Dieselajoneuvojen pakokaasujen päästömittauksiin tarkoitetun hiukkasmittausjärjestelmän valmistaminen

Transkriptio

1 Tampereen ammattikorkeakoulu Auto- ja kuljetustekniikan koulutusohjelma Auto- ja korjaamotekniikka Jukka Povelainen Opinnäytetyö Dieselajoneuvojen pakokaasujen päästömittauksiin tarkoitetun hiukkasmittausjärjestelmän valmistaminen TAMKin autolaboratorioon Työn ohjaaja Tekniikan tohtori Jarmo Lilja Työn tilaaja TAMK autolaboratorio Tampere 6/2010

2 2 Työn tekijä Jukka Povelainen Työn nimi Dieselajoneuvojen pakokaasujen päästömittauksiin tarkoitetun hiukkasmittausjärjestelmän valmistaminen TAMKin autolaboratorioon Sivumäärä 28 sivua Työn valmistumis- Toukokuu 2010 kuukausi ja vuosi Työn ohjaaja Tekniikan tohtori Jarmo Lilja Työn tilaaja TAMK autolaboratorio TIIVISTELMÄ Työn tarkoitus oli saattaa autolaboratoriossa ollut Sisun moottori käyntikuntoon ja liittää siihen hiukkastutkimuslaitteisto. Tutkimuslaitteiston toimintaperiaate oli selvitettävä ja laitettava käyttökuntoon. Työssä tutkittiin pakokaasujen hiukkasten määrää ja laatua. Tutkimuslaitteisto on ollut koululla jo aikaisemmin käytössä ulkoilman ja liikenteen päästöjen tutkimisessa. Moottorin pakokaasujen ja mittauslaitteiston väliin oli asennettava erillinen näytteen laimennin, jotta hiukkasten mittaaminen saatiin mahdolliseksi. Laimenninlaitteistolle rakennettiin liityntä moottorin pakoputkeen sekä tuenta moottoriin. Työn tuloksena saatiin tietoa laitteiston toiminnasta ja hiukkasten ominaisuuksista ylipäänsä. Avainsanat diesel, hiukkaset, päästöt, pakokaasut

3 3 Writer Jukka Povelainen Thesis Preparing emission measuring system for exhaust gases of diesel-powered vehicles in TAMK automotive laboratory Pages 28 pages Graduation time June 2010 Thesis Supervisor Doctor of technology Jarmo Lilja Co-operating company TAMK automotive laboratory ABSTRACT The goal of this thesis was to make the Sisu-motor to run and install a particle measuring device to it. The measuring principle of the devices was to be clarified. After that, examine the particles in the exhaust-gas. There was already the equipment for measuring particles outdoor, but in this case there was a need for the dilution of the exhaust fumes. The result was information about particles and the measuring devices. Keywords diesel, particles, emissions, exhaust gas

4 4 Tampereen ammattikorkeakoulu Auto- ja kuljetustekniikan koulutusohjelma Auto- ja korjaamotekniikka Sisällysluettelo 1 Johdanto Tietoa hiukkasista Hiukkasten ominaisuudet Mittaaminen Merkitys Mittauslaitteiston esittely Moottori Hiukkastutkimuslaite Dekati Outdoor Air ELPI Laimennin Dekati FPS Laitteiston asennus ja mittauksen valmistelu Tutkimukset Yhteenveto Lähdeluettelo Liitteet... 27

5 5(28) 1 Johdanto Tämän työn tarkoituksena oli saada Tampereen ammattikorkeakoulun autolaboratoriossa ollut tarpeeton moottori hyötykäyttöön ja samalla saada koulun fysiikan osastolla ollut hiukkasmittauslaitteisto liitettyä moottoriin ja saada siten tutkittua suoraan yksittäisen moottorin tuottamia hiukkaspäästöjä. Tähän mennessä laitteistoa on käytetty vain ulkoilman päästöjen tutkimiseen. Tarkoitus oli myös selvittää, onko tästä moottorista tai sen päästöjen mittauksesta mahdollista tehdä tuleville autotekniikan opiskelijoille harjoitustyö.

