Moottoritekniikan teknologiaohjelma ProMOTOR

Transkriptio

1 Moottoritekniikan teknologiaohjelma ProMOTOR Teknologiaohjelmaraportti 2/2004 Loppuraportti

2 Moottoritekniikan teknologiaohjelma ProMOTOR Loppuraportti Teknologiaohjelmaraportti 2/2004 Helsinki 2004

3 Kilpailukykyä teknologiasta Tekes tarjoaa rahoitusta ja asiantuntijapalveluja kansainvälisesti kilpailukykyisten tuotteiden ja tuotantomenetelmien kehittämiseen. Tekesillä on vuosittain käytettävissä avustuksina ja lainoina noin 390 miljoonaa euroa teknologian kehityshankkeisiin. Teknologiaohjelmien avulla maahamme luodaan uutta teknologiaosaamista yritysten, tutkimuslaitosten ja korkeakoulujen yhteistyönä. Ohjelmien tavoitteena on nostaa teknologista kilpailukykyämme tulevaisuuden keskeisillä teollisuuden toimialoilla. Tällä hetkellä Tekesillä on käynnissä noin 35 teknologiaohjelmaa. Copyright Tekes Kaikki oikeudet pidätetään. Tämä julkaisu sisältää tekijänoikeudella suojattua aineistoa, jonka tekijänoikeus kuuluu Tekesille tai kolmansille osapuolille. Aineistoa ei saa käyttää kaupallisiin tarkoituksiin. Julkaisun sisältö on tekijöiden näkemys, eikä edusta Tekesin virallista kantaa. Tekes ei vastaa mistään aineiston käytön mahdollisesti aiheuttamista vahingoista. Lainattaessa on lähde mainittava. ISSN ISBN Kansi: Oddball Graphics Oy Sisäsivut: DTPage Oy Paino: Paino-Center Oy, 2004

4 Esipuhe Tekes käynnisti ProMOTOR-moottoritekniikan teknologiaohjelman vuoden 1999 alusta viisivuotiseksi ohjelmaksi eli ohjelma päättyi vuoden 2003 lopussa. Ohjelman keskeiseksi tavoitteeksi asetettiin kansallisen moottorialaan liittyvän teollisuuden tuotekehityksen tukeminen ja sen avulla alan kilpailukyvyn ylläpitäminen ja parantaminen. Liiketoiminnan kehittämisen suhteen erityisenä tavoitteena nostettiin esiin alan pk-sektorin tuotekehityksen aktivoiminen ja liiketoiminnan kasvattaminen. Ohjelman tutkimuksen lähtökohdaksi otettiin alussa ketju, joka koostui polttoaineesta, moottoritekniikasta ja palamisesta sekä päästöjen hallinnasta. Tähän liittyvä teollisuuspohja oli ohjelman lähtötilanteessa vahva, kylläkin muutaman ison yrityksen kautta. Pk-sektorin mukaankytkeminen nähtiinkin hyvin tärkeänä toimialan kehittymiselle tulevaisuudessa. Heti alusta lähtien teollisuuden sitoutuminen teknologiaohjelmaan oli hyvin vahvaa. Tämä näkyi käytännössä myös ohjelman tutkimus- ja kehitystyössä, josta suurin osa tehtiin yritysten tuotekehityshankkeissa. Ohjelman aikana toteutettiin yhteensä 98 projektia, josta 61 oli tutkimuslaitosten vetämiä ja 37 yritysprojektia. Erityisesti tutkimushankkeista monet olivat monivuotisia ja käytännössä jatkohankkeita, mikä selittää hankkeiden suuren kappalemäärän. Ohjelman kokonaisbudjetiksi muodostui noin 51 M, mistä yritysprojektien osuus oli lähes 36 M eli noin 70 % ja tutkimushankkeiden osuus noin 15 M. Tekes rahoitti ohjelmaa yhteensä noin 22 M :lla lopun koostuessa yritysten ja julkisten laitosten rahoituksesta. Tässä loppuraportissa esitellään tutkimushankkeet ja niiden päätulokset. Myös suurimmasta osasta yrityshankkeita on saatu hyvät raportit, mistä erityinen kiitos yritystahoille. Tekes on lisäksi tilannut ProMOTOR-ohjelman arvioinnin, minkä raportti julkaistaan erillisenä Tekesin julkaisusarjassa. Teknologiaohjelma on merkittävässä määrin parantanut aiemmin hajanaisen moottorialan tutkimuksen verkottumista sekä tutkimustahojen että yritysten välillä. Samalla tutkimuksen taso on noussut ja tutkimustahot ovat päässeet kansainvälisen tutkimuksen tasolle sekä ovat enenevässä määrin menneet mukaan kansainvälisiin hankkeisiin. Alan tutkimustoiminnan infrastruktuuria on myös ohjelman aikana parannettu merkittävillä panostuksilla tulevaisuuden moottoritekniikan tutkimuslaitteisiin. Uudet laiteresurssit mahdollistavat tutkimustoiminnan, jonka avulla suomalainen teollisuus säilyy kilpailukykyisenä ja parantaa asemiaan tulevaisuudessa.

