.1.3.1 Hiukkasuodattimen regenerointi käyttäen erillistä<br />
polttoainesuutinta tai höyrystintä<br />
Polttoainetta voidaan ruiskuttaa suoraan hapetuskatalysaattoriin ja<br />
hiukkassuodattimeen. Näin vältytään tuomasta lisää lämpöä moottoriin ja turboon<br />
sekä niiden ympäristöön. Haittapuolena on ylimääräisen ruiskutussuuttimen sekä<br />
sen oheislaitteiden tarve.<br />
Hiukkassuodatin tulee olemaan jokaisessa dieselkäyttöisessä ajoneuvossa. Nykyiset<br />
ja tulevat päästövaatimukset vaativat sitä. ”Wall-flow” -suodatin täytyy aika ajoin<br />
regeneroida. ”Flow-through” -suodattimet eivät tukkeudu, mutta ne päästävät osan<br />
hiukkasista läpi. ”Wall-flow” -suodatin täytyy regeneroida, koska nokea kertyy<br />
siihen jatkuvasti. Noki saadaan syttymään, kun suodattimen lämpötila nostetaan 600<br />
°C lämpötilaan. Jotta vältettäisiin osittaisesta regeneroinnista aiheutuvat ongelmat,<br />
pitää lämpötilan noston olla mahdollista kaikissa tilanteissa. /24/<br />
25
Pakokaasun lämpötilaan voidaan vaikuttaa myös pääruiskutuksen ajoituksella.<br />
Tekniset mahdollisuudet pakokaasun lämpötilan nostoon rajoittuvat käytännössä<br />
ruiskutuksen ajoitukseen. Turbo rasittuu korkeamman lämpötilan ja pakokaasun<br />
sisältämän palamattoman polttoaineen vuoksi. Turbon lämpötilan kesto rajoittaa<br />
pakokaasun lämpötilan nostoa moottorissa. /24/<br />
Jälkiruiskutuksen sijaan voidaan käyttää erillistä polttoainesuutinta tai<br />
sähkölämmitteistä höyrystintä hapetuskatalysaattorin edessä. Tällä vältetään turbon<br />
ylimääräinen lämpörasitus ja moottoriöljyn ylimääräinen kontaminoituminen.<br />
Lisäksi pakokaasusta moottoritilaan siirtyy vähemmän lämpöä kuin käytettäessä<br />
jälkiruiskutusta. Tästä on etua myös EGR-järjestelmää ajatellen: Pakokaasun<br />
takaisinkierrätyksen tarkoitus on jäähdyttää palotapahtumaa, siksi pakokaasu<br />
ohjataan jäähdyttimen kautta palotilaan. Mitä kuumempaa pakokaasua EGRjärjestelmä<br />
ottaa, sitä enemmän sitä pitää jäähdyttää ennen imukanavaa.<br />
Polttoaineen höyrystintä voidaan käyttää myös jälkiasennettavien<br />
hiukkassuodattimien kanssa. /24/<br />
2.1.4 Hiukkaskatalysaattorit<br />
Raskaassa kalustossa käytetään hiukkasia hapettavia katalysaattoreita, jotka ovat<br />
kuitenkin rakenteeltaan erilaisia kuin varsinaiset hiukkassuodattimet.<br />
Tämäntyyppisissä suodattimissa ei ole samanlaista tukkeutumisen vaaraa kuin<br />
varsinaisissa hiukkassuodattimissa. Toisaalta hiukkaskatalysaattorit eivät poista<br />
hiukkasia yhtä tehokkaasti kuin varsinaiset hiukkassuodattimet.<br />
Jälkiasennettavat hiukkassuodattimet ovat yleensä hiukkaskatalysaattori-tyyppisiä.<br />
Laitevalmistajia on useita, ja tämäntyyppisillä laitteilla on monia nimityksiä, kuten<br />
POC, PDPF, PPF, PM-KAT ja FTF. Nämä ovat katalysaattorin ja<br />
hiukkassuodattimen välimuotoja. Hiukkaskatalysaattorit ovat tyypillisesti<br />
rakenteeltaan sellaisia, että osa pakokaasusta virtaa vapaasti niiden läpi. Näissä ei<br />
ole samanlaista tukkeutumisen vaaraa, kuin hiukkassuodattimissa. /23/<br />
26
2.2 Hapetuskatalysaattori<br />
Hapetuskatalysaattori eli DOC (Diesel Oxidation Catalyst) hapettaa NO:ia NO 2 :ksi.<br />
Hapetuskatalysaattorit yleistyivät 1990-luvun puolivälissä. Niitä otettiin käyttöön<br />
kaupunkilinja-autoissa. Määräykset eivät olisi vaatineet katalysaattorin käyttöä,<br />
mutta sitä käytettiin imagosyistä. Hapetuskatalysaattori poistaa hiukkasten pinnalle<br />
kondensoituneita orgaanisia yhdisteitä. Hapetuskatalysaattori siis pienentää<br />
hiukkaspäästöjä vaikka se ei vähennäkään hiukkasten lukumäärää, vaan lähinnä<br />
”kuivaa” hiukkasia poistamalla kondensoituneita aineita hiukkasista.<br />
Hapetuskatalysaattori hapettaa NO:ia NO 2 :ksi ja auttaa siten hiukkassuodattimen<br />
toimintaa, joka on kytketty hapetuskatalysaattorin jälkeen. NO 2 hapettaa<br />
nokihiukkaset matalammassa lämpötilassa kuin puhdas happi. NO 2 on siis<br />
hyödyllistä hiukkassuodattimen toiminnan kannalta, mutta sen osuus pakoputken<br />
päässä pitäisi olla mahdollisimman pieni. Toiminta olisi optimaalista, jos kaikki<br />
NO 2 kuluisi hiukkasten polttoon. Ilman hapetuskatalysaattoria dieselmoottorin<br />
pakokaasupäästöissä NO x :sta 90 % on NO:ia. Hapetuskatalysaattori ei varastoi<br />
mitään eikä vaikuta typpioksidien kokonaismäärään. /23/<br />
2.3 Typenoksidien vähennysmenetelmät<br />
Typenoksidipäästöjä, eli NO x -päästöjä, voidaan vähentää kahdella periaatteella:<br />
Vähennetään moottorissa syntyviä NO x -päästöjä tai pelkistetään typenoksidit<br />
jälkikäsittelyllä. Pakokaasun takaisinkierrätysjärjestelmällä vähennetään<br />
moottorissa syntyvien NO x -päästöjen määrää ja pelkistävällä katalysaattorilla<br />
vähennetään pakokaasussa olevia typenoksideja. Ruiskutuksen ajoituksella<br />
vaikutetaan myös palolämpötilaan ja siten NO x -päästöihin. Ennakon lisääminen<br />
parantaa hyötysuhdetta mutta lisää typenoksidien muodostumista. Typenoksidien<br />
vähentämisessä täytyy huomioida myös <strong>vaikutus</strong> hiukkaspäästöihin. Polttoaineen<br />
kulutusta voidaan saada vähennettyä käyttämällä aikaisempaa ruiskutusta ja<br />
huolehtimalla syntyneistä päästöistä hyvin toimivalla jälkikäsittelytekniikalla.<br />
27
2.3.1 Pakokaasun takaisinkierrätys<br />
Pakokaasun takaisinkierrätyksestä käytetään lyhennettä EGR (Exhaust Gas<br />
Recirculation). Osa pakokaasuista ohjataan jäähdytettynä takaisin palotilaan<br />
palotapahtuman lämpötilan laskemiseksi. Tällä pyritään välttämään ilmassa olevan<br />
typen reagointi hapen kanssa. Typpi on inertti kaasu, mutta kun lämpötila on<br />
riittävän korkea, se reagoi hapen kanssa. Jäähdytetty pakokaasu syrjäyttää puhdasta<br />
ilmaa palotilassa. /23/<br />
EGR-järjestelmän avulla vähennetään siis typenoksidien syntymistä jo moottorissa.<br />
EGR:n huonoja puolia ovat ne, että sillä ei saada aikaan kovin suuria NO x :n<br />
vähenemistä eikä se sovellu hyvin jälkiasennuksiin.<br />
Pyrittäessä kohti pienempiä NO x -päästöjä EGR-järjestelmällä sen vaatima<br />
jäähdytysteho kasvaa, koska palotilaan pitää saada enemmän ja viileämpää<br />
pakokaasua. Pakokaasuista enimmillään noin 15...20 % kierrätetään takaisin Euro 4<br />
-luokan kuorma-autoissa. Kuorma-auton kokoluokan moottorissa tarvitaan tällöin<br />
35 kilowatin jäähdytysteho ja loppulämpötila jää 150 °C asteeseen. Euro 5 -luokan<br />
mukaisten typenoksidipäästörajojen alittamiseksi pitää takaisinkierrätettävää osaa<br />
pakokaasuista kasvattaa ja jäähdyttää lisää. Jotta palolämpötila saataisiin riittävän<br />
matalaksi, eli 50 °C asteeseen, pitää pakokaasuja jäähdyttää 70 kW:n teholla. /26/<br />
2.3.2 Pelkistävä katalysaattori<br />
Pelkistävä katalysaattori eli SCR (Selective Catalytic Reduction) on pelkistävällä<br />
katalyytilla toimiva typenoksidien poistoon kehitetty jälkikäsittelytekniikka.<br />
Eurooppalainen autoteollisuus on valinnut SCR-tekniikassa käytettäväksi<br />
lisäaineeksi urean. Urea ruiskutetaan pakokaasun sekaan ennen katalysaattoria.<br />
Katalysaattorissa urea pelkistää typenoksideja. SCR-tekniikalla voidaan vähentää<br />
NO x -päästöjä yli 80 %. Tätä tekniikkaa käytettäessä moottorissa saa syntyä<br />
runsaasti NO x -päästöjä, ja siten moottori voidaan säätää toimimaan parhaalla<br />
mahdollisella hyötysuhteella. /23/<br />
28
Kuvassa 12 esitetään PM – NO x -käyrä. Ruiskutuksen ajoitusta muuttamalla<br />
voidaan siirtyä käyrällä joko pienempien NO x -päästöjen tai pienempien<br />
hiukkaspäästöjen alueelle kuvaajaa pitkin. Jos käytössä on SCR, voidaan<br />
hiukkaspäästöt saada pieneksi moottorinohjausta säätämällä ja NO x pelkistettyä<br />
SCR-katalysaattorilla. SCR-kalysaattorilla voidaan vähentää NO x -päästöjä 80 %.<br />
Katalysaattorille ruiskutettava urealiuos synnyttää ammoniakkia, joka pelkistää<br />
typenoksidit. Reaktio ei kuitenkaan toimi alle 200 °C lämpötilassa. Esimerkiksi<br />
kaupunkiliikenteessä olevissa linja-autoissa pakokaasujen lämpötila laskee usein<br />
alle 200 °C lämpötilan. Tällöin ureaa ei voida ruiskuttaa, koska on vaarana, että<br />
ammoniakki pääsee ympäristöön. Samasta syystä ureaa ei saa ruiskuttaa liikaa.<br />
Moni SCR-järjestelmällä varustettu Euro 4 -auto vastaa käytännön päästöiltään<br />
Euro 2 -luokan autoa hitaassa kaupunkiliikenteessä, koska pakokaasun lämpötila jää<br />
jatkuvasti liian matalaksi. /23/<br />
SCR-tekniikan huono puoli on, että se vaatii erillisen lisäaineen ja sen<br />
syöttöjärjestelmän. Lisäainetta kuluu kuitenkin vain 1 % polttoainemäärästä jokaista<br />
1 g/kWh NO x alenemaa kohti. Jos lähtötaso on Euro 1 – Euro 2 ja pyritään Euro 4 -<br />
tasolle, kuluu ureaa noin 4 % polttoaineen määrästä. Lisäaineena käytettävä urea<br />
jäätyy -11 °C lämpötilassa. Jäätyminen ei pilaa ainetta, vaan sitä voidaan taas<br />
käyttää kun se on nestemäistä. Markkinoilla on myös Denoxium-nimistä lisäainetta,<br />
jonka jäätymispiste on -30 °C. Lisäainesäiliötä ei kannata täyttää millä tahansa<br />
”urealla”: Seossuhteen on oltava tarkka ja aineen puhdasta. Järjestelmän toiminta<br />
perustuu tarkkaan annosteluun ja siksi liuoksen väkevyys ei saa vaihdella. /23/<br />
29
3 Päästöluokat ja -rajat henkilöautoille<br />
Bensiinikäyttöisillä autoilla vaatimukset eivät muutu siirryttäessä nykyisestä Euro 5<br />
-luokasta Euro 6 -luokkaan. Dieselkäyttöisillä autoilla NO x -raja laskee 180 mg:sta<br />
170 mg:aan ja hiukkaspäästöjen suurin sallittu arvo pysyy samana 5 mg kilometriä<br />
