Henkilöautojen pakokaasupäästöt kylmissä olosuhteissa ja niiden vähentämisen tekniikat

Transkriptio

1 M2T997-2 Henkilöautojen pakokaasupäästöt kylmissä olosuhteissa ja niiden vähentämisen tekniikat Loppuraportti Juhani Laurikko VTT Energia Moottoritekniikka ja liikenteen energiankäyttö Joulukuu 21 2

2 M2T997-2 Henkilöautojen pakokaasupäästöt kylmissä olosuhteissa ja niiden vähentämisen tekniikat Loppuraportti Juhani Laurikko VTT Energia Moottoritekniikka ja liikenteen energiankäyttö Joulukuu 21

3 VTT ENERGIA, Liikenteen energiankäyttö PL 161, 244 VTT, puh. (9) 4561, fax (9) Julkaisun tekijä(t): Juhani Laurikko Julkaisun nimí: 2 Raportin koodi: M2T997-2 Projektin tunnus: Julkaisuaika: M2T997 Joulukuu 21 Projektin nimi: Henkilöautojen energian kulutus ja pakokaasupäästöt (etenkin kylmissä olosuhteissa) ja niiden vähentämisen tekniikat Henkilöautojen pakokaasupäästöt etenkin kylmissä olosuhteissa ja niiden vähentämisen tekniikat Loppuraportti Tiivistelmä: Tutkimuksen tavoitteena oli seurata henkilöautojen tekniikan kehitystä ja sen heijastumaa kylmäpäästöihin sekä arvioida erilaisten tekniikoiden potentiaalia vähentää päästöjä. Tutkimuksen puitteissa mitattiin kylmäkäynnistyspäästöt yhteensä 61:stä bensiinikäyttöisestä ja 25:stä dieselmoottorisesta henkilöautosta sekä viidestä raskaasta bensiinikäyttöisestä pakettiautosta. Henkilöautoja koskeva havaintoaineisto ei antanut tukea sille lähtöolettamukselle, että puhdistustekniikan kehittäminen entistä vähäpäästöisempään suuntaan saattaisi lieveilmiönä huonontaa suorituskykyä kylmissä olosuhteissa, ainakin alkuvaiheessa, ennen kuin kokonaisoptimointi ehditään tehdä. Päinvastoin näytti siltä, että nykyiset (EURO 3) normaalilämpötilassa tapahtuviin mittauksiin perustuvat päästörajat ohjaavat tekniikkaa siihen suuntaan, että toimintateho kylmemmässäkin käyttöympäristössä paranee. Eräänä osatekijänä lienee uusi koemenetelmä, jossa näytteenotto alkaa jo heti moottorin käynnistyttyä, eikä vasta 4 sekunnin kuluttua, mikä oli menetelmä vielä EURO 2 säännöissä. Dieselmoottoriautoissa kylmäkäynnistyksestä aiheutuvat lisäpäästöt ovat paljon vähäisemmät kuin bensiinikäyttöisissä. Esimerkiksi EU 2- ja EU 3-tasoisissa autoissa CO- ja HC-lisäpäästöt olivat vain noin 1 % vastaavien bensiinikäyttöisten autojen lisäpäästöistä. Koetuloksien mukaan typen oksidien päästöt näyttäisivät jopa vähenevän hieman, kun käynnistyslämpötila laskee. Samoin näyttäisi käyvän hiukkaspäästöille, mikä oli jossain määrin yllättävää. Raskaissa bensiinikäyttöisissä pakettiautoissa näyttävät kylmäkäynnistyspäästöt olevan vanhemmissa vuosimalleissa samaa tasoa tai vähän suurempia kuin vastaavanikäisissä henkilöautoissa, mikä suurimmaksi osaksi selittynee niiden samankaltaisella tekniikalla, mutta vähän suuremmilla moottoreilla ja painoilla. Uudemmissa pakettiautoissa (vm. 2) tilanne oli likimain sama. NOx-päästöt sen sijaan olivat pakettiautoissa kaksinkertaiset henkilöautoihin verrattuna. Päästöjä vähentävänä tekniikkana tutkittiin nyt ns. lämpöakkua, eli lämmintä jäähdytysnestettä varaavaa järjestelmää, jossa kylmäkäynnistyksessä moottoria lämmitetään tuomalla moottoriin lämmin neste kylmän tilalle. Jos lisäksi käytetään esikierrätystä noin 3 4 sekunti ennen käynnistystä, saavutetaan likimain sama lämmitysteho kuin tunnin lohkolämmitinkäytöllä (noin 6 Wh). Myös pakokaasukokeissa havaittu päästöjen vähenemät olivat verrannollisia vastaaviin lohkolämmittimellä saavutettuihin tuloksiin, eli häkäpäästöt vähenivät noin 7 % ja hiilivetypäästöt noin 2 4 %. Kenttäkäyttökokeessa lämmönvaraajan havaittiin säilyttävän riittävästi lämpönergiaa nostamaan käynnistettäessä moottorin lämpötilaa yli 3 C vaikka edellisestä ajosta oli kulunut aikaa jopa 3 vuorokautta. Julkaisija: VTT Energia, Moottoritekniikka ja liikenteen energiankäyttö Avainsanat: Pakokaasupäästöt, kylmäkäynnistys Bensiinimoottori, dieselmoottori lämpöakku ISSN ISBN Tilausosoite: Luokitus (UDK): VTT Energia, PL VTT Kieli: Suomi Sivuja: 3 s.

4 2 Report code: M2T997-2 VTT ENERGY, Energy and Emissions in Transportation P.O.Box 161, FIN-244 VTT, FINLAND Project code: Published: tel , fax M2T997 December 21 Author(s): Juhani Laurikko Name of the publication: Project name: Energy use and exhaust emissions from passenger cars at low ambient temperatures and tecnologies to lower emissions Exhaust emissions from passenger cars at low ambient temperatures and technologies to lower emissions Final Report Abstract: The aim of the project was to follow the development of passenger car technology and its implications to cold start exhaust emissions at low ambient temperatures, and to assess different technologies to lower such emissions Cold-start emissions were measured from altogether 61 petrol-fuelled and 25 diesel-fuelled cars in this project, as well as from five heavy-weight vans. The performance data from the cars did not support the hyphothesis that the recent development of low-emission technology might as a side-effect deteriorate the emissions performance at low ambient temperature conditions, at least in the first phase, before the optimisation of the total system is done. On the contrary: the data suggests that current EURO 3 standards although based on a normal temperature test will push the technology to such a direction that performance at low ambient temperatures is also enhanced. One potential cause to this may be that the new test cycle does start the collection of exhaust sample right after the start of the engine, and not after the 4 sec idle, which was the case still in the previous generation of the EU-directives (EU2). Extra emissions due to a cold-start are in diesel-fuelled cars only marginal compared to those from petrol-fuelled cars. For example in EU2 and EU3-compliant diesel cars extra emissions of CO and HC were only some 1 % of the values recorded to their petrol-fuelled counterparts. According to the test results, the emissions of nitrogen oxides were lowering, as the ambient temperature went down. The same apllied to the PM emissions, as well, which was somewhat surprising. In the heavy-weight class vans cold-start emissions seemed to be in the older models about the same or slightly higher than the passenger cars of the same generation, which for the most part should become from their similar tehcnology, but higher engine displacement and curb wieght. In the recent model year (2) vans the situation was almost the same, but NOx emissions were about twofold compared to passenger cars. The technology for lower cold-start emissions that was evaluated was so called heat battery of thermostore, that stores hot coolant in an well-insulated flask to be used for engine (pre)heating prior to the next cold start. If the primer pump was used for 3 to 4 sec to circulate hot coolant into the engine before the start, about the same effect was obtained as when using standard block heater for about an hour (6 Wh). Even the lowering of the emissions that was recorded in the emsisions tests were about the same magnitude than with the use of an electrical block heater. Thus CO was lowered some 7 % and HC about 2 to 4 % depending upon the ambient temperature lewel. In the field test the thermostore was found to keep thermal energy stored sufficiently to raise the engine coolant temperature over 3 C even if the car had been standing for about 72 hours after the last trip. This was especially, if the last trip was longer than 3 minutes in driving time. Publisher: VTT Energy, Engine Technology and Energy in Transport Keywords: Exhaust emissions, cold-start, cars Petrol engine, diesel engine Heat battery Address for orders: VTT Energy, P.O.Box 161 ISSN ISBN Classification (UDK): 244 VTT, Finland Language: Finnish Pages: 3 p.

