Tiivistelmä. Polttoainelaadun vaikutus dieselhenkilöauton hiukkassuodattimen toimintaan

Transkriptio

1

2 Tiivistelmä Polttoainelaadun vaikutus dieselhenkilöauton hiukkassuodattimen toimintaan Otettaessa käyttöön uusiutuvia polttoaineita pitää pystyä varmistumaan, että pakokaasun puhdistuslaitteet ja moottorit toimivat oikein myös uusilla polttoaineilla. Tässä työssä tutkittiin polttoainelaadun vaikutusta dieselhenkilöauton hiukkassuodattimen toimintaan. Dieselautojen hiukkassuodattimet vähentävät hiukkaspäästöjä tehokkaasti mutta tukkeutuvat nopeasti. Siksi hiukkassuodatin täytyy puhdistaa eli regeneroida kilometrin välein. Hiukkassuodattimeen kertyneen noen nopea hapettuminen vaatii 600 C lämpötilan. Tässä tutkimuksessa käytetyssä autossa hiukkassuodattimen lämpötila nostettiin polttoaineen jälkiruiskutuksen avulla. Palotilassa höyrystynyt polttoaine palaa pakosarjassa ja hapetuskatalysaattorissa. Hiukkassuodattimen regenerointi kaksinkertaistaa polttoaineen hetkellisen kulutuksen, mikä lisää keskimääräistä polttoaineen kulutusta regenerointivälistä riippuen 0,2 0,4 litraa sadalla kilometrillä. Raakaöljyperäisen dieselin tilalle on kehitetty uusiutuvista lähtöaineista tehtyjä polttoaineita, joita voidaan käyttää dieselmoottoreissa. Kasviöljyn metyyliesteri (FAME) voi aiheuttaa ongelmia nykyisissä dieselmoottoreiden polttoainejärjestelmissä ja siksi sitä voidaan käyttää vain pieninä osuuksina raakaöljyperäisen dieseliin sekoitettuna. FAME aiheuttaa ongelmia myös hiukkassuodattimen regeneroinnin aikana, koska se ei höyrysty kokonaan ja siksi sitä pääsee liukenemaan moottoriöljyyn. Vetykäsiteltyä kasviöljyä (HVO) voidaan käyttää kaikissa dieselmoottoreissa joko seostamattomana tai sekoitettuna raakaöljyperäiseen dieseliin. HVO:lla sekä FAME:lla syntyy vähemmän hiukkaspäästöjä kuin tavallisella dieselillä. Hiukkassuodatin tukkeutuu hitaammin hiukkaspäästöjen ollessa pienemmät. Tutkimuksessa vertailupolttoaineena oli raakaöljyperustainen dieselpolttoaine EN 590 ja koepolttoaineina olivat 100 % vetykäsitelty kasviöljy (HVO), 30 % HVO:ta ja 70 % raakaöljyperäistä dieseliä sisältävä seos, sekä 10 % FAME:a ja 90 % raakaöljyperäistä dieseliä sisältävä seos. Kokeissa käytetty FAME oli tehty rypsiöljystä eli se oli rypsiöljyn metyyliesteriä (RME). Mittaukset tehtiin VTT:n kevyellä alustadynamometrillä yhtä henkilöautoa käyttäen. Kokeet suoritettiin käyttäen NEDC-testiä ja vakionopeuskoetta. Tutkimuksessa vertailtiin ajettua matkaa regenerointien välillä eri polttoaineilla. Mittauksissa kerättiin tietoa myös regeneroinnin aikana syntyvistä pakokaasupäästöistä ja regeneroinnin vaikutuksesta polttoaineen kulutukseen. Hiukkasten lukumäärä pakokaasussa nousi regeneroinnin alkaessa yli tuhatkertaiseksi kaikilla polttoaineilla auton pakoputken päästä mitattuna. Tutkimuksessa todettiin, että regenerointiväli oli pisin 10 % FAME:a sisältävällä polttoaineella, vaikka hiukkassuodatin tukkeutui hitaimmin käytettäessä 100 % HVO-polttoainetta. Hiukkassuodattimen hitaampi tukkeutuminen ei siis välttämättä johda pidempään regenerointiväliin tutkimuksessa käytetyssä autossa. Regenerointiväli käytettäessä 30 % HVO:ta sisältävää seosta sekä raakaöljyperäistä dieseliä oli lähes sama. Mittauksissa saatujen tietojen perusteella auton moottorinohjauksen laskema noen määrä hiukkassuodattimessa ratkaisee, milloin regenerointi aloitetaan. Avainsanat: diesel, hiukkassuodatin (DPF), regenerointi, vetykäsitelty kasviöljy (HVO), kasvirasvan metyyliesteri (FAME) 2

3 Abstract Effect of fuel quality on particulate filters of diesel cars As renewable fuels are introduced it is necessary to ensure that not only engine but exhaust-cleaning devices too apparatuses and engines also function properly with these new fuels. This study assesses the effect of fuel quality on the function of particulate filters of a diesel car. The particulate filters reduce particulate emissions effectively, but soot can clog them quickly. Particulate filters must therefore be regenerated every 300 to 700 kilometers. The rapid oxidization of the soot that accumulates in a particulate filter requires a temperature of 600 C. The temperature of the particulate filter in the car used in this study was raised by fuel afterinjection. Fuel that has evaporated in the combustion chamber burns in the exhaust manifold and oxidation catalyst. The regeneration of a particulate filter doubles the momentary consumption of fuel, which increases the average fuel consumption by liters per hundred kilometers, depending on the frequency of regeneration. Fuels that can be used in diesel engines have been produced from renewable sources to replace part of diesel from crude oil. Fatty acid methyl ester (FAME) can cause problems in the fuel systems of modern diesel engines and therefore it can only be used as small percentages mixed into diesel from crude oil. FAME also causes problems during the regeneration of particulate filters because it does not evaporate entirely and therefore dissolves into the engine oil. Hydrotreated vegetable oil (HVO) can be either used in all diesel motors as such or mixed with diesel from crude oil. It takes longer for a particulate filter to become obstructed when there are fewer particulates. The reference fuel used in the study was an ordinary oil based diesel fuel, and the test fuels were 100% hydrotreated vegetable oil (HVO), 30% HVO and a mixture containing 70% diesel from crude oil, and a mixture comprised of 10% FAME and 90% diesel from crude oil. The FAME used in the tests was produced from rapeseed oil, i.e. it was rapeseed methyl ester (RME). Measurements were conducted on VTT s chassis dynamometer using one passenger car. Tests were run conducted using the NEDC test followed by a constant speed test. Comparisons were made in the study of the distance travelled between regenerations using different fuels. Data were also collected during the tests of the exhaust emissions generated during regeneration and the effect of regeneration on fuel consumption. The number of particulates measured at the end of the car s exhaust pipe during the start of regeneration by more than a factor of one thousand for all fuels. This study shows that the regeneration interval was longest for the fuel comprised of 10% fatty acid methyl ester, although the particulate filter became obstructed the slowest with 100% HVO fuel. However, a slower obstruction or clogging of particulate filters does not always result in longer intervals between regeneration. The regeneration interval was nearly the same whether the fuel used was a mixture with 30% HVO or diesel from crude oil. Measurements based on data from this study show the amount of soot in the particulate filter, as calculated by the car s engine control unit, determines when regeneration begins. Keywords: diesel, diesel particulate filter, regeneration, Hydro treated vegetable oil (HVO), fatty acid methyl ester (FAME) 3

4

5 Tiivistelmä... 2 Polttoainelaadun vaikutus dieselhenkilöauton hiukkassuodattimen toimintaan 2 Abstract... 3 Effect of fuel quality on particulate filters of diesel cars... 3 Alkulause... 4 Käytetyt lyhenteet... 7 Johdanto Pakokaasupäästöt Hiukkaset Hiukkasten kokoluokat Pakokaasuhiukkasten synty Pakokaasuhiukkasten rakenne Kaukokulkeuma ja katupöly Päästöjen terveysvaikutukset Kaasumaiset päästöt Liikenteen hiilidioksidipäästöt Palamattomat hiilivedyt Hiilimonoksidi Typenoksidit Pakokaasun puhdistuslaitteet ja menetelmät Hiukkassuodattimet Yleistä hiukkassuodattimista Passiivinen regenerointi Aktiivinen regenerointi Hiukkaskatalysaattorit Hapetuskatalysaattori Typenoksidien vähennysmenetelmät Pakokaasun takaisinkierrätys Pelkistävä katalysaattori Päästöluokat ja -rajat henkilöautoille Tekniikan kehitys henkilöautoissa Päästövaatimusten täyttäminen Polttoaineet Polttoaineen vaikutus regenerointiin ja hiukkaspäästöihin Polttoaineiden ominaisuuksia Dieselpolttoaine Rasvahapon metyyliesteri Vetykäsitelty kasviöljy GTL polttoaine Yleistä alustadynamometrikokeista Alustadynamometrikokeet Mittausten valmistelut Koeympäristö Koepolttoaineet Ajosyklit NEDC-testi Vakionopeuskoe