6 6(28) 2 Tietoa hiukkasista Nykypäivänä ihmisten terveyteen ja ilmaston tilaan vaikuttaviin asioihin pyritään tutustumaan entistä paremmin. Yksi sekä ilmastoon että terveyteen liittyvä tekijä on hiukkaset. Niiden määrää ja käyttäytymistä tutkitaan ympäri maailmaa. Hiukkasia sisältävää kaasumaista väliainetta kutsutaan aerosoliksi. Aerosoleja valmistetaan myös kaupallisesti, esimerkkeinä mainittakoon deodorantit ja spraymaalit. Myös normaali hengitysilma on aerosoli. Ilmassa on aina hiukkasia, joskin niiden määrä vaihtelee suuresti. Maaperästä ja rakennuksista irtoava pöly sekä liikenteen päästöt voivat nostaa suurkaupungin hiukkastiheyden jopa useaan miljoonaan hiukkaseen kuutiosenttimetrillä. Syrjäisemmillä ja ilmaltaan puhtaammilla alueilla, kuten Etelämantereella, vastaava luku voi olla vain muutamia kymmeniä. Hiukkaset voivat olla kiinteitä tai nestemäisiä. Nestemäiset hiukkaset voivat syntyä ilmassa esimerkiksi tiivistymällä ilmankosteudesta vesipisaroiksi. Kiinteitä hiukkasia voi syntyä esimerkiksi tulivuorien purkautuessa, kasvien siitepölystä tai missä tahansa tuulen tai hankauksen aiheuttamana. Kiinteitä nokihiukkasia syntyy muun muassa erilaisissa palamistapahtumissa, kuten polttomoottorissa tai nuotiossa. Hiukkasia on myös katupöly, joka on hienoa hiekkaa ja renkaiden tiestä irrottamaa ainesta. (Lehtipalo & Riipinen. Hiukkastieto 2009) 2.1 Hiukkasten ominaisuudet Hiukkasten ominaisuuksia voidaan kuvailla monella eri tavalla. Ilmeisin näistä on koko. Aerosolihiukkasen koko vaikuttaa oleellisesti sen käyttäytymiseen ilmassa. Hiukkasen koko ilmoitetaan sen halkaisijan mukaan nano- tai mikrometreissä. Pienimmät hiukkaset voivat jopa yhden nanometrin kokoisia, samaa luokkaa kuin yksittäiset molekyylit.

7 7(28) Hiukkaset voidaan jakaa suuripiirteisesti pienhiukkasiin ja karkeisiin hiukkasiin. Pienhiukkasten koko on 1 nm - 1 µm, ja tälle alueelle asettuvat liikenteen aiheuttamat hiukkaspäästöt. Karkeampien hiukkasten jakauma on 1 µm µm. Esimerkiksi katupöly on tällaista karkeiden hiukkasten aerosolia. Kuviossa 1 on havainnollistettu hiukkasten suuruutta. Kuvio 1. Hiukkasten kokoluokat (Hiukkastieto 2009) Huomattavaa on, että pienhiukkaset voivat olla jopa pienempiä kuin näkyvän valon aallonpituudet. Pienhiukkasten vaikutuksesta ihmisen terveyteen ei ole vielä päästy yksimieliseen tulokseen, mutta kokonsa puolesta nämä nanometrien kokoiset partikkelit pääsevät tunkeutumaan keuhkoihin ja keuhkorakkuloihin aiheuttaen tulehduksia ja muita terveysongelmia. Suuremmat karkeat hiukkaset eivät ole niin vaarallisia, kun ne yleensä jäävät jo ylähengitysteihin, mutta voivat toki aiheuttaa ärtymystä ja epämiellyttäviä tuntemuksia. Kaupunkialueilla olevien suurempien pienhiukkapitoisuuksien on todettu olevan jossain määrin yhteydessä alueen kuolleisuuteen. Hiukkasten dynamiikka Hiukkasten liikkumiseen ja käyttäytymiseen vaikuttavat samat asiat kuin muihinkin fyysisiin kappaleisiin. Niihin vaikuttavat toiset hiukkaset, väliaine, painovoima ja sähkökenttä.