5 Lopullinen ulkoisen ohjelma-arvioinnin tulos ei tätä kirjoitettaessa ollut valmis, joten yksityiskohtaisempi sisältö löytyy edellä mainitusta raportista. Kuitenkin alustavaa arviotietoa on jo saatavilla. Sen mukaan projektien, sekä tutkimus- että yrityshankkeiden onnistuminen arvioitiin hyväksi, erityisesti yrityshankkeiden osalta jopa erinomaiseksi. Se antaa käsityksen, että tutkimus- ja kehityskohteet ovat olleet oikein valittuja ja tehty työ on ollut laadukasta. Arvioinnin yhteydessä tarkasteltiin ohjelman vaikuttavuutta ns. toimialan kehitysvaiheen näkökulmasta. Tämä jälkiarvio antoi ymmärtää, että toimialan kehittymisen kannalta resursseja olisi ehkä voinut suunnata toisella tavalla kuin ohjelmassa tehtiin. Kuitenkin ohjelman lähtötilanteessa teknologian kehitystoiminnan strategiset linjaukset olivat erilaisia tämänpäiväiseen tilanteeseen nähden, joten tuolloin tehdyt painopistevalinnat puoltavat hyvin paikkaansa. Tekes haluaa kiittää kaikkia ProMOTOR-teknologiaohjelman toteutukseen osallistuneita yrityksiä, tutkimuslaitoksia ja muita sidosryhmiä sekä henkilöitä rakentavasta ja hedelmällisestä yhteistyöstä. Erityisesti Tekes haluaa kiittää ohjelmapäällikkö Matti Kytöä ja ohjelman johtoryhmää onnistuneesta ohjelman läpiviennistä. Joulukuussa 2003 Teknologian kehittämiskeskus Tekes

6 Tiivistelmä Moottoritekniikan teknologiaohjelma ProMO- TORin keskeinen alue on ketju polttoaineista moottoriin, moottoripalamiseen ja pakokaasujen puhdistukseen. Päästöjen voimakas alentamispaine on yksi moottorialan keskeisistä haasteista ja lopputuloksen optimoimiseksi tarvitaan koko edellä mainitun ketjun huomioon ottamista. Ohjelman valmistelu tehtiin kiinteässä yhteistyössä alueen yritysten kanssa. Ohjelman päätavoitteeksi kirjattiin moottorialaan liittyvän teollisuuden tuotekehityksen tukeminen teollisuudenalan kansainvälisen kilpailukyvyn ylläpitämiseksi ja kehittämiseksi. Yritysprojekteilla oli ohjelmassa suuri paino, volyymina mitattuna noin 70 % toteutui yrityshankkeina. Ohjelmassa päästiin hyviin tuloksiin kaikilla osa-alueilla. Moottoriteoria-alueella panostettiin voimakkaasti laskennan kehittämiseen, ja neljän tutkimuslaitoksen yhteistyönä projektin johtoryhmän ohjaamana moottoreiden virtauslaskelma saatiin nostettua kansainväliselle tasolle. Tiivis kansainvälinen yhteistyö ja opinnäytteet ovat näyttöjä tasosta. Laskennan lisäksi parannettiin sylinterin sisäisten ilmiöiden mittaamista, mutta tällä alueella panostus oli pientä. Tutkimusvalmiuksia parannettiin useilla alueilla. Uusi tutkimusmoottori, EVE (Extreme Value Engine), antaa mahdollisuuden moottoriprosessin variointiin tavoilla, jotka eivät ole mahdollisia tavanomaisissa moottoreissa. Korkea ahtopaine ja vapaasti valittava venttiilien ajoitus ovat tärkeitä, uusia vapausasteita antavia tekijöitä. Erittäin korkeille tehollisille keskipaineille suunnitellun moottorin mekaaninen rakenne sinällään on ainutlaatuinen. Tribologian tutkimukseen suunniteltiin ja rakennettiin sekä männänrengastribologian tutkimuslaite että mittava laakerikoepenkki. Raskaan ajoneuvokaluston tutkimusvalmiudet kohotettiin uuden tutkimuslaitteiston myötä korkealle tasolle. Sekä kokonaisten ajoneuvojen että moottoreiden tutkimusta voidaan tehdä mm. näköpiirissä olevien päästövaatimusten mukaisesti. Uusia tutkimusvalmiuksia on hyödynnetty tuloksellisesti sekä päästötutkimuksessa että raskaiden ajoneuvojen energiankulutuksen vähentämiseen tähtäävässä tutkimuksessa. Moottoreiden ja moottorikomponenttien alueella kehitettiin kokonaan uusia tuotteita ja moottoreiden suorituskykyyn ja päästöihin vaikuttavia komponentteja. Keskinopeiden moottoreiden alueella dual-fuel-moottori on hyvä esimerkki onnistuneesta uudesta tuotteesta. Common-rail-tekniikkaa on kehitetty sekä keskinopeisiin että nopeakäyntisiin dieselmoottoreihin. Uusi dieselmoottorin mäntä edustaa edistyksellistä ja kilpailukykyistä suomalaista tuotetta. Työkonedieseleissä on kehitetty uusi moottorisukupolvi, jolle leimaa antava piirre on sähköisten ohjausten runsas hyväksikäyttö. Elektronista ohjausta on hyödynnetty sekä suorituskyvyn parantamisessa että päästöjen vähentämisessä. Hyötymoottorikelkkaan on kehitetty uusi nelitahtinen vähäpäästöinen moottori. Kokonaan uutta suunnittelua edustaa autokäyttöön tarkoitettu moottori, josta on rakennettu ja koekäytetty ensimmäinen prototyyppi. Mittaustekniikan alueella on kehitetty ja tuotu markkinoille jatkuvatoiminen pakokaasujen hiukkasmassa mittaukseen soveltuva laite ja pakokaasun ominaisuuksien mittaamiseen soveltuva näytteenottolaitteisto. Näytteenottolaitteisto on avainasemassa mitattaessa pienhiukkasia. Liikennepolttoainetutkimuksessa on selvitetty bensiiniin ja dieselpolttoaineeseen soveltuvia biokomponentteja Suomen olosuhteissa ja löydetty sopivat tuotespesifikaatiot. Polttoainekomponenttien tuotantoon eläinrasvoista, paistoöljyistä ja muista kasviöljyistä on kehitetty uusi menetelmä.