kohden. Raskaan kaluston päästörajoissa käytetään yksikköä grammaa<br />
kilowattituntia kohti (g/kWh). Henkilöautojen rajat huomioivat siis myös ajoneuvon<br />
ominaisuudet.<br />
Taulukko 1. Pakokaasupäästöluokat /21, hakusana: European emission standards/<br />
Käytössä<br />
Päästöluokka<br />
alkaen<br />
Diesel<br />
EM1 tammikuu 1989<br />
Häkä<br />
(CO)<br />
Hiilivet<br />
y (HC)<br />
Typenoksid<br />
it (NO x )<br />
2.72<br />
(3.16) - -<br />
HC+NO x<br />
Hiukkase<br />
t (PM)<br />
0.97 0.14<br />
(1.13) (0.18)<br />
Euro 2, IDI tammikuu 1993 1.0 - - 0.7 0.08<br />
Euro 2, DI tammikuu 1993 1.0 - - 0.9 0.10<br />
Euro 3 joulukuu 1997 0.64 - 0.50 0.56 0.05<br />
Euro 4 tammikuu 2003 0.50 - 0.25 0.30 0.025<br />
Euro 5 syyskuu 2009 0.50 - 0.18 0.23 0.005<br />
Euro 6 syyskuu 2014 0.50 - 0.08 0.17 0.005<br />
Bensiini<br />
EM1 tammikuu 1989<br />
2.72<br />
(3.16) - -<br />
0.97<br />
(1.13) -<br />
Euro 2 tammikuu 1993 2.2 - - 0.5 -<br />
Euro 3 tammikuu 1997 2.3 0.20 0.15 - -<br />
Euro 4 tammikuu 2003 1.0 0.10 0.08 - -<br />
Euro 5 syyskuu 2009 1.0 0.10 0.06 - 0.005**<br />
Euro 6 syyskuu 2014 1.0 0.10 0.06 - 0.005**<br />
* Ennen EURO 5 -tasoa yli 2500 kg:n henkilöautot on hyväksytty N1-I-luokan autoina<br />
** Pätee vain suorasuihkutusmoottoreilla varustettuihin autoihin<br />
30
4 Tekniikan kehitys henkilöautoissa<br />
Moottoritekniikan kehittämisellä pyritään parempaan hyötysuhteeseen ja samalla<br />
puhtaampiin päästöihin. Haitallisia päästöjä on saatu vähennettyä huomattavasti<br />
tehokkailla pakokaasun puhdistuslaitteilla, mutta hiilidioksidin vähentäminen vaatii<br />
energiankulutuksen pienentämistä kokonaisvaltaisesti. Energian kulutuksen<br />
vähentäminen vaatii suuria ponnisteluja. /27/<br />
Polttoaineen palamista parannetaan kehittämällä ruiskutussuuttimia ja entistä<br />
korkeampien ruiskutuspaineiden avulla. Polttoaineen ja ilman sekoittumista<br />
tutkitaan optisilla moottoreilla. Sekoittumiseen vaikuttavat myös polttoaineen<br />
ominaisuudet, kuten pintajännite, viskositeetti ja haihtuvuus. /28/<br />
Päästörajoitusten tiukentuessa henkilöautoihinkin on tulossa lisäaineella toimivat<br />
pakokaasun puhdistusjärjestelmät. Monimutkaiset järjestelmät nostavat auton hintaa<br />
ja henkilöautoissa lisäys on suhteessa suurempi kuin raskaassa kalustossa.<br />
Nykyaikaisen henkilöauton pakoputkisto on suhteellisen kallis kokonaisuus,<br />
vaikkakin nykyään varsin pitkäikäinen.<br />
4.1 Päästövaatimusten täyttäminen<br />
Kuva 14 esittää erilaisia menetelmiä Euroluokkiin pääsemiseksi. Kuvassa näkyvät<br />
myös raskaan kaluston pakokaasupäästörajat yksikössä g/kWh. Henkilöautoissakin<br />
joudutaan käyttämään raskaasta kalustosta tuttuja lisäainejärjestelmiä, jotta<br />
täytetään Euro 6 -tason päästövaatimukset. Henkilöautojen päästörajat esitettiin<br />
kohdassa 3 Päästöluokat ja -rajat henkilöautoille.<br />
31
Kuva 12. Pakokaasupäästöjen vähennys menetelmät Euro 3-, Euro 4- ja Euro 5 –määräysten<br />
täyttämiseksi. /23/<br />
EU3 -tasolle päästiin moottorin toimintaa optimoimalla. Ilman nykyisiä<br />
jälkikäsittelylaitteita, hiukkassuodatinta ja SCR-katalysaattoria. Korotetuilla<br />
polttoaineen ruiskutuspaineilla ja hyvilläkään ruiskutussuuttimilla ei saada hiukkasja<br />
typenoksidipäästöjä riittävän alas edes Euro 4 -vaatimusten täyttämiseksi.<br />
Kuvassa 14 harmaa käyrä on niin sanottu trade-off -käyrä. Säätämällä ruiskutuksen<br />
ajoitusta aikaisemmalle voidaan liikkua tällä käyrällä kohti pienempiä<br />
hiukkaspäästöjä.<br />
Euro 4 -luokkaan pääsemiseksi on kaksi tapaa. Toinen tapa on saada moottorissa<br />
syntyvät hiukkaspäästöt pieniksi aikaisella polttoaineen pääruiskutuksella. Tällöin<br />
typenoksideja syntyy paljon, mutta ne poistetaan SCR-katalysaattorilla. SCRkatalysaattori<br />
vaatii toimiakseen vähintään 200 °C asteen lämpötilan. Tehokkaalla<br />
typenoksidien pelkistämisellä, eli 80 % NO x :ien poistamisella, voidaan päästä tällä<br />
tavalla Euro 5 -vaatimukset täyttäviin päästöarvoihin. Urean kulutusta suhteessa<br />
typenoksidien päästötason laskemiseen on käsitelty kappaleessa 2.3.2 Pelkistävä<br />
katalysaattori.<br />
Toinen tapa on käyttää hieman myöhempää polttoaineen ruiskutusta kuin<br />
edellisessä ja vähentää typenoksideja lisäksi pakokaasun takaisinkierrätyksellä.<br />
Tällä tavalla moottorissa syntyy suurempi määrä hiukkaspäästöjä, jotka poistetaan<br />
hiukkassuodattimella (Diesel Particulate Filter, DPF).<br />
32
Tulevaan Euro 6 -luokkaan pääsemiseksi pitää yhdistää näitä molempia tapoja.<br />
Henkilöautoissa on aiemmin tultu toimeen hiukkassuodattimella, mutta<br />
tulevaisuudessa henkilöautoihinkin kuuluu hiukkassuodattimen lisäksi SCRjärjestelmä<br />
lisäaineineen.<br />
33
5 Polttoaineet<br />
Pakokaasurajojen tiukentuessa myös polttoaineiden laatuvaatimukset kasvavat.<br />
Lisäksi polttoaineita täytyy saada tehtyä uusiutuvista lähteistä. Polttoaineen kulutus<br />
lisääntyy, koska liikkuminen lisääntyy. Fossiilisen polttoaineen osuutta halutaan<br />
vähentää ja tilalle yritetään löytää ympäristöä mahdollisimman vähän kuormittavia<br />
ja samalla riittävän edullisia energian kuljetus- ja säilytysmuotoja.<br />
Polttoaineiden kehityksellä pyritään vähentämään sekä paikallisia, eli niin sanottuja<br />
lähipäästöjä, että kasvihuonekaasupäästöjä. Etsimällä uusia energialähteitä pyritään<br />
turvaamaan energian riittävyys. Polttoaineiden kehitystä ohjaavat siis sitä käyttävä<br />
tekniikka, polttoaineesta syntyvät päästöt sekä erilaisten lähtöaineiden saatavuus.<br />
Uusien polttoaineiden pitäisi sopia mahdollisimman hyvin käytössä olevien<br />
moottoreiden lisäksi polttoaineen jakelujärjestelmään.<br />
Polttoaineen jakeluverkostolle asetettavat vaatimukset riippuvat myös<br />
käyttökohteesta: Jos tiettyä polttoainetta käytetään paikallisliikenteen linja-autoissa,<br />
muutama jakeluasema autojen varikoilla riittää. Yksityiskäyttöön on huomattavasti<br />
haasteellisempaa rakentaa käyttäjiä tyydyttävää jakelujärjestelmää. Uuden<br />
polttoaineen käyttöön ottaminen vaati monen eri osapuolen hyväksynnän. Toisaalta<br />
juuri kaupunkien paikallisliikenteen linja-autot ovat hyvä esimerkki siitä, missä<br />
voidaan saada uusi polttoaine laajaankin käyttöön kohtuullisilla investoinneilla<br />
jakeluasemiin. /29/<br />
Erilaisia polttoaineita on paljon ja lisäksi useimpia voidaan sekoittaa monessa eri<br />
suhteessa. Fossiilisen polttoaineen loppumista suurempi syy uusiutuvien<br />
polttoaineiden käyttöönotolle on halu vähentää päästöjä. Kasviperäistä polttoainetta<br />
käytettäessä ilmaan vapautuu hiilidioksidia, jota kasvit ovat yhteyttämällä sitoneet.<br />
Biopolttoaineita saadaan uusiutuvista lähteistä. Hiilidioksidipäästöjen lisäksi uusilla<br />
polttoaineilla voidaan saada vähennettyä terveydelle haitallisia päästöjä.<br />
Polttoaineet ovat lopulta vain energian säilyttäjiä ja kuljettajia. Autonvalmistajilla<br />
on vahva mielipide siitä, että uusien polttoaineiden tulee olla nykyisten kaltaisia.<br />
Heidän mielestään täytyy kehittää sellaisia uusiutuvia polttoaineita, joita voidaan<br />
käyttää nykyisissä autoissa. Moottorien optimointi monelle erilaiselle polttoaineelle<br />
34
tulee liian kalliiksi. Biopolttoaineiden aiheuttama ympäristöhyöty tulee<br />
kokonaiskasvihuonekaasupäästöjen vähenemisen myötä. /29/<br />
5.1 Polttoaineen <strong>vaikutus</strong> regenerointiin ja<br />
hiukkaspäästöihin<br />
Polttoaineen <strong>vaikutus</strong>ta hiukkassuodattimen toimintaan on tutkittu aiemminkin.<br />
Barbier, Fasolo, Faucon ja Vandenplas /25/ ovat tutkineet 30 % RME-biodieselin<br />
<strong>vaikutus</strong>ta hiukkassuodattimen toimintaan. He totesivat hiukkaspäästöjen olevan<br />
pienemmät käytettäessä 30 % rypsiöljyn metyyliesteriä sisältävää<br />
dieselpolttoaineella kuin tavallista dieseliä, mutta se ei välttämättä johda suoraan<br />
pidempään regenerointiväliin. Kyseisessä tutkimuksessa todettiin hiukkaspäästöjä<br />
syntyvän 20 % vähemmän käytettäessä 30 % biodieseliä sisältävää polttoainetta,<br />
sekä lisäksi noen syttyvän matalammassa lämpötilassa mahdollisesti erilaisesta<br />
mikrorakenteesta johtuen. Toisaalta 30 % biodieseliä sisältävän polttoaineen<br />
pienemmän energiansisällön vuoksi hiukkassuodattimen lämpötila regeneroinnin<br />
aikana jäi mainitussa tutkimuksessa selvästi matalammaksi kuin tavallisella<br />
dieselillä. Tutkimuksen raportissa pohditaan myös pakokaasun koostumuksen<br />
<strong>vaikutus</strong>ta regenerointitapahtumaan. Tarkastellessa tutkimuksia erilaisten<br />
polttoaineiden vaikutuksista täytyy kiinnittää huomiota koeolosuhteisiin, kuten<br />
käytetyn pakokaasun koostumukseen.<br />
5.2 Polttoaineiden ominaisuuksia<br />
Polttoaineen kulutusta eri polttoaineilla vertailtaessa on otettava huomioon<br />
polttoaineiden erilaiset ominaisuudet. Polttoaineiden ominaisuudet kuten<br />
setaaniluku, energiansisältö ja tiheys vaikuttavat osaltaan polttoaineen kulutukseen.<br />
Verrattaessa kulunutta polttoaineen määrää tilavuudella mitattuna täytyy ottaa<br />
huomioon myös polttoaineiden erilaiset tiheydet. Moottorin hyötysuhteen pysyessä<br />
samana eri polttoaineilla moottori kuluttaa saman määrän energiaa käytetystä<br />
polttoaineesta riippumatta. Erot polttoaineen kulutuksessa johtuvat tällöin erilaisista<br />
polttoaineiden energiansisällöistä.<br />
35