8 8(28) Nukleaatio: Nukleaatio tarkoittaa prosessia, jolloin väliaineessa olevat molekyylit törmäilevät ja tarttuvat toisiinsa muodostaen hiukkasen. Mittauksissa nukleaatio ei ole toivottua, koska yleensä halutaan mitata olemassa olevia hiukkasia, eikä nukleoituneita. Koagulaatio: Koagulaatiossa olemassa olevat hiukkaset törmäilevät toisiinsa ja muodostavat siten uusia, isompia hiukkasia. Aerosolin sisältämä hiukkasten lukumäärä laskee, mutta kokonaismassa pysyy samana. Nestehiukkasten yhdistyessä lopputulosta kutsutaan koalesenssiksi ja kiinteiden partikkeleiden kohdalla syntynyt hiukkanen on agglomeraatti. Depositio: Depositiolla tarkoitetaan hiukkasten poistumista aerosolista jäämällä kiinni johonkin pintaan. Depositio voi tapahtua useilla eri tavoilla. Impaktio tapahtuu hiukkasen törmätessä suoraan johonkin pintaan jääden siihen kiinni, sedimentaatiossa hiukkanen laskeutuu painovoiman vaikutuksesta jollekin pinnalle. (Hiukkastieto 2009) 2.2 Mittaaminen Hiukkasten pitoisuutta ilmassa voidaan mitata käyttämällä hyväksi sitä, mitä tiedetään niiden dynamiikasta. Lukumäärää voidaan mitata usealla eri metodilla, mutta saadut tulokset eivät välttämättä ole yhteneviä. Tämän takia on hyvä suosia tekniikkaa, jossa yhdistetään kahta tai useampaa tapaa mitata. Tässä opinnäytetyössä käytetty mittalaite mittaa hiukkasia impaktion ja sähkövarauksen vaikutuksen avulla. Impaktori käyttää mittauksessa hyväkseen massan hitautta. Suuremmat hiukkaset eivät pysty tekemään jyrkkiä kulkusuunnan muutoksia kulkiessaan ilmavirtauksen mukana. Mittalaitteessa on useita levyjä päällekkäin, joissa ilmavirtaus ohjataan kulkemaan eri tavoin. Eri levyille jää eri suuruisia hiukkasia.

9 9(28) Kun näyte tuodaan mittalaitteeseen, siinä oleville hiukkaselle annetaan tietynlainen sähkövaraus. Jokainen impaktorin taso on kytketty sähköistä varausta mittaavaan laitteeseen, joka mittaa juuri sille levylle impaktion vaikutuksesta jääneiden hiukkasten yhteisvarauksen. Näin saadaan selville sille levylle laskeutuneiden hiukkasten lukumäärä ja massa. Näytteen hiukkaspitoisuus saadaan vertaamalla joko massaa tai lukumäärää näytteen tilavuuteen. (Dekati ELPI user manual 2006) On olemassa myös muita tapoja mitata hiukkaspitoisuuksia. Esimerkiksi optisessa menetelmässä näyte ohjataan kulkemaan suunnatun valonsäteen lävitse. Säteen muutostaajuus kertoo hiukkasten lukumäärän ja muutoksen suuruus taas hiukkaskoon. Optista menetelmää ei tässä työssä käytetty. (Hiukkastieto 2009) 2.3 Merkitys Hiukkasten merkitys ihmiselle tarkoittaa lähinnä terveydellisiä asioita. Karkeat hiukkaset tuntuvat ärsyttäviltä silmissä ja hengityselimissä, pienemmät hiukkaset pääsevät syvemmälle elimistöön aiheuttamaan ärtymystä ja tulehduksia. Kaikkein pienimmät nanohiukkaset voivat kulkeutua keuhkorakkuloiden kautta jopa verenkiertoon, mutta niiden terveysvaikutuksista ei ole vielä paljoa tietoa. Hiukkasten merkitys kansanterveyteen on kuitenkin todettu, ja niinpä hiukkaspäästöjä on alettu rajoittaa. Ajoneuvojen päästöt ovatkin kymmenen viime vuoden aikana pudonneet murto-osaan aikaisemmista. Syynä tähän on huomion kiinnittäminen autojen aiheuttamiin päästöihin. Autojen tekninen kehitys on ollut nopeaa, myös pakokaasujen jälkikäsittelyn osalta. Katalysaattorit, hiukkassuodattimet ja ennen kaikkea puhtaamman paloprosessin kehittäminen on auttanut pudottamaan liikenteen ympäristövaikutuksia. Autoista, erityisesti dieselkäyttöisistä, pääsee ilmakehään hiukkasia polttoaineen epätäydellisen palamisen seurauksena. Myös pieniä määriä moottoriöljyä pääsee aina palotilaan, jonka palaessa muodostuu epäorgaanista hiiltä eli nokea. Teknisen