7 Lisäksi on kehitetty tekniikkaa tuottaa eetteriä korvaavia korkealaatuisia hiilivetykomponentteja. Ajoneuvokokoluokassa dieselmoottoreiden pakokaasujen puhdistustekniikoista on kehitetty sekä hapetuskatalysaattoreita että SCR-tekniikkaa typen oksidien vähentämiseen. Uudet hapetuskatalysaattorit toimivat entistä alhaisemmissa lämpötiloissa ja ne vähentävät partikkelipäästöä merkittävästi enemmän kuin aikaisemmat tuotteet. SCRtekniikassa on saavutettu haluttu NO x -konversio dieselmoottorilla moottoridynamometrikokeissa. Yhden ajoneuvon kenttäkoe on käynnissä. Tässä ProMOTOR-teknologiaohjelman loppuraportissa on kuvattu ohjelman toteutusta ja saatuja tuloksia osin projektien vastuuhenkilöiden laatimien yhteenvetojen muodossa ja osin vuosikirjoissa julkaistujen raporttien lyhennelminä. Ohjelman arviointiraportti julkaistaan erillisenä raporttina.

8 Abstract The technology program ProMOTOR, related to the technology of internal combustion engines, covered the whole chain from fuels to engine, and from engine combustion to exhaust gas clean-up. One of the main challenges in the engine sector is to decrease emissions significantly. In order to meet this challenge, the whole chain has to be considered. The program was designed in close cooperation with the national industry of this sector. The main objective of the program was to support product development of the engine-related industry in order to develop and maintain international competitiveness. Corporate projects formed a substantial part of the program, amounting to about 70% of the whole budget volume. Good results were achieved in every sector of the program. In the sector of Engine Theory great efforts were directed to the development of calculation and simulation procedures and protocols. The efforts paid off, and significant progress was achieved. Close international cooperation and academic theses give indication of the high level. In addition to computational work optical method to study in-cylinder phenomena was developed. Research infrastructure was improved in many different areas. A new research engine, EVE (Extreme Value Engine), makes it possible to vary the operational parameters and the engine process in such ways which are not possible in ordinary engines. A very high boost pressure and freely selectable valve timing are important new features providing more freedom in testing. The mechanical structure of this engine, which is designed for extremely high mean effective pressures, is unique. A research device for piston ring tribology and a large bearing test rig were also designed and constructed for tribology research. The research facilities for work on heavy vehicles and engines improved significantly. Today it is possible to run complete heavy-duty vehicles on a chassis dynamometer and test engines, for example, according to transient type test protocols. The new research facilities have been utilized successfully both in the field of emission research and in studies aiming at decreasing energy consumption of heavy-duty vehicles. Completely new products and components improving general and emission performance of engines were developed in the sector of Engines and Engine Components. The dual-fuel engine is a good example of a successful new product within the category of medium speed engines. Common-rail injection technology has been developed for both medium-speed and high-speed diesel engines. A new piston for a diesel engine represents a competitive and advanced Finnish product. In the case of off-road diesel engines a new engine generation has been developed. Its most significant feature is extensive implementation of electronic control. Electronic control has been used both to improve overall performance and to reduce emissions. A new four-stroke engine with low emissions has been developed for snowmobile applications. A totally new engine intended for passenger cars has been designed and test runs have been carried out. In the area of Measurement Technique, a new device suitable for continuous measuring of particle mass in the exhaust flow has been developed and brought to the market. In addition, a sampling device suitable for exhaust gas characterisation research has been developed. Appropriate sampling technology is crucial in fine particle measurements.

9 In transportation fuel research, biocomponents suitable for gasoline and diesel fuel in Finnish climatic conditions have been studied and suitable product specifications have been determined. A new method for producing fuel components from animal fats and vegetable oils has also been developed. In addition, a technology to produce ethersubstituting, high-quality hydrocarbon components has been advanced. In order to reduce emissions from diesel vehicles, oxidation catalysts and SCR-catalysts have been developed. New oxidation catalysts operate at lower temperatures and reduce particle emissions more efficiently than earlier products. SCR-technique is being developed for heavy-duty vehicles. Significant NO x conversion was achieved with a diesel engine installed in an engine dynamometer. A field test with one SCR equipped vehicle is underway. This final report includes description of the implementation of the program and results from individual projects in the form of summaries. The ProMOTOR program has also produced Annual Reports. The evaluation report of the program will be published as a separate report.