5 SISÄLLYS SISÄLLYS ALKULAUSE OSATEHTÄVÄ 1: PAKOKAASUPÄÄSTÖT KYLMISSÄ OLOSUHTEISSA OSA A - MITTAUKSET UUSIMMILLA (EURO2 JA EURO3) HENKILÖAUTOILLA TAVOITTEET TUTKIMUKSEN TOTEUTUS Pakokaasumittaukset uusilla autoilla Tutkimuksen kohteet Mittausten suoritus KOETULOKSET JA NIIDEN VERTAILU AIKAISEMPIIN TULOKSIIN KESKIMÄÄRÄISET KYLMÄKÄYNNISTYSPÄÄSTÖT Bensiinikäyttöiset henkilöautot Dieselmoottoriset henkilöautot OSA B - MITTAUKSET RASKAILLA PAKETTIAUTOILLA OSATEHTÄVÄ 2: LÄMPÖAKUN KENTTÄKÄYTTÖKOE JOHDANTO TAVOITTEET TUTKIMUKSEN TOTEUTUS TUTKIMUKSEN TULOKSET JOHTOPÄÄTÖKSET OSATEHTÄVÄ 3: EU-TUTKIMUKSEEN OSALLISTUMINEN OSATEHTÄVÄ 4: GRPE-TOIMINTAAN OSALLISTUMINEN

6 ALKULAUSE Henkilöautojen pakokaasupäästöjä kylmissä käyttöolosuhteissa on tutkittu VTT Energiassa jo yli kymmenen vuoden ajan. Se on ollut eräs tutkimuksen painopistealueista, sillä Suomen kannalta kylmäpäästöillä on suuri merkitys ja niiden vähentämismahdollisuuksilla on merkittävä asema. Lisäksi vastaavaa tutkimusta thedään kansainvälisesti varsin vähän, ja siksi tutkimukseen on kansallisesti panostettu varsin paljon. Tulokset aikaisemmilta vuosilta ovatkin johtaneet tietämyksen karttumiseen, ja eräänä merkittävänä saavutuksena voidaan pitää päätöstä 7 ºC kylmäkäynnistyskokeen mukaan ottamisesta EU:n henkilöautojen pakokaasupäästöjä rajoittavan direktiivin päivitykseen 98/69/EC vuonna Mainittu koe perustuu ECE15-ajosyliin, ja se tulee COja HC-raja-arvoineen voimaan uusille, bensiinikäyttöisille henkilöautotyypeille vuonna 22. Tämä raportti on projektin Henkilöautojen energian kulutus ja pakokaasupäästöt (etenkin kylmissä olosuhteissa) ja niiden vähentämisen tekniikat loppuraportti. Tutkimus oli suoraa jatkoa VTT Energian aihealueen tutkimukselle, ja on suoritettu vuosina osana MOBILE 2 tutkimuskokonaisuutta, jossa sen tunnus oli M2T997. Sen rahoittajina ovat toimineet TEKES sekä Liikenne- ja viestintäministeriö (LVM). Projektin päällikkönä toimi erikoistutkija Juhani Laurikko, ja eri osatehtävien toteuttamiseen ovat osallistuneet tutkijat Markku Ikonen ja Tom Eklund, teknikko Erkki Virtanen ja työteknikko Reijo Mikkola, kaikki VTT Energiasta. Espoossa, 5. joulukuuta 21 Juhani Laurikko 4

7 OSATEHTÄVÄ 1: PAKOKAASUPÄÄSTÖT KYLMISSÄ OLOSUHTEISSA OSA A - MITTAUKSET UUSIMMILLA (EURO2 JA EURO3) HENKILÖAUTOILLA 1 TAVOITTEET Tutkimuksen tavoitteena oli seurata tekniikan kehitystä ja sen heijastumaa kylmäpäästöihin ja samalla arvioidaan erilaisten tekniikoiden potentiaalia vähentää päästöjä. Eräänä lähtökohtana oli, että puhdistustekniikan kehittäminen entistä vähäpäästöisempään suuntaan saattaa lieveilmiönä huonontaa suorituskykyä kylmissä olosuhteissa, ainakin alkuvaiheessa, ennen kuin kokonaisoptimointi ehditään tehdä. Toisaalta nykyiset normaalilämpötilassa mitattavat päästörajat ohjaavat nekin tekniikkaa siihen suuntaan, että toimintateho kylmemmässäkin käyttöympäristössä paranee. Tutkimuksessa pyritään säänneltyjen päästöjen lisäksi nykyistä tarkemmin karakterisoimaan kylmäkäynnistyksessä syntyviä pakokaasupäästöjä, ml. hiukkaspäästöt ja eräät ei-säännellyt kaasumaiset yhdisteet. Näiltä osin tutkimus suuntautuu EU:n 5. puiteohjelman Kasvu osuudessa toteutettavaan projektikokonaisuuteen ARTEMIS (Assessment and reliability of transport emission models and inventory systems, 1999-RD.1429), jossa VTT on yksi toteuttaja. Tämä hanke jatkaa nyt raportoitavan projektin työtä. Eräänä lopputavoitteena oli, hyödyntäen aikaisempaa tutkimusaineistoa ja tässä raportoitavan projektin puitteissa saatavia uusia tuloksia, kehittää uusi myös ja parempi malli kylmäkäynnistyksen osuudelle päästöistä, jota voidaan käyttää päästöjen määriä laskettaessa. 2 TUTKIMUKSEN TOTEUTUS 2.1 Pakokaasumittaukset uusilla autoilla Tekniikan kehityksestä on pyritty saamaan kuva mittaamalla päästöjä uusimman vuosimallin autoista, jotka jollain tavoin antavat poikkileikkauksen tämän hetkisen teknologian toimivuudesta. Mittauskampanjat on toteutettu yhteistyössä kotimaisten auto- ja moottorilehtien (Tekniikan Maailma, Tuulilasi) kanssa, jotka säännöllisesti eri testiprojektiensa puitteissa arvioivat uusia, markkinoille tulleita automalleja. Näissä pakokaasukokeissa on käytetty EU-normin mukaista koemenettelyä eli uusinta EC2-ajosykliä, josta alkuvaiheen joutokäynti on siis jätettty pois. Koelämpötilana on ollut -7 C. Mitatut päästökomponentit ovat olleet CO, HC, NO x ja CO 2., ja laskennallisesti on voitu määrittää myös polttoaineen kulutus. 2.2 Tutkimuksen kohteet Tutkimuksen kohteena olleet autot, 61 bensiinikäyttöistä ja 25 dieselmoottorista, on yksilöity tarkemmin taulukoissa 1.1 (bensiinikäyttöiset) ja 1.2 (dieselmoottoriset). 5

8 Autot olivat pääasiassa uudehkoja, ns. lehdistöautoja, ja ne lainattiin mittauksiin niiden maahantuojilta, jotka samalla vastasivat niiden kunnosta. 2.3 Mittausten suoritus Ajo-ohjelma Kaikissa tässä raportoitavissa kokeissa käytettiin EU:n vuonna 2 voimaan tulevan, e-säännön 98/69/ EC määrittämän ns. EURO 3 vaatimustason mukaisen pakokaasukokeen ajoohjelmaa ( EC2 ), jossa nykyistä EU -ajo-ohjelmaa on muutettu siten, että 4 sekunnin joutokäyntijakso ennen vaiheen 1 alkua on jätetty pois. Tämän lisäksi autoilla ajettiin vielä ylimääräinen ECE15-kaupunkiajosykli, mutta jaksojen välissä pidettiin tauko, jonka aikana moottori oli pysäytettynä. Ekoauto kokeissa tämä tauko oli 1 minuutin mittainen, ja Tekniikan Maailma lehden kanssa toteutetuissa testeissä 1 minuutti. Kuva 1.1 esittää ajosyklin ja sen jakautumisen vaiheisiin, joille on määritetty osatulokset EC2 Ajosykli (EC2+ECE15) 8 6 Vaihe 1: ECE 15 Vaihe 3: ECE Vaihe 2: EUDC 1 min tauko moottori pysäytettynä Kuva 1.1 Ajosykli ja sen vaiheet Esivalmistelu Ennen koetta autot tarkastettiin ja esivalmisteltiin tankkaamalla polttoainesäiliö täyteen ja ajamalla niillä maantielenkki, pituudeltaan noin 1 km. Koelämpötila Mittaukset tehtiin -7 ºC:n tavoitelämpötilassa vaihteluvälin ollessa ±1 º C. Autojen annettiin stabiloitua esivalmistelun jälkeen koelämpötilassa yön yli ennen koetta, jotta normivaatimukset täyttyisivät (minimi 6 tuntia, maksimi 36 tuntia) Ajovastusarvot Alustadynamometrin asetusarvot perustuivat auton omapainoon. Siitä määritettiin e-säännön 94/12/EEC mukainen vertailupaino, inertialuokka sekä sitä vastaavat ajovastuskertoimet, joita käytettiin suoraan dynamometrin asetusarvoina, vaikka joissakin yhteyksissä ohjeistetaankin lisäämään vastusarvoja 1 % mitattaessa kylmissä lämpötiloissa 6