10 10(28) kehityksen suuntana on ollut pienentää moottoreiden polttoaineen ja öljyn kulutusta. Teknisillä parannuksilla ei kuitenkaan ole mahdollista kokonaan poistaa hiukkaspäästöjä, joten pakokaasun sisältämät hiukkaset pyritään vangitsemaan erityisiin hiukkassuodattimiin. Suodattimia on monia erityyppisiä, mutta pääperiaate on sama. Pakokaasu ajetaan suodatinmateriaalin lävitse, johon hiukkaset jäävät kiinni. Kun suodatin alkaa olla täysi, niin se joko vaihdetaan uuteen tai regeneroidaan, suodattimen tyypin mukaisesti. Regenerointi tapahtuu joko passiivisesti tai aktiivisesti. Passiivinen regenerointi toimii jatkuvasti, kun pakokaasun lämpötila on saavuttanut tietyn rajan. Tällöin noki hapettuu, palaa suodattimessa ja kulkeutuu ulos järjestelmästä. Passiivinen regenerointi vaatii toimiakseen hapettavan katalysaattorin. Aktiivisessa regeneroinnissa suodattimen tukkeutuminen tunnistetaan paineantureilla, jonka jälkeen moottorin sytytysennakkoa siirretään huomattavasti myöhemmäksi ja siten palamatonta polttoainetta joutuu suodattimeen, jossa se palaessaan nostaa lämpötilaa. Lämpötila nousee niin suureksi, että noki palaa tuhkaksi. Tämäntyyppisestä suodattimesta tuhka on poistettava aika ajoin huollon yhteydessä. Hiukkassuodattimilla saadaan yleensä puhdistettua hiukkasia pakokaasuista %. Euroopan unionissa on otettu käyttöön tiukat päästönormit, joissa on siirrytty pienin askelein kohti mahdollisimman pienipäästöistä liikennettä. Heinäkuussa 1992 astui voimaan Euro 1 -normi, joka rajoitti dieselkäyttöisissä henkilöautoissa hiukkasten määrän 0,14 grammaan kilometriä kohti. Tällä hetkellä on käytössä Euro 5 -normi, jonka mukaan vastaava luku saa olla enintään 0,005. Kuviossa 2 on havainnollistettu tiukentuneita päästörajoituksia hiukkasten osalta dieselhenkilöautoissa. (Wikipedia, European emission standards 2010)

11 11(28) 0,15 g/km 0,1 0,05 0,14 0,08 0,05 0,025 0,005 0,005 0 Euro 1 (1992) Euro 2 (1996) Euro 3 (2000) Euro 4 (2005) Euro 5 (2009) Euro 6 (2014) Kuvio 2. Euroopan unionin päästörajat dieselhenkilöautojen hiukkasille. Myös ulkoilmalle on asetettu Euroopan unionin alueelle ohjearvot ja raja-arvot. Arvot koskevat hiukkasten lisäksi myös eräitä muita ilmansaasteiksi luettuja aineita, kuten rikkidioksidia ja hiilimonoksidia. Ohjearvot ovat ympäristöviranomaisten apuvälineitä päästöjä aiheuttavan toiminnan lupakäsittelyille. Raja-arvojen ylittyessä taas on velvollisuus ryhtyä toimenpiteisiin pitoisuuksien alentamiseksi. Hiukkasten lukumäärää ilmassa ilmaistaan useimmiten PM 10 - arvolla. Kyseinen merkintä tarkoittaa alle 10 µm kokoisten hiukkasten yhteenlaskettua massaa kuutiometrissä ilmaa. Tämän kokoluokan hiukkaset pääsevät ärsyttämään hengitysteitä, ja varsinkin astmaatikot kokevat tuntuvia vaikutuksia. Keväisin siitepölyn ja katupölyn kulkiessa ilmassa tilastoissa näkyy suuria piikkejä PM 10 :n kohdalla. Jos vuorokauden keskiarvo ylittää 50 µg/m 3 yli 35 kertaa vuoden sisällä, raja-arvo on saavutettu. Kuviossa 3 on esitetty kuvaaja Tampereen Pirkankadun mittauspisteen PM 10 :n vuorokautiset keskiarvot viimeisen kuukauden ajalta.