10 Sisällysluettelo Esipuhe Tiivistelmä Abstract 1 Teknologiaohjelman yleiskuvaus Ohjelman tausta Tavoitteet Tutkimusalueet Rahoitus Toimintaan osallistuneet tahot Kansainvälinen yhteistyö Tulokset pääalueittain Moottoriteoria, moottoriprosessien ja -palamisen mallintaminen/mittaaminen Dieselprosessin hallinta: laskennallinen moottoritutkimus Keskinopean dieselmoottorin palamisen kehittäminen Dieselliekin kuvantavan diagnostiikan hyödyntäminen moottorien optimoinnissa Moottorin mekaaninen rakenne ja moottorin apujärjestelmät Ruiskutusjärjestelmien perustutkimus Dieselmoottorin palotilan seinämärakenteen kehittäminen Matalapäästöinen korkean hyötysuhteen monipolttoainemoottori Wärtsilä 50 DF Dieselmoottorin höyryinjektio Moduloitu ahtoilmansuodatin Työkonedieselmoottorit lisää suorituskykyä ja alhaisempia päästöjä elektroniikan avulla Z-moottori Moottorikelkan moottoritekniikan kehittäminen Pakokaasujen puhdistus ja mittaus Katalyyttiset jälkikäsittelyjärjestelmät Euro5-dieselajoneuvoihin SCR-katalysaattorijärjestelmien ja raskaan kaluston jälkikäsittelyjärjestelmien tutkimus VTT:llä vuosina Pienmoottoreiden päästöjen vähentäminen Katalyytin deaktivoituminen ja sen havainnointi pakokaasujen puhdistuksessa Ajoneuvojen hiukkaspäästöt haasteena mittauksilla Poltto- ja voiteluaineet Liikennepolttoaineiden biokomponentit Vähäpäästöinen voiteluaine...62

11 2.5 Uudet tutkimusvalmiudet Raskaan ajoneuvokaluston kehityshanke RAKE Mäntämoottorin ääriarvot Vibrantti-laakerikoepenkki VTT:n männänrengastribometri Moottorisovelluksiin ja moottorien käyttöön liittyvät aiheet Kehittynyt lämmön talteenotto KELTO Liitteet A Projektiluettelo...89 B Julkaisuluettelo...96 C Opinnäyteluettelo D Seminaarit Tekesin teknologiaohjelmaraportteja

12 1 Teknologiaohjelman yleiskuvaus 1.1 Ohjelman tausta Vuosina energiateknologian tutkimus oli järjestetty 11 kansalliseen energiatutkimusohjelmaan. MOBILE, Liikenteen energiankäytön ja ympäristövaikutusten tutkimusohjelma, sisälsi polttoaineisiin- ja dieselmoottoreihin liittyviä kehityshankkeita. Polttoaineita ja moottoreita sivuttiin myös LIEKKI- ja SIHTI-ohjelmissa. Syksyllä 1997 päätettiin käynnistää ProMOTORiksi nimetyn ohjelman suunnittelu, ja ohjelmaa valmistelemaan perustettiin suunnitteluryhmä, jonka työn pohjalta ohjelma päätettiin käynnistää syksyllä Tavoitteet ProMOTOR-ohjelman keskeisenä tavoitteena on moottorialaan liittyvän teollisuuden tuotekehityksen tukeminen teollisuudenalan kansainvälisen kilpailukyvyn ylläpitämiseksi ja kehittämiseksi. Luettelomuodossa tavoitteet ovat: kehittää ja tuottaa laadullisesti ja hinnallisesti kilpailukykyisiä tuotteita tarjota mielekäs toimintaympäristö yritysten tuotekehityshankkeiden toteuttamiseksi teknologiahyppäysten mahdollistaminen eräillä alueilla (esim. dieselmoottorien sähköinen säätö) auttaa moottorisektoria sopeutumaan kansainväliseen kehitykseen päästöjen vähentämiseksi ja energian käytön tehostamiseksi aktivoida ja edesauttaa pk-yritysten tuotekehitys- ja liiketoimintaa hakea synergistisiä etuja eri yritysten ja tutkimustahojen yhteistoiminnalla ja verkottumisella tarjota yrityksille mekanismi vaikuttaa tutkimuslaitosten toiminnan suuntaamiseen tarjota mahdollisuus eri tutkijaosapuolille profiloitua moottoritutkimuksen osaajina tarjota foorumi erilaisten kansainvälisten yhteyksien hoitamiseksi kouluttaa maahan lisää moottorien ja moottoritutkimuksen asiantuntijoita. 1.3 Tutkimusalueet ProMOTOR-ohjelman selkärangaksi valittiin synerginen ketju polttoaine moottori & palaminen pakokaasujen puhdistus. Valitulla alueella kotimaisen teollisuuspohjan katsottiin olevan riittävän vahva ohjelman muodostamiseksi ja kansainvälisissä yhteyksissäkin mainittua ketjua tarkastellaan usein kokonaisuutena. Teknologiaohjelman alue jaettiin runkosuunnitelmassa kuuteen aihealueeseen ja edelleen alakohtiin seuraavasti: I. Moottoriteoria, moottoriprosessien ja -palamisen mallintaminen/mittaaminen 1. Moottoriprosessien tutkiminen, menetelmien kehittäminen II. Moottorin mekaaninen rakenne ja moottorin apujärjestelmät 2. Moottorin mekaaninen rakenne, moottorin apujärjestelmät 3. Säätö- ja ohjausjärjestelmät III. Pakokaasujen puhdistus 4. Moottoritekniset menetelmät ja pakokaasujen jälkikäsittely IV. Poltto- ja voiteluaineet 5. Polttoaineet 6. Voiteluöljyt 7. Muut moottoriin integroidut nesteet V. Moottoreiden testaus, testaustekniikka, käyttöolosuhteiden vaikutus 8. Moottoreiden testaus 9. Käyttöolosuhteiden vaikutus VI. Moottorisovelluksiin ja moottorien käyttöön liittyvät aiheet 10. Moottoriin installoidut jäähdytys, lämmön talteenotto ja CHP-kytkennät 11. Integrointi ja standardisointi (järjestelmätoimitukset) 12. Huoltotoiminta, jätteiden kierrätys ja käsittely 1