Taulukossa 2 on NExBTL, GTL, FAME ja EN 590 eli tavallisen dieselin<br />
ominaisuuksia.<br />
Taulukko 2. Polttoaineiden ominaisuuksia /30/<br />
Polttoaineiden ominaisuuksia on esitetty taulukossa 2. Yksi kilogramma NExBTLpolttoainetta<br />
sisältää enemmän energiaa kuin yksi kilogramma muita polttoaineita.<br />
Tavallisen dieselin tiheys on suurempi kuin NExBTL- ja GTL-polttoaineen, joten<br />
tavallisen dieselin volymetrinen energiansisältö on muita suurempi. Kilogramma<br />
FAME-polttoainetta sisältää vähemmän energiaa kuin kilogramma muita<br />
polttoaineita. FAME:n tiheys on suurin, joten sen volymetrinen energiansisältö on<br />
vain kaksi megajoulea tavallisen dieselin volymetristä energiansisältöä pienempi ja<br />
sama kuin NExBTL- ja GTL-polttoaineilla.<br />
36
5.3 Dieselpolttoaine<br />
Dieselin etuja polttoaineena on sen suuri energiatiheys verrattuna vaikkapa<br />
nykyisiin akkuihin. Dieselmoottorin hyötysuhde on myös vastaavan tehoista<br />
bensiinimoottoria parempi. Pitkään käytössä olleiden polttoaineiden jakeluun on<br />
investoitu paljon. Dieseliä on saatavissa huoltoasemilta ja jakeluverkko on jo<br />
olemassa toisin kuin esimerkiksi vedyllä, jonka jakelu ja säilytys vaativat vielä<br />
paljon investointeja. Perinteiseen dieseliin sekoitetaan uusiutuvia<br />
polttoainekomponentteja. EN 590 -dieselin standardi hyväksyy nykyään sisällöstä 7<br />
% olevan biodieseliä ja sitä ollaan nostamassa 10 prosenttiin. Vuonna 2008<br />
bioperäisen osuuden käyttövelvoite oli 2 %, vuonna 2009 4 % ja vuonna 2010 5,75<br />
%. Velvoite määrää kunkin öljy-yhtiön myymään määrätyn osuuden kaikesta<br />
polttoaineesta uusiutuvaa polttoainetta. /29, s. 20/<br />
Dieselin rikkipitoisuus on laskenut kuvan 13 esittämällä tavalla. Katalysaattorit<br />
eivät kestä rikkiä sisältävän polttoaineen käyttöä. Kuvassa 13 on punaisella EUvaatimusten<br />
mukainen raja polttoaineen sisältämän rikin suurimmasta sallitusta<br />
määrästä ja sinisellä Suomessa toteutunut tilanne.<br />
Kuva 13. Dieselpolttoaineen rikkipitoisuuden kehitys Suomessa ja EU:ssa. /2/<br />
37
5.4 Rasvahapon metyyliesteri<br />
Rasvahapon metyyliesteri eli FAME (Fatty Acid Methyl Ester) tehdään kasviöljystä<br />
esteröimällä. Ensimmäisen sukupolven biodieselistä puhuttaessa tarkoitetaan<br />
yleisesti ravinnoksi kelpaavasta raaka-aineesta tuotettua polttoainetta.<br />
FAME:n säilyvyyttä huonontavat sen sisältämät kaksoissidokset, jotka hapettuvat<br />
helposti. Rypsiöljyn metyyliesteri voi sitoa vettä 1 g/kg ja jos metanolia on edes 0,2<br />
%, vettä voi sitoutua jo 1,5 g/kg. Vesipitoisuuden yläraja Euroopan<br />
biodieselstandardissa on 0,5 g/kg. Veden ja polttoaineen muodostama emulsio voi<br />
aiheuttaa tukoksia polttoainesuodattimissa ja se voi aiheuttaa ongelmia myös<br />
polttoainesuuttimissa. FAME on vielä Euroopan tärkein biopolttoaine. Monet<br />
autonvalmistajat kieltävät sen käytön useissa malleissa suurina osuuksina. FAME:a<br />
voidaan muiden uusiutuvien polttoaineiden tavoin käyttää seoksina fossiilisen<br />
dieselin kanssa. /31, s.22/<br />
Rypsiöljyn metyyliesteriä voidaan valmistaa pienessä mittakaavassa ”kotikonstein”.<br />
Lähtöaineiksi kelpaavat rypsiöljyn lisäksi muut kasviöljyt sekä käytetyt<br />
paistinrasvat ja kiinteät bioperäiset rasvat. Tuotannon kannattavuus riippuu<br />
korvattavan polttoaineen hinnasta, rypsiöljyesterin tuotantokustannukset ovat noin<br />
87 snt/litra. Jos kaikilla Suomen kesantopelloilla kasvatettaisiin rypsiä, siitä<br />
valmistettu biodiesel riittäisi korvaamaan 2 % Suomessa kulutetusta dieselistä ja<br />
kevyestä polttoöljystä. Samalla tuotetulla rypsirouheella voitaisiin korvata<br />
ulkomailta tuotu soijarehu. /32/<br />
Biodieselin, kuten kaikkien polttoaineiden, suosioon vaikuttaa paljon sen hinta<br />
suhteessa muihin vaihtoehtoihin. Hintavertailussa pitää huomioida myös veron<br />
osuus polttoaineen hinnassa. Biodieselin mainetta ovat jonkin verran huonontaneet<br />
pientuotannon laadun vaihtelusta aiheutuneet ongelmat.<br />
Esteröimättömän rypsiöljyn käyttöä on tutkittu ja sitä on kokeiltu esimerkiksi<br />
traktoreissa. Ekolaihon mukaan rypsiöljyä voidaan käyttää 42…50 % seoksina<br />
tavallisen dieselin seassa kesällä ilman ongelmia, talvella 10 %. Rypsiöljyä<br />
käytetään siten, että moottori käynnistetään tavallisella dieselillä ja moottorin<br />
lämmettyä käytetään pelkkää rypsiöljyä. Vanhemmat dieselmoottorit, joissa ei ole<br />
38
herkästi tukkeentuvia osia polttoainejärjestelmässä, kuten suuttimet, toimivat<br />
pelkällä rypsiöljyllä. /31/<br />
Hiukkassuodattimen regenerointia ajatellen FAME:n korkea kiehumispiste saattaa<br />
korostaa moottoriöljyn laimenemiseen liittyvää ongelmaa. Mitä enemmän<br />
polttoainetta jää jälkiruiskutuksessa höyrystymättä, sitä enemmän sitä voi liueta<br />
moottoriöljyyn. /27/<br />
5.5 Vetykäsitelty kasviöljy<br />
Vetykäsitelty kasviöljy eli HVO (Hydrotreated Vegetable Oil) on uusiutuvista<br />
lähtöaineista tehty polttoaine. HVO:ta voidaan käyttää dieselautoissa joko<br />
seostamattomana tai sekoitettuna tavalliseen dieseliin.<br />
Nesteen kehittämä NExBTL on vetykäsiteltyä kasviöljyä. NExBTL täyttää kaikki<br />
EN 590 -standardin vaatimukset vielä 30 % HVO:ta ja loput raakaöljyperäistä<br />
dieseliä sisältävänä seoksena. Teknisessä mielessä mikään ei estä korkeampien<br />
seossuhteiden käyttämistä. /27/<br />
Vetykäsitellyt happea sisältämättömät biopolttoaineet ovat laadultaan ylivoimaisia<br />
ensimmäisen sukupolven polttoaineisiin verrattuna. Lisäksi tuotanto on<br />
kehittyneempää ja kokonaishiilidioksidipäästöjen vähentämisestä aiheutuvat<br />
kustannukset ovat pienemmät kuin ensimmäisen sukupolven biodieselillä. Neste Oil<br />
on kehittänyt biodieselprosessin, jossa polttoainetta (NExBTL) valmistetaan<br />
bioöljystä vetykäsittelyllä. Raaka-aineina voidaan käyttää kasvi- ja eläinperäistä<br />
öljyä. Lopputuotteena syntyy parafiinihiilivetyjä. NExBTL-polttoainetta voidaan<br />
käyttää kaikissa dieselautoissa ilman muutoksia. Sitä voidaan myös sekoittaa<br />
tavalliseen dieseliin. NExBTL:n kylmäominaisuudet voidaan säätää tarpeen<br />
mukaan. /33/<br />
Lisää tietoa polttoaineiden ominaisuuksista on kappaleessa 5.2 Polttoaineiden<br />
ominaisuuksia taulukossa 2 ja kokeellisessa osuudessa kappaleessa 7.3<br />
Koepolttoaineet taulukossa 3.<br />
39
Porvoossa on toiminnassa kaksi tuotantolaitosta, joiden kummankin kapasiteetti on<br />
170 000 tonnia vuodessa valmista polttoainetta. 100 % NExBTL-polttoainetta voi<br />
tankata kolmelta huoltoasemalta pääkaupunkiseudulla. /33/<br />
Pääkaupunkiseudulla NExBTL:n toimintaa on tutkittu vuosina 2007 – 2010<br />
laajamittaisessa kokeilussa kaupunkilinja-autoissa. /29, s.142/<br />
5.6 GTL polttoaine<br />
Tulevaisuudessa polttoaineita tehdään kaasutus- ja Fischer-Tropsch (FT) -<br />
menetelmällä. FT-menetelmässä lähtöaineina käytetään biomassaa ja lopputuote on<br />
parafiinihiilivetyjä kuten vetykäsittelyssäkin syntynyt tuote.<br />
Näissä menetelmissä on mielenkiintoista ja hyvää se, että polttoaineita tehdään<br />
erilaisista jätteistä. Lähtöainevalikoima on hyvin laaja. Tuotanto ei kilpaile enää<br />
ruuantuotannon kanssa koska polttoainetta tehdään ravinnoksi kelpaamattomasta<br />
jätteestä, kuten puuhakkeesta sekä mahdollisesti turpeesta, joka ei tosin täytä<br />
uusiutuvan raaka-aineen vaatimuksia.<br />
Kuva 14. Shellin GTL-menetelmä /35/<br />
GTL tulee sanoista Gas to Liquids eli kaasusta nesteeksi. GTL-menetelmällä<br />
valmistetaan kaasumaisista hiilivedyistä nestemäistä polttoainetta. Lähtöaineina voi<br />
olla monia. Menetelmän perusteet on kehitetty jo 1920-luvulla ja se tunnetaan<br />
keksijöiden mukaan nimellä Fischer-Tropsch -prosessi.<br />
Shell käyttää omasta GTL-menetelmästä nimeä Shell Middle Distillate Synthesis<br />
(SMDS) -prosessi. Menetelmä otettiin käyttöön 1973, ja se koostuu kolmesta<br />
40
vaiheesta: Ensimmäisessä vaiheessa tuotetaan synteesikaasua osittaisella<br />
hapetuksella maakaasusta, toinen vaihe muuntaa kaasun nestemäisiksi hiilivedyiksi<br />
ja viimeisessä vaiheessa nämä hiilivedyt viimeistellään ja tislataan valmiiksi<br />
tuotteiksi. Tuotteista saadaan liikennepolttoaineita ja kemianteollisuuden raakaaineita.<br />
Kuva 16 esittele SMDS-menetelmän. /34/<br />
Synteesikaasua, joka sisältää vetyä ja häkää, voidaan tehdä myös biomassasta.<br />
Silloin menetelmää kutsutaan nimellä BTL (Biomass To Liquids). Neste Oil käyttää<br />
tätä menetelmää NExBTL-polttoaineen valmistamiseen.<br />
41
6 Yleistä alustadynamometrikokeista<br />
Alustadynamometrillä tiettyjä ajosyklejä voidaan ajaa toistettavasti samoissa<br />
olosuhteissa. Useimmiten kuljettaja ajaa autoa ruudulla olevaa etenevää<br />
nopeuskäyrää seuraten. Kuljettaja seuraa näytön ohjeita myös käyttäen käskettyä<br />
vaihdetta. Alustadynamometrillä kokeet voidaan suorittaa ilman kuljettajaa sopivia<br />
apulaitteita käyttäen. Kokeiden automatisointiin on olemassa testausrobotteja, joilla<br />
voidaan ajaa kaikenlaisia testejä ilman kuljettajaa. Tällainen robotti on kuvassa 15.<br />
Vakionopeuskokeissa voidaan käyttää yksinkertaisempia apulaitteita kuten asettaa<br />
kaasupoljin tiettyyn asentoon tai käyttää auton vakionopeussäädintä.<br />
Vakionopeussäädin ei kuitenkaan kaikissa autoissa toimi jos toiset renkaat eivät<br />
pyöri. Dynamometrillä voidaan simuloida kaikki autoon vaikuttavat ajovastukset.<br />