12 12(28) Kuvio 3. Hengitettävien PM 10 hiukkasten vuorokautiset keskiarvot Tampereella toukokuussa 2010 (Ilmanlaatu.fi) Kuten kuvaajasta nähdään, mitatut arvot eivät tällä ajanjaksolla kertaakaan ylitä annettua raja-arvoa 50. Erityisen alhaiset hiukkasarvot on mitattu 9.5. Todennäköisesti silloin on satanut. Vesipisarat sitovat tehokkaasti hiukkasia itseensä pudotessaan maahan. (Ilmanlaatu.fi 2010)

13 13(28) 3 Mittauslaitteiston esittely Työn toteutukseen tarvittiin useamman laitteen kokoonpanoa. Mittausprosessin keskeisimmät laitteet ovat mitattavaa ainetta tuottava moottori, näytettä laimentava osa ja laimennettua näytettä mittaava laite. Moottorin tuottama näyte on laimennettava siksi, että mittalaitetta ei ole suunniteltu mittaamaan niin suuria pitoisuuksia, joten tulokset olisivat epätarkkoja ja laite olisi vaarassa mennä epäkuntoon. Laimennukseen ja mittaamiseen käytetään erityisiä tietokoneohjelmistoja. Laitteiston periaatteellinen kaavio on kuviossa 4.

14 14(28) Mittaustulos Kuvio 4. Mittausjärjestelyn periaatekaavio

15 15(28) 3.1 Moottori Moottori on Sisu Dieseliltä lahjoituksena opetuskäyttöön saatu 6-sylinterinen vuosimallin 2003 moottori, sähköisesti ohjatulla jakajapumpulla. Moottorinohjaimeen pystytään liittymään Sisu-tronic-ohjelmistolla, mutta tällä ohjelmistoversiolla ei pystytä säätämään mitään arvoja. Moottoriin ei ole asennettu minkäänlaista jarrua, joten mittaukset jouduttiin suorittamaan kuormittamattomalla moottorilla. Kuviossa 5 on moottori ennen mittauslaitteiston asennusta. Kuvio 5. Mittauksessa käytettävä moottori.

16 16(28) 3.2 Hiukkastutkimuslaite Dekati Outdoor Air ELPI Dekatin valmistama ELPI (Electrical Low Pressure Impactor) on laite, joka mittaa kaasusta partikkeleiden kokojakaumaa ja konsentraatiota. Partikkeleiden koko voi vaihdella 7 nm 10 µm. Laite kykenee polttomoottorien hiukkaspäästöjen lisäksi myös lääketieteen sovellusten ja kaikenlaisten suodattimien toiminnan mittaamiseen. Tässä työssä käytetty laite on valmistettu erityisesti ulkoilman mittauksiin. (Kuvio 6.) Kuvio 6. Dekati Outdoor Air ELPI (Dekati 2007) Mitattava näyte syötetään laitteeseen sen yläosassa olevasta aukosta. Kuvassa näkyvässä ensimmäisessä sylinterin muotoisessa osassa näytteen hiukkaset varataan sähköisesti, jonka jälkeen on hiukkasloukku. Tämä loukku on sähkökenttä ja se muodostuu tasajännitteellä. Sen tarkoitus on poistaa näytteestä laitteen mittaustarkkuutta pienemmät partikkelit ja molekyyliryhmät. Seuraavassa osassa, impaktorissa hiukkaset jäävät eri levyille massansa mukaisesti. Levyille jääneistä hiukkasista aiheutuva sähkövaraus mitataan reaaliaikaisesti elektrometreillä ja sitä kautta saadaan selville hiukkasten lukumäärä ja massa. Impaktorin tasot on eristetty toisistaan teflon-eristeillä.