9 Näytteenotto ja -käsittely Pakokaasunäytteen laimennus ja keräys tehtiin normin mukaisella CVS-laitteella. Näytteistä analysoitiin lainsäädännön rajoittamat pakokaasukomponentit (CO, HC ja NO X ) sekä laskennan apusuureena tarvittava CO 2. Polttoaine Polttoaineena käytettiin kauppalaatuista lyijytöntä bensiiniä ja talvilaatuista dieselöljyä (DITC), joka kaikkiin autoihin tankattiin samalta jakeluasemalta (Neste-Otaniemi) ennen edellä mainitun esivalmisteluajon suorittamista. Päästöjen laskenta Hiilivetypäästöt laskettiin e-säännön 94/12/EEC FID-analysaattorille antamien ohjeiden mukaan tiheyden arvolla.619 kg/m 3 (= C 1 H 1,85 ). Typen oksidien päästösumma (NO x ) laskettiin normin ohjeiden mukaisesti typpidioksidina (NO 2 ). 3 KOETULOKSET JA NIIDEN VERTAILU AIKAISEMPIIN TULOKSIIN Taulukoissa 1.1 (bensiinikäyttöiset autot) ja 1.2 (dieselmoottoriset autot) on esitetty autokohtaiset koetulokset (CO, HC, NO x, CO 2 ) ominaispäästöinä (g/km), sekä keskimääräiset arvot kullekin otokselle. Lisäksi on esitetty kullekin ryhmälle määritetty, keskimääräinen kylmäkäynnistyksestä aiheutuva lisäpäästö, joka on laskettu erotuksena kylmäkäynnistyksellä aloitetusta ECE15-koevaiheen tuloksesta ja samalla ajo-ohjelmalla tehdyn, mutta lämpimällä moottorilla aloitetun mittausjakson tuloksista. Useimmissa tapauksissa CO- ja HC-kylmäkäynnistyslisä on noin 99 % jakson tuloksesta, eli lämpimällä moottorilla mitattu päästötaso on vain noin 1 % kylmäkäynnistetyn jakson päästöistä. Kuvassa 1.2 on esitetty vastaavat kylmäpäästökokeiden CO-tulokset bensiinikäyttöisille ja kuvassa 1.3 dieselmoottorisille. Bensiinikäyttöisten autojen kuvaan on merkitty e-säännön 98/69/EC mukainen raja-arvo, joka on CO 15 g/km. Kuvassa 1.4 on puolestaan esitetty em. kylmäpäästökokeiden HC-tulokset bensiinikäyttöisille ja kuvassa 1.5 dieselmoottorisille. Bensiinikäyttöisten autojen kuvaan on merkitty e-säännön 98/69/EC mukainen raja-arvo, joka on HC 1,8 g/km. Vaikka näitä raja-arvoja ei vielä sovelletakaan, voidaan niitä käyttää ohjeellisina. Vuonna 1999 tutkituista autoista 4 ylitti CO-päästörajan ja samoin neljä autoa ylitti HC-raja-arvon, mutta vain kolme näistä oli sellaista, joissa molemmat ylittyivät samanaikaisesti. Vastaavasti vuosina 2-21 tulevan CO-päästörajan ylityksiä mitattiin neljä, mutta HC-raja-arvo olisi ylittynyt 12 auton kohdalla, jos niihin sitä olisi pitänyt soveltaa. Vaikka normivaatimus ei koskekaan dieselmoottorisia autoja, niitäkin on mitattu vertailun vuoksi. Kuten taulukko 1.2 sekä kuvat 1.3 ja 1.5 hyvin osoittavat, kylmäpäästöongelma ei niitä juuri kosketa, sillä päästöt ovat enimmäkseen aivan olemattomat bensiinimoottoriautoihin verrattuina, ja päästöt otoksen huonoimmalla, muista huomattavasti poikkeavalla dieselautolla samassa suuruusluokassa parhaiden bensiinikäyttöisten autojen kanssa. 7

10 Taulukko 1.1 Vuosina tutkittujen bensiinikäyttöisten autojen tiedot ja tulokset RYHMÄ MERKKI, MALLI VM REK. TM 21 Skoda Fabia Classic 2 EGJ-138 1, ,8,9,6 249 Honda Civic SYI-441 1,4 n/a 7,1,7,5 211 Chrysler PT Cruiser 2. 2 VYF-933 1, ,9 2,,3 282 Nissan A lmera OYL-474 1, ,7,6,1 282 Saab M YL-612 1, ,6 1,3,2 358 M B C 18 A ut 2 NEH-638 1, ,2 2,4,49 33 BM W 52 2 RYH-449 2,17 n/a 14,1 2,,1 361 Peugeot i 16V 2 TYI-967 2, ,9 3,5, Volv o S GEJ-32 2, ,8 1,2,7 339 Citroen Xsara Picasso M PV V 2 FET-222 1, ,2 3,, VW Passat UIU-95 1, ,5,8,3 31 A udi A FET-879 1, ,4,9, Lada 11 16V 21 KOE 1, ,7 1,3,2 257 Toyota A vensis LYK , ,8 2,3, Seat Leon CET-87 1, ,7 1,5,8 26 Ford M ondeo JEH-755 1, , 1,, M azda 323F FEK , , 1,4,9 257 Suzuki W agon R STW CEG-42 1, ,4,9,3 224 Opel Corsa LYM , ,9,8,5 229 Kesk iarvo TM Talvi 21 1, ,8 1,5,12 29 käynnistyslisä, keskimäärin [g] 39,1 6,1, EKO22 Renault Twingo V 21 KPI-996 1, ,2 1,,8 191 Toy ota Yaris M EF-58 1, ,6 2,7,4 218 FIA T Punto CFI-328 1, ,5 1,4,3 215 BM W 316TI 21 M RF-24 1, ,6,7,32 34 Kesk iarvo Ek oauto 22 1, ,5 1,5, käynnistyslisä, keskimäärin [g] 3,3 5,9, Kesk iarvo, k aik k i [g/k m] 61 kpl 1,1 1,4, käynnistyslisä, keskimäärin [g] 34,5 5,9, ISKUT [dm3] OM A - M A SSA [kg] CO [g/km] HC [g/km] NOx [g/km] CO 2 [g/km] TM 1999 M ercedes-benz A FCU-29 1, ,5 1,3,9 232 Honda Civic 1.4i 1998 GCA -92 1, ,6 1,,9 231 M azda CCT-182 1, ,7 1,2, Nissan A lmera VIG-35 1, ,3 2,2,1 251 Rov er FCX , ,4 1,4, Toy ota Corolla LIP-233 1, ,8 1,6,13 26 Suzuki Baleno CCU-421 1, ,5 1,2, Skoda Octav ia CCT-144 1, ,9 1,8, M itsubishi Lancer CCX , ,5 2,, Volkswagen Golf XIK , ,7 1,4, Opel A stra A IX , ,2 1,6, Citroen Xsara 1.6i 1998 M IS-971 1, ,9 1,, Peugeot i 1998 FEB-299 1, ,8 1,1, Renault M egane Classic 1998 M IS-33 1, ,2 1,,2 245 Fiat M area BIZ-35 1, ,8 1,8,9 287 Ford Focus GCZ-265 1, ,5,5, Kesk iarvo TM Talvi , , 1,4,2 25 EKO 2 Opel Corsa NCU-594, , 1,4, Daihatsu Sirion CL 2 VGZ-881, ,4 1,,1 177 Toyota Yaris Hatchback OIZ-36, ,6 1,7,8 219 Renault M egane Scenic A YG-283 1, ,6 1,, M itsubishi Space Star Hatchback 1999 ZII-34 1, ,6 2,2, Opel Zafira STW HYG-731 1, ,2 1,4,2 287 Volkswagen Golf RIG-758 1, ,1 1,5, Renault M egane Hatchback 2 EIZ-724 1, ,5,8,9 256 Ford Focus Hatchback 2 RIX , ,7,6, Kesk iarvo Ek oauto 2 1, ,1 1,3, käynnistyslisä, keskimäärin [g] 28,1 5,1, TM 2 Toyota A vensis GEC-196 1, ,4 2,, M azda VIH-738 1, ,4 1,7,1 264 Peugeot 462.i-16V 1999 CEG-215 1, ,7 2,2,12 35 Opel Zafira STW VIR-57 1, ,6 2,, Volkswagen Bora 2. 2 YCT-117 1, , 1,5, M azda VIH-738 1, ,4 1,3,12 24 M ercedes Benz E 24 A utom. 2 IYC-85 2, ,3 2,9, Kesk iarvo TM Talvi 2 1, ,4 1,9,25 34 käynnistyslisä, keskimäärin [g] 45,6 7,8, EKO 21 Toyota Yaris Verso STW YCY-332 1, ,2 2,3,6 231 Opel Corsa 2 K M I-534, ,9,9,2 2 Fiat Punto JEH-989 1,24 n/a 7,3,8,5 23 Volvo S KYB-627 2,43 n/a 9,6 1,2,7 358 Nissan Primera YCK ,76 n/a 6,4,7,1 292 Ford M ondeo JEH-738 1,79 n/a 5,2,9, Kesk iarvo Ek oauto 21 1,6 7,3 1,1, käynnistyslisä, keskimäärin [g] 29,2 4,5, Huom: Tummennetulla taustalla merkityt tulokset ylittävät vuonna 22 tulossa olevan raja-arvon. 8