13 Toteutuneiden projektien jako edellä mainituille alueille ei ole yksiselitteistä. Yritysprojektit painottuivat selvästi alueille II, III ja IV, tutkimuslaitosprojektit jakautuivat tasaisemmin koko alueelle. Projektiluettelo on liitteessä Rahoitus Ohjelmassa tehtiin yhteensä 99 Tekesin rahoituspäätöstä. Tutkimuslaitosprojektien rahoituksesta päätettiin pääsääntöisesti vuosittain, joten projektien todellinen kokonaismäärä oli noin 60. Yritysprojekteja toteutettiin yhteensä 34 kokonaisvolyymin ollessa 35,6 M ja Tekesin tuen 13,2 M.Tutkimuslaitosprojektien volyymi oli 15,5 M, josta Tekesin rahoitus noin 9 M. Ohjelman kokonaisvolyymi oli noin 51 M. Kuvassa 1 näkyy toteutunut volyymi vuosittain rahoituspäätöksien perusteella. Tutkimuslaitosprojekteissa toteuma ja päätökset ovat lähellä toisiaan, mutta useiden yritysprojektien päätökset koskevat useampaa kuin yhtä vuotta, joten toteutuksen volyymi jakautuu päätösten volyymiä tasaisemmin. Kuvassa 2 nähdään kokonaisrahoituksen jakauma. Yritysten oma rahoitus 44 % Muu rahoitus tl hankkeet 12 % Tekes Y rahoitus 26 % Tekes TL rahoitus 18 % Kuva 2. Kokonaisrahoituksen jakauma lähteittäin. Yritysten rahoitus omiin projekteihinsa oli noin 44 %, lisäksi yritykset rahoittivat tutkimuslaitoshankkeita niin, että noin puolet ohjelman rahoituksesta tuli yrityksiltä. 16 Rahoitus (M ) Yritysten oma rahoitus Muu rah tl hankkeet Tekes/tutkimuslaitokset Tekes/yritykset Kuva 1. Ohjelman rahoitus vuosittain. 2

14 1.5 Toimintaan osallistuneet tahot Kuudellatoista yrityksellä on ollut ohjelmassa oma projekti (liite 1). Kun mukaan lasketaan tutkimuslaitosprojektien rahoitukseen osallistuneet yritykset osallistujien kokonaismäärä nousee yli kaksinkertaiseksi eli lähes 40 yritykseen. Suurin volyymi on luonnollisesti ollut alan veturiyrityksillä. Tutkimuslaitoksista Teknillinen korkeakoulu (TKK), VTT Prosessit ja Tampereen teknillinen yliopisto (TTY) ovat olleet pääroolissa. Edellisten lisäksi ohjelmaan ovat osallistuneet Kuopion yliopisto, Oulun yliopisto, Åbo Akademi, Kymenlaakson ammattikorkeakoulu, Maatalouden tutkimuskeskus (MTT/Vakola), Turun ammattikorkeakoulu ja Oulun aluetyöterveyslaitos. 1.6 Kansainvälinen yhteistyö Kansainvälinen yhteistyötä on pääosin tehty projektitasolla. Projekteissa on ollut tutkijavaihtoa sekä suomalaisten tutkijoiden työskentelynä ulkomailla että ulkomaisten vaihtotutkijoiden työskentelynä projekteissa. Lisäksi EU-projekteihin on ollut konkreettisia kytkentöjä. Ohjelmatasolla valmisteltiin liittyminen IEA Combustion sopimukseen, johon suomalaiseksi tutkimushankkeeksi otettiin osa laskentaprojektin tehtävistä. IEA-toimintaan on osallistuttu myös jo vakiintuneiden Advanced Motor Fuels (AMF), ja Hybrid and Electric Vehicles sopimuksien puitteissa. AMF-sopimus on sisältänyt konkreettisia yhteisprojekteja ulkomaisten partnereiden kanssa, muissa sopimuksissa toiminnan luonne on ollut tiedon vaihtoa. Lisätietoa IEA AMF toiminnasta on osoitteessa Ohjelman seminaareihin saatiin kansainvälisiä esityksiä ajankohtaisista aiheista erityisesti päästöihin liittyvistä aiheista. 3