17 17(28) Jokainen taso on kytketty omaan elektrometriinsä, joka kykenee mittaamaan virtaa fa (femtoampeeri) alueella. Kuviossa 7 on esitetty laitteen toimintaperiaate. Näytteen sisääntulo Hiukkasia varaava sähkökenttä Hiukkasloukku Impaktorin levyt Alipaineen liityntä Kuvio 7. Kaavio mittalaitteen toiminnasta Impaktori sisältää 12 erilaista levyä, joihin deposoituu aerodynaamiselta halkaisijaltaan erikokoisia hiukkasia. Taulukosta 1 voidaan nähdä jokaisen levytason keräämien partikkelien ylä- ja alarajat.

18 18(28) Taulukko 1. ELPIn impaktorilevyjen keräämien hiukkasten aerodynaaminen halkaisija mikrometreinä. Alaraja Yläraja Taso 1 0,0070 0,0167 Taso 2 0,0167 0,0280 Taso 3 0,0280 0,0563 Taso 4 0,0563 0,0949 Taso 5 0,0949 0,1560 Taso 6 0,1560 0,3820 Taso 8 0,3820 0,6130 Taso 9 0,6130 0,6480 Taso 10 0,6480 1,6000 Taso 11 1,6000 3,9900 Taso 12 3,9900 9, Laimennin Dekati FPS-4000 Dekati FPS-4000 (Fine Particle Sampler, kuvio 8) laimentaa näytteen kahdessa osassa. Koska moottorista tuleva tutkittava aerosoli on kuumaa, on sitä laimennettava lämmitetyllä ilmalla siksi, että siten ehkäistään näytteen kondensoitumista ja nukleoitumista. Laimennuksen toisessa vaiheessa syötetään näytteeseen huoneenlämpöistä ilmaa, joka viilentää näytettä ja laimentaa sitä entisestään. Laimennuksen määriä voidaan säätää FPS:n ohjauslaitteesta. Kuviossa 9 on periaatekaavio sondissa tapahtuvasta laimennusprosessista.

19 19(28) Kuvio 8. FPS-4000 (Dekati) Kuvio 9. Laimennussondin toimintaperiaate (Dekati). Laimennussuhteita ohjataan aukomalla ohjainlaitteen sisällä olevia venttiileitä sähköisesti tietokoneohjelman kautta. Venttiilit ovat kooltaan erisuuruisia ja yhdistelemällä niitä saadaan laimennussuhteen suuruudeksi jopa 200. Laimennuksen tarkkuudeksi valmistaja ilmoittaa +/-10 %. Laimennussondi sisältää useita antureita kontrolloidun laimennuksen aikaansaamiseksi. Näytteen painetta ja lämpötilaa seurataan useissa kohdissa sondia. Osat ovat selitetty kuviossa 10.

20 20(28) Kuvio 10. Laimennussondin osat. 1) Näytteen sisääntulo 2) Sondin lämmitin 3) Ensimmäisen vaiheen laimennusilman lämmitin 4) Lämpötila-anturi 5) Paine-anturi 6) Toisen vaiheen laimennusilman liitin 7) Paineanturi 8)Lämpötila-anturi 9) Näytteen ulostulo. (Dekati 2007). 4 Laitteiston asennus ja mittauksen valmistelu Projektia aloitettaessa moottori ei ollut vielä käyntikunnossa. Siitä puuttui akku ja polttoaineen syöttöpuoli oli hieman epämääräisessä kunnossa. Polttoaineen suodatus oli johdettu kulkemaan erillisen suodattimen kautta ja yhdestä polttoainelinjan liitoksesta puuttui banjopultti. Polttoaine ohjattiin kulkemaan alkuperäistä reittiä ja pultti hankittiin paikallisesta dieselmoottorien korjausliikkestä. Moottoriin hankittiin akku ja sen jälkeen oltiin valmiita kokeilemaan käynnistymistä. Moottorissa on automaattinen ilmaustekniikka, joka poistaa ilman polttoainejärjestelmästä virran kytkeytyessä päälle. Moottori käynnistyi ja toimi kuten pitikin. Sitten vuorossa oli mittauslaitteiston asennus.