11 Taulukko 1.2 Vuosina tutkittujen dieselmoottoristen autojen tiedot ja tulokset RYHMÄ MERKKI, MALLI VM REK. ISKUT [dm3] OM A- M A SSA [kg] CO [g/km] HC [g/km] NOx [g/km] CO 2 [g/km] EKO 2 Skoda Octavia Combi 1.9 (D) 2 SIT-125 1, ,64,4, Ford Focus Hatchback (D) 1999 OYB-13 1, ,11,5 1,1 235 Renault M egane Hatchback (D) 2 FEI-284 1, ,77,6 1, Keskiarvo EkoAuto 2 1, ,51,5 1,9 25 käynnistyslisä, keskimäärin [g] 5,5,58 1,67 37 TM 2 Opel Zafira 2.TD 2 RIX-512 1,99 155,87,113 1, Volkswagen Bora 1.9TDI 2 CEI-152 1,9 146,365,114, Mazda TD 1999 NCK-214 2, ,869,51 1, Peugeot Turbo HDi 2 KYG-962 2, 1485,696,77 1,16 31 Mercedes Benz E27 CDI 2 AYG-84 2,7 163,459,8 1, Toyota Avensis 2.TD 2 VIV-755 2, ,45,92 1, Peugeot Turbo Hdi 2 VIV-755 2, ,387,17, Keskiarvo TM 2 2, ,15,157 1,32 33 käynnistyslisä, keskimäärin [g] 4,2,44 2,68 EKO 21 VW Polo Classic 1.9 TDI 2 VYF-857 1,9 n/a,34,7, Seat Leon D 2 koe 1,9 139,42,9, MB 14 D 2 koe 1, ,18,15,56 27 Peugeot Turbo HDi 2 MYM ,17 n/a 1,94,26 1, Renault M egane 1.9 DTI 2 GEK-794 1, ,57,5, Citroen Xsara 2. HDi 2 HHF-611 1, ,61,18, VW Lupo 3L TDI 2 koe 1,2 n/a 1,26,6, Keskiarvo EkoAuto 21 1, ,5,122, käynnistyslisä, keskimäärin [g] 4,1,41 1, EKO 22 Skoda Fabia Combi 1.9TDI 21 FFB-614 1, ,382,116,91 25 Peugeot HD 21 BZK-152 1, ,593,11 1, Ford Focus 1.8 TD 21 XYI-69 1, ,65,97,92 25 Citroen Xsara 2. HDI 21 MHF-576 1,4 134,971,16, VW Golf 1.9 TDI 21 UIX-858 1,89 138,464,138, SEAT Cordoba 1.9TDI 21 RMI-914 1,89 n/a,649,161, Volvo S6 2.4D 21 FFC-917 2, ,67,48 1, A udi A TDI 21 TDI-2 2,4 967,39,53 1,8 163 Keskiarvo EkoAuto 22 2, 138,95,154 1,2 252 käynnistyslisä, keskimäärin [g] 3,2,48 1,2 287 Keskiarvo, kaikki [g/km] 25 kpl 1,11,134 1, käynnistyslisä, keskimäärin [g] 4,2,48 1, CO [g/km] -7 'C , 7,1 22 CO raja-arvo 15 g/km 11,4 7,3 9,8 1,1 7,5 5 Autot Mercedes-Benz A 14 Honda Civic 1.4i Mazda Nissan Almera 1.6 Rover Toyota Corolla 1.6 Suzuki Baleno 1.6 Skoda Octavia 1.6 Mitsubishi Lancer 1.3 Volkswagen Golf 1.6 Opel Astra 1.6 Citroen Xsara 1.6i Peugeot i Renault Megane Classic Fiat Marea 1.8 Ford Focus 1.6 Keskiarvo TM Talvi 1999 Opel Corsa 1. Daihatsu Sirion CL Toyota Yaris Hatchback 1. Renault Megane Scenic 1.6 Mitsubishi Space Star Opel Zafira STW 1.8 Volkswagen Golf 1.4 Renault Megane Hatchback Ford Focus Hatchback Keskiarvo EkoAuto 2 Toyota Avensis 1.6 Mazda Peugeot 462.i-16V Opel Zafira STW 1.6 Volkswagen Bora 2. Mazda Mercedes Benz E 24 Keskiarvo TM Talvi 2 Toyota Yaris Verso STW 1.3 Opel Corsa Fiat Punto 1.2 Volvo S Nissan Primera 1.8 Ford Mondeo 1.8 Keskiarvo EkoAuto 21 Skoda Fabia Classic Honda Civic 1.4 Chrysler PT Cruiser 2. Nissan Almera 1.8 Saab MB C 18 Aut BMW 52 Peugeot i 16V Volvo S6 2.4 Citroen Xsara Picasso MPV VW Passat 2. Audi A4 2. Lada 11 16V Toyota Avensis 2. Seat Leon 1.6 Ford Mondeo 1.8 Mazda 323F 1.6 Suzuki Wagon R STW 1.3 Opel Corsa 1.2 Keskiarvo TM Talvi 21 Renault Twingo V Toyota Yaris 1.3 FIAT Punto 1.2 BMW 316TI Keskiarvo EkoAuto 22 Keskiarvo, kaikki [g/km] Kuva 1.2 Kylmäpäästö-CO -7 ºC); bensiinikäyttöiset autot vm