Kuva 15. Testirobotti /9, s.32/<br />
Automaattisella kuljettajan korvaavalla testauslaitteella kokeet on mahdollista<br />
suorittaa välttäen kuljettajan aiheuttama vaihtelu. Ajamalla dynamometrillä vakioolosuhteissa<br />
vältetään muun liikenteen sekä olosuhteiden muutosten aiheuttama<br />
vaihtelu.<br />
42
7 Alustadynamometrikokeet<br />
Tutkimuksen kokeellinen osuus toteutettiin VTT:n kevyen kaluston<br />
alustadynamometrillä ajetuilla kokeilla. Testattavana oli neljä eri polttoainelaatua ja<br />
kokeet tehtiin yhdellä autolla. Sama koemenettely toistettiin joka päivä. Koe<br />
aloitettiin tekemällä standardin mukainen NEDC-testi, jossa ajetaan aluksi<br />
kaupunkiajoa kuvaava osa ja sen jälkeen maantieajoa kuvaava osa. NEDC-testin<br />
jälkeen ajettiin vakionopeudella kunnes regenerointi oli loppunut. NEDC-testin<br />
nopeusprofiili on esitetty myöhemmin kappaleen 7.4.1 NEDC-testi kuvassa 19.<br />
7.1 Mittausten valmistelut<br />
Ennen alustadynamometrikokeita autolla ajettiin maantiellä ja kaupungissa muun<br />
liikenteen mukana keräten tietoa muun muassa hiukkassuodattimen aiheuttamasta<br />
vastapaineesta, pakokaasun lämpötiloista ja polttoaineen kulutuksesta suhteessa<br />
moottorin kuormitukseen. Auton tietoja luettiin OBD (On Board Diagnostic) -<br />
pistokkeen kautta. Kokeilimme erilaisia OBD-lukulaitteita ja päädyimme tilaamaan<br />
VAG-COM -diagnostiikkaohjelman. Autossa oli käytetty ainoastaan HVOpolttoainetta,<br />
joka oli Neste Oilin NExBTL-dieseliä. Niinpä kokeiden harjoittelu ja<br />
auton sekä VAG-COM -ohjelman toimintaan tutustuminen aloitettiin ajamalla<br />
käyttäen HVO-polttoainetta.<br />
Kun haettiin sopivaa ajonopeutta ja -vaihdetta vakionopeuskokeessa käytettäväksi,<br />
tarkasteltiin muun muassa moottorin kuormitusta ja pakokaasun lämpötiloja.<br />
Samalla seurattiin myös polttoaineen kulutusta ajotietokoneen mukaan sekä vaa’alla<br />
mitattuna. Vertailimme dynamometrillä saatuja arvoja maantiellä saatuihin arvoihin<br />
ja valitsimme sopivat ajovastukset dynamometrille. Auto kiinnitettiin takarenkaista<br />
sekä etuosan hinaussilmukasta dynamometrihuoneen lattiaan<br />
kuormansidontaliinoilla. Seuraavassa kappaleessa Koeympäristö on esitetty<br />
seuraavassa kappaleessa.<br />
43
7.2 Koeympäristö<br />
Kokeet suoritettiin Espoossa VTT:n kevyen kaluston alustadynamometrillä. Kokeet<br />
suoritettiin 23 °C asteen vakiolämpötilassa ja ajovastuksina käytettiin erään<br />
samanlaisen auton rullaamalla mitattuja ajovastuksia. Näiden todettiin vastaavan<br />
taulukkoarvoja paremmin auton todellisia avovastuksia. Aluksi kokeiltiin<br />
ajovastusten taulukkoarvoja dynamometrillä ja VAG-COM-ohjelmalla luettujen<br />
tietojen perusteella vertailtiin moottorin kuormitusta samassa nopeudessa maantiellä<br />
ja dynamometrillä. Taulukkoarvoissa auton ilmanvastus oli suurempi kuin<br />
mittauksissa käyttämällämme autolla ja vierintävastus pienempi.<br />
Kuvassa 16 on esitetty mittauksissa käytettyjen mittalaitteiden sijoittelu. Kuvassa<br />
auton edessä näkyy ajoviimapuhaltimen suuaukko ja auton takana ELPIhiukkaslaskuri.<br />
Vakionopeuskokeen aikana pakokaasut ohjattiin pakokaasun<br />
laimennustunneliin. Näytteet pakokaasusta otettiin sekä ennen laimennusta että<br />
laimennetusta pakokaasusta. Kolmannella pakokaasuanalysaattorilla mitattiin<br />
taustailmaa. Mittalaitteet on liitetty tiedonkeruujärjestelmään. FTIR-järjestelmää ei<br />
käytetty eikä sääntelemättömiä päästöjä, kuten aldehydejä mitattu.<br />
Kuva 16. Mittalaitteiden sijoittelu ja auto alustadynamometrillä.<br />
44
Alla olevassa valokuvassa (kuvan 17) oikeassa osassa on ajoviimapuhaltimen<br />
suuaukko. Ajoviimapuhallin voidaan asettaa puhaltamaan ilmaa vakionopeudella tai<br />
dynamometrin rullien kehänopeudella. Ilmavirta jäähdyttää auton moottoria ja<br />
pakoputkea. Tunnelin pituutta voidaan säätää siten, että sen pää tulee sopivan<br />
etäisyyden päähän auton keulasta. Tunnelin suulla olevilla levyillä voidaan ohjata<br />
ilmavirtaa sivu- ja korkeussuunnissa. Ajoviiman nopeutena käytettiin nopeutta 40<br />
km/h. Ohjaamalla ilmavirtaa hieman alaspäin saadaan tehostettua ilmanvirtausta<br />
auton alla. Tämän testin kannalta oleellista oli, että moottori ja pakoputki saavat<br />
riittävästi jäähdytystä. Samaa ajoviiman nopeutta käytettiin koko tutkimuksen ajan<br />
kaikissa kokeissa.<br />
Kuva 17. Kokeissa käytetty auto VTT:n alustadynamometrillä.<br />
VAG-COM -nimisellä OBD-diagnostiikkaohjelmalla luettiin auton tietoja OBDpistokkeen<br />
kautta. Tiedot tallennettiin kannettavan tietokoneen kovalevylle.<br />
Kerrallaan sai tallennettua 12 eri suuretta noin yhden hertsin taajuudella.<br />
Ohjelmasta oli suuri apu regeneroinnin toteamisessa. Säästimme paljon aikaa ja<br />
vaivaa kun autoa ei tarvinnut purkaa eikä siihen tarvinnut asentaa lisää antureita.<br />
Tutkimus olisi voitu tehdä ilma VAG-COM -ohjelmaakin, mutta ohjelmalla saatiin<br />
paljon lisätietoa auton toiminnasta.<br />
Kevyen kaluston alustadynamometrillä on karhennetut rullat joiden pyörimistä<br />
säädellään sähkömoottorilla. Dynamometrillä voidaan simuloida todellisia<br />
ajovastuksia ja haluttua inertiaa auton massan mukaan. Kiihdytyksessä ja tasaisella<br />
nopeudella ajettaessa dynamometrin sähkömoottori vastustaa pyörimistä ja<br />
jarrutuksessa pyrkii jatkamaan sitä simuloiden auton massan aiheuttamaa<br />
45
hitausvoimaa, esimerkiksi moottorijarrutuksessa. Dynamometrin akselilla on lisäksi<br />
levyjarru turvalaitteena.<br />
Alustadynamometrillä tallennustaajuutena käytettiin yhden hertsin taajuutta lukuun<br />
ottamatta tehon mittauksen aikana käytettyä viiden hertsin taajuutta.<br />
Alustadynamometrillä mitattiin rullien kehänopeus ja kehävoima. Näin saatiin myös<br />
kuljettu matka ja tehty työ. AMA-pakokaasuanalysaattoreilla mitattiin säännellyt<br />
päästöt, eli häkä (CO), hiilivedyt (HC), typenoksidit (NO x ) ja hiilidioksidi (CO 2 ).<br />
AMA-pakokaasuanalysaattoreita oli käytössä kolme, joista yhdellä mitattiin<br />
taustailmaa ja yhdellä laimentamatonta pakokaasua. Kolmannella analysaattorilla<br />
mitattiin vakiotilavuusnäytteenottomenetelmällä (CVS) pakokaasun<br />
laimennustunnelista ilmaan laimennetun pakokaasun arvot. Sääntelemättömiä<br />
päästöjä, kuten aldehydejä ei mitattu. Polttoaineen kulutus mitattiin gramman<br />
tarkkuudella vaa’alla ja tallennettiin myös yhden hertsin taajuudella samalla<br />
tiedonkeruujärjestelmällä AMA-pakokaasuanalysaattorin kanssa. ELPI -<br />
hiukkaslaskurilla mitattiin hiukkasten lukumäärää.<br />
7.3 Koepolttoaineet<br />
Mittauksia tehtiin neljällä erilaisella dieselpolttoaineella. Vertailupolttoaineena oli<br />
EN 590 normin mukainen tavallinen dieselpolttoaine. Toisena koepolttoaineena oli<br />
30 % NExBTL-polttoainetta sisältävä dieselseos. Tämä polttoaine täyttää kaikki<br />
myytävälle dieselille asetetut vaatimukset. Seuraava polttoaine oli 100 % NExBTL.<br />
Neljäs polttoaine oli 10 % perinteistä biodieseliä ja loput perinteistä dieseliä<br />
sisältävä seos. Taulukossa 3 on testattujen polttoaineiden tärkeimmät ominaisuudet.<br />
46
Taulukko 3. Koepolttoaineiden ominaisuudet.<br />
Polttoaine EN 590<br />
EN 590 + 30 100 % EN 590 + 10<br />
% NExBTL NExBTL % FAME<br />
Tiheys (15 C) 837.3 823.1 779.9 842.3<br />
Setaaniluku 54.5 61 88.2 57.1<br />
Setaani-indeksi >56,5 >56,5 >56,5 >56,5<br />
Lämpöarvo<br />
(MJ/kg) 43.173 43.312 43.991 42.48<br />
Lämpöarvo (MJ/l) 36.149 35.65 34.308 35.781<br />
Hiili % 85.9 85.3 84.7 84.9<br />
Vety % 12.5 13.9 15.2 13.5<br />
C/H - suhde 6.87 6.1 5.61 6.3<br />
Tuhka
ohjelmalla seurattiin polttoaineen kulutusta ja katalysaattorin sekä<br />
hiukkassuodattimen lämpötiloja eri vaihteilla ja eri nopeuksilla. Ajonopeuden<br />
ylärajaksi alkoi hahmottua noin sata kilometriä tunnissa. Tätä suuremmalla<br />
nopeudella ajettaessa, varsinkin kahdella suuremmalla vaihteella, pakokaasun<br />
lämpötilat nousivat lähelle passiivisen regeneroinnin vaatimaa lämpötilaa.<br />
Harjoitteluvaiheessa ajoimme dynamometrillä myös suuremmilla nopeuksilla<br />
dynamometrillä. Esimerkiksi 120 kilometrin tuntinopeutta ajettaessa vaihteilla 5 ja<br />
6 passiivista regenerointia alkoi ilmeisesti tapahtua, koska regenerointiväli oli<br />
huomattavasti pidempi, kun sykli sisälsi ajoa suuremmalla kuormituksella.<br />
Ajettaessa 120 kilometrin tuntivauhtia 6-vaihteella hiukkassuodattimen lämpötila<br />
oli 324 °C. Erilaisia ajosyklejä on esitelty lähteessä /20/. Lisäksi testasimme<br />
hiukkassuodattimen toimintaa erilaisissa lämpötiloissa. Halusimme tarkistaa,<br />
alkaako passiivista regeneraatiota tapahtua tässä autossa. Totesimme, että vielä 350<br />
°C:n lämpötilassa passiivisen regeneroinnin olevan niin hidasta, että noen määrä ei<br />
ainakaan vähene. Nostettaessa hiukkassuodattimen lämpötila yli 420 °C:een<br />
vastapaine alkoi laskea vakiokuormituksella ajettaessa. Toisin sanoen suodattimeen<br />
tuli tällöin vähemmän nokea, kuin siinä hapettui. Aiemmin ajateltu 300 °C:n yläraja<br />
hiukkassuodattimen lämpötilalle vakionopeuskokeen aikana oli siis riittävän matala.<br />
Päivittäiseen koeohjelmaan valittiin NEDC-testi ja vakionopeuskoe nopeudella 100<br />
kilometriä tunnissa auton nopeusmittarin mukaan. Kuvassa 18 on esitetty NEDCtestin<br />
ja vakionopeuskokeen alun nopeuskuvaaja auton moottorinohjausjärjestelmän<br />
tietojen mukaan. Kuvassa 18 näkyvä osa esittää NEDC-testin ja vakionopeuskokeen<br />