15 2 Tulokset pääalueittain 2.1 Moottoriteoria, moottoriprosessien ja -palamisen mallintaminen/mittaaminen Dieselprosessin hallinta: laskennallinen moottoritutkimus Martti Larmi, Teknillinen korkeakoulu, polttomoottorilaboratorio Tiivistelmä Dieselprosessin hallinta -hankkeessa on tehty dieselprosessin fysikaalisia ilmiöitä kuvaavien alimallien tutkimus- ja kehitystyötä. Hankkeen teoreettinen perusta on laskennallisessa virtausmekaniikassa. Erilaisia alimalleja ja malliyhdistelmiä on tutkittu eri kuormitustapauksissa kolmen eri kokoluokan moottoreissa. Moottoreiden tutkimus- ja kehitystyössä voidaan laskennallisesti tutkia rakenteellisten ja toiminnallisten seikkojen vaikutuksia dieselpalamiseen ja päästöjen muodostumiseen. Näitä seikkoja ovat polttoainesuuttimen reikäkoko ja reikien lukumäärä, suutinkulma, suuttimen asema, ruiskutuspaine, ruiskutusprofiili, palotilan muoto sekä täytöksen lämpötila, paine, tiheys, koostumus ja virtauskenttä. Hankkeen erillinen loppuraportti julkaistaan helmikuussa Perusteet ja hankkeen tavoitteet Laskennallinen virtausmekaniikka on avannut uuden ulottuvuuden moottoreiden tutkimuksessa ja kehityksessä. Laskennallisen virtausmekaniikan avulla sylinterin sisäisiä tapahtumia voidaan tarkastella simuloimalla. Sylinterin sisäisten ilmiöiden kokeellinen tutkimus on aikaa vievää ja teknisesti vaativaa. Erilaisia parametritutkimuksia on mahdollista tehdä laskennallisesti ilman koetoimintaa. Laskennalla ei kuitenkaan kokonaan korvata kokeellista tutkimusta, vaan teoreettinen ja kokeellinen tutkimus tarvitsevat toinen toistaan. Tiede ja tekniikka etenevät mallikehityksen ja teorian sekä kokeellisen toiminnan yhteistyönä. Dieselprosessin hallinta -hanke on ollut neljän tutkimuslaitoksen yhteinen projekti. Mukana ovat olleet Tampereen teknillinen yliopisto, Åbo Akademi, VTT sekä Teknillinen korkeakoulu. Hankkeen simuloinnit perustuvat laskennalliseen virtausmekaniikkaan. Hankkeessa on tehty dieselprosessin fysikaalisia ilmiöitä kuvaavien alimallien tutkimus- ja kehitystyötä. Erilaisia alimalleja ja malliyhdistelmiä on tutkittu eri kuormitustapauksissa kolmen eri kokoluokan moottoreissa. Hankkeeseen on liittynyt myös mittaustoimintaa sekä laskennan alkuarvojen ja reunaehtojen määritystä. Simulointien tuloksia on verrattu moottoreista mitattuihin sylinteripainekäyriin ja niistä saatuihin lämmönvapautumisiin. Myös aiemmin raportoituja polttoainesuihkun kylmäkammiomittauksia on käytetty vertailuarvoina. Varsinaista kokeellista palamistutkimusta hankkeessa ei ole tehty. Dieselprosessi on muuttuvine kaasuvirtauksineen ja palamisineen laskennallisesti haasteellinen. Laskennassa tarvitaan liikkuva ja mukautuva laskentahila, joka usein on myös monimutkainen. Polttoainesuihkun simulointi edellyttää laskentaohjelmilta kykyä tarkastella pisaroiden kulkua erillään kaasuvirtauksesta. Useiden fysikaalisten ilmiöiden malleja tarvitaan laskennassa. Näitä ilmiöitä ovat esimerkiksi pisaroituminen, pisaroi- 5

16 den ja kaasuvirtauksen vuorovaikutus, pisaroiden höyrystyminen, polttoainehöyryn sekoittuminen palamisilmaan, syttyminen, lämmön vapautuminen ja palamisreaktiot, lämmönsiirto sekä päästöjen muodostuminen. Laskennan soveltaminen ja tutkimustulokset Rakenteellisten ja toiminnallisten seikkojen vaikutuksia dieselpalamiseen ja päästöjen muodostumiseen voidaan tutkia laskennallisesti. Polttoainesuihkun kannalta oleellisia seikkoja ovat polttoainesuuttimen reikäkoko ja reikien lukumäärä, suutinkulma, suuttimen asema, ruiskutuspaine ja ruiskutusprofiili. Palamisolosuhteiden kannalta korostuvat palotilan muoto sekä täytöksen lämpötila, paine, koostumus ja virtauskenttä. Tutkimushankkeen tuloksena on saatu paljon käyttökelpoista tietoa dieselmoottorin sylinterin sisäisistä tapahtumista. Kuvassa 1 on esitettynä imutahdin aikaisia virtauksia SISU 645 -moottorin sylinterissä. Värit kuvaavat virtausnopeuksia sylinterissä metreinä sekunnissa. Imu- ja puristustahdin simulointi vei 2.5 GHz prosessorilla varustetulta tietokoneelta keskusyksikköaikaa yli viikon. Laskentahilassa oli noin laskentakoppia. Nopeakäyntisissä moottoreissa imu- ja puristustahdin virtausten arviointi on tärkeää, koska palamisen alkaessa virtauskentällä on oleellinen vaikutus itse palamistapahtumaan. Kuvassa 2 on esitettynä Wärtsilä 20 -moottorin palamissimuloinnista kuva hetkellä 10 astetta kammenkulmaa yläkuolokohdan jälkeen. Moottorista on mallitettu symmetriasyistä vain kahdeksasosasylinterin kokoinen sektori. Kahdeksasosa vastaa yhden suutinreiän osuutta. Laskentakoppeja mallissa on kyseisellä laskentahetkellä 17 x 49 x 23 kappaletta. Palamistapahtuman simulointi vei noin kymmenen tuntia keskusyksikköaikaa. Vaikka laskennallisen virtausmekaniikan avulla saadaan yksityiskohtaisia tuloksia dieselprosessista, on tulosten arvioinnissa oltava varovainen. Laskennallisen virtausmekaniikan haasteena on ollut ja on edelleen itse kaasuvirtauksen laskeminen. Kaasuvirtausten laskennassa joudutaan käyttämään keskiarvotettuja virtauksia. Virtausten ajalli- Kuva 1. SISU 645 -moottorin sylinterin sisäisiä virtauksia imutahdin lopussa. 6

