RASKAAN AUTOKALUSTON PAKOKAASUPÄÄSTÖT Nils-Olof Nylund & Kimmo Erkkilä VTT Prosessit Mobile 2 päättöseminaari 10.12.2003 2 ASIAT VOISIVAT PÄÄSTÖJEN OSALTA OLLA HUONOMMINKIN! Kuva: Markku Ikonen (Tanzania 1991)
3 RASKAAN KALUSTON PAKOKAASUPÄÄSTÖT Yhä kiristyvät pakokaasupäästömääräykset ovat alentaneet sekä kevyen että raskaan ajoneuvokaluston päästöjä Kehitys bensiinikäyttöisten henkilöautojen osalta on kuitenkin ollut suotuisampaa kuin raskaiden dieselautojen osalta Kaupunki-ilman laadun kannalta hiukkaset (PM) ja typen oksidit (NO x, NO 2 ) ovat avainasemassa raskaan kaluston osuus liikenneperäisistä hiukkasista ja typen oksideista on merkittävä Raskaan kaluston pakokaasupäästöt koetaan usein häiritseviksi kaupunkiolosuhteissa PAKOKAASUMÄÄRÄYSTEN KEHITTYMINEN 4 % of Emissions Remaining 100 90 80 70 60 50 40 30 20 CO HC NOx 100% = Level Before Standards Sum of HC+NOx > 10 NOx 0 HC Component 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015CO CO HC NOx Henkilöautot (g/kwh) 18 16 14 12 Raskas kalusto European HD Emission Development THC PART. *10 CO NOx Year 10 8 6 4 2 0 NOx CO ECE PART. *10 ECE R49/00 R49/01 EURO 1 EURO 2 THC EURO 3 EURO 4 EURO 5
TEKNISIÄ RATKAISUJA PÄÄSTÖJEN VÄHENTÄMISEKSI.. 5 Ilman saannin optimointi turboahtaminen välijäähdytys muuttuvan geometrian omaavat ahtimet Polttoainesyötön optimointi mekaanisesti jäykät järjestelmät korkea ruiskutuspaine sähköinen ohjaus Palamistapahtumaan vaikuttaminen esim. pakokaasujen takaisinkierrätys (EGR)..TEKNISIÄ RATKAISUJA PÄÄSTÖJEN VÄHENTÄMISEKSI 6 Polttoainetekniikka setaaniluku ylös aromaattipitoisuus alas rikkipitoisuus alas (edellytys jälkikäsittelytekniikan käytölle) Pakokaasujen jälkikäsittely hapetuskatalysaattori hiukkassuodatin De-NO x tekniikka SCR-tekniikka
7 BUSSIEN YMPÄRISTÖKUSTANNUKSET TUKHOLMASSA,, 60.000 km/a 30000 25000 20000 PM 15000 VOC NOx 10000 5000 0 Euro 1 Euro 4 Euro 5 Lähde: Vägverket Ruotsi 8 AJATTELEMISEN AIHETTA Yhden auton osalta ympäristökustannusten ero vuositasolla Euro 1 -> n. 18.000 -> Euro 4 n. 11.000 -> Euro 5 n. 7.000 Vanhimman kaluston eliminointi kustannusmielessä tehokkainta! Yhteiskunta kerää hyödyn (kollektiivinen hyöty), mutta kuka vastaa kustannuksista? Miten voidaan varmistaa, että uusi tekniikka toimii suunnitellusti?