12 4, 3,5 <<<< vanhimmat (vm = EURO 2) (vm. 21 EURO 3) uusimmat >>> CO [g/km] -7 'C 3, 2,5 2, 1,5 1, 1,51 1,15 1,5 1,11,95,5, Autot Skoda Octavia Combi 1.9 (D) Ford Focus Hatchback (D) Renault Megane Hatchback (D) Keskiarvo EkoAuto 2 Opel Zafira 2.TD Volkswagen Bora 1.9TDI Mazda TD Peugeot Turbo HDi Mercedes Benz E27 CDI Toyota Avensis 2.TD Peugeot Turbo Hdi Keskiarvo TM 2 VW Polo Classic 1.9 TDI Seat Leon D MB 14 D Peugeot Turbo HDi Renault Megane 1.9 DTI Citroen Xsara 2. HDi VW Lupo 3L TDI Keskiarvo EkoAuto 21 Skoda Fabia Combi 1.9TDI Peugeot HD Ford Focus 1.8 TD Citroen Xsara 2. HDI VW Golf 1.9 TDI SEAT Cordoba 1.9TDI Volvo S6 2.4D Audi A2 1.2 TDI Keskiarvo EkoAuto 22 Keskiarvo, kaikki [g/km] Kuva 1.3 Kylmäpäästö-CO -7 ºC); dieselmoottoriset autot vm , 3,5 HO [g/km] -7 'C 3, 2,5 2, 1,5 1,4 22 HC raja-arvo 1,8 g/km 1,3 1,9 1,1 1,5 1,5 1,4 1,,5, Autot Mercedes-Benz A 14 Honda Civic 1.4i Mazda Nissan Almera 1.6 Rover Toyota Corolla 1.6 Suzuki Baleno 1.6 Skoda Octavia 1.6 Mitsubishi Lancer 1.3 Volkswagen Golf 1.6 Opel Astra 1.6 Citroen Xsara 1.6i Peugeot i Renault Megane Classic Fiat Marea 1.8 Ford Focus 1.6 Keskiarvo TM Talvi 1999 Opel Corsa 1. Daihatsu Sirion CL Toyota Yaris Hatchback 1. Renault Megane Scenic 1.6 Mitsubishi Space Star Opel Zafira STW 1.8 Volkswagen Golf 1.4 Renault Megane Hatchback Ford Focus Hatchback Keskiarvo EkoAuto 2 Toyota Avensis 1.6 Mazda Peugeot 462.i-16V Opel Zafira STW 1.6 Volkswagen Bora 2. Mazda Mercedes Benz E 24 Keskiarvo TM Talvi 2 Toyota Yaris Verso STW 1.3 Opel Corsa Fiat Punto 1.2 Volvo S Nissan Primera 1.8 Ford Mondeo 1.8 Keskiarvo EkoAuto 21 Skoda Fabia Classic Honda Civic 1.4 Chrysler PT Cruiser 2. Nissan Almera 1.8 Saab MB C 18 Aut BMW 52 Peugeot i 16V Volvo S6 2.4 Citroen Xsara Picasso MPV VW Passat 2. Audi A4 2. Lada 11 16V Toyota Avensis 2. Seat Leon 1.6 Ford Mondeo 1.8 Mazda 323F 1.6 Suzuki Wagon R STW 1.3 Opel Corsa 1.2 Keskiarvo TM Talvi 21 Renault Twingo V Toyota Yaris 1.3 FIAT Punto 1.2 BMW 316TI Keskiarvo EkoAuto 22 Keskiarvo, kaikki [g/km] Kuva 1.4 Kylmäpäästö-HC -7 ºC); bensiinikäyttöiset autot vm

13 ,6 <<<< vanhimmat (vm = EURO 2) (vm. 21 EURO 3) uusimmat >>>,5 HC [g/km] -7 'C,4,3,2,157,122,154,134,1,5, Autot Skoda Octavia Combi 1.9 (D) Ford Focus Hatchback (D) Renault Megane Hatchback (D) Keskiarvo EkoAuto 2 Opel Zafira 2.TD Volkswagen Bora 1.9TDI Mazda TD Peugeot Turbo HDi Mercedes Benz E27 CDI Toyota Avensis 2.TD Peugeot Turbo Hdi Keskiarvo TM 2 VW Polo Classic 1.9 TDI Seat Leon D MB 14 D Peugeot Turbo HDi Renault Megane 1.9 DTI Citroen Xsara 2. HDi VW Lupo 3L TDI Keskiarvo EkoAuto 21 Skoda Fabia Combi 1.9TDI Peugeot HD Ford Focus 1.8 TD Citroen Xsara 2. HDI VW Golf 1.9 TDI SEAT Cordoba 1.9TDI Volvo S6 2.4D Audi A2 1.2 TDI Keskiarvo EkoAuto 22 Keskiarvo, kaikki [g/km] Kuva 1.5 Kylmäpäästö-HC -7 ºC); dieselmoottoriset autot vm Kuvissa 1.6 ja 1.7 on esitetty vertailu bensiini- ja dieselautojen välillä, ja mukana on nyt myös vanhemmat, vuonna 1998 mitatut otokset. Kuvissa on esitetty erikseen bensiinikäyttöiset ja dieselmoottoriset autot, sekä kunkin otoksen keskiarvo ja vaihteluväli pienin - suurin. Lisäksi on mainittu, montako autoa ryhmässä oli (n#), ja moniko ylitti tulevat EU-raja-arvot (>n). Päästöjen keskimääräisen tason kehittymistä voidaan arvioida myös esittämällä tulokset vuosimallin funktiona ja jakamalla autot arvionvaraisesti EURO 2 ja EURO 3 tasoihin, jolloin vm ovat oletettavasti enimmäkseen EURO 2- autoja ja vuosimallit 2-21 enimmäkseen jo EURO 3-tasoisia. Näin tehdyn jaon mukaan on esitetty CO- ja HC-tulokset bensiinikäyttöisille autoille vuosimallin funktiona kuvissa 1.8 ja 1.9, joihin on yksittäisten tulosten lisäksi merkitty lineaariset kuvaajat kehitystrendille (Excel-ohjelman sovittamana). Kuvien 1.6 ja 1.8 mukaan näyttää siltä, että hiilimonoksidipäästöt olisivat olleet laskusuunnassa jo EURO 2-autojen loppuvuosina ( ). Vastaava myönteinen kehitys näyttää voimistuneen jo varsin suurella varmuudella EURO 3 -määräyksen mukaan rakennetuissa, vuosimallin 2 ja 21 autoissa, joissa tosin vuoden 2 autoissa voi olla vielä EURO 2- tasoisia autoja, koska vanhat tyyppihyväksymiset olivat voimassa vielä vuoden 2 loppuun, ja vasta vaadittiin kaikilta rekisteriin merkityiltä autoilta EURO 3 -määräyksen täyttämistä. Hiilivetypäästöjen (HC) kohdalla kehitys ei ole ollut yhtä selkeä, ja näyttäisikin siltä, että mitään selkeää trendiä ei ole havaittavissa tutkittujen vuosimallien autojen välillä, vaan taso säilyy keskimäärin tulevan EURO 3 kylmäpäästöraja-arvon 1,8 g/km tuntumassa, ja sen tason ylityksiä rekisteröitiin vielä aivan uusimmissakin, vuonna 21 mitatuissa malleissa. 11

14 (9#) EkoAuto '98 avg 11,73 (16#) TM-Talvi '99 avg 14,3 (9#) EkoAuto '99 avg 11,68 (6#) TM-Talvi ' avg 11,26 (9#) EkoAuto ' avg 7,6 (19#) TM-Talvi '1 avg 9,83 > 1 kpl (6#) EkoAuto '1 avg 7,27 (4#) EkoAuto '2 avg 7,47 EU raja-arvo 15 g/km (3#) EkoAuto '98 (D) avg 2,28 (3#) EkoAuto '99 (D) avg (6#) TM-Talvi ' (D) avg 1,7 (3#) EkoAuto ' (D) avg 1,51 (6#) EkoAuto '1 (D) avg 1,1 (8#) EkoAuto '2) (D) avg 1, CO päästö -7 C (ECE15) = 98/69/EC Kuva 1.6 Kylmäpäästö-CO tulosten -7 ºC) vertailu; bensiini- ja dieselkäyttöiset. (9#) EkoAuto '98 avg 1,13 (16#) TM-Talvi '99 avg 1,38 > 3 kpl (9#) EkoAuto '99 avg 1,44 > 3 kpl (6#) TM-Talvi ' avg 2,4 > 3 kpl (9#) EkoAuto ' avg (19#) TM-Talvi '1 avg (6#) EkoAuto '1 avg (4#) EkoAuto '2 avg (3#) EkoAuto '98 (D) avg (3#) EkoAuto '99 (D) avg,34 1,29 1,5 1,12 1,46 > 1 kpl > 6 kpl > 1 kpl > 1 kpl EU raja-arvo 1,8 g/km (6#) TM-Talvi ' (D) avg (3#) EkoAuto ' (D) avg (6#) EkoAuto '1 (D) avg,16,48,132,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 HC päästö -7 C (ECE15) = 98/69/EC Kuva 1.7 Kylmäpäästö-HC tulosten -7 ºC) vertailu; bensiini- ja dieselkäyttöiset. 12