17 Kuva 2. Wärtsilä 20 -moottorin sylinterin sisäinen paikallinen lämpötila (K) sekä polttoainesuihku palamistapahtuman aikana. nen ja paikallinen heilahtelu eli turbulenssi joudutaan mallittamaan. Laskennassa käytetään erilaisia turbulenssimalleja, joilla heilahtelu huomioidaan. Polttoainesuihkun muoto ja tunkeuma ovat jossain määrin riippuvaisia laskentahilasta eli laskenta on hilariippuvainen. Myös suutinvirtauksen ja suihkun välinen riippuvuus on haasteellinen, ja oikeanlainen suihkun alustaminen laskentaan vaatii ammattitaitoa. Mikäli nämä hankaluudet huomioidaan riittävässä määrin, voidaan palamisen simulointia käyttää menestyksekkäästi moottoreiden tutkimus- ja kehitystyössä. Kansainvälinen yhteistyö ja raportointi Hankkeen päätyttyä voidaan todeta, että Suomessa on saavutettu moottorilaskennassa hyvä kansainvälinen taso. Korkeatasoisia kansainvälisiä julkaisuja on tehty lähes kolmekymmentä. Useita päteviä ja ammattitaitoisia tutkijoita on kouluttautunut laskentaan. Kansainvälistä tutkijainvaihtoa on ollut seuraavien oppilaitosten välillä: Michigan Technological University, Houghton, USA ja Teknillinen korkeakoulu, Otaniemi. Korkeatasoisia opinnäytteitä on tehty useita. Väitöskirjoja on valmistunut yksi ja kolme väitöskirjaa on valmisteilla. Teoreettista tietämystä on viety teollisuuteen kaksi kertaa vuodessa pidetyissä hankkeen sisäisissä seminaareissa. Hankkeesta julkaistaan erillinen loppuraportti Teknillisen korkeakoulun Polttomoottorilaboratorion julkaisusarjassa helmikuussa Keskinopean dieselmoottorin palamisen kehittäminen Raimo Turunen, Teknillinen korkeakoulu, polttomoottorilaboratorio Toim. Matti Kytö, VTT Prosessit Tavoite Projektin perusidea oli käyttää numeerista virtauslaskentaa keskinopean dieselmoottorin palamisen optimoimiseksi (NO x, savutus, polttoaineen ominaiskulutus) ja näin vähentää tarvittavien moottorikokeiden määrää. Esimerkkimoottoriksi valittiin Wärtsilä 20 ja asetettiin konkreettiset suorituskyvyn tavoitearvot. Toisena tehtävänä oli selvittää mahdollisuudet rakentaa sylinterin sisäinen polttoainesuihkun ja palamisen tutkimuslaite TKK:n polttomoottorilaboratorioon ja ottaa kantaa eri menetelmien käyttökelpoisuuteen. Kolmantena tehtävänä oli moottorin venttiiliajoituksen optimoiminen moottorikokein. Toteutus Toteutusvaiheessa havaittiin, että CFD-malli toimi melko hyvin ja antoi järkeviä ennusteita, mutta sen käyttäminen ei ollut riittävän nopeaa. Yhden tapauksen simuloimiseen meni useita vuorokausia. 7

18 Ihmisen tehtävänä oli samoin kuin moottorikokeiden yhteydessäkin valita uudet parametrit laskentaa varten ja tehdä päätelmät tuloksista. Päätelmien teon tueksi, nopeuttamiseksi ja systemoimiseksi kehitettiin neuroverkkomalli (Ari Kallio), jonka avulla voitiin ennustaa eri parametrien vaikutukset suorituskykyyn. Neuroverkkomalli piti opettaa aikaisemmin tehdyillä moottorikokeilla. Näitä saatiin koemoottorin valmistajalta ja omasta laboratoriosta. Lisäksi mallia voitiin opettaa numeerisen virtauslaskentamallin tuloksilla. Jatkovaiheessa (kolmas tehtävä) tehtiin moottorikokeita erilaisilla venttiiliajoituksilla. Sen lisäksi tutkittiin männän lämpötilan vaikutusta hiukkaspäästöön. Lämpötilan muutos saatiin aikaan jäähdytystä muuttamalla. Tulokset Sekä numeerisen mallin että neuroverkkomallin avulla saavutettiin jonkin verran edistystä, etenkin savutuksen suhteen, mutta jouduttiin toteamaan, ettei voitu löytää sellaista parametriyhdistelmää, jolla olisi päästy kaikkiin tavoitearvoihin. Koska tässä tarkastelussa ei ollut voitu ottaa huomioon venttiiliajoitusta (ei käytettävissä opetusdataa neuroverkkomallille, CFD:n avulla tutkiminen liian hidasta), ehdotettiin projektille jatkohanketta, jossa uutta venttiiliajoitusta testattaisiin moottorikokein. Sylinterin sisäisistä tutkimusmenetelmistä tehtiin kirjallisuustutkimus, jonka tulokset on raportoitu ProMotor vuosikirja 2000:ssa. LII- (Laser Induced Incandescence) ja LIF (Laser Induced Fluorescence) -menetelmät todettiin käyttökelpoisiksi ja soveltuviksi käytettäväksi EVE-koemoottorin yhteydessä. Huuhtelun vähentämisen avulla oli mahdollista pienentää samanaikaisesti polttoaineen ominaiskulutusta, NO x -ominaisemissiota ja todennäköisesti myös pienimpien hiukkasten määrää pakokaasussa. Haittapuolena oli pakoventtiilien ja turbiinin lisääntyneet lämpökuormitukset. Koeventtiiliajoituksien edulliset vaikutukset polttoaineen kulutukseen liittyivät kaasunvaihdon aikana saadun työn lisääntymiseen. Huuhtelun vähentäminen kasvatti palamislämpötilaa ja kohotti pakokaasun NO x -pitoisuutta, mutta samaan aikaan pakokaasun massavirta väheni suhteessa vakiotilanteeseen vielä enemmän ja lopputuloksena moottorin NO x -ominaisemissio pieneni. Jäännöskaasumäärän lisääminen alensi selvästi palamiskaasujen NO x -pitoisuutta. Pienten hiukkasten määrän vähentyminen pakokaasussa lyhennettäessä huuhtelujaksoa liittyi todennäköisesti tehostuneeseen hapettumiseen Dieselliekin kuvantavan diagnostiikan hyödyntäminen moottorien optimoinnissa Ville Nummela, Tampereen teknillinen yliopisto, fysiikan laitos Toim. Matti Kytö, VTT Prosessit Taustaa Moottorien diagnostiikkaan liittyvissä ProMO- TOR-ohjelman aiemmissa projekteissa on kehitelty tekniikkaa, jolla pystytään mittaamaan mm. dieselliekin 2-dimensioinen lämpötilajakauma. Projekteissa tehtyä työtä on raportoitu Juha Vattulaisen väitöskirjassa Advances in Optical Diagnostics of High Temperature Industrial Processes (TTKK Julkaisuja 273, 1999) sekä Ville Nummelan diplomityössä Dieselliekin kuvantava pyrometria (TTKK Sähkötekniikan osasto 1999) ja useissa tieteellisissä julkaisuissa. Mm. Vattulainen, J., Nummela, V., Hernberg, R. & Kytölä, J., A system for quantitative imaging diagnostics and its application to pyrometric in-cylinder flame-temperature measurements in large diesel engines. Measuring Science Technology 11 (2000) Polttomoottorin palamisprosessin mittaaminen on suorassa yhteydessä palamisen mallinnukseen. Mallinnuksen kehittämiseksi ja tulosten verifioimiseksi tarvitaan mahdollisimman yksityiskohtaista mittaustietoa sylinterin sisäisistä prosesseista. 8