9 PÄÄSTÖJEN MITTAUS Raskaiden moottorien tyyppihyväksymistestit tehdään moottorimittauksin Euroopassa nyt käytössä ESC, ETC ja ELR testit (Direktiivi 1999/96/EC) saadaan moottorin ominaisuuksia kuvaavia vertailuarvoja päästötulokset muodossa g/kwh määritystapa ei huomioi ajoneuvon ominaisuuksia (massa, ajovastukset, voimansiirron ominaisuudet jne.) ajosuoritteelle lasketun päästön muodostaminen vaikeaa käytön aikainen valvonta mahdoton toteuttaa moottorimittauksin 10 TARVE ALUSTADYNAMOMETRIMITTAUKSILLE Alustadynamometrimittauksissa mittauksen kohteena on koko ajoneuvo mittausmenetelmä huomioi myös ajoneuvon ominaisuudet henkilöautojen tyyppihyväksymismenetelmä päästötulokset saadaan muodossa g/km Raskaiden ajoneuvojen mittaukset alustadynamometrissa usein on tarkoituksenmukaisempaa mitata autoa kuin erillistä moottoria penkissä (erilaisten kenttäkokeiden seuranta, uusien ajoneuvotekniikoiden evaluointi, vertailevat kokeet jne. ) monimutkaisilla sähköjärjestelmillä varustettujen moottorien asentaminen penkkiin voi olla hyvinkin vaativa tehtävä ajosuoriteperusteisten päästökertoimien generointi eri tyyppisille ajoneuvoille käytön aikainen valvonta mahdollistuu
11 VTT:N UUSI RASKAIDEN AJONEUVOJEN PAKOKAASULABORARORIO Alustava suunnittelu syksyllä 1998 arkkitehtina Vesa Tiilikka Keskustelut rahoittajatahojen kanssa 1999 Valtion kiinteistölaitoksen investointipäätös 17.11.1999 (Senaatti Kiinteistöt) Lopulliset suunnitelmat & kustannusarvio 5/2000 Laitehankinnoista päättäminen 5/2000 Urakoitsijoiden valinta 11/2000 Rakentaminen alkaa 1/2001 Rakennus valmiina 12/2001 Laitteiden asennukset ja käyttöönotto 12/2001-3/2002 12 OMINAISUUDET Uusimmat vaatimukset täyttävä raskaiden ajoneuvojen ja ajoneuvomoottorien tutkimus- ja tuotekehitysympäristö raskas auto- ja työkonemittauksiin soveltuva alustadynamometri mahdollistaa dynaamiset kuormanmuutostilanteet transienttimoottoridynamometri mahdollistaa dynaamiset kuormanmuutostilanteet pystyy simuloimaan moottorijarrutuksia molemmille laitteille yhteinen täyden virtauksen pakokaasumittauslaitteisto kaasumaiset päästöt ja hiukkaspäästöt
13 ALUSTADYNAMOMETRIMITTAUS 14 ALUSTADYNAMOMETRIMITTAUSTEN MENETELMÄKEHITYS Henkilö- ja pakettiautojen pakokaasumittaukset alustadynamometrissa 70/220/EEC 91/441/EEC 98/69/EC Raskaan kaluston alustadynamometrin mittausmenetelmät akkreditoitiin alkukesästä 2003 Raskaan kaluston moottorien pakokasumittaukset 96/1999/EC Raskaiden ajoneuvojen mittaukset alustadynamometrissa VTT PRO Raskaiden ajoneuvojen mittaukset alustadynamometrissa SAE J2711 Yleiset turvallisuusohjeet
15 VUODEN 2002-2003 HANKKEET RAKE= RASKAAN AJONEUVOKALUSTON KEHITYSHANKE Laitteistojen käyttöönotto ja menetelmäkehitys Tekes, YM, Erikoishiukkasmittaukset (FINE) Tekes; Finnkatalyt Tekes Sisu Diesel YM Tekes Fortum Raskaan kaluston jälkikäs. Tekes, Kemira Finnkatalyt HKR, Sisu Bussit HKL, YTV, LVM, Gasum YTV Työkonediesel Dieselpolttoaine Kuormaautot AKE LVM Moottorikartat COST 346 Liisa YYV Muut sov. Tuotekehitys Päästökertoimien generointi Pakokaasututkimus ProMOTOR Mobile 2 16 RAKEBUS 2002-2003.. Tehtävänä bussikaluston päästökertoimien generointi eri päästöluokat (Euro 1, 2, 3 jne.) eri automerkit eri tekniikkavaihtoehdot ikääntymisen vaikutus diesel/kaasuautovertailu (IANGV alatehtävä) (IANGV= International Association for Natural Gas Vehicles) Tutkimusmenetelmät alustadynamometrikokeita busseilla ajosykleinä Braunschweig, ECE 15 ja Orange County (transienttikokeita) mittaukset puolen kuormituksen mukaisilla ajo-vastuksilla säännellyt päästöt (CO, THC, NO x, PM) IANGV mittauksissa myös ei-säännellyt päästöt ja hiukkaskokojakaumat