15 3 EURO2 autot 25 EURO 3 autot Trendi, EURO 2 -autot Trendi, EURO 3 -autot CO [g/km] ECE -7 'C y = -1,846x ,9 R 2 =, CO rajaarvo 15 g/km 5 Kuva 1.8 Kylmäpäästö-CO tulosten -7 ºC) vertailu; bensiinikäyttöiset autot vm y = -3,114x R 2 =, Vuosimalli 4, EURO 2 autot 3,5 EURO 3 autot Trendi, EURO 2 -autot Trendi, EURO 3 -autot 3, HC [g/km] ECE -7 'C 2,5 2, 1,5 1, y =,275x - 539,13 R 2 =, HC rajaarvo 1,8 g/km,5 y = -,188x + 219,13 R 2 =,42, Vuosimalli Kuva 1.9 Kylmäpäästö-HC tulosten -7 ºC) vertailu; bensiinikäyttöiset autot vm

16 4 KESKIMÄÄRÄISET KYLMÄKÄYNNISTYSPÄÄSTÖT 4.1 Bensiinikäyttöiset henkilöautot Käyttäen sekä tässä tutkimuksessa mitattujen, uusimpia henkilöautoja edustavien otoksien tuloksia, että aikaisemmin tehtyjen, vähän vanhempaa tekniikkaa edustavien autojen tuloksia voidaan esittää arvio keskimääräisistä nykyisin käytössä olevien henkilöautojen kylmäkäynnistyspäästöistä lämpötilassa 7 ºC. Nämä arvot on esitetty taulukoissa 1.3 (bensiini) ja 1.4 (diesel) Taulukko 1.3: Lämpötilassa 7 ºC tehdyn kylmäkäynnistyksen aiheuttamat, keskimääräiset lisäpäästöt bensiinikäyttöisissä vm henkilöautoissa. -7 o C Bensiinikäyttöiset vm. CO [g] HC [g] NOx [g] CO 2 [g] lähde Ei-kat autot < arvio eri lähteistä Kat-autot EU1 & EU2 92-' ,5 1,6 VTT Publ. 348 EkoAuto ,4 4,4, VTT tutk.sel. ENE82414 /9 EkoAuto ,1 5,6, VTT tutk.sel. ENE92413/9 kat (EU2) 46,3 5,, EkoAuto ,1 5,1, tämä tutkimus EkoAuto ,2 4,5, tämä tutkimus EkoAuto ,3 5,9, tämä tutkimus kat keskiarvo 29,2 5,2, TM Talvi ,6 7,8 tämä tutkimus TM Talvi ,1 6,1 tämä tutkimus Taulukko 1.4: Lämpötilassa 7 ºC tehdyn kylmäkäynnistyksen aiheuttamat, keskimääräiset lisäpäästöt dieselmoottorisissa vm henkilöautoissa. -7 o C Dieselmoottoriset CO [g] HC [g] NOx [g] PM [g] CO 2 [g] lähde EkoAuto ,16,42,49,61 VTT tutk.sel. ENE82414 /98 EkoAuto ei dieselautoja (EU2) 4,2,42,49,61 EkoAuto ,53,58 1,67,48 37 tämä tutkimus EkoAuto ,14,41 1,25, tämä tutkimus EkoAuto ,17,48 1,2, tämä tutkimus keskiarvo 4,3,49 1,37, TM Talvi 2 2 4,16,44 2,68, tämä tutkimus TM Talvi ei dieselautoja Käyttäen hyväksi em. käynnistyspäästöjen arvoja, sekä vastaavien EU2/EU3 tyyppihyväksyttyjen autojen keskimääräisiä, normaalilämpötilassa mitattuja ominaispäästöarvoja, on muodostettu käynnistyslämpötilasta riippuvat funktiot, joiden avulla on mahdollista arvioida muissakin lämpötiloissa syntyvä käynnistyslisäpäästö. Tässä määrityksessä on perusteena ollut myös kylmäkäynnistystä käsitellen väitöskirjatyön (Laurikko: VTT Publications 348, 1998)) materiaali ja perusteoriat, joiden mukaan CO-päästö on likimain lineaarisesti lämpötilasta riippuva, kun taas hiilivety(hc) päästöille eksponentiaalifunktio antaa paremman korrelaation. Vanhemman tyyppisten kat-autojen kokeiden perusteella oletettiin myös, että NOx-päästöt eivät keskimäärin riipu käynnistyslämpötilasta, mutta uudemman havainto- 14

17 aineiston perusteella niilläkin näyttäisi olevan lievä käänteinen riippuvuus, eli päästöt kasvaisivat hieman käynnistyslämpötilan laskiessa Kuvissa 1.1, 1.11 ja 1.12 on esitetty tämän tarkastelun tuloksena syntyneet kylmäkäynnistyspäästöjen kuvaajat, ja niiden perusteella 2 ºC lämpötilaan ekstrapoloidut arvot. Kylmäkäynnistyspäästöt - bensiinikäyttöiset henkilöautot CO-päästö [g/käynnistys + ajo 4 km] y = -,78x + 24,35 y = -3,5134x + 94, y = -1,41x + 36, ,11 7, Lämpötila [ o C] EU & EU1 VTT Publ. 348 EU2 EU3 Vaste EU & EU1 Vaste EU2 Vaste EU3 Kuva 1.1 Kylmäkäynnistyksen CO-lisäpäästö käynnistyslämpötilan funktiona; bensiinikäyttöiset autot EU EU3. Kuten kuva 1.1 näyttää, kylmäkäynnistyksen aiheuttamissa lisä-co-päästöissä näyttäisi tapahtuneen merkittävää positiivista kehitystä, eli EU2-autoissa kylmäkäynnistyspäästöt ovat kaikissa lämpötiloissa alle puolet vanhemman sukupolven (EU & EU1) kat-autojen päästöistä ja EU3 autoissa vähenemää on tullut vielä noin 3 % lisää, eli taso on vain noin neljännes siitä, missä liikuttiin 199-luvun alkupuolen eli ns. 1. sukupolven kat-autoissa. Melkein yhtä merkittävä vähenemä on havaittavissa kuvan mukaan myös HC-lisäpäästöissä, mutta havaintoaineisto ei antanut tukea sille oletukselle, että EU3-autoissa olisi edelleen pienemmät päästöt, vaan ne lienevät samaa suuruusluokkaa kuin EU2-autoissa, eli tasoltaan uudet autot ovat vain noin 4 % 1. sukupolven kat-autoista (EU ja EU1). (Eksponentiaaliset vastefunktiot on laskettu käyttäen MS Excel-taulukkolaskentaohjelman rutiineja.) Myös NOx-päästöt ovat vähentyneet, ja ovat kuvan 1.12 mukaan kylmässäkin vain noin 3 4 % EU/EU1 tasosta. 4.2 Dieselmoottoriset henkilöautot Kuvissa 1.13, 1.14, 1.15 ja 1.16 on esitetty vastaavalla tavalla dieselmoottoristen henkilöautojen kylmäkäynnistyspäästöt kuin edellä bensiinikäyttöisistä autoista. Dieselmoottorisista autoista mittausaineistoa on kylmäkäynnistyspäätöistä etenkin vanhemman tyyppisistä 15