alun. Kuvan alussa 18 ja kuvassa 19 esitetty NEDC-testi kesti noin 20 minuuttia.<br />
Noin kymmenen minuutin kuluttua NEDC-testin lopettamisesta siirryttiin<br />
vakionopeuskokeeseen. Auton moottori sammutettiin pakokaasuputken vaihtamisen<br />
ajaksi. NEDC-testin aikana käytettiin pakokaasupäästöjen mittaamisen vuoksi<br />
pakokaasun laimennustunnelia ja vakionopeuskokeen aikana pakokaasut ohjattiin<br />
suoraan ulkoilmaan. Vakionopeuskoe kesti kolmesta ja puolesta tunnista viiteen<br />
tuntiin.<br />
48
Kuva 18. Nopeuskuvaaja NEDC-testin aikana ja vakionopeuskokeen alussa auton tietojen mukaan.<br />
7.4.1 NEDC-testi<br />
Uusi eurooppalainen ajosykli, eli NEDC (New European Driving Cycle), sisältää<br />
sekä kaupunkiajoa että maantieajoa simuloivan osuuden. NEDC on standardin<br />
mukainen testi, jonka mukaan mitataan myös uusien autojen EU-kulutukset<br />
kaupungissa maantiellä, sekä yhdistetty EU-kulutus. /19, hakusana: New European<br />
Driving Cycle/<br />
49
Kuva 19. NEDC-testin nopeuskuvaaja. /19, hakusana: New European Driving Cycle/<br />
NEDC-testi, kuvassa 19, valittiin siksi, että samalla saadaan mitattua standardien<br />
mukaiset päästöt ja polttoaineen kulutus. Lisäksi tällä testillä saatiin tietoa päästö- ja<br />
kulutuslukemista kaupunkiajossa kaikilla eri polttoaineilla. NEDC-testi ajettiin<br />
dynamometrin ajo-opastimen nopeusohjeen mukaan, joten todellinen nopeus on<br />
testin mukainen. Kuvan 18 nopeuskuvaaja on auton tietojen mukainen ja kuvan 19<br />
nopeuskuvaaja kuvaa ohjeellista dynamometrin rullien kehänopeutta.<br />
7.4.2 Vakionopeuskoe<br />
Vakionopeuskoe ajettiin auton mittarin mukaan sadan kilometrin tuntinopeutta<br />
auton vakionopeussäädintä käyttäen. Vakionopeuskokeen aikana dynamometrin<br />
rullien kehänopeus oli 93 kilometriä tunnissa ja auton moottorinohjausyksikön<br />
mukaan 94 kilometriä tunnissa. Kiihdytyksessä käytettiin kaikkia vaihteita siten,<br />
että suuremmalle vaihteelle vaihdettiin juuri ennen, kuin moottorin kierrosnopeus<br />
50
nousi 3000 kierrokseen minuutissa. Kiihdytyksessä käytettiin joka kerralla samaa<br />
kuljettajaa ja kiihdytykseen kului noin 20 sekuntia aikaa.<br />
Vakionopeuskoe valittiin sen helpon ja nopean suorittamisen sekä helpon<br />
toistettavuuden vuoksi. Nokea piti saada tuotettua mahdollisimman nopeasti, mutta<br />
kuitenkin kohtuullisella kuormituksella. Nokea syntyy sitä nopeammin mitä<br />
nopeammin polttoainetta kuluu. Auton moottorin kuormituspiste pyrittiin<br />
valitsemaan sillä periaatteella, että se ei poikkeaisi liikaa normaalista käytöstä.<br />
Käytännössä tällaisella autolla ei kuitenkaan ajeta 100 km/h nelosvaihteella, mutta<br />
esimerkiksi samaa nopeutta käyttäen vaihdetta 3 pidettiin kohtuuttomana. Jos samaa<br />
vauhtia olisi ajettu suuremmalla vaihteella, polttoaineen kulutus olisi ollut pienempi<br />
ja pakokaasun lämmöt olisivat nousseet. Pakokaasun lämmöt olivat testiharjoittelun<br />
perusteella matalammat ajettaessa pienemmällä vaihteella samassa nopeudessa.<br />
Moottorin pyöriessä suuremmalla nopeudella, sen läpi virtaa enemmän ilmaa, joka<br />
jäähdyttää sitä ja hiukkassuodatinta. Polttoainetta ruiskutetaan moottorin<br />
kuormituksen mukaan eikä ainoastaan kierrosnopeuden mukaan. Autossa oli<br />
vakionopeussäädin joten ajajaa voitiin vaihtaa taukojen ajaksi testiä keskeyttämättä.<br />
Turvallisuussyistä autossa oli kuitenkin testaaja aina paikalla. Nopeus pysyi tarkasti<br />
vakiona.<br />
Omien tutkimusten lisäksi arvioimme moottorin kierrosnopeuden ja kuormituksen<br />
<strong>vaikutus</strong>ta pakokaasun lämpötilaan hiukkassuodattimen jälkeen mitattuna kuvan 20<br />
mukaan. Kokeissa käyttämässämme autossa pakokaasun lämpötila oli<br />
hiukkassuodattimen jälkeen olevalla anturilla mitattuna matalampi kuin kuvassa 24,<br />
mutta kuormituksen ja kierrosnopeuden <strong>vaikutus</strong> oli samansuuntainen. Moottorin<br />
tuottaman vääntömomentin ollessa noin 80 Nm pakokaasun lämpötila oli noin 260<br />
°C, kun lämpötila kuvassa 20 on yli 300 °C. Pakokaasun lämpötila oli matalampi<br />
käytettäessä vaihdetta 4 kuin vaihdetta 5 sadan kilometrin tuntinopeudella.<br />
51
Kuva 20 Erään 2,0 TDI-moottorin pakokaasun lämpötila hiukkassuodattimen jälkeen. /21/<br />
Kuva 20 esittää moottorin kuormituksen ja pyörimisnopeuden vaikutuksen<br />
pakokaasun lämpötilan hiukkassuodattimen kohdalla. Tästä kuvasta nähdään,<br />
millaisilla kuormituksilla pakokaasun lämpötila on passiivisen regeneroinnin<br />
vaatiman rajan yläpuolella. Moottoria täytyy kuormittaa vähintään 150 Nm:n<br />
vääntömomentilla pyörimisnopeusvälillä 1000…3500 kierrosta minuutissa.<br />
Vakionopeuskokeessa käytetty kuormituspiste oli noin 2700 kierrosta minuutissa ja<br />
80 Nm.<br />
52
7.5 Polttoaineen syöttö<br />
Liitimme auton ulkoiseen polttoainejärjestelmään, jonka säiliö oli asetettu vaa’alle.<br />
Liitimme vaa’alla olevasta säiliöstä tulevan polttoaineletkun auton<br />
polttoainesuodattimen tuloliitäntään. Auton polttoainesäiliössä olevalta<br />
siirtopumpulta tulevan letkun liitimme polttoainesuodattimen ohittavalla putkella<br />
auton polttoainesäiliöön johtavaan paluulinjaan. Moottorista tulevan polttoaineen<br />
paluulinjan yhdistimme ulkoiseen vaa’alla olevaan polttoainesäiliöön johtavaan<br />
polttoainelinjaan.<br />
Kuvassa 21 on esitetty ulkoisen polttoainejärjestelmän kaavio. Vaa’alla oleva<br />
polttoainesäiliö liitettiin auton polttoainesuodattimen sisältävään yksikköön auton<br />
oman polttoainesäiliön tilalle. Irrotimme auton polttoainesäiliön tulo- ja<br />
paluuliitännän ja liitimme ne putkella yhteen. Kokeissa ei käytetty auton omaa<br />
polttoaineen siirtopumppua lainkaan. Kuvassa 21 kohta 1 osoittaa auton<br />
polttoainesuodatinyksikköön johtavan liitännän ja kohta 2 suodatinyksiköstä<br />
polttoainesäiliöön palaavan polttoainelinjan liitännän.<br />
Polttoaineen siirtopumpulla pumpattiin polttoainetta vakioteholla auton<br />
polttoainesuodattimelle, josta ylimääräinen polttoaine johdettiin takaisin vaa’alla<br />
olevaan polttoainesäiliöön.<br />
Kuva 21. Ulkoinen polttoainejärjestelmä.<br />
53
Vaa’alla oleva polttoainesäiliö täytettiin jokaisen testin jälkeen ja vaa’an lukemat<br />
kirjattiin muistiin jokaisen kokeen alussa ja lopussa. Säiliössä olevan polttoaineen<br />
massa punnittiin vaa’alla yhden gramman tarkkuudella. Vaa’an tiedot tallennettiin<br />
myös tiedonkeruujärjestelmään yhden hertsin taajuudella. Vaa’an suurin sallittu<br />
punnittava massa oli 30 kg, joten se riitti yhden päivän aikana tehtyjen mittausten<br />
eli NEDC-testin ja vakionopeuskokeen suorittamiseen.<br />
7.6 Tutkimuksessa käytetty auto<br />
Auton valinnan vaatimuksena oli saada käyttöömme uutta tekniikkaa edustava<br />
dieselkäyttöinen henkilöauto noin kahdeksi kuukaudeksi. Kokeet tehtiin Neste Oilin<br />
omistamalla VW Passat -henkilöautolla vuosimallia 2009. Autossa on 2,0 litran<br />
TDI-moottori 103 kW:n tehoversiona. Kokeiden alussa autolla oli ajettu noin 15<br />
000 kilometriä ja kokeiden lopussa noin 25 000. Autolla ajettiin tutkimuksen vuoksi<br />
siis lähes kymmenentuhatta kilometriä.<br />
7.6.1 Perustiedot<br />
Auto<br />
VW Passat<br />
Vuosimalli 2009<br />
Rekisterinumero ASY-355<br />
Moottori<br />
2.0 TDI<br />
Moottorin tehoversio 103 kW<br />
Pakokaasupäästöluokka Euro 4<br />
Mittarilukema alussa 15 000<br />
Mittarilukema lopussa 25 000<br />
54
7.6.2 Hiukkassuodattimeen liittyvät anturit<br />
Kokeissa käytetyn auton hiukkassuodattimeen liittyvät anturit ja ohjainlaitteet on<br />
esitetty kuvassa 22. Antureiden tiedot luettiin moottorinohjausyksiköstä VAG-COM<br />
OBD-diagnostiikka-adapterilla.<br />
Kuva 22. Hiukkassuodattimeen liittyvät anturit ja laitteet. /35/<br />
1. Ohjausyksikkö kojetaulussa 7. Lambda-anturi<br />
2. Moottorinohjausyksikkö 8. Hapetuskatalysaattori<br />
3. Ilmamassamittari 9. Hiukkassuodatin<br />
4. Moottori 10. Pakokaasun lämpötila-anturi<br />
5. Pakokaasun lämpötila-anturi 11. Pakokaasun paineanturi<br />
6. Turboahdin 12. Pakokaasun lämpötila-anturi<br />
7.6.3 Kokeissa käytetyn auton hiukkassuodattimen toiminta<br />
Tasaisella kuormituksella hapetuskatalysaattori on aina hieman hiukkassuodatinta<br />
lämpimämpi. Vakionopeudella tehdyissä mittauksissa hieman alle sadan kilometrin<br />
tuntinopeudessa pakokaasun lämpötilat olivat noin 330 °C turbon kohdalla, 270 °C<br />
hapetuskatalysaattorin kohdalla ja 260 °C hiukkassuodattimen lämpöanturilla<br />
mitattuna. Sopivaa testisykliä haettaessa huomattiin, että passiivista regeneraatiota<br />
pääsee tapahtumaan ainoastaan moottoritiellä ajettaessa. Raja lähestyy kun ajetaan<br />
yli 100 kilometriä tunnissa kuudennella vaihteella. Eri kuormituspisteitä kokeiltiin<br />
dynamometrillä ja kun koe sisälsi myös ajoa 120 kilometriä tunnissa ja kiihdytyksiä<br />
55
siten, että hiukkassuodatinkin lämpeni 324 °C lämpötilaan, regenerointiväli kasvoi.<br />
Moottorin kierrosnopeus oli tuolloin noin 2600 kierrosta minuutissa. Tästä voidaan<br />
päätellä, että passiivista regeneraatiota tällä autolla alkaa tapahtua jo kun<br />
hiukkassuodattimen lämpötila on noin 320 °C. Hiukkassuodatin ei kuitenkaan<br />
puhdistu 320 °C lämpötilassa, vaikka siinä oleva noki hapettuukin, koska noen<br />
hapettumien tässä lämpötilassa on vielä hidasta suhteessa nopeuteen, jolla<br />