17..RAKEBUS 2002-2003 Koemäärät vuonna 2002 mitattiin 11 autoyksilöä, yhteensä n. 60 mittausta vuonna 2003 on tähän mennessä mitattu 15 autoyksilöä, yhteensä n. 80 mittausta Rahoittajat YTV Liikenneyksikkö HKL Suunnitteluyksikkö LVM Gasum IANGV VTT 18 BUSSIN PAKOKAASUMITTAUS Braunschweig cycle 70 60 50 speed [km/h] 40 30 20 10 0 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 tim e [s]
19 VUODEN 2003 MITTAUSTEN NOx TULOKSIA 18 16 NOx emissions of buses measured at 2003 Braunschweig ECE15 14 12 10 g/km 8 6 4 2 0 MY(92) Euro 1 Euro2 Euro2 (MY98) MY(99) CRT MY(03) MY(02) (MY03) (MY03) CAT (MY03) CRT MY(96) (MY02) (MY02) Euro 5 20 VUODEN 2003 MITTAUSTEN PM TULOKSIA 0.45 0.40 PM emissions of buses measured at 2003 Braunschweig ECE15 0.35 0.30 g/km 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 Euro2 Euro2 (MY98) MY(99) CRT MY(03) MY(02) (MY03) (MY03) CAT (MY03) CRT MY(96) (MY02) (MY02) Euro 5
21 PÄÄSTÖLUOKAT VS. TODELLISET NOx PÄÄSTÖT NOx emissions vs. Euro-levels in Braunschweig city bus -cycle 25 20 Diesel, EEV Diesel + CRT Euro limits (by factor 1.8) 15 g/km 10 5 0 Euro emission level 22 PÄÄSTÖLUOKAT VS. TODELLISET PM PÄÄSTÖT PM emissions vs. Euro-levels in Braunschweig city bus -cycle 0.60 0.50 Diesel, EEV Diesel + CRT Euro limits (by factor 1.8) 0.40 g/km 0.30 0.20 0.10 0.00 Euro emission level
23 RAKETRUCK 2002-2003.. Vastaavalla tavalla kuorma-autojen osalta päästökertoimien generointi eri päästöluokat (Euro 1, 2, 3) eri automerkit eri painoluokat kuorman vaikutus polttoaineen vaikutus (10 ja 50 ppm S, 10 S= ruotsalainen MK1) Tutkimusmenetelmät alustadynamometrikokeita kuorma-autoilla transienttikokeita ECE 15 ja EUDC (maks. nopeus 85 km/h) sykleillä vakiokuormatestejä (vakionopeudet 65 ja 85 km/h sekä modifioitu ECE R49 koe) vuonna 2003 myös gradientin simulointia säännellyt päästöt 24..RAKETRUCK 2002-2003 Koemäärät vuonna 2002 mitattiin kolme autoyksilöä, yhteensä n. 75 mittausta autoja, kokonaispaino 10.5, 18 ja 26 t vuonna 2003 jälleen kolme autoyksilöä ja n. 75 mittausta Euro 1: 26 ja 60 t (auto/yhdistelmä), : 26 ja 60 t (auto ja yhdistelmä), : 18 t lisäksi 2003 mitattiin 3 eri jäteautoa Rahoittajat AKE LVM VTT
25 ESIMERKKEJÄ EURO 2 KUORMA-AUTOJEN NO x PÄÄSTÖSTÄ NOx-päästöt ECE15-syklissä, täyteen kuormatut autot 18.00 16.00 14.00 MK1 10ppm S Kauppalaatu 46ppm S 12.00 g/km 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 10,5 t 18 t 26 t 26 YHTEENVETO.. Raskaiden ajoneuvojen moottoritekniikassa on tapahtunut merkittävää edistystä viimeisen 5 vuoden aikana Sähköisesti ohjattujen moottorien päästöt ovat alentuneet ja tästä huolimatta polttoaineen kulutus on pysynyt kurissa Euro 4 (2005) tai viimeistään Euro 5 (2008) pakokaasumääräysten voimaan tullessa raskaassa kalustossa otetaan käyttöön pakokaasujen jälkikäsittelytekniikoita Jälkikäsittelytekniikan laajamittaisesta käyttöönotosta seuraa uusia haasteita
27..YHTEENVETO VTT:lle on rakennettu erinomainen raskaan kaluston pakokaasulaboratorio, jossa on mahdollista mitata pakokaasupäästöjä kokonaisista ajoneuvoista Laitteistolla voidaan simuloida erilaisia ajoprofiileja ja kuormitustilanteita Laitteistoja käytetään sekä yleiseen päästötutkimukseen ja päästökertoimien generointiin että varsinaiseen tuotekehitykseen (mm. polttoaineet, katalysaattorit) VTT:lle on alkanut kerääntyä niin paljon kokemuspohjaa