18 autoista niukasti, mutta nyt on uusimpia EU2 ja EU3-tasoisia autoja tämän projektin puitteissa mitattu kymmenkunta, ja siten on saatu kuitenkin sen verran tietoja, että on perusteltua esittää myös niitä koskeva tarkastelu. Mittausaineiston vähäisyyden vuoksi se on kuitenkin esitetty vain keskimääräisenä, eikä erikseen EU2/EU3 autoille, kuten bensiinikäyttöisissä autoissa. 35 Kylmäkäynnistyspäästöt - bensiinikäyttöiset henkilöautot HC -päästö [g/käynnistys + ajo 4 km y = 4,56e -,442x y = 8,767e -,616x R 2 =, , EU & EU1 VTT Publ. 348 EU2 EU3 Vaste EU & EU1 Vaste EU2 & EU ,3 1,6 Lämpötila [ o C] Kuva 1.11 Kylmäkäynnistyksen HC-lisäpäästö käynnistyslämpötilan funktiona; bensiinikäyttöiset autot EU EU3. NOx-päästö [g/käynnistys + ajo 4 km 3, 2,5 2, 1,5 1,,5 1,2,69,43 Kylmäkäynnistyspäästöt - bensiinikäyttöiset henkilöautot y =,1x + 1,262,55 1,4 EU & VTT Publ. 348 EU2 EU 3 Vaste EU & EU1 (VTT Publ. 348) Vaste EU2 Vaste EU3 y = -,7x +,521 1,3,4 y = -,x +,399,37,37, Lämpötila [ o C] Kuva 1.12 Kylmäkäynnistyksen NOx-lisäpäästö käynnistyslämpötilan funktiona; bensiinikäyttöiset autot EU EU3. 16

19 6 Kylmäkäynnistyspäästöt - dieselmoottoriset henkilöautot CO-päästö [g/käynnistys + ajo 4 km] EU2 EU3 3,18 2,21 Vaste EU2 & EU Lämpötila [ o C] Kuva 1.13 Kylmäkäynnistyksen CO-lisäpäästö käynnistyslämpötilan funktiona; dieselmoottoriset autot EU2 EU3.,6 Kylmäkäynnistyspäästöt - dieselmootoriset henkilöautot HC -päästö [g/käynnistys + ajo 4 km,5,4,3,2,1,42,49,4,34 EU2 EU3 Vaste EU2 & EU Lämpötila [ o C] Kuva 1.14 Kylmäkäynnistyksen HC-lisäpäästö käynnistyslämpötilan funktiona; dieselmoottoriset autot EU2 EU3. Hiilimonoksidi- ja hiilivetypäästöjen osalta on valittu lineaarinen riippuvuus kuvaamaan käynnistyslämpötilavastetta, kun mittausaineistoa ei riittävästi ole tukemaan muunlaisen funktion valitsemista. Sen sijaan typen oksidien ja hiukkaspäästöjen osalta eksponentiaalinen kuvaaja näyttäisi perustellummalta, koska lämpötilariippuvuus on niissä käänteinen, eli lisäpäästöt alenevat käynnistyslämpötilan laskiessa, jolloin lineaarinen vaste johtaisi varsin pian negatiiviseen tulokseen, mitä ei voi pitää järkevänä. Eksponentiaaliset vastefunktiot on näissäkin tapauksessa laskettu käyttäen MS Excel-taulukkolaskentaohjelman rutiineja. 17

20 Kylmäkäynnistyspäästöt - dieselmoottoriset henkilöautot 4,5 4 NOx-päästö [g/käynnistys + ajo 4 km 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 1,37,49 3,89 1,99 EU2 EU 3 Vaste EU2 / EU Lämpötila [ o C] Kuva 1.15 Kylmäkäynnistyksen NOx-lisäpäästö käynnistyslämpötilan funktiona; dieselmoottoriset autot EU2 EU3.,5 Kylmäkäynnistyspäästöt - dieselmootoriset henkilöautot PM -päästö [g/käynnistys + ajo 4 km],45,4,35,3,25,2,15,1 EU2 EU3 Vaste EU2 & EU3,97 y =,119e,485x,468,1761,5, Lämpötila [ o C] Kuva 1.16 Kylmäkäynnistyksen PM-lisäpäästö käynnistyslämpötilan funktiona; dieselmoottoriset autot EU2 EU3. 18

21 OSA B - MITTAUKSET RASKAILLA PAKETTIAUTOILLA Kolmantena autoryhmänä, jonka kylmäkäynnistyspäästöjä projektin puitteissa on mitattu ovat raskaat, bensiinikäyttöiset pakettiautot. Niitä mitattiin 5 kpl tammikuussa 21. Toisin kuin henkilöautot, nämä tutkitut autot eivät olleet aivan uusia, vaan edustivat vuosimalleja , ja niillä oli ajettu runsaasta 4, kilometristä vajaaseen 18, km:iin. Aiemman tutkimusaineiston perusteella ajomäärällä ei kuitenkaan näyttäisi olevan kovin merkittävää vaikutusta kylmäkäynnistyspäästöihin. Taulukossa 1.5 on eritelty kokeissa mukana olleet autot Koemenetelmänä oli normaalilämpötilassa (+23 ºC) EC2-koe (ECE15+EUDC) ja matalassa, -7 ºC lämpötilassa uuden EURO3 direktiivin (98/69/EC) mukainen, eli ECE15- ajo-ohjelma. Koetulokset, jotka on esitetty taulukossa 1.6, saatettiin myös EU:n MVEG-työryhmän tietoon sen suunnitellessa uusia päästörajoituksia. Taulukko 1.5: Kylmäpäästökokeissa mukana olleet raskaat pakettiautot merkki malli vm. iskutil. vaiht. rekisteri ajokm Ref. massa Weight class VW Transporter M5 UGT II Toyota Hiace M5 VIG III VW Caravelle M5 LPG III Chrysler Voyager Aut CEG III Chrysler Grand Voyager Aut IYO III Taulukko 1.6: Pakokaasukokeiden tulokset raskaille pakettiautoille koen:o koe/lämpötila ( C) merkki malli rek.tunnu s CO (g/km) HC (g/km) NOx (g/km) CO 2 (g/km) teor (l/1km) 2117 EC2 / +23 VW Transporter UGT-858 1,56,22, , EC2 / +23 Toyota Hiace VIG-452 3,12,17, , EC2 / +23 VW Caravelle LPG-1 4,24,35, , EC2 / +23 Chrysler Voyager CEG-568 7,24,25, , 2115 EC2 / +23 Chrysler Grand Voyager IYO-77 1,6,1, , 2118 ECE15 / -7 VW Transporter UGT ,46 2,81, , ECE15 / -7 Toyota Hiace VIG ,4 2,25, ,2 212 ECE15 / -7 VW Caravelle LPG-1 3,4 2,48, , ECE15 / -7 Chrysler Voyager CEG ,37 2,61 1, , ECE15 / -7 Chrysler Grand Voyager IYO-77 17,32 1,14, ,5 Koetuloksien ja bensiinikäyttöisten henkilöautojen kanssa samanlaisten teoriaoletusten perusteella on määritetty myös näille raskaille pakettiautoille kylmäkäynnistyspäästöjen lämpötilavasteet, jotka on esitetty kuvissa 1.17, 1.18 ja

22 16 Kylmäkäynnistyspäästöt - bensiinikäyttöiset pakettiautot CO-päästö [g/käynnistys + ajo 4 km = ECE15] y = -2,64x + 68,717 R 2 =,862 PA vm PA vm. 2 Vaste, PA vm Vaste, PA vm. 2 y = -2,8789x + 94,969 R 2 =, Lämpötila [ o C] Kuva 1.17 Kylmäkäynnistyksen CO-lisäpäästö käynnistyslämpötilan funktiona; bensiinikäyttöiset raskaat pakettiautot vm HC-päästö [g/käynnistys + ajo 4 km = ECE15] Kylmäkäynnistyspäästöt - bensiinikäyttöiset pakettiautot PA vm PA vm. 2 Vaste, PA vm Vaste, PA vm. 2 y = 7,3242e -,472x R 2 =,9128 y = 4,852e -,53x R 2 =, Lämpötila [ o C] Kuva 1.18 Kylmäkäynnistyksen HC-lisäpäästö käynnistyslämpötilan funktiona; bensiinikäyttöiset raskaat pakettiautot vm

23 NOx-päästö [g/käynnistys + ajo 4 km = ECE Kylmäkäynnistyspäästöt - bensiinikäyttöiset pakettiautot PA vm PA vm. 2 Vaste, PA vm Vaste, PA vm. 2 y = -,16x + 2,5268 R 2 =,3 y = -,327x + 2,8295 R 2 =, Lämpötila [ o C] Kuva 1.19 Kylmäkäynnistyksen NOx-lisäpäästö käynnistyslämpötilan funktiona; bensiinikäyttöiset raskaat pakettiautot vm Kuvien mukaan näiden raskaiden pakettiautojen kylmäkäynnistysten CO-päästöt ovat samaa suuruusluokkaa kuin vanhempien EU/EU1 kat-henkilöautojen, ja hiilivetypäästöt vähän korkeammat kuin saman ikäkauden kat-henkilöautoissa (EURO 2). Oletettavasti lähinnä suuremmasta painosta johtuen NOx-päästöjen taso on noin kaksinkertainen samanikäisiin EURO 2-henkilöautoihin verrattuna, mutta henkilöautojen tapaan NOx-päästöjen lämpötilariippuvuus on näissäkin varsin vähäinen. 21