21 21(28) Pakoputkeen hitsattiin TIG-menetelmällä laippa laimennussondin helppoa liittämistä varten (kuvio 11). Kuvio 11. Laimennussondi liitettynä pakoputkeen. Moottorin tärinän vuoksi koettiin parhaaksi rakentaa sondille tuenta, laitteiden rikkoutumisen ehkäisemiseksi. Tämän jälkeen liitettiin kaikki sähköjohdot ja ilmaletkut laitteisiin (kuvio 12).

22 22(28) Kuvio 12. Laitteisto koottuna mittausvalmiuteen Laitteiston käyttöön tarvittiin myös kannettava tietokone, jossa oli asennettuna sekä ELPIn että FPS:n ohjelmistot. Liittäminen tietokoneeseen tapahtui sarjaportin kautta, mutta koska tietokoneessa ei ollut kuin yksi sarjaportti, tarvittiin toisen laitteen liittämiseksi USB-adapteri. ELPI tarvitsi toimiakseen alipainepumpun (kuvio 13), joka liitettiin laitteen alipaineliittimeen. Tämän jälkeen kokoonpano oli valmis mittaukseen.

23 23(28) Kuvio 13. Alipainepumppu. Ohjeet FPS-4000 laimentimen käyttöön ovat liittessä 1.

24 24(28) 5 Tutkimukset Laitteiston käyttöönottoon saatiin mukaan Dekatin edustaja Henna Isherwood opastamaan mahdollisten ongelmien kanssa. Hän kertoi aluksi laitteen ja ohjelmistojen toiminnasta ja osien merkityksestä. Ennen varsinaisen mittauksen aloittamista laimennussondille suoritettiin tiiviystesti valmistajan edustajan ohjeiden mukaisesti. Sitten koneet käynnistettiin ja alettiin mitata. Vähän aikaa ohjelmien ilmoittamia arvoja seurattua tuli selväksi, ettei hyväksyttäviä tuloksia ole mahdollista saada. Autolaboratorion ilmanpainejärjestelmä ei anna tarpeeksi puhdasta ilmaa mittausten tekemiseksi. Todettiin, että painejärjestelmässä on öljyä, joka näkyy tuloksissa suurena määränä tietyn kokoluokan hiukkasia. Kolmos- ja nelostason virtamäärät olivat selkeästi suuremmat kuin muiden, mikä tarkoittaa näille tasoille kerääntyneen eniten hiukkasia. Aiemmin esitellyn taulukon 1 mukaisesti näiden hiukkasten aerodynaaminen halkaisija on 0,0280 0,0949 µm. Todettiin näiden hiukkasten olevan paineilmassa olleita epäpuhtauksia, kuten vesi- ja öljypisaroita. Dieselmoottorin nokihiukkasten mittaaminen ei onnistunut epäpuhtauksien takia. Uusien mittausten tekeminen puhdistetulla ilmalla osoittautui hankalaksi ja aikataulun kannalta mahdottomaksi.

25 25(28) 6 Yhteenveto Yhteenvetona voidaan todeta, että työtä aloitettaessa määritetyt tavoitteet saatiin saavutettua. Niiden lisäksi laadittiin pikaohje FPS-4000:n käyttöön. (Liite 1) Moottorin puutteiden selvittäminen ja käyntikuntoon saattaminen. Laimennus- ja mittauslaitteiden toimintaperiaatteen selvitys. Laimennus- ja mittauslaitteiden moottoriin liittäminen. Mittauslaitteiden käyttöönotto. Tutkimusta voitaisiin tulevaisuudessa kehittää siten, että hankittaisiin paineilman suodatuslaitteisto mittaustulosten käyttökelpoisuuden parantamiseksi. Tällaisenaan mittaustuloksista selviää vain se, että laitteet toimivat ja kertovat paineilman suuresta määrästä epäpuhtauksia. Myös moottoriin voitaisiin asentaa jarrudynamo, jolloin moottoria voitaisiin kuormittaa. Dynamon olisi hyvä pystyä kuormittamaan moottoria tiettyjen syklien mukaisesti. Silloin olisi mahdollista tutkia moottorin todelliset hiukkaspäästöt EU:n normien mukaisesti. Tällä hetkellä koululla on Sisu-tronic-ohjelmisto, jolla pystyy lähinnä vain seuraamaan moottorin kierroslukua ja polttoaineen suihkutuksen ennakkoa. Jos Sisulta saataisiin käyttöön laajempien ominaisuuksien ohjelma, voitaisiin tutkia polttoainesyötön ajoituksen ja määrän vaikutusta hiukkasten syntyyn. Yhdessä jarrudynamolla ja moottorinohjauksella voitaisiin mallintaa tarkasti moottorin käyttöä liikenteessä. Mielestäni auto- tai ympäristötekniikan opiskelijat voisivat tämän laitteiston kanssa tutustua hiukkaspitoisuuksiin ja niiden syntymiseen liikenteessä.