19 Kuva 1. Kaavio kaksoiskamerasta ja endoskooppioptiikasta mittaustilanteessa. Projektin lähtökohtana oli aiemmin kehitetty kaksoiskameralaitteisto (kuva 1), jolla on mahdollista ottaa lämpökuvia dieselliekistä moottorin sylinterin sisäpuolella. Kaksoiskameran suorituskyky on hyvä, mutta haittana on monimutkainen rakenne, minkä vuoksi sen käyttäminen on verraten hankalaa ja vaatii perehtyneisyyttä optisten menetelmien problematiikkaan. Tavoite Tavoitteena oli muokata kuvantava pyrometrinen diagnostiikka sellaiseen muotoon, että se voidaan siirtää moottoritutkijoiden itsensä käytettäväksi. Tavoitteen saavuttamiseksi kehitettiin dieselliekin lämpökuvaukseen uusi, digitaaliseen värikameraan perustuva, kaksoiskameraa yksinkertaisempi mittausmenetelmä. Tulokset Uusi mittalaite on rakennettu ja mittausohjelma kirjoitettu. Dieselliekin lämpötilamittaus on mahdollista toteuttaa digitaaliseen värikameraan perustuvalla laitteistolla siten, että laitteiston suorituskyky ei ole merkittävästi kaksoiskameraa huonompi. Vain yhtä kameraa käyttämällä muualla saavutetaan selkeitä etuja: 1) mittalaite on yksinkertaisempi, edullisempi ja helppokäyttöisempi, 2) se ei vaadi käyttäjältään samaa optisten laitteiden asiantuntemusta kuin kaikilta ominaisuuksiltaan säädettävissä oleva kaksoiskamera, 3) tarvittavien tietokoneohjelmien toteuttaminen helpottuu myös merkittävästi, mikä edesauttaa laitteiston käyttökelpoisuutta käytännön mittaustilanteessa, sillä mittalaite voidaan tehdä älykkäämmäksi (mm. automaattinen ajastus ja valotusajan säätö) ja sitä myöten merkittävästi nopeatoimisemmaksi. Mittaustilanteessa suurin ero kaksoiskameraan verrattuna oli parannettu automatiikka, jonka ansiosta mittaaminen nopeutui moninkertaisesti. Etenkin suuremmilla moottoreilla tämä merkitsee selvää säästöä koeajokustannuksissa. Projektin aikana syntyi idea lisätä kameraa ohjaavaan tietokoneeseen myös A/D-muunninkortti. Tämä myös toteutettiin, joten uusi laite pystyy nyt mittaamaan synkronoidusti sekä dieselliekin emittoimaa säteilyä että digitoimaan mittaussylinteriin sijoitetun paineanturin sekä suuttimen neulan asentoanturin antamaa signaalia. 9

20 Värikamera ja endoskooppioptiikka voidaan tarvittaessa korvata mustavalkokameraan kiinnitetyllä spektrometrillä, jolloin laitteistoa voidaan käyttää dieselliekin emittoiman säteilyn tarkempaan spektroskooppiseen analyysiin. Saatua spektridataa voidaan käyttää mm. mitattujen lämpökuvien luotettavuuden arviointiin. Laitteisto on koottu toimivaksi paketiksi ja luovutettu käyttöohjeineen Teknillisen korkeakoulun Polttomoottorilaboratorion käyttöön. Kuva 2. Esimerkki dieselmoottorin sylinterin lämpöjakaumasta palamisen loppupuolella. Punainen väri kuvaa n K lämpötilatasoa, keltainen runsaan 2500 K lämpötilaa ja vihreä n K lämpötilaa. 10