suodattimeen kerääntyy nokea. Seuraava regenerointi alkoi, kun edellisestä oli<br />
ajettu 435 kilometriä ja edellinen regenerointiväli samalla polttoaineella, EN 590<br />
dieselillä, oli 355 kilometriä. Passiivisen regeneroinnin alkamisen alimpana<br />
lämpötilana pidettiin lämpötilaa 350 °C. Raja ei ole kuitenkaan jyrkkä, vaan noki<br />
alkaa palaa sitä nopeammin, mitä korkeampi suodatinkennon lämpötila on.<br />
Hiukkassuodattimessa olevan noen määrä seuraa tasapainoreaktiota.<br />
Hiukkassuodattimeen tulee nokea jatkuvasti ja mitä lämpimämpi hiukkassuodatin<br />
on, sitä nopeammin nokea hapettuu suodattimesta.<br />
Toiminta voidaan jakaa kolmeen osaan. Ensimmäisessä pisteessä lämpötila on niin<br />
matala, että noen määrä kasvaa, koska suodattimeen tulee enemmän nokea kuin sitä<br />
hapettuu kennolla. Toisessa pisteessä olosuhteet ovat sellaiset, että pakokaasun<br />
mukana tulee nokea yhtä nopeasti kuin sitä hapettuu. Kolmannessa pisteessä<br />
lämpötila on niin korkea, että noen määrä suodattimessa vähenee hapettumisen<br />
ollessa noen kertymistä nopeampaa. Suodatin puhdistuu eli regeneroituu kun<br />
suodattimessa oleva noen määrä vähenee.<br />
Ennen varsinaisia testejä teimme autolla kokeen, jossa ajoimme eri kuormituksilla<br />
siten, että nostimme kuormitusta portaittain. Mittasimme hiukkassuodattimen<br />
lämpötilaa ja paine-eroa suodattimen yli. Havaitsimme, että hiukkassuodattimen<br />
lämpötilan noustessa 450 asteeseen paine-ero alkoi hieman laskea.<br />
56
7.6.4 Hapetuskatalysaattori ja hiukkassuodatin<br />
Kuva 23. Hiukkassuodatin ja hapetuskatalysaattori /35/<br />
Hapetuskatalysaattori ja hiukkassuodatin muodostavat yhden kokonaisuuden, joka<br />
on asennettu moottoritilaan mahdollisimman lähelle turboahdinta. Ennen<br />
hapetuskatalysaattoria ovat happianturi ja lämpötila-anturi. Hiukkassuodattimen ja<br />
katalysaattorin välissä on myös lämpötila-anturi. Hapetuskatalysaattorissa on<br />
keraaminen kenno, johon on lisätty platinaa katalysoimaan hiilivetyjen ja<br />
hiilimonoksidin hapettumista. Hiukkassuodattimen kennon yli mitataan paine-eroa<br />
ja hiukkassuodattimen jälkeen on vielä yksi lämpöanturi. /35/<br />
7.6.5 Moottorinohjauksen toiminta regeneroinnin aikana<br />
Kun moottorinohjausyksikön laskemien arvojen mukaan hiukkassuodattimeen on<br />
kertynyt tietyn rajan ylittävä määrä nokea, moottorinohjaus aloittaa aktiivisen<br />
regeneroinnin. Regeneroinnin aikana moottorin saamaa ilmamäärää rajoitetaan<br />
57
imukanavassa olevalla läpällä. Pakokaasun takaisinkierrätysventtiili suljetaan<br />
pakokaasun lämpötilan ja hapen määrän kohottamiseksi. Kolmen ruiskutusannoksen<br />
lisäksi polttoainetta ruiskutetaan regeneroinnin aikana kaksi jälkiruiskutusannosta,<br />
joista toinen heti pääruiskutuksen jälkeen ja toinen pakoventtiilin ollessa auki.<br />
Normaalissa tilanteessa ruiskutusannoksia käytettiin kolme ja regeneroinnin aikana<br />
viisi. Pakotahdin aikana ruiskutettu polttoaine ei pala moottorissa mutta höyrystyy<br />
palotilassa. Palamattomia hiilivetyjä sisältävä polttoainehöyry palaa<br />
hapetuskatalysaattorissa. Lämpö, joka vapautuu tässä prosessissa, siirtyy<br />
pakokaasuvirran mukana ja kohottaa hiukkassuodattimen 620 °C lämpötilaan.<br />
Moottorinohjausyksikkö mittaa pakokaasun lämpötilaa hiukkassuodattimen<br />
kohdalla ja laskee sopivan jälkiruiskutusannoksen. Ahtopainetta säädellään siten,<br />
että kuljettaja ei huomaa muutosta auton suorituskyvyssä regeneroinnin alkaessa.<br />
/35/<br />
7.6.6 Regeneroinnin ehdot<br />
Ajettaessa vain kevyellä kuormituksella, kuten hidasta kaupunkiajoa, pakokaasun<br />
lämpötilat eivät ole riittävän korkeita suodattimen regenerointiin.<br />
Moottorinohjauksen laskeman hiukkassuodattimeen kertyneen noen määrän<br />
ylittäessä 20 gramman raja-arvon mittaristossa syttyy hiukkassuodattimen<br />
merkkivalo. Tällöin kuljettajaa kehotetaan ajamaan suurella nopeudella, jotta<br />
pakokaasun lämpötila nousisi. Jatkettaessa ajamista kevyellä kuormituksella<br />
välittämättä mittaristossa palavasta hiukkassuodattimen merkkivalosta noen määrä<br />
hiukkassuodattimessa kasvaa edelleen. Kun laskennallinen noen määrä ylittää 40<br />
gramman rajan, hiukkassuodattimen merkkivalon lisäksi mittaristoon syttyy<br />
hehkutuksen merkkivalo. Lisäksi ajotietokoneen näyttöön tulee moottoriviasta<br />
kertova teksti. Kuljettajaa kehotetaan tällöin ajamaan lähimmälle korjaamolle.<br />
Laskennallisen noen määrän ylittäessä arvon 40 gramman arvoa, regenerointi on<br />
sallittu ainoastaan huollossa. Moottorinohjauksen laskiessa suodattimessa olevan<br />
noen määrän olevan yli 45 grammaa moottori ei enää käynnisty ja hiukkassuodatin<br />
pitää vaihtaa. /35/<br />
58
Kuva 24. Hiukkassuodattimeen kerääntyneen laskennallisen noen määrän raja-arvot. /35/<br />
Hiilen määrä suodattimessa on kuitenkin täysin laskennallinen arvo. Auton<br />
moottorinohjaus laskee tämän arvon polttoaineen kulutuksen ja muiden arvojen<br />
perusteella. Seurattaessa auton antamaa tietoa käytetystä polttoaineesta edellisen<br />
regeneroinnin jälkeen havaittiin, että laskennallinen noen määrä nousee samassa<br />
vaiheessa. Tämä on se rajoittava tekijä, jonka vuoksi 100 % HVO-polttoaineella ei<br />
päästä muita polttoaineita pidemmälle vaikka hiukkaspäästöjä syntyisikin<br />
vähemmän. Kokeiden aikana havaittiin, että laskennallinen hiilen määrä saavutti<br />
juuri arvon 15 grammaa, kun regenerointi alkoi. Kokeiden harjoittelujakson aikana<br />
laskennallinen noen määrä saatiin enimmillään nousemaan arvoon 19,8 grammaa.<br />
Regeneroinnin aloittaminen aktiivisilla toimenpiteillä riippuu myös ajetusta<br />
matkasta. Riippumatta laskennallisesta noen määrästä hiukkassuodattimessa auto<br />
aloittaa regeneroinnin kun edellisen regeneroinnin jälkeen on ajettu 750…1000<br />
kilometriä. Ajomatkan mukaan aloitettu regenerointi on ylimääräinen<br />
suojatoimenpide, jotta hiukkassuodattimeen ei kertyisi missään tilanteessa liikaa<br />
nokea. /35/<br />
59
8 Tulokset<br />
8.1 Regenerointivälit<br />
Hiukkassuodattimen tukkeutumista seurataan lukemalla auton<br />
moottorinohjausyksikön kautta auton käyttämää anturitietoa paine-erosta<br />
hiukkassuodattimen yli. Tässä tutkimuksessa käytetty auto laskee myös muita<br />
asioita, joiden perusteella se arvioi regenerointitarpeen. Tällaisia asioita ovat muun<br />
muassa kulunut polttoainemäärä, ajettu matka sekä aika edellisestä regeneroinnista.<br />
Tavallisella dieselillä auto aloitti regeneroinnin noin 330 kilometrin kuluttua<br />
edellisestä regeneroinnista. 30 % HVO-seoksella regenerointi alkoi keskimäärin<br />
325 kilometrin jälkeen. 100 % HVO-seoksella regenerointi alkoi huomattavasti<br />
myöhemmin. Hiukkassuodattimen aiheuttama vastapaine kasvoi huomattavasti<br />
hitaammin 100 % HVO-polttoaineella kuin edellisillä polttoaineilla. Suurimmat<br />
tulokset saatiin 10 % FAME:a sisältävällä polttoaineella.<br />
Kuvaaja 1. Regenerointivälien keskiarvot ja vaihteluvälit eri polttoaineilla.<br />
60
Kuvaaja 1 esittää ajetun matkan edellisen regeneroinnin lopusta seuraavan alkuun.<br />
Sininen pylväs osoittaa matkojen keskiarvoa ja musta viiva kuvaa vaihteluväliä.<br />
8.1.1 EN 590<br />
Ensimmäisenä testattiin EN 590 -polttoaine (335;330;330km). Keskiarvo oli 331,5<br />
km. Samalla polttoaineella ajettiin neljä toistoa myös koesarjan lopuksi. Tulosten<br />
keskiarvo oli 327,8 kilometriä eli 3,7 km ja 0,9 % ensimmäisen koesarjan vastaavia<br />
vähemmän.<br />
8.1.2 30 % HVO / 70 % EN 590<br />
Seuraavaksi ajettiin käyttäen 30 % HVO:ta ja 70 % EN 590 -polttoainetta sisältävää<br />
seosta (325,5;330,8;325,7;326,5;325,1km) Regenerointiväli oli hieman lyhyempi<br />
kuin tavallisella dieselillä. Pisimmälle yltänyt tulos oli 330,8 km, mikä on juuri ja<br />
juuri tavallisella dieselillä saatua arvoa lyhyempi. Keskiarvo tällä polttoaineella oli<br />
326,9 km eli 4,6 kilometriä tavallisen dieselin tulosten keskiarvoa lyhempi.<br />
Suhteellinen erokin on vain 1,4 %. Referenssimittauksiin verrattuna ero on vain 0,9<br />
km, joten 30 % HVO-polttoaineella saatu tulos on hyvin lähellä tavallisella EN 590<br />
-dieselillä saatuja tuloksia.<br />
8.1.3 100 % HVO<br />
100 % HVO-polttoaineella päästiin paljon pidemmälle kuin kahdella edellisellä<br />
polttoaineella. Mittaustulosten keskiarvo oli 403,6 kilometriä. Tämä on 72,1 km<br />
pidempi kuin alussa ajettujen EN 590 -kokeiden keskiarvo. Suhteellinen ero on<br />
merkittävä.<br />
61
8.1.4 10 % FAME / 90 % EN 590<br />
10 % FAME:lla tehtyjen kokeiden keskiarvo oli 404,3 kilometriä eli 0,7 km<br />
edellistä pidempi matka. 10 % FAME:a ja 90 % EN 590 -dieseliä sisältävällä<br />
seoksella saatiin kuitenkin kolme tulosta, jotka olivat HVO:n suurinta tulosta<br />
suurempia. Keskiarvo oli kuitenkin vain 0,6 km suurempi kuin edellisellä<br />
polttoaineella johtuen kahdesta muita huomattavasti pienemmästä tuloksesta.<br />
8.1.5 Regenerointivälit kokeittain<br />
Yksi 100 % HVO:lla ajettu testi epäonnistui koska ajoviimapuhallin ei ollut alusta<br />
asti päällä. Auton moottorin lämpötila oli sadan asteen tuntumassa, ja jäähdyttäjän<br />
tuuletin pyöri koko ajan. Polttoaineen kulutus oli suurempi. Myös katalysaattorin ja<br />
hiukkassuodattimen lämpötila sekä hiukkassuodattimen aiheuttama vastapaine<br />
olivat suurempia kunnes ajoviima alkoi vaikuttaa. Ajoviiman puuttuminen lyhensi<br />
regenerointivälin 352,5 kilometriin, joka on yli viisikymmentä kilometriä<br />