24 OSATEHTÄVÄ 2: LÄMPÖAKUN KENTTÄKÄYTTÖKOE 1 JOHDANTO Kylmäpäästöjä vähentävänä teknologiana on hankkeessa erikseen arvioitu käynnistyslämmön varaajaa eli lämpöakkua, joka sinänsä on automallista ja merkistä riippumaton lisävarustetuote, ja asennettavissa ainakin osaan normaaleista autoista. Kaikkiin autoihin sitä ei kuitenkaan voitane asentaa pääasiassa moottoritilan ahtauden takia. Nyt tutkimuksissa ollut akku oli ns. toisen sukupolven akku, jossa lämpöä säilötään vain pelkkään jäähdytysnesteeseen, joka pidetään tehokkaasti tyhjiöeristetyssä säiliössä, joka on tilavuudeltaan noin jäähdytysjärjestelmän normaalitilavuuden suuruinen. Siinä ei siis käytetty lainkaan ensimmäisen sukupolven akkujen latentin lämmönvaraajan ominaisuuksia, joissa bariumhydroksidisuolan olomuodon muutoksella tehostettiin lämmön talteenottoa ja luovutusta. Sellaista tutkittiin MOBILE -ohjelmassa vuonna (Laurikko, Juhani. Lämmönvaraaja kylmäkäytön pakokaasupäästöjen ja energian kulutuksen vähentäjänä. Espoo, VTT Energia, MOBILE 14T-2). Lämmönvaihtimen huonon kestävyyden ja bariumhydroksidin alumiinia syövyttävien ominaisuuksien takia konstruktiosta kuitenkin luovuttiin, vaikka se sisälsikin ikään kuin sisäänrakennettuna älykkään termostaatin, sillä suola ei alkanut sulaa ennen kuin nesteen lämpötila kohosi riittävän korkealle, noin runsaaseen 8 ºC:een. Nykykonstruktiossa tähän tarvitaan erillinen termostaattiohjattu venttiili, joka sulkee virtauksen akkuun lämmön luovutuksen jälkeen ja avautuu vasta, kun moottori pysähtyy, jolloin neste on riittävästi lämmennyt. 2 TAVOITTEET Käynnistyslämmön varaajan eli lämpöakun käyttökokeen tavoitteena oli toisaalta todentaa sen käytöllä saavutettavat päästöjen vähenemät ja toisaalta tutkia kenttäkäyttökokeessa sen varauskyvyn säilymistä normaalia käyttöä vastaavissa olosuhteissa. 3 TUTKIMUKSEN TOTEUTUS Lämpöakun toiminnan tutkimiseksi sellainen asennettiin VTT:n koeautoon (Toyota Carina E 1.8 LB), joka oli sopivasti saatavilla projektitoimintaan, ja johon akku voitiin suhteellisen helposti asentaa. Autoa käytettiin talvikautena liikenteeseen normaaliin tapaan rekisteröiden käynnistysten yhteydessä ulkolämpötila ja jäähdytysnesteen lämpötila ennen käynnistystä, kun lämpöakun oli ensin annettu purkaa lämmintä nestettä jäähdytysjärjestelmään noin 4 6 sekuntia. Lisäksi tehtiin pakokaasumittauksia VTT Energian laboratoriossa koelämpötiloissa +23 ºC, ºC, -7 ºC ja 2 ºC. Kokeet suoritettiin samaan tapaan kuin Osatehtävä 1 yhteydessä. Niissä verrattiin ilman akkua mitattuihin peruspäästöihin sekä tapausta, jossa ei käytetty esikierrätystä, että sellaista toimintatapaa, jossa nesteen annettiin kiertää akkupaketissa olevan pienen sähköpumpun avulla 4 sekuntia ennen moottorin käynnistystä. Tämä aika oli kenttäkokeissa todettu useimmissa tapauksissa olevan riittävä huippulämpötilan saavuttamiseksi. 22

25 4 TUTKIMUKSEN TULOKSET Talvikaudella joulu-maaliskuu 2 VTT:n Toyota Carina E autossa olleen lämpöakun käynnistyslämmitystehoja mitattiin eri seisonta-ajoilla ja eri ulkolämpötiloissa. Aineisto on analysoitu, ja yhteenveto siitä on esitetty taulukossa 2.1. Taulukko 2.1. Yhteenveto lämpöakun toiminnasta Toyota Carina E -koeautossa Koeauto Toyota Carina 1,8 LB Koeaika, alkoi päättyi Ajomatka km Keskimatka/ajojakso 39, km Keskiaika/ajojakso 67 min max 9,5 h min 5 min Keskikulutus 6,3 l/1km Käynnistysten määrä 84 kpl Ajomatka/käynnistys 18,3 km/start Keskimääräinen seisonta-aika 11,6 h max 95 h Ulkolämpötila, keskimäärin 1 C max 21 C min -2 C Neste ennen käynnistystä, ka 27 C max 44 C min 5 C Keskimääräinen "boost" 24 C max 39 C min C Muutokset päästöissä: CO g -76 % HC -521 g -48 % NOx 135 g 43 % Akun antaman lämmitysvaikutuksen todettiin olevan varsin hyvä, sillä se kykeni nostamaan noin 4 6 s esikierrätyksellä nesteen lämpötilaa 5 35 ºC.. Tämä nähdään kuvasta 2.1, jossa on esitetty jäähdytysnesteen lämpötilan nousu ennen käynnistystä ulkolämpötilan funktiona sekä kenttäkokeessa että laboratoriomittauksissa. Esilämmityksen ansiosta nesteen lämpötila ennen käynnistystä oli noin ºC lämpötila-alueella ºC, mikä nähdään kuvasta 2.2 Seisonta-aika käynnistysten välillä sai olla jopa 3 4 vrk, ja silti akusta saatiin hyötyä, jos moottori on edellisessä ajossa ajettu lämpimäksi (=ajoaika yli 3 min). Tämä voidaan nähdä kuvasta 2.3, jossa jäähdytysnesteen lämpötila ennen käynnistystä on esitetty ajotapahtumien välisen seisonta-ajan funktiona. Erikseen on merkitty ne käynnistykset, joissa edellinen ajo on jäänyt kestoltaan alle 3 minuutin mittaiseksi, jolloin ei ole täyttä varmuutta siitä, että moottori on täysin lämmennyt ja lämpöakkuun varautuneen nesteen lämpötila on ollut riittävän korkea. Lämpöakun käytön ts. moottorin esilämmitysvaikutuksen - vaikutuksia pakokaasupäästöihin esittävät kuvat 2.4, 2.5 ja 2.6, joissa on esitetty erikseen CO, HC, ja NO x -päästötulokset eri koelämpötiloissa. 23

26 5 Läm m itysvaikutus [ C] Pakokaasukokeissa (laboratoriossa) y = -,25x 2 -,7262x + 28,99 R 2 =,9962 Kenttäkokeessa y = -,36x 2 -,4116x + 24,93 R 2 =,992 Lämpötilaluokka-keskiarvot Laboratoriokokeet Kaikki havainnot Poly. ( Lämpötilaluokka-keskiarvot ) Poly. ( Laboratoriokokeet ) Käynnistysläm pötila [ C] Kuva 2.1. Jäähdytysnesteen lämpötilan nousu ennen käynnistystä eri ulkolämpötiloissa. 5 Lämpöakun käytön vaikutus jäähdytysnesteen lämpötilaan käynnistyshetkellä Lämpötila esilämmityksen jälkeen [ C] y =.487x R 2 =.4768 esilämmitettynä ennen esilämmitystä Linear (esilämmitettynä ) Linear (ennen esilämmitystä) Jäähdytysnesteen lämpötila ennen esilämmitystä [ C] Kuva 2.2. Jäähdytysnesteen lämpötila ennen käynnistystä eri ulkolämpötiloissa. 24