6 7.5 Polttoaineen syöttö Tutkimuksessa käytetty auto Perustiedot Hiukkassuodattimeen liittyvät anturit Kokeissa käytetyn auton hiukkassuodattimen toiminta Hapetuskatalysaattori ja hiukkassuodatin Moottorinohjauksen toiminta regeneroinnin aikana Regeneroinnin ehdot Tulokset Regenerointivälit EN % HVO / 70 % EN % HVO % FAME / 90 % EN Regenerointivälit kokeittain Paine-ero hiukkassuodattimen yli Paine-ero regeneroinnin aikana Hiukkassuodattimen aiheuttama vastapaine eri polttoaineilla Regeneroinnin vaikutus polttoaineen kulutukseen Regeneroinnin kestoaika Regeneroinnin vaikutus hiukkaspäästöihin Regeneroinnin vaikutus hiilivetypäästöihin Regeneroinnin vaikutus hiilidioksidipäästöihin Johtopäätökset Liite 6

7 Käytetyt lyhenteet HVO FAME RME REE F-T GTL BTL DPF DOC CRT SCR EGR OBD CVS vetykäsitelty kasviöljy (Hydrotreated Vegetable Oil) rasvahapon metyyliesteri (fatty acid methyl ester) rypsiöljyn metyyliesteri rypsiöljyn etyyliesteri Fischer-Tropsch, synteesiprosessi, jolla valmistetaan polttonesteitä, esimerkiksi dieselpolttoainetta, synteesikaasusta maakaasusta valmistettu nestemäinen polttoaine (Gas To Liquids) biomassasta valmistettu nestemäinen polttoaine (Biomass to liquids) dieselauton hiukkassuodatin (Diesel Particulate Filter) dieselauton hapettava katalysaattori (Diesel Oxidation Catalyst) jatkuvasti puhdistuva hiukkassuodatin, jossa noki poltetaan hapettavan katalysaattorin tuottamalla typpidioksidilla (Continuous Regenerating Trap) ammoniakkipitoisen liuoksen avulla typenoksideja pelkistävä katalysaattori (Selective Catalytic Reduction) Pakokaasun takaisinkierrätys järjestelmä (Exhaust Gas Recirculation) auton omavalvontajärjestelmä (On Board Diagnostic) pakokaasupäästöjen mittauksessa käytetty vakiotilavuusnäytteenottomenetelmä 7

8 Johdanto Energian kulutusta halutaan vähentää, samoin kasvihuonekaasupäästöjä. Uusiutuvien polttoaineiden osuutta halutaan lisätä. Fossiilisen polttoaineen tilalle täytyy löytää korvaava polttoaine, joka täyttää niin ympäristövaatimukset kuin moottoreiden vaatimukset. Autoteollisuudelle dieselkäyttöiset henkilöautot ovat hyviä pyrittäessä alittamaan hiilidioksidipäästötavoite 130 g/km. Fossiilisten polttoaineiden korvaaminen uusiutuvilla vaatii tiivistä yhteistyötä polttoaine- ja autotekniikan tuotekehityksessä. Dieselkäyttöisille autoille on tarjolla kokonaan uusiutuvista raaka-aineista tehtyä polttoainetta, jota voi käyttää ilman muutoksia kaikissa dieselautoissa. Tämän työn tavoitteena on selvittää polttoaineen vaikutus dieselauton hiukkassuodattimen toimintaan ja siten myös polttoaineen kulutukseen. Johtaako hiukkassuodattimen hitaampi tukkeutuminen pidempään regenerointiväliin? VTT:n alustadynamometrillä ajetuilla autokokeilla vertaillaan henkilöauton hiukkassuodattimen tukkeutumista ja regenerointiväliä eri polttoaineilla. Tässä työssä keskitytään dieselkäyttöisen henkilöauton hiukkassuodattimen toimintaan ja hiukkaspäästöihin. Koepolttoaineet olivat hiilivetypolttoaine (tavallinen dieselpolttoaine EN 590), uusiutuva HVO-polttoaine, 30/70 % HVO/hiilivetydieselseos ja 10 % FAME:a ja 90 % hiilivetydieseliä sisältävä seos. Dieselkäyttöiset henkilöautot kuluttavat vähemmän polttoainetta kuin vastaavan kokoiset bensiini- ja etanolikäyttöiset autot. Tiukentuvat päästörajat pakottavat kehittämään ympäristöystävällistä tekniikkaa. Dieselautojen päästöissä ongelmana ovat NO x - ja hiukkaspäästöt, koska moottoriteknisin menetelmin voidaan vähentää vain toisia kerrallaan. Moottoriteknisten keinojen lisäksi hiukkaspäästöjä vähennetään hiukkassuodattimilla ja typenoksidipäästöjä pelkistävällä katalysaattorilla. Tutkimuksessa todettiin polttoaineen kulutuksen olevan regeneroinnin aikana kaksinkertainen normaaliin tilanteeseen verrattuna. Regenerointi lisää siten keskimääräistä polttoaineen kulutusta 0,2 0,4 l/100 km. Keskimääräinen polttoaineen kulutus laskee, jos regenerointiväliä voidaan pidentää. Aktiiviseen regenerointiin käytettävän polttoaineen jälkiruiskutuksen haittavaikutus on myös lisääntynyt polttoaineen liukeneminen moottoriöljyyn. 8

9 1 Pakokaasupäästöt Säännellyt päästöt ovat uusissa henkilöautoissa jo niin pienet, että mitään suurta parannusta on vaikea saada enää aikaan. Asiaan vaikuttaa myös se, mihin päästöihin halutaan vaikuttaa milloinkin - painotetaanko maailmanlaajuisia kasvihuonekaasuja vai niin sanottuja lähipäästöjä? Polttoaineiden puhtaus ja tasainen laatu ovat joka tapauksessa ehdottomia edellytyksiä: Jos polttoaineen laatu vaihtelee, ei palamista voida hallita riittävän tarkasti. Täytyy tietää mitä aineita reaktioissa on mukana ja miten reaktiot toimivat sylinterissä vallitsevissa olosuhteissa. /1/ Dieselmoottorin pakokaasuissa on runsaasti happea ilmaylimäärän vuoksi. Pakokaasun suuri happiosuus vaikeuttaa typenoksidien pelkistämistä. Kuva 1 esittää dieselmoottorin päästöjakauman täydellä kuormalla. Osakuormalla pakokaasussa on enemmän ilmaa mukana, eli pienempi osuus haitallisia päästöjä, toisin sanoen pakokaasu on laimeampaa. Kuva 1. Dieselmoottorin pakokaasupäästöjakauma täydellä kuormituksella /2, s.13/ Dieselmoottorin pakokaasuista suurin osa eli 67 % on typpeä (N 2 ), hiilidioksidia (CO 2 ) 12 %, vesihöyryä 11 % ja happea (O 2 ) 10 %. Varsinaisten saasteiden osuudeksi jää siis alle 0,5 %, kuten kuvasta 1 voidaan havaita. Dieselautojen päästöissä typenoksidit (NO x ) ja hiukkaspäästöt (PM) ovat suurin ongelma. Bensiinikäyttöisissä autoissa hiukkaspäästöjen osuus pakokaasussa on pieni ja kaasumaiset haitalliset päästökomponentit on suhteellisen helppo poistaa kolmitoimikatalysaattorilla. 9

10 1.1 Hiukkaset Hiukkasten kokoluokat Pienhiukkasista puhuttaessa tarkoitetaan alle 2,5 µm ja hengitettävillä hiukkasilla pienempiä kuin 10 µm aerodynaamiselta halkaisijaltaan. Kuva 2 havainnollistaa hiukkasten mittasuhteita. Kuva 2. Eri lähteistä syntyvien hiukkasten kokoluokkia. /3/ Liikenne synnyttää hiukkaspäästöjä: pienhiukkaset syntyvät polttomoottorissa ja suuret hiukkaset ovat tiepölyä. Dieselhenkilöautojen moottoreissa syntyy pienhiukkasia joiden koko on välillä 0,003 0,7 µm. Samaa kokoluokkaa olevia pienhiukkasia sisältää myös tupakansavu. Kuvaan 2 on vertailun vuoksi lisätty 10

11 näkyvän valon aallonpituutta havainnollistava mitta-alue. Nano- ja ultrapieniä hiukkasia ei voida tutkia näkyvän valon avulla. Karkeasti voidaan todeta, että dieselhenkilöautojen pakokaasuhiukkaset ovat kaasumolekyylejä suurempia, mutta enimmäkseen bakteereja pienempiä Pakokaasuhiukkasten synty Hiukkaset ovat erityisen suuri ongelma kaupunkien katukuiluissa, joissa autot ja jalankulkijat ovat lähellä toisiaan. Hiukkaspäästöjen vaikutukset eivät ole vähentyneet samassa suhteessa kuin hiukkaspäästöt. Pakokaasupäästöt lisääntyvät eniten siellä missä ihmisiäkin on paljon. Päästöt voidaan jakaa sellaisiin, jotka vaikuttavat lähellä (lähipäästöt), kuten hiukkaspäästöt, typenoksidit ja häkä. Hiilidioksidin vaikutus on maailmanlaajuinen eikä sillä ole merkitystä haitallisena lähipäästönä. /4, s.8/ Kuva 3. Palava dieselsuihku /5/ Kuva 3 esittää dieselin palamista polttoainesuihkussa. Suoraruiskutusdieselissä polttoaine palaa diffuusioliekillä. Hiukkasia syntyy dieselin palaessa siellä missä 11

12 polttoaine - ilma -seos on rikas. Typenoksideja muodostuu siinä osassa, missä lämpötila on korkea. Samassa osassa, eli liekin kuorella happea on eniten. Diffuusiopalamisessa happi on palavan aineen ympärillä. Palaminen tapahtuu rajapinnalla ja hapen osuus vähenee mentäessä liekin kuorelta kohti sisustaa. Happi diffusoituu kohti pienempää konsentraatiota. Esimerkiksi kynttilä palaa diffuusioliekillä. Hiukkasten koostumus riippuu olosuhteista: Niistä haihtuu, ja niihin voi kondensoitua muita yhdisteitä. Pakokaasun jäähtyessä kaasumaisessa olomuodossa olevia hiilivetyjä kondensoituu kiinteiden hiukkasten pinnalle. Kun pakokaasu virtaa pakoputkesta ulos, se jäähtyy ja laimenee ilmaan, kuten kuvasta 4 havaitaan. Ilmassa muodostuu uusia hiukkasia kun hiukkaset yhdistyvät ja kaasumaisia hiilivetyjä muuttuu nestemäiseen olomuotoon. /3/ Kuva 4. Pakokaasun laimentuminen ilmaan /6/ Pakokaasun laimentumista ilmaan ja hiukkasten nukleoitumista käsittelevistä tutkimuksista kerrotaan myös lähteessä /7/ kohdassa Otto- ja dieselmoottoreiden nestehiukkaset: voiteluaineen ja jälkikäsittelyn vaikutus. Itse asiassa suurin osa ultrapienistä hiukkasista muodostuukin vasta pakoputkessa ja/tai ulkoilmassa, kun pakokaasujen lämpötila laskee. Silloin kaasumaisista hiilivedyistä alkaa tiivistyä pieniä pisaramaisia hiukkasia. /8/ 12

13 1.1.3 Pakokaasuhiukkasten rakenne Pakokaasuhiukkaset muodostuvat kiinteistä yhteen liittyneistä hiilihiukkasista. Kiinteän ytimen ympärille on kondensoitunut palamattomia hiilivetyjä, nesteitä ja kaasuja. 0,01 0,08 millimetrin kokoiset ytimet tarttuvat toisiinsa ja hiilivetyjen kerros ympäröi monimutkaisen ytimistä koostuneen ryhmän. Hiili muodostaa hiukkasen ytimen, jonka ympärille adsorboituu hiilivetyjä, nestemäisiä hiukkasia ja sulfaatteja. Hiukkasiin voi liittyä myös kaasumaisessa muodossa olevia hiilivetyjä. /9/ Kuvassa 5 on esitetty hiukkasen rakennetta ja sen kiinteän ytimen ympärille adsorboituneita aineita. Kuva 5. Pakokaasuhiukkasen rakenne /9, s.28/ Kuvassa 5 on esimerkki siitä, miltä dieselmoottorissa syntynyt pakokaasuhiukkanen voi näyttää. Mustat pallot kuvaa hiilestä muodostuneita ytimiä ja harmaa verho niiden ympärillä adsorboituneita hiilivetyjä. Siniset avoimet ympyrät kuvaavat pisaramaisia hiukkasia, jotka ovat nestemäisiä hiilivetyjä ja suljetut ympyrät veteen liuenneita sulfaatteja. Pienet pisteet hiukkasen ympärillä ovat höyrystyneitä hiilivetyjä. 13

14 1.1.4 Kaukokulkeuma ja katupöly Euroopassa on esitetty ohjearvoksi hiukkasten haitalliselle vuorokausipitoisuudelle 50 µg/m 3. Turvallista rajaa ei kuitenkaan ole, sillä riski kasvaa pitoisuuden kasvaessa. Pitkäaikainen altistuminen yli 100 µg/m 3 pitoisuuksille heikentää astmaattisten lasten ja nuorten keuhkojen toimintaa. /10/ Vain osa ilman pienhiukkasista tulee autojen pakokaasupäästöistä. Esimerkiksi katupöly on keväisin merkittävä hiukkaslähde. Kuvasta 6 nähdään piikki kevätkuukausien aikana PM 10 -kokoluokan hiukkasten määrässä. 2,5 µmkokoluokan hiukkasten pitoisuus on pysynyt alle 10 µg kuutiometrissä. Kevätkuukausien aikana halkaisijaltaan 10 µm olevien hiukkasten pitoisuus on noussut Oulun keskustassa jopa 65 µg/m 3. Kuva 6. Hiukkasten pitoisuudet Oulun keskustassa vuosina /11/ Pienhiukkaset voivat kulkeutua pitkiäkin matkoja. Elokuussa 2006 Karjalan metsäpalot nostivat ilman hiukkaspitoisuudet Suomessakin tietyillä alueilla 20- kertaisiksi. Kaukokulkeuman vuoksi ilmanlaatu oli huono Oulun korkeudella asti. /11/ 14

15 1.1.5 Päästöjen terveysvaikutukset Liikenteen terveydelle haitalliset päästöt ovat vähentyneet ja vähenevät edelleen parempien polttoaineiden ja tiukentuvien päästömääräysten myötä. Päästöjen aiheuttamat terveysvaikutukset eivät kuitenkaan ole vähentyneet samassa suhteessa. Liikenteen kasvu tiheästi asutuilla alueilla on syönyt osan teknisen kehityksen tuomasta hyödystä. Toisaalta jos tekniikan kehitys ei olisi mahdollistanut päästöjen vähentämistä, tilanne olisi paljon huonompi. Liikenteen tuottamat päästöt ovat joka tapauksessa vakava haitta ihmisten terveydelle: suomalaista kuolee vuosittain ennenaikaisesti ilman epäpuhtauksien johdosta. /4/ Hiukkasilla on ihmisiin sekä lyhytaikaisia että pitkäaikaisia vaikutuksia. Lyhytaikaisia ovat hengenahdistus ja ärsytysoireet. Pitkäaikaisia vaikutuksia taas ovat sydän- ja hengityselinkuolleisuus. /7/ Hiukkasten kulkeutuminen ihmisen hengitysteissä on esitetty kuvassa 7. Mitä pienempiä hiukkaset ovat, sitä huonommin elimistö kykenee torjumaan ne. Pienimmät hiukkaset kulkeutuvat keuhkorakkuloista verenkiertoon. Nanohiukkasiakin tutkitaan, mutta niiden vaikutusten arviointi on vaikeaa, koska vaihtoehtoisia yhdistelmiä on paljon. Nanohiukkasilla tarkoitetaan yleensä alle 0,1 µm kokoisia hiukkasia. Hengitysteitä verhoaa ripsiepiteeli, johon hiukkaset jäävät. Ripset ja hengitysteiden pinnalla oleva lima kuljettavat hiukkaset nieluun. 10 µm hiukkaset jäävät nenäonteloon ja 5 µm hiukkaset jäävät henkitorveen. 1 µm hiukkaset kulkeutuvat keuhkoihin asti ja sitä pienemmät 0,1 µm hiukkaset pääsevät keuhkoista verenkiertoon. Ylähengitysteihin jäävät hiukkaset poistuvat terveillä ihmisillä melko tehokkaasti elimistöstä. /7/ Kuva 7 havainnollistaa erikokoisten hiukkasten kulkeutumista ihmisen hengitysteissä. 15

16 Kuva 7. Hiukkasten kulkeutuminen hengitysteissä /7/ Suuremmat kuin 10 mikrometrin kokoiset hiukkaset laskeutuvat maahan ja sitä pienemmät hiukkaset pysyvät ilmassa pidempään. Hiukkaseen, kuten kaikkiin kappaleisiin, vaikuttavat niin maan vetovoima kuin sen pudotessa ilmassa ilmanvastusvoimakin. Ilmanvastus hidastaa putoamista ja kun hiukkanen on riittävän kevyt, sen painovoima ei riitä kiihdyttämään hiukkasen putoamisnopeutta. Pienet hiukkaset siis putoavat niin hitaalla nopeudella, että ne käytännössä leijuvat. 1.2 Kaasumaiset päästöt Liikenteen hiilidioksidipäästöt Dieselkäyttöisten henkilöautojen osuus henkilöautokannasta on kasvanut luvulla. Uusien dieselkäyttöisten henkilöautojen CO 2 -päästöt ovat kääntyneet selvään kasvuun, koska kuluttajat suosivat entistä isompia autoja. Vuonna

17 dieselautojen keskimääräiset hiilidioksidipäästöt olivat vielä hieman pienemmät kuin bensiiniautoilla, mutta bensiiniautojen CO 2 -päästöt ovat pysyneet noin 180 gramman tasolla sataa kilometriä kohti vuoteen 2007 asti. Dieselautojen CO 2 - päästöt olivat alle 160 grammaa sataa kilometriä kohti 2000-luvun alussa. Suomen, ja Euroopan, kaikista kasvihuonekaasupäästöistä noin viidennes tulee liikenteestä, josta edelleen kolmasosa tulee tieliikenteestä. Liikenteen osuus kasvihuonekaasupäästöistä koko maailmassa on 13 %. /4/ Kuva 8. Suomeen ensirekisteröityjen autojen CO 2 -päästöt. /12/ Kuvasta 8 havaitaan uusien autojen keskimääräiset hiilidioksidipäästöt vuodesta 2000 alkaen. Uusien dieselautojen keskimääräiset hiilidioksidipäästöt ovat kasvaneet 2000-luvulla vuoteen 2006 asti. Kun uusien dieselautojen keskimääräiset hiilidioksidipäästöt ovat kasvaneet, bensiinikäyttöisten autojen vastaava luku on jopa hieman laskenut. Muutosta voisivat selittää polttoaineiden hinta ja se, että isot henkilöautot on ostettu yhä useammin dieselmoottorilla varustettuina. Vuonna 2006 dieselautojen hiilidioksidipäästöjen taso lähes saavutti uusien bensiiniautojen keskimääräisen hiilidioksidipäästöjen tason. Tämän jälkeen kumpikin arvo on laskenut alle 160 g/km tason. Lasku johtuu verotuksen muuttumisesta hiilidioksidiperusteiseksi. Autovero ja ajoneuvovero ovat sitä suurempia, mitä enemmän auto tuottaa hiilidioksidipäästöjä. Tässä on se haittapuoli, että monen kuluttajan mielessä hiilidioksidipäästöt ovat nousseet terveydelle haitallisia päästöjä merkityksellisemmiksi. 17

18 Ensirekisteröityjen henkilöautojen keskimääräiset hiilidioksidipäästöt tulevat tasoittumaan hitaaseen laskuun tulevina vuosina. Nopea lasku vuoden 2007 jälkeen on saatu aikaan markkinoiden ohjaamisella ja tulevan laskun määrää tekniikan kehitys. Tarjolla on ollut jo pitkään vähän hiilidioksidia tuottavia autoja, mutta ne eivät ole olleet niin suosittuja kuin verouudistuksen jälkeen, jolloin autovero ja ajoneuvovero muutettiin CO 2 -perusteiseksi. Verouudistus sai siis kuluttajat valitsemaan useammin vähiten hiilidioksidia tuottavan vaihtoehdon. Nykyäänkin yhtä moni kuluttaja valitsee vähiten hiilidioksidia tuottavan automallin. Tekniikan kehitys määrää, kuinka nopeasti näiden vähiten kuluttavien vaihtoehtojen hiilidioksidipäästöt laskevat. Tekniikan kehitys mahdollistaa hitaamman kehityksen kuin markkinoiden ohjaus. /13/ Palamattomat hiilivedyt Hiilivetypäästöt, eli HC-päästöt ovat palamatta jääneitä hiilivetyjä kuten polttoainetta tai öljyhöyryä. Jaksoittain tapahtuva palaminen on epätäydellistä ja siksi pakokaasuun jää pieni määrä hiilivetyjä. Puristussytytteisessä moottorissa palaminen alkaa monesta kohdasta, joten palotilan eri osissa polttoaine - ilma -seos on erilainen. Palotilan muotoilulla ja polttoaineen ruiskutuksen kehittämisellä pyritään vähentämään moottorissa syntyviä HCpäästöjä. Suoraruiskutusdieselmoottorissa palaminen alkaa kun osa polttoaineesta on vielä tulematta ruiskutussuuttimesta. Tämän vuoksi ruiskutetun polttoaineannoksen alku ja loppu palavat erilaisissa olosuhteissa. Osa polttoaineesta voi myös tiivistyä nestemäiseksi palotilan seinämiin./14/ Uusissa autoissa hiilivetyjen osuus pakokaasussa on pieni, dieselautoissa joitakin miljoonasosia. Hapetuskatalysaattori poistaa tehokkaasti raakapakokaasussa olevat palamattomat hiilivedyt. Tietyssä tilanteessa osa polttoaineesta jätetään tarkoituksella polttamatta moottorissa. Bensiinimoottorissa HC-päästöjä syntyy muun muassa siksi, että palorintama ei etene sylinterin seinämiin asti vaan pysähtyy muutaman mikrometrin päähän seinämästä. Kolmitoimikatalysaattorit poistavat nämä raakapakokaasussa olevat palamattomat hiilivedyt tehokkaasti. /15/ 18

19 1.2.3 Hiilimonoksidi Hiilimonoksidi (CO), eli häkä, on myrkyllinen väritön ja hajuton kaasu, joka sitoutuu veren hemoglobiiniin ja estää siten hapen sitoutumisen hemoglobiiniin. Häkä poistuu hemoglobiinista huonosti ja sitoutuu vereen happea 200 kertaa happea tehokkaammin. Häkää syntyy pääasiassa epätäydellisessä palamisessa, kun happea on liian vähän. Häkä aiheuttaa herkästi pääkipua ja suurempina annoksina tajuttomuuden ja kuoleman. Ihmisen elimistössä hapenpuutteelle herkimpiä ovat aivot ja sydän. /16/ Dieselmoottorin palotapahtumassa happea on reilusti ja siksi häkäpitoisuus on normaalisti pieni. Dieselmoottorin pakokaasupäästöjakauma on esitetty aiemmin kappaleen 1 Pakokaasupäästöt kuvassa Typenoksidit Typenoksideista käytetään lyhennettä NO x. Pakokaasupäästöistä puhuttaessa typenoksideilla tarkoitetaan pääsääntöisesti typpioksidia ja typpidioksidia eli NO ja NO 2. Typpi reagoi hapen kanssa korkeissa lämpötiloissa. Kun moottorin hyötysuhdetta halutaan parantaa, myös lämpötila nousee palotapahtumassa. Typenoksidien syntymistä hillitään kierrättämällä palotilaan jäähdytettyä pakokaasua. Pakokaasu syrjäyttää osan hapesta ja hillitsee lämpötilan nousua myös ilmaa suuremman ominaislämpökapasiteetin ansiosta. /17, 18, 19, Hakusana: typenoksidit/ Typenoksideja muodostuu polttoainesuihkun kuorikerroksessa, jossa seos sisältää enemmän happea kuin pilven keskellä. Tämä näkyy aiemmin olevasta kuvasta 3 Palava dieselsuihku. 19

20 Kuva 9. Suomen tieliikenteen typenoksidipäästöjen kehitys vuodesta 1980 alkaen ja ennuste luvulle. /18/ Kuva 9 esittää typenoksidipäästöjen kehitystä Suomessa. Kolmitoimikatalysaattorin yleistyminen bensiiniautoissa vähensi typenoksidipäästöjä huomattavasti. Euroluokkien vaatimukset vähentävät uusien autojen sallittuja hiukkas- ja typenoksidipäästöjä. Moottorissa syntyy pääasiassa typpioksidia (NO), joka hapettuu ilmassa hitaasti typpidioksidiksi (NO 2 ). /18/ Typen seitsemästä oksidista vain kahdella, NO:lla ja NO 2 :lla on työhygieenistä merkitystä. Typenoksideja muodostuu korkeissa, C lämpötiloissa typen reagoidessa hapen kanssa. Typenoksideja syntyy polttomoottorin lisäksi hitsauksessa ja salaman ympärillä ukkosella sekä räjäytystöissä. Ilmaan pääsee typenoksideja myös tulivuorenpurkauksissa ja joidenkin bakteerien toiminnan seurauksena. Kosteassa ilmassa typenoksideista voi syntyä typpihapoketta ja typpihappoa. Moottorissa syntyvien typenoksidien määrä kasvaa siis moottorin kuormituksen kasvaessa, koska lämpötila ja paine nousevat. Typenoksidit liukenevat huonosti veteen ja siksi ne eivät aiheuta merkittäviä ärsytysoireita limakalvoilla eivätkä ylemmissä hengitysteissä. Ne aiheuttavat ongelmia lähinnä alemmissa hengitysteissä ja keuhkoissa. Sekä NO että NO 2 liukenevat helposti keuhkojen kautta verenkiertoon. Astmaa sairastavilla henkilöillä on todettu oireita jo hyvin matalilla NO x -pitoisuuksilla. /20/ 20

21 2 Pakokaasun puhdistuslaitteet ja menetelmät 2.1 Hiukkassuodattimet Hiukkassuodattimet ovat kennorakenteisia suodattimia, jotka päästävät kaasut läpi mutta keräävät kiinteät hiukkaset huokoisiin rakenteisiinsa. Hiukkassuodattimet suodattavat pakokaasua tehokkaasti, mutta huokoisen kennon nopea tukkeutuminen on ongelma. Suodattimen tukkeutuessa sen kenno täytyy puhdistaa. Hiukkassuodattimen puhdistamista sanotaan regeneroinniksi. Kun hiukkassuodatin regeneroidaan, siihen kertynyt noki poltetaan. Kuva 10. Hiukkassuodattimien jaottelu /21/ Hiukkassuodattimet jaetaan kuvassa 10 DieselNetin mukaan /21/ regeneroitaviin ja kertakäyttöisiin. Regeneroitavat jaetaan edelleen passiivisesti ja aktiivisesti regeneroitaviin sekä näiden yhdistelmiin. Passiivisesti regeneroitavat hiukkassuodattimet polttavat kertynyttä hiiltä jatkuvasti tai ilman varsinaista regenerointia käynnistävää toimenpidettä. Aktiivinen regenerointi taas tarkoittaa, että regeneraatio käynnistetään tietyllä toimenpiteellä. Tämä tarkoittaa sitä, että 21

22 hiukkassuodattimen kennon lämpötila nostetaan noen syttymislämpötilan yläpuolelle. Kuva 11. Läpivirtaava ja ohivirtaava hiukkassuodatin /21/ Hiukkassuodattimista ja niiden toiminnasta on kerrottu lisää myöhemmin kappaleessa 7.6 Tutkimuksessa käytetty auto Yleistä hiukkassuodattimista Tulevien päästörajojen täyttäminen vaatii sekä suoraan moottorista tulevien, ns. raakapäästöjen, vähentämistä että jälkikäsittelylaitteiden käyttöä. Nykyiset pakokaasun dieselajoneuvojen jälkikäsittelyjärjestelmät koostuvat hapetuskatalysaattorista (DOC), hiukkassuodattimesta (DPF) ja NO x - jälkikäsittelylaitteesta. Järjestelmän tehokas ja turvallinen toiminta edellyttää tarkkaa ohjausta ja säätöä, sekä erityisesti tehokasta katalysaattoria. /22/ Hiukkassuodatin on olennainen osa tekniikkaa nykyaikaisissa dieselajoneuvoissa. Moottorin ja hiukkassuodattimen yhteistoimintaa optimoidaan koko ajan lisää. Suodattimet voidaan asentaa suhteellisen moniin moottoreihin. Hyvän termisen tehokkuuden vuoksi suodatin olisi hyvä asentaa lähelle moottoria. Moottoritilassa ei kuitenkaan ole aina riittävästi tilaa hiukkassuodattimelle. Kaikki nykyiset DPFjärjestelmät pyrkivät saamaan regeneroinnin aikaan kaikissa eri olosuhteissa. Yleensä tämä tarkoittaa sekä passiivisen että aktiivisen regeneroinnin yhdistelmää. Passiivisilla keinoilla tarkoitetaan katalysoivan pinnoitteen tai lisäaineen käyttöä ja aktiivisilla polttoaineen jälkiruiskutusta. /22/ Periaatteena on noen hapettaminen NO 2 :n tai O 2 :n avulla. Jatkuva, eli passiivinen, hiukkassuodattimen puhdistuminen saadaan aikaan NO 2 :lla, jota syntyy 22

23 hapetuskatalysaattorissa NO:n hapettuessa. Tästä käytetään nimitystä jatkuva regenerointi eli lyhyesti CRT (Continuous Regenerating Trap). Passiivinen regenerointi on mahdollista noin C lämpötilassa. Jalometallipinnoitteen avulla regenerointi voi olla osittain jatkuvaa. /22/ Henkilöautoissa ei juurikaan käytetä jatkuvaa regenerointia, vaikka pakokaasujen lämpötila on yleensä riittävä. Menetelmä toimii hyvin vain korkeilla NO x - pitoisuuksilla. NO 2 :n ja NO:n termodynaaminen stabiilius rajoittaa myös menetelmän tehokkuutta. Terminen regenerointi onnistuu pakokaasussa olevan hapen avulla yli 500 C lämpötiloissa. Vaadittuun lämpötilaan päästään aktiivisilla toimenpiteillä, esimerkiksi (ylimääräisellä) polttoaineen jälkiruiskutuksella, ja lisäämällä siten palamattomien hiilivetyjen määrää hapetuskatalysaattorissa. Tilannetta hankaloittaa se, että suurimman osan ajasta moottori käy osakuormituksella, kuten kaupunkiliikenteessä. Regeneroinnin kesto riippuu pääasiassa suodattimeen kertyneen noen määrästä. /22/ Aktiiviseen regenerointiin liittyvät keinot lisäävät polttoaineen kulutusta, koska kaikki energia otetaan polttoaineesta. Palotilaan ruiskutettava jälkiruiskutus lisää myös polttoaineen liukenemista moottoriöljyyn. Lisäksi regeneroinnin aikana esiintyvät korkeat lämpötilat ja nopeat lämpötilanvaihtelut lyhentävät suodattimen katalyyttien kestoikää. Siksi regeneraation parantamiseksi tehdään paljon kehitystyötä, jotta noki saataisiin syttymään mahdollisimman matalassa lämpötilassa. Noen katalyyttinen polton nopeuttaminen on kuitenkin monimutkainen tehtävä. Reaktion pitäisi käynnistyä nopeasti, mutta liian nopea lämpötilan nousu rasittaa suodatinta ja kenno voi sulaa hallitsemattoman reaktion vuoksi. Hiukkassuodattimien tehokkuutta pyritään lisäämään uusilla katalyyteillä, jotka parantavat noen syttymistä pienentämällä aktivaatioenergiaa. Jotta tämä tavoite saavutettaisiin, pitäisi yhdistää nanorakenteen ja jalometallien edut katalysaattoreissa. /22/ Polttoaineen liukeneminen moottoriöljyyn on ongelma erityisesti käytettäessä esteröimällä tehtyä FAME-biodieseliä, jonka tislausalue on niin korkealla, että se ei höyrysty kunnolla ja pääsee männänrenkaiden ohi. FAME ei myöskään poistu moottoriöljystä haihtumalla. 23

24 2.1.2 Passiivinen regenerointi Passiivinen regenerointi tapahtuu itsekseen, kun pakokaasun lämpötila on riittävän korkea. Passiiviseen regenerointiin perustuvia järjestelmiä käytetään enemmän raskaassa kalustossa kuin henkilöautoissa. Passiivisesti toimivia järjestelmiä voidaan asentaa ajoneuvoihin myös jälkikäteen. CRT (Continuous Regenerating Trap) tarkoittaa jatkuvasti regeneroituvaa eli puhdistuvaa suodatinta. /23/ Hiukkasten syttymistä parantava katalyytti voidaan lisätä myös polttoaineen sekaan. Polttoaineeseen lisätyllä katalyytillä tehostettu regenerointi on myös passiivinen tapa. Ainoa periaatteellinen ero katalysoituun hiukkassuodattimeen on se, että katalyyttiä tuodaan polttoaineen mukana. Menetelmästä käytetään englanninkielistä termiä fuel borne catalyst. PSA-yhtymän autoissa ja joissakin PSA:n moottoreita käyttävissä autoissa on käytössä Ceriumia sisältävä katalysoiva lisäaine, jota sekoitetaan auton polttoainesäiliöön auton tankkauksen yhteydessä. Auto tunnistaa tankkauksen ja sekoittaa polttoainesäiliöön laskemansa annoksen lisäainetta. Lisäainesäiliö täytetään huollossa. Uusissa PSA-yhtymän malleissa säiliön tilavuus on 1,5 litraa ja valmistaja lupaa lisäaineen riittävän kilometrin ajoon. Metallisen lisäaineen käyttö tuottaa tuhkaa hiukkassuodattimeen ja siksi sitä pitää käyttää mahdollisimman vähän, mutta riittävästi, jotta hiukkassuodattimessa oleva noki hapettuu. Hiukkassuodattimeen kerääntyy tuhkaa ja suodatin pitää vaihtaa puhdistettuun suodattimeen samassa huollossa, jossa lisäainesäiliö täytetään. PSA-yhtymä on ilmoittanut parannetusta hiukkassuodattimen rakenteesta, jolla huoltoväli on kilometriä. /8/ Aktiivinen regenerointi Aktiivisessa regeneroinnissa on siis kyse siitä, että hiukkassuodattimeen kertynyt noki poltetaan, jolloin suodatin puhdistuu. Tällöin noen aiheuttama painehäviö pienenee. Pakokaasun lämpötila on kuitenkin yleensä niin matala, että noen hapettumisreaktio ei käynnisty ilman avustavia toimenpiteitä. Jotta reaktio voisi alkaa, täytyy syttymislämpötila ylittää. Aktiivinen regenerointi tähtää hiukkassuodattimen lämmittämiseen. 24

25 Hiukkassuodattimen lämpötilaa voidaan kohottaa eri tavoin: käyttämällä polttoaineen jälkiruiskutusta poistotahdin aikana, ruikuttamalla polttoainetta suoraan pakosarjaan tai polttamalla polttoainetta ennen hiukkassuodatinta erillisellä polttimella. Hiukkassuodatinta voidaan lämmittää myös sähkövastuksella tai polttoainetta voidaan höyrystää pakokaasun sekaan sähkölämmitteisellä höyrystimellä. /24/ Tapoja on monia, mutta kaikille on yhteistä se, että ne kuluttavat energiaa ja siksi lisäävät polttoaineen kulutusta. Lisäksi kaikkia näitä järjestelmiä pitää ohjata tarkasti, koska muuten ne lisäävät päästöjä. Lisäksi ne nostavat ajoneuvon hintaa, mikä vaikuttaa sitä enemmän, mitä halvemmasta ajoneuvosta on kysymys. Barbier, Faucon ja Vandenplas /25/ ovat tutkineet pakokaasun lämpötiloja fossiilisella dieselpolttoaineella sekä 30 % rypsiöljyn metyyliesteristä (RME) tehdyllä polttoaineella: Käytettäessä biodieseliä pakokaasun lämpötilan havaittiin olevan matalampi ennen hiukkassuodatinta ja lisäksi pakokaasun lämpötila laski hiukkassuodattimessa enemmän kuin raakaöljyperäistä dieselpolttoainetta käytettäessä Hiukkasuodattimen regenerointi käyttäen erillistä polttoainesuutinta tai höyrystintä Polttoainetta voidaan ruiskuttaa suoraan hapetuskatalysaattoriin ja hiukkassuodattimeen. Näin vältytään tuomasta lisää lämpöä moottoriin ja turboon sekä niiden ympäristöön. Haittapuolena on ylimääräisen ruiskutussuuttimen sekä sen oheislaitteiden tarve. Hiukkassuodatin tulee olemaan jokaisessa dieselkäyttöisessä ajoneuvossa. Nykyiset ja tulevat päästövaatimukset vaativat sitä. Wall-flow -suodatin täytyy aika ajoin regeneroida. Flow-through -suodattimet eivät tukkeudu, mutta ne päästävät osan hiukkasista läpi. Wall-flow -suodatin täytyy regeneroida, koska nokea kertyy siihen jatkuvasti. Noki saadaan syttymään, kun suodattimen lämpötila nostetaan 600 C lämpötilaan. Jotta vältettäisiin osittaisesta regeneroinnista aiheutuvat ongelmat, pitää lämpötilan noston olla mahdollista kaikissa tilanteissa. /24/ 25

26 Pakokaasun lämpötilaan voidaan vaikuttaa myös pääruiskutuksen ajoituksella. Tekniset mahdollisuudet pakokaasun lämpötilan nostoon rajoittuvat käytännössä ruiskutuksen ajoitukseen. Turbo rasittuu korkeamman lämpötilan ja pakokaasun sisältämän palamattoman polttoaineen vuoksi. Turbon lämpötilan kesto rajoittaa pakokaasun lämpötilan nostoa moottorissa. /24/ Jälkiruiskutuksen sijaan voidaan käyttää erillistä polttoainesuutinta tai sähkölämmitteistä höyrystintä hapetuskatalysaattorin edessä. Tällä vältetään turbon ylimääräinen lämpörasitus ja moottoriöljyn ylimääräinen kontaminoituminen. Lisäksi pakokaasusta moottoritilaan siirtyy vähemmän lämpöä kuin käytettäessä jälkiruiskutusta. Tästä on etua myös EGR-järjestelmää ajatellen: Pakokaasun takaisinkierrätyksen tarkoitus on jäähdyttää palotapahtumaa, siksi pakokaasu ohjataan jäähdyttimen kautta palotilaan. Mitä kuumempaa pakokaasua EGRjärjestelmä ottaa, sitä enemmän sitä pitää jäähdyttää ennen imukanavaa. Polttoaineen höyrystintä voidaan käyttää myös jälkiasennettavien hiukkassuodattimien kanssa. /24/ Hiukkaskatalysaattorit Raskaassa kalustossa käytetään hiukkasia hapettavia katalysaattoreita, jotka ovat kuitenkin rakenteeltaan erilaisia kuin varsinaiset hiukkassuodattimet. Tämäntyyppisissä suodattimissa ei ole samanlaista tukkeutumisen vaaraa kuin varsinaisissa hiukkassuodattimissa. Toisaalta hiukkaskatalysaattorit eivät poista hiukkasia yhtä tehokkaasti kuin varsinaiset hiukkassuodattimet. Jälkiasennettavat hiukkassuodattimet ovat yleensä hiukkaskatalysaattori-tyyppisiä. Laitevalmistajia on useita, ja tämäntyyppisillä laitteilla on monia nimityksiä, kuten POC, PDPF, PPF, PM-KAT ja FTF. Nämä ovat katalysaattorin ja hiukkassuodattimen välimuotoja. Hiukkaskatalysaattorit ovat tyypillisesti rakenteeltaan sellaisia, että osa pakokaasusta virtaa vapaasti niiden läpi. Näissä ei ole samanlaista tukkeutumisen vaaraa, kuin hiukkassuodattimissa. /23/ 26

27 2.2 Hapetuskatalysaattori Hapetuskatalysaattori eli DOC (Diesel Oxidation Catalyst) hapettaa NO:ia NO 2 :ksi. Hapetuskatalysaattorit yleistyivät 1990-luvun puolivälissä. Niitä otettiin käyttöön kaupunkilinja-autoissa. Määräykset eivät olisi vaatineet katalysaattorin käyttöä, mutta sitä käytettiin imagosyistä. Hapetuskatalysaattori poistaa hiukkasten pinnalle kondensoituneita orgaanisia yhdisteitä. Hapetuskatalysaattori siis pienentää hiukkaspäästöjä vaikka se ei vähennäkään hiukkasten lukumäärää, vaan lähinnä kuivaa hiukkasia poistamalla kondensoituneita aineita hiukkasista. Hapetuskatalysaattori hapettaa NO:ia NO 2 :ksi ja auttaa siten hiukkassuodattimen toimintaa, joka on kytketty hapetuskatalysaattorin jälkeen. NO 2 hapettaa nokihiukkaset matalammassa lämpötilassa kuin puhdas happi. NO 2 on siis hyödyllistä hiukkassuodattimen toiminnan kannalta, mutta sen osuus pakoputken päässä pitäisi olla mahdollisimman pieni. Toiminta olisi optimaalista, jos kaikki NO 2 kuluisi hiukkasten polttoon. Ilman hapetuskatalysaattoria dieselmoottorin pakokaasupäästöissä NO x :sta 90 % on NO:ia. Hapetuskatalysaattori ei varastoi mitään eikä vaikuta typpioksidien kokonaismäärään. /23/ 2.3 Typenoksidien vähennysmenetelmät Typenoksidipäästöjä, eli NO x -päästöjä, voidaan vähentää kahdella periaatteella: Vähennetään moottorissa syntyviä NO x -päästöjä tai pelkistetään typenoksidit jälkikäsittelyllä. Pakokaasun takaisinkierrätysjärjestelmällä vähennetään moottorissa syntyvien NO x -päästöjen määrää ja pelkistävällä katalysaattorilla vähennetään pakokaasussa olevia typenoksideja. Ruiskutuksen ajoituksella vaikutetaan myös palolämpötilaan ja siten NO x -päästöihin. Ennakon lisääminen parantaa hyötysuhdetta mutta lisää typenoksidien muodostumista. Typenoksidien vähentämisessä täytyy huomioida myös vaikutus hiukkaspäästöihin. Polttoaineen kulutusta voidaan saada vähennettyä käyttämällä aikaisempaa ruiskutusta ja huolehtimalla syntyneistä päästöistä hyvin toimivalla jälkikäsittelytekniikalla. 27

28 2.3.1 Pakokaasun takaisinkierrätys Pakokaasun takaisinkierrätyksestä käytetään lyhennettä EGR (Exhaust Gas Recirculation). Osa pakokaasuista ohjataan jäähdytettynä takaisin palotilaan palotapahtuman lämpötilan laskemiseksi. Tällä pyritään välttämään ilmassa olevan typen reagointi hapen kanssa. Typpi on inertti kaasu, mutta kun lämpötila on riittävän korkea, se reagoi hapen kanssa. Jäähdytetty pakokaasu syrjäyttää puhdasta ilmaa palotilassa. /23/ EGR-järjestelmän avulla vähennetään siis typenoksidien syntymistä jo moottorissa. EGR:n huonoja puolia ovat ne, että sillä ei saada aikaan kovin suuria NO x :n vähenemistä eikä se sovellu hyvin jälkiasennuksiin. Pyrittäessä kohti pienempiä NO x -päästöjä EGR-järjestelmällä sen vaatima jäähdytysteho kasvaa, koska palotilaan pitää saada enemmän ja viileämpää pakokaasua. Pakokaasuista enimmillään noin % kierrätetään takaisin Euro 4 -luokan kuorma-autoissa. Kuorma-auton kokoluokan moottorissa tarvitaan tällöin 35 kilowatin jäähdytysteho ja loppulämpötila jää 150 C asteeseen. Euro 5 -luokan mukaisten typenoksidipäästörajojen alittamiseksi pitää takaisinkierrätettävää osaa pakokaasuista kasvattaa ja jäähdyttää lisää. Jotta palolämpötila saataisiin riittävän matalaksi, eli 50 C asteeseen, pitää pakokaasuja jäähdyttää 70 kw:n teholla. /26/ Pelkistävä katalysaattori Pelkistävä katalysaattori eli SCR (Selective Catalytic Reduction) on pelkistävällä katalyytilla toimiva typenoksidien poistoon kehitetty jälkikäsittelytekniikka. Eurooppalainen autoteollisuus on valinnut SCR-tekniikassa käytettäväksi lisäaineeksi urean. Urea ruiskutetaan pakokaasun sekaan ennen katalysaattoria. Katalysaattorissa urea pelkistää typenoksideja. SCR-tekniikalla voidaan vähentää NO x -päästöjä yli 80 %. Tätä tekniikkaa käytettäessä moottorissa saa syntyä runsaasti NO x -päästöjä, ja siten moottori voidaan säätää toimimaan parhaalla mahdollisella hyötysuhteella. /23/ 28

29 Kuvassa 12 esitetään PM NO x -käyrä. Ruiskutuksen ajoitusta muuttamalla voidaan siirtyä käyrällä joko pienempien NO x -päästöjen tai pienempien hiukkaspäästöjen alueelle kuvaajaa pitkin. Jos käytössä on SCR, voidaan hiukkaspäästöt saada pieneksi moottorinohjausta säätämällä ja NO x pelkistettyä SCR-katalysaattorilla. SCR-kalysaattorilla voidaan vähentää NO x -päästöjä 80 %. Katalysaattorille ruiskutettava urealiuos synnyttää ammoniakkia, joka pelkistää typenoksidit. Reaktio ei kuitenkaan toimi alle 200 C lämpötilassa. Esimerkiksi kaupunkiliikenteessä olevissa linja-autoissa pakokaasujen lämpötila laskee usein alle 200 C lämpötilan. Tällöin ureaa ei voida ruiskuttaa, koska on vaarana, että ammoniakki pääsee ympäristöön. Samasta syystä ureaa ei saa ruiskuttaa liikaa. Moni SCR-järjestelmällä varustettu Euro 4 -auto vastaa käytännön päästöiltään Euro 2 -luokan autoa hitaassa kaupunkiliikenteessä, koska pakokaasun lämpötila jää jatkuvasti liian matalaksi. /23/ SCR-tekniikan huono puoli on, että se vaatii erillisen lisäaineen ja sen syöttöjärjestelmän. Lisäainetta kuluu kuitenkin vain 1 % polttoainemäärästä jokaista 1 g/kwh NO x alenemaa kohti. Jos lähtötaso on Euro 1 Euro 2 ja pyritään Euro 4 - tasolle, kuluu ureaa noin 4 % polttoaineen määrästä. Lisäaineena käytettävä urea jäätyy -11 C lämpötilassa. Jäätyminen ei pilaa ainetta, vaan sitä voidaan taas käyttää kun se on nestemäistä. Markkinoilla on myös Denoxium-nimistä lisäainetta, jonka jäätymispiste on -30 C. Lisäainesäiliötä ei kannata täyttää millä tahansa urealla : Seossuhteen on oltava tarkka ja aineen puhdasta. Järjestelmän toiminta perustuu tarkkaan annosteluun ja siksi liuoksen väkevyys ei saa vaihdella. /23/ 29

30 3 Päästöluokat ja -rajat henkilöautoille Bensiinikäyttöisillä autoilla vaatimukset eivät muutu siirryttäessä nykyisestä Euro 5 -luokasta Euro 6 -luokkaan. Dieselkäyttöisillä autoilla NO x -raja laskee 180 mg:sta 170 mg:aan ja hiukkaspäästöjen suurin sallittu arvo pysyy samana 5 mg kilometriä kohden. Raskaan kaluston päästörajoissa käytetään yksikköä grammaa kilowattituntia kohti (g/kwh). Henkilöautojen rajat huomioivat siis myös ajoneuvon ominaisuudet. Taulukko 1. Pakokaasupäästöluokat /21, hakusana: European emission standards/ Käytössä Päästöluokka alkaen Diesel EM1 tammikuu 1989 Häkä (CO) Hiilivet y (HC) Typenoksid it (NO x ) 2.72 (3.16) - - HC+NO x Hiukkase t (PM) (1.13) (0.18) Euro 2, IDI tammikuu Euro 2, DI tammikuu Euro 3 joulukuu Euro 4 tammikuu Euro 5 syyskuu Euro 6 syyskuu Bensiini EM1 tammikuu (3.16) (1.13) - Euro 2 tammikuu Euro 3 tammikuu Euro 4 tammikuu Euro 5 syyskuu ** Euro 6 syyskuu ** * Ennen EURO 5 -tasoa yli 2500 kg:n henkilöautot on hyväksytty N1-I-luokan autoina ** Pätee vain suorasuihkutusmoottoreilla varustettuihin autoihin 30

31 4 Tekniikan kehitys henkilöautoissa Moottoritekniikan kehittämisellä pyritään parempaan hyötysuhteeseen ja samalla puhtaampiin päästöihin. Haitallisia päästöjä on saatu vähennettyä huomattavasti tehokkailla pakokaasun puhdistuslaitteilla, mutta hiilidioksidin vähentäminen vaatii energiankulutuksen pienentämistä kokonaisvaltaisesti. Energian kulutuksen vähentäminen vaatii suuria ponnisteluja. /27/ Polttoaineen palamista parannetaan kehittämällä ruiskutussuuttimia ja entistä korkeampien ruiskutuspaineiden avulla. Polttoaineen ja ilman sekoittumista tutkitaan optisilla moottoreilla. Sekoittumiseen vaikuttavat myös polttoaineen ominaisuudet, kuten pintajännite, viskositeetti ja haihtuvuus. /28/ Päästörajoitusten tiukentuessa henkilöautoihinkin on tulossa lisäaineella toimivat pakokaasun puhdistusjärjestelmät. Monimutkaiset järjestelmät nostavat auton hintaa ja henkilöautoissa lisäys on suhteessa suurempi kuin raskaassa kalustossa. Nykyaikaisen henkilöauton pakoputkisto on suhteellisen kallis kokonaisuus, vaikkakin nykyään varsin pitkäikäinen. 4.1 Päästövaatimusten täyttäminen Kuva 14 esittää erilaisia menetelmiä Euroluokkiin pääsemiseksi. Kuvassa näkyvät myös raskaan kaluston pakokaasupäästörajat yksikössä g/kwh. Henkilöautoissakin joudutaan käyttämään raskaasta kalustosta tuttuja lisäainejärjestelmiä, jotta täytetään Euro 6 -tason päästövaatimukset. Henkilöautojen päästörajat esitettiin kohdassa 3 Päästöluokat ja -rajat henkilöautoille. 31

32 Kuva 12. Pakokaasupäästöjen vähennys menetelmät Euro 3-, Euro 4- ja Euro 5 määräysten täyttämiseksi. /23/ EU3 -tasolle päästiin moottorin toimintaa optimoimalla. Ilman nykyisiä jälkikäsittelylaitteita, hiukkassuodatinta ja SCR-katalysaattoria. Korotetuilla polttoaineen ruiskutuspaineilla ja hyvilläkään ruiskutussuuttimilla ei saada hiukkasja typenoksidipäästöjä riittävän alas edes Euro 4 -vaatimusten täyttämiseksi. Kuvassa 14 harmaa käyrä on niin sanottu trade-off -käyrä. Säätämällä ruiskutuksen ajoitusta aikaisemmalle voidaan liikkua tällä käyrällä kohti pienempiä hiukkaspäästöjä. Euro 4 -luokkaan pääsemiseksi on kaksi tapaa. Toinen tapa on saada moottorissa syntyvät hiukkaspäästöt pieniksi aikaisella polttoaineen pääruiskutuksella. Tällöin typenoksideja syntyy paljon, mutta ne poistetaan SCR-katalysaattorilla. SCRkatalysaattori vaatii toimiakseen vähintään 200 C asteen lämpötilan. Tehokkaalla typenoksidien pelkistämisellä, eli 80 % NO x :ien poistamisella, voidaan päästä tällä tavalla Euro 5 -vaatimukset täyttäviin päästöarvoihin. Urean kulutusta suhteessa typenoksidien päästötason laskemiseen on käsitelty kappaleessa Pelkistävä katalysaattori. Toinen tapa on käyttää hieman myöhempää polttoaineen ruiskutusta kuin edellisessä ja vähentää typenoksideja lisäksi pakokaasun takaisinkierrätyksellä. Tällä tavalla moottorissa syntyy suurempi määrä hiukkaspäästöjä, jotka poistetaan hiukkassuodattimella (Diesel Particulate Filter, DPF). 32

33 Tulevaan Euro 6 -luokkaan pääsemiseksi pitää yhdistää näitä molempia tapoja. Henkilöautoissa on aiemmin tultu toimeen hiukkassuodattimella, mutta tulevaisuudessa henkilöautoihinkin kuuluu hiukkassuodattimen lisäksi SCRjärjestelmä lisäaineineen. 33

34 5 Polttoaineet Pakokaasurajojen tiukentuessa myös polttoaineiden laatuvaatimukset kasvavat. Lisäksi polttoaineita täytyy saada tehtyä uusiutuvista lähteistä. Polttoaineen kulutus lisääntyy, koska liikkuminen lisääntyy. Fossiilisen polttoaineen osuutta halutaan vähentää ja tilalle yritetään löytää ympäristöä mahdollisimman vähän kuormittavia ja samalla riittävän edullisia energian kuljetus- ja säilytysmuotoja. Polttoaineiden kehityksellä pyritään vähentämään sekä paikallisia, eli niin sanottuja lähipäästöjä, että kasvihuonekaasupäästöjä. Etsimällä uusia energialähteitä pyritään turvaamaan energian riittävyys. Polttoaineiden kehitystä ohjaavat siis sitä käyttävä tekniikka, polttoaineesta syntyvät päästöt sekä erilaisten lähtöaineiden saatavuus. Uusien polttoaineiden pitäisi sopia mahdollisimman hyvin käytössä olevien moottoreiden lisäksi polttoaineen jakelujärjestelmään. Polttoaineen jakeluverkostolle asetettavat vaatimukset riippuvat myös käyttökohteesta: Jos tiettyä polttoainetta käytetään paikallisliikenteen linja-autoissa, muutama jakeluasema autojen varikoilla riittää. Yksityiskäyttöön on huomattavasti haasteellisempaa rakentaa käyttäjiä tyydyttävää jakelujärjestelmää. Uuden polttoaineen käyttöön ottaminen vaati monen eri osapuolen hyväksynnän. Toisaalta juuri kaupunkien paikallisliikenteen linja-autot ovat hyvä esimerkki siitä, missä voidaan saada uusi polttoaine laajaankin käyttöön kohtuullisilla investoinneilla jakeluasemiin. /29/ Erilaisia polttoaineita on paljon ja lisäksi useimpia voidaan sekoittaa monessa eri suhteessa. Fossiilisen polttoaineen loppumista suurempi syy uusiutuvien polttoaineiden käyttöönotolle on halu vähentää päästöjä. Kasviperäistä polttoainetta käytettäessä ilmaan vapautuu hiilidioksidia, jota kasvit ovat yhteyttämällä sitoneet. Biopolttoaineita saadaan uusiutuvista lähteistä. Hiilidioksidipäästöjen lisäksi uusilla polttoaineilla voidaan saada vähennettyä terveydelle haitallisia päästöjä. Polttoaineet ovat lopulta vain energian säilyttäjiä ja kuljettajia. Autonvalmistajilla on vahva mielipide siitä, että uusien polttoaineiden tulee olla nykyisten kaltaisia. Heidän mielestään täytyy kehittää sellaisia uusiutuvia polttoaineita, joita voidaan käyttää nykyisissä autoissa. Moottorien optimointi monelle erilaiselle polttoaineelle 34