keskiarvoa lyhyempi. Paine-ero hiukkassuodattimen yli ei kuitenkaan juuri ennen<br />
regenerointia ollut muita mittauksia korkeampi. Epäonnistuneen kokeen tulokset<br />
jätettiin pois esitetyistä tuloksista.<br />
62
Kuvaaja 2. Regenerointivälit eriteltynä kokeittain.<br />
Kuvaaja 2 esittää jokaisen testituloksen erikseen. 10 % FAME:lla ajetuista kokeista<br />
kaksi jäi muita lyhyemmiksi.<br />
Ratkaisevaksi tekijäksi regenerointivälin kannalta osoittautui moottorinohjauksen<br />
laskema noen määrä hiukkassuodattimessa. Tähän arvoon vaikuttaa ratkaisevasti<br />
kuluneen polttoaineen määrä, mutta se ei ole ainoa tekijä. Kappaleen 7.6.6<br />
Regeneroinnin ehdot kuvassa 24 on esitetty rajat noen määrälle<br />
hiukkassuodattimessa. Hitaassa kaupunkiajossa, jossa hiukkassuodattimen<br />
lämpötila on enintään 200 °C, regenerointi ei ala vaikka 18 gramman raja noen<br />
määrässä ylittyisikin. Regenerointi alkaa heti, kun moottorin kuormitus on<br />
sellainen, että hiukkassuodattimen lämpötila voidaan nostaa jälkiruiskutuksen<br />
avulla yli kuuteensataan asteeseen. Regenerointi ei ala joutokäynnillä.<br />
63
8.2 Paine-ero hiukkassuodattimen yli<br />
Kuvaaja 3. Paine-ero hiukkassuodattimen yli NEDC-testin ja vakionopeuskokeen aikana.<br />
Kuvaaja 3 esittää hiukkassuodattimen aiheuttaman vasapaineen NEDC-testin sekä<br />
vakionopeuskokeen aikana. Hitaassa kaupunkiajossa moottorin kuormitus ja<br />
hiukkassuodattimen aiheuttama vastapaine pysyvät matalana. NEDC-testin lopussa<br />
ajetaan maantieajoa kuvaaja osa, jonka aikana ajetaan enimmillään 120 km/h.<br />
Ajettaessa NEDC-testissä 120 km/h käytetään suurinta vaihdetta ja sen vuoksi<br />
pakokaasun virtaus hiukkassuodattimen läpi on nopeuden suhteen käyttämäämme<br />
vakionopeuskoetta pienempi. Hiukkassuodattimen aiheuttama paine-ero on samaa<br />
luokkaa ajettaessa 120 km/h kuudennella vaihteella ja ajettaessa 100 km/h<br />
neljännellä vaihteella.<br />
Regeneroinnin alkaessa paine-ero hiukkassuodattimen yli nousi käytetystä<br />
polttoaineesta riippuen 60…90 mbar:ista 100…150 mbar:iin. Regeneroinnin aikana<br />
paine laskee ja tasoittuu noin arvoon 65 mbar (kuvassa 240 minuutin kohdalla).<br />
Tämän jälkeen regenerointi loppuu ja paine laskee alle 40 mbar:iin, josta se lähtee<br />
nousemaan jatkettaessa ajamista vakionopeudella. Regenerointi kestää noin 10<br />
minuuttia ja testissä tuona aikana ajettiin noin 15 kilometriä.<br />
Hiukkassuodattimen tukkeutuessa sen aiheuttama painehäviö pakokaasuvirtauksen<br />
suhteen kasvaa. Pakokaasun virtauksesta ei kuitenkaan saatu suoraan tietoa, joten<br />
64
mittauksissa vertailtiin paine-eroa hiukkassuodattimen yli eri suureiden suhteen.<br />
Vastapaineen havaittiin seuraavan moottorin kierrosnopeutta selvimmin. Tässä<br />
tutkimuksessa ei kuitenkaan tarvinnut seurata hiukkassuodattimen tukkeutumista<br />
muuttuvassa kuormituksessa. Vakionopeuskokeella paine-eron kasvu on paljon<br />
helpompi todeta.<br />
8.2.1 Paine-ero regeneroinnin aikana<br />
Regeneroinnin alkaessa moottorinohjaus nostaa ahtopainetta sekä ruiskutuspainetta<br />
ja lyhentää pääruiskutuksen aikaa. Samalla ruiskutusannos kasvatetaan korotetun<br />
ruiskutuspaineen avulla. Vakionopeudella ajettaessa moottori käytti kolmea<br />
ruiskutusannosta ja regeneroinnin aikana yhteensä viittä. Jälkiruiskutus syötettiin<br />
siis kahtena annoksena pääruiskutuksen jälkeen. Lämpötila hiukkassuodattimessa<br />
pysyi kuudensadan asteen yläpuolella koko regeneroinnin ajan. Kuvaajassa 4<br />
olevassa esimerkissä regenerointi kesti noin 12 minuuttia.<br />
Kuvaaja 4. Paine-ero hiukkassuodattimen yli regeneroinnin aikana.<br />
Kuvaajan 4 X-akselilla on aika minuutteina ja Y-akselilla paine-ero millibaareina.<br />
Regenerointi alkoi kohdassa, jossa paine nousee jyrkästi 11 minuutin kohdalla ja<br />
loppuu kohdassa, jossa paine alkaa tasaisen vaiheen jälkeen laskea taas jyrkästi,<br />
noin 23 minuutin kohdalla. Autolla jatkettiin ajamista vakionopeudella 44 minuutin<br />
65
kohdalle asti, jolloin painettiin kytkin pohjaan ja päästettiin moottori joutokäynnille.<br />
Moottorin annettiin käydä noin kymmenen minuuttia ennen sammutusta.<br />
Joutokäynnillä vastapaine oli juuri regeneroinnin jälkeen 3…5 mbar ja muulloin<br />
5…8 mbar. Joutokäynnillä hiukkassuodattimen vastapaine oli enimmillään 10 mbar.<br />
8.2.2 Hiukkassuodattimen aiheuttama vastapaine eri<br />
polttoaineilla<br />
Hiukkassuodatin tukkeutuu nokihiukkasten kerääntyessä suodattimeen ja paine-ero<br />
hiukkassuodattimen yli kasvaa. Hiukkassuodattimen aiheuttama painehäviö juuri<br />
ennen regenerointia oli tyypillisesti välillä 80…90 mbar kaikissa muissa kokeissa<br />
paitsi 100 % HVO:lla ajettaessa. Kun regenerointi alkoi, vastapaine nousi 130<br />
mbarin tasolle ja laski siitä regeneroinnin kestäessä noin 60 mbariin. Kun<br />
moottorinohjaus palasi normaaliin tilaan, vastapaine laski alle 40 mbarin tason,<br />
josta se lähti nousemaan. Nousunopeus oli alussa nopeampi ja hidastui kunnes<br />
hiukkassuodattimen ja katalysaattorin lämpötilat tasoittuivat. Kuvaajassa 5 on<br />
esitetty yksi kuvaaja hiukkassuodattimen aiheuttamasta vastapaineesta jokaista<br />
polttoainetta kohti. Edellisessä kappaleessa oleva kuvaaja 4 Paine-ero<br />
hiukkassuodattimen yli regeneroinnin aikana esittää paine-eron tarkemmin<br />
regeneroinnin aikana.<br />
Kuvaaja 5. Tyypilliset paine-erot hiukkassuodattimen yli eri polttoaineilla vakionopeuskokeen<br />
aikana.<br />
66
Seuraavassa kuvaajassa (kuvaaja 6) on esitetty hiukkassuodattimen vastapaine<br />
kuvaaja jokaisesta kokeesta. 10 % FAME:a sisältävällä polttoaineella kaksi tulosta<br />
poikkesi muista toistoista selkeästi. Kahdella mittauskerralla, toisella ja viimeisellä<br />
kerralla, regenerointi alkoi muita samalla polttoaineella tehtyjä kokeita<br />
aikaisemmin.<br />
Kuvaaja 6. Paine-erot hiukkassuodattimen yli vakionopeuskokeen aikana.<br />
Paine-ero hiukkassuodattimen yli vakionopeuskokeen alussa oli noin 50 mbar<br />
kaikilla polttoaineilla. Vakionopeuskokeen alussa autolla oli ajettu edellisen<br />
regeneroinnin päättymisestä noin 40 kilometriä, josta 30 heti regeneroinnin jälkeen<br />
ja noin kymmenen kilometriä NEDC-testissä. Regeneroinnin jälkeen jatkettiin<br />
vakionopeudella kunnes katalysaattorin ja hiukkassuodattimen lämpötilat olivat<br />
tasaantuneet normaaleihin lukemiin. Tämä näkyy kuvaajan lopussa, kun vastapaine<br />
alkaa jälleen nousta. Ajaminen lopetettiin painamalla kytkin pohjaan kun<br />
regeneroinnin loppumisesta oli ajettu 30 kilometriä. Auton moottori sammutettiin<br />
tästä kymmenen minuutin kuluttua.<br />
Hiukkassuodattimen aiheuttama vastapaine nousi heti regeneroinnin jälkeen<br />
nopeammin kuin viidestäkymmenestä kilometristä eteenpäin. Tämän voi huomata<br />
myös kuvaajista, kun vertaa paineennousunopeutta heti regeneroinnin jälkeen ja<br />
ennen regenerointia. Paineen nousu oli lineaarista viidenkymmenen kilometrin<br />
kohdalta eteenpäin.<br />
67
8.3 Regeneroinnin <strong>vaikutus</strong> polttoaineen kulutukseen<br />
Kuvaaja 7 esittää polttoaineen kulutuksen vakionopeustestin aikana. Normaali<br />
kulutus ilmoittaa polttoaineen kulutuksen keskiarvon aikaväliltä, joka alkaa<br />
vakionopeuden saavuttamisesta ja loppuun regeneroinnin alkamiseen. Polttoaineen<br />
kulutus regeneroinnin aikana on keskiarvo regeneroinnin aikana. Polttoaineen<br />
kulutus on laskettu vaa’alla mitatusta kuluneen polttoaineen määrästä.<br />
Kuvaaja 7. Polttoaineen kulutus vakionopeudella ennen regenerointia ja regeneroinnin aikana.<br />
Kaikilla polttoaineilla regeneroinnin aiheuttama lisäkulutus oli välillä 4…5 l/100<br />
km. Tämä vastaa 0.8…1.08 g/s eli noin 40 kW:n lisääntynyttä tehon tarvetta<br />
käytetyn polttoaineen energiansisällöstä laskettuna. Polttoaineen kulutus oli siis<br />
kaksinkertainen regeneroinnin aikana. Ajotietokoneen mukaan polttoaineen kulutus<br />
ei kuitenkaan noussut. Auton moottorinohjaus laskee polttoaineenkulutuksen vain<br />
pääruiskutuksen keston ja ruiskutuspaineen mukaan. Ajovastusteho oli<br />
vakionopeuskokeessa 9 kW. Hiukkassuodattimen regenerointi nosti keskimääräistä<br />
polttoaineen kulutusta 0,2…0,4 l/100 km, riippuen regenerointivälistä.<br />
68
8.4 Regeneroinnin kestoaika<br />
Regenerointiin kulunut aika laskettiin AMA-pakokaasuanalysaattorin CO 2 -<br />
päästöjen muutoksen perusteella. Regeneroinnin alkaessa CO 2 -päästöt kasvoivat<br />
lähes kaksinkertaisiksi normaaliin verrattuna, kuten havaitaan myös kappaleen 8.7<br />
Regeneroinnin <strong>vaikutus</strong> hiilidioksidipäästöihin kuvaajasta 11. CO 2 -päästöt<br />
kasvoivat samassa suhteessa polttoaineen kulutuksen kanssa. Polttoaineen<br />
kulutuksen suhteellisia muutoksia on helppo vertailla päästöjen perusteella, koska<br />
mittalaitteet reagoivat nopeasti. Polttoaineen kulutus mitattiin myös vaa’alla.<br />
Kuvaaja 8. Regenerointivaiheen kestoajat sekunteina.<br />
Käytettäessä tavallista dieselpolttoainetta hiukkassuodattimen<br />
regenerointivaiheeseen kului aikaa alle kymmenen minuuttia. 100 % HVOpolttoaineella<br />
regenerointivaihe kesti 780…750 sekuntia. 10 % FAME:a sisältävällä<br />
polttoaineella regenerointiin kului kolmessa kokeessa kauemmin aikaa kuin<br />
tavallisella dieselillä ja 30 % HVO-polttoaineella. Mitä pidempään regenerointi<br />
kestää, sitä enemmän siihen kuluu polttoainetta. Tavallisella dieselillä regenerointi<br />