26 26(28) Lähdeluettelo Lehtipalo, Katrianne & Riipinen, Ilona Helsinki. Helsingin Yliopiston Fysiikan laitos. [online] [viitattu ] Dekati ELPI user manual [pdf-tiedosto][online][viitattu ] Dekati FPS manual full [pdf][online][viitattu ] Ilmanlaatuportaali [online][viitattu ] European emission standards. Wikipedia [online][viitattu ] en.wikipedia.org/wiki/european_emission_standards

27 27(28) Liitteet LIITE 1. Ohje FPS-4000:n käyttöönottoon lämmitetyllä laimennuksella Mittauspaikan vähimmäisvaatimukset Paineilman virtaus oltava 200 litraa minuutissa ja 6 barin paineella. Laimennusilman on oltava puhdasta ja kuivaa. Hiukkaskonsentraario on oltava alle 10/cm 3 ja suhteellisen kosteuden alle 5%. 16 ampeerin sähköpistoke ja 2000 watin teho saatavilla. Sondin liitoksen oltava tiivis ja aukon halkaisija yli 6mm. Käyttökuntoon laitto 1. Kokoa sondi (tarkemmat ohjeet valmistajan manuaalissa) 2. Kiinnitä kaapelit kuvion 1 mukaisesti. Primary- ja Ejector dilution air - ilmaletkut yhdistetään laitteen takapaneelin vastaavan nimisiin liittimiin. 3. Tee tiiviystesti (ohjeet valmistajan manuaalissa) 4. Liitä sarjakaapeli PC:hen 5. Kytke virta päälle FPS laitteeseen. 6. Käynnistä FPSvi-ohjelma 7. Säädä P4 laitteen etupaneelin painesäätimestä arvoon 3500 mbar, 15 mbar:in tarkkuudella. Etupaneelin mittari osoittaa ylipainetta, joten todellinen paine on tällöin ohjeiden mukainen 4500 mbar. 8. Aseta kalibrointiarvot. Käytä valmista.ini -tiedostoa, jos mahdollista. 9. Aseta Sample Flow Rate joko medium tai high -tasolle. Low on tarkoitettu vain laboratorio-olosuhteisiin, joissa kaikkia olosuhteita voidaan tarkasti säätää. 10. Säädä ohjelmasta haluttu laimennussuhde. Valmistajan suositus on käyttää yli 20 suhdetta. 11. Aseta lämmittimien arvot. Aseta tavoitelämpötilaksi noin 1,5 kertainen arvo haluttuun verrattuna. Korkeampi lämpötila vaikuttaa laimennussuhdetta kasvattavasti. 12. Kun on saatu sopiva laimennussuhde ja lämpötilat ovat vakiintuneet halutulle tasolle, tarkista P4:n arvo. Laimennuksen aloitus Laimennustietojen tallennus alkaa, kun painetaan ikkunana oikeassa yläreunassa olevaa nappia Not saving, jolloin napin teksti muuttuu saving. Tiedot laimennuksesta

28 28(28) tallentuvat dat-tiedostoon, joka on määritelty ennen mittauksen aloitusta setupvälilehdellä. FPSvi-ohjelman ilmoittama laimennussuhde (dilution ratio) voidaan syöttää hiukkasmittauslaitteen (ELPI) asetuksiin ennen mittausta. Tai sitten mittausten jälkeen valmistajan tarjoamaan valmiiseen Microsoft Excel -tiedostoon, jossa mittaustulokset käsitellään ja esitetään selkeässä muodossa. Kuvio 1. Laimennussondin kytkentä FPS:n takapaneeliin (Dekati)