tapahtui aina alle kymmenessä minuutissa. Regenerointi kesti muita kauemmin 100<br />
% HVO-polttoaineella, mutta 10 % FAME:a sisältävällä polttoaineella<br />
regenerointiväli oli pidempi kuin 100 % HVO-polttoaineella. 10 % FAMEbiodieseliä<br />
sisältävällä polttoaineella toinen ja viimeinen regenerointiväli oli<br />
huomattavasti lyhyempi kuin testien keskiarvo. 10 % FAME-polttoaineella siis<br />
69
egenerointiin kulunut aika kasvoi regenerointivälin kasvaessa. Verrattaessa<br />
kappaleessa 8.1.5 Regenerointivälit kokeittain olevaa kuvaajaa 2 ja edellistä<br />
kuvaajaa 8 vertaamalla voidaan huomata yhteys regenerointivälin ja regeneroinnin<br />
keston kanssa käytettäessä 10 % FAME:a sisältävää polttoainetta. Vastaavia<br />
tuloksia verratessa 100 % HVO-polttoaineella tehdyissä kokeissa samanlaista<br />
yhteyttä ei ole. Regenerointiväli ei juuri vaihdellut 100 % HVO-polttoaineella,<br />
mutta regenerointiin kulunut aika vaihteli, kuten kuvaajasta 8 havaitaan.<br />
8.5 Regeneroinnin <strong>vaikutus</strong> hiukkaspäästöihin<br />
Tutkimme pakokaasua myös ELPI-mittalaitteella ja havaitsimme, että pakoputkesta<br />
tulevassa pakokaasussa on lukumääräisesti samaa luokkaa tai jopa vähemmän<br />
hiukkasia kuin taustailmassa. Hiukkasmassa oli kummassakin tapauksessa niin<br />
pieni, että sitä ei voida tällä menetelmällä luotettavasti mitata. Regeneroinnin aikana<br />
tilanne on kuitenkin aivan toinen: Hiukkasten lukumäärä oli yli tuhatkertainen<br />
normaaliin tilanteeseen verrattuna kaikilla polttoaineilla. Kuvaajassa 10<br />
regeneraation alkaminen näkyy kun aikaa on kulunut kolme tuntia ja viisi minuuttia.<br />
Tällä kohdalla hiukkasten lukumäärä pakokaasussa nousee yli tuhatkertaiseksi.<br />
Regeneroinnin loppuminen näkyy toisena piikkinä, jonka jälkeen taso laskee lähelle<br />
tasoa, jollainen se oli kokeen alussa. Taustailmassa hiukkasten lukumäärä oli<br />
muutamia tuhansia kappaleita kuutiosenttimetrissä eli samaa luokkaa kuin<br />
hiukkasten lukumäärä vakionopeuskokeen keskivaiheilla.<br />
70
Kuvaaja 9. Hiukkasten lukumäärä vakionopeuskokeen aikana.<br />
Haluttaessa tutkia hiukkasmassaa otetaan pakokaasusta näyte paperisuodattimelle ja<br />
suodatin punnitaan. Tässä esitetyt tulokset on saatu mittaamalla hiukkasten<br />
lukumäärää ELPI-hiukkaslaskurilla.<br />
8.6 Regeneroinnin <strong>vaikutus</strong> hiilivetypäästöihin<br />
Hiilivetypäästöt eivät ole ongelma dieselautoissa. Mittasimme kuitenkin HC-päästöt<br />
myös vakionopeuskokeessa. Jatkuvan seurannan tuloksista nähdään<br />
hiukkassuodattimen puhdistukseen käytetyn jälkiruiskutuksen ja lämpötilojen<br />
muutosten aiheuttama <strong>vaikutus</strong>.<br />
Kiihdytyksen aikana HC-päästöt olivat kaksin- tai kolminkertaiset kunnes<br />
tasoittuivat 5 ppm:n tasoon. Tämä johtui myös siitä, että vakionopeuskokeen alussa<br />
auto lämpeni vielä hieman. Regeneroinnin alkaessa HC-päästöjen taso nousi<br />
polttoaineesta riippuen 35…45 ppm:ään. Regeneroinnin ajan HC-päästöjen osuus<br />
pieneni ja kun regenerointi loppui, taso laski noin puoleen siitä, mitä se oli ennen<br />
regenerointia. Palamattomien hiilivetypäästöjen osuus alkoi, ilmeisesti sen vuoksi,<br />
että katalysaattori jäähtyi 260 °C lämpötilaan, nousta takaisin kohti 5 ppm:n tasoa.<br />
71
Kuvaaja 10. Hiilivetypäästöt vakionopeuskokeen aikana.<br />
HC-päästöissä eroja eri polttoaineilla oli piikkien korkeudessa regeneroinnin alussa.<br />
100 % HVO-polttoaineella regeneroinnin alussa syntynyt piikki jäi noin 10 ppm:ää<br />
tavallisella dieselillä syntynyttä pienemmäksi.<br />
Ennen regenerointia olevaa pientä vaihtelua voi selittää häiriöillä analogisessa<br />
tiedonsiirrossa ja lähempänä regenerointia olevia suurempia piikkejä myös auton<br />
moottorin ohjauksen toiminnalla. Vähän aikaa ennen regeneroinnin alkamista<br />
saattoi huomata autossa istuessa pienen nykäyksen. Regeneroinnin alkamisen ja<br />
päättymisen huomasi lähes jokaisella kerralla autossa istuessa. Dynamometrillä<br />
mitattuna ajonopeudessa oli 0,2 km/h piikki alaspäin regeneroinnin alkuhetkellä.<br />
8.7 Regeneroinnin <strong>vaikutus</strong> hiilidioksidipäästöihin<br />
Ajonopeus on piirretty kuvaajaan katkoviivalla, ja hiilidioksidi- eli CO 2 -päästöjä<br />
kuvaa tummansininen yhtenäinen kuvaaja. Hiilidioksidipäästöjen määrä nousee<br />
samassa suhteessa kuin polttoaineen kulutuskin. Tämä kuvaaja siis havainnollistaa<br />
polttoaineen regeneroinnin <strong>vaikutus</strong>ta polttoaineen kulutukseen.<br />
72
Kuvaaja 11. Hiilidioksidipäästöt eli CO 2 -päästöt vakionopeustestin aikana.<br />
73
9 Johtopäätökset<br />
Polttoaineilla on <strong>vaikutus</strong> päästöihin, mutta päästöjen perusteella ei välttämättä<br />
voida sanoa, kuinka usein auto aloittaa hiukkassuodattimen regeneroinnin.<br />
Mitattujen hiukkassuodattimen aiheuttamien vastapaineiden perusteella voidaan<br />
todeta, että jos auton moottorinohjaus painottaisi enemmän vastapainetta,<br />
regenerointiväli kasvaisi 100 % NExBTL-polttoaineella entisestään. Kaikilla muilla<br />
polttoaineilla paine-ero hiukkassuodattimen yli oli koko vakionopeuskokeen ajan<br />
suurempi kuin käytettäessä 100 % HVO-polttoainetta.<br />
Mitattujen hiukkassuodattimen painehäviöiden perusteella voidaan päätellä<br />
hiukkassuodattimen tukkeutuvan hitaammin 100 % HVO-polttoaineella kuin<br />
millään muulla testatulla polttoaineella. Paine-eron kuvaaja kulkee koko testin ajan<br />
muita selvästi alempana. Tämä tukee käsitystä siitä, että kun käytetään 100 %<br />
HVO-polttoainetta, hiukkaspäästöjä raakapakokaasussa on vähemmän kuin<br />
käytettäessä muita polttoaineita.<br />
Kokeiden perusteella hiukkassuodatin tukkeutuu toiseksi hitaimmin käytettäessä 10<br />
% FAME-biodieseliä sisältävää dieselpolttoainetta. Hiukkassuodattimen<br />
tukkeutumisesta johtuva paine-eron kasvu ei kuitenkaan ole tärkein regenerointiin<br />
vaikuttava tekijä. Näin ollen hiukkaspäästöjen määrä raakapakokaasussa ei ole<br />
myöskään tärkein tekijä, joka vaikuttaa regenerointiväliin. Regenerointiväli oli pisin<br />
10 % FAME:a sisältävällä polttoaineella.<br />
Moottorin ohjauksen toiminta vaikuttaa ratkaisevasti siihen, millä polttoaineella<br />
saavutetaan pisin regenerointiväli. Hiukkassuodattimen aiheuttaman vastapaineen<br />
perusteella regenerointiväli olisi ollut pisin 100 % HVO-polttoaineella. Toisin<br />
sanoen, jos auton moottorinohjaus painottaisi tukkeutumista enemmän kuin nyt,<br />
regenerointiväli olisi huomattavasti pidempi 100 % HVO-polttoaineella. Kaikilla<br />
muilla polttoaineilla ajettaessa regenerointi alkoi kun hiukkassuodattimen<br />
aiheuttama vastapaine oli lähellä 90 mbarin tasoa. Paine-ero regeneroinnin alkaessa<br />
oli enimmillään 75 mbar käytettäessä 100 % HVO-polttoainetta. Paine-ero<br />
käytettäessä pelkkää HVO-polttoainetta nousi noin 20 mbar 270 kilometrin<br />
matkalla. Saman paineen nousunopeuden jatkuessa 100 % HVO-polttoaineella olisi<br />
pitänyt ajaa yli 600 kilometriä, jotta hiukkassuodattimen aiheuttama vastapaine olisi<br />
noussut 90 mbarin tasolle, jolle se nousi kaikilla muilla polttoaineilla.<br />
74
Regeneroinnin aikana polttoainetta ruiskutetaan pakoventtiilin ollessa auki, joten<br />
pakokaasun lämpötila nousee yli kuuteensataan asteeseen. Kaksinkertaisen<br />
polttoainemäärän polttaminen yhdessä korotetun ahtopaineen kanssa saa aikaan<br />
normaalitilannetta suuremman pakokaasuvirran. Tukkeutunut hiukkassuodatin<br />
vastustaa kasvanutta pakokaasun virtausta ja paine-ero nousee huomattavasti<br />
regeneroinnin alussa. 30 % HVO-polttoainetta käytettäessä suurin<br />
hiukkassuodattimen aiheuttama vastapaine oli noin 150 mbar, kun vastapaineen<br />
suurin arvo muilla polttoaineilla oli noin 130 mbar.<br />
Kahdessa kokeessa 10 % FAME:a sisältävällä polttoaineella regenerointiväli jäi<br />
reilusti muita samalla polttoaineella ajettuja kokeita lyhyemmäksi. Näissä kokeissa<br />
myös regeneroinnin aikana mitattu suurin paine-ero oli samassa suhteessa pienempi<br />
kuin regenerointiväli kyseisellä polttoaineella. Vastapaine nousi näissä kahdessa<br />
kokeessa samaa vauhtia kuin kolmessa muussakin kokeessa samalla polttoaineella.<br />
Kun tutkitaan regenerointiväliä ajamalla alustadynamometrillä, auton aloittama<br />
hiukkassuodattimen regenerointi riippuu auton moottorinohjauksesta. Tässä<br />
tutkimuksessa käytetyssä autossa regenerointiväliä rajoittavaksi tekijäksi tuli<br />
moottorinohjauksen laskema noen määrä hiukkassuodattimessa. Noen määrälle on<br />
raja, jonka ylittyessä regenerointi aloitetaan heti, kun se on mahdollista.<br />
Polttoaineen kulutuksen mukaan kasvava laskennallinen noen määrä ei kuitenkaan<br />
100 % HVO-polttoaineella ja 10 % FAME:a sisältävällä seoksella seuraa<br />
polttoaineen kulutusta samalla tavalla. Laskennassa on siis mukana muitakin<br />
tekijöitä kuin polttoaineen kulutus. Auton tietojen mukaan polttoainetta kului eniten<br />
10 % FAME:a sisältävällä polttoaineella, joten kuluneen polttoaineen määräkään ei<br />
ollut regeneroinnin laukaiseva tekijä. 10 % FAME:a sisältävän koepolttoaineen<br />
energiasisältö on koepolttoaineiden pienin.<br />
Moottorinohjauksen hiukkassuodattimeen kertyneen noen määrän arvo ei<br />
pienentynyt muulloin kuin regeneroinnin aikana, vaikka hiukkassuodattimen<br />
lämpötila olisikin ollut noen syttymisrajan yläpuolella.<br />
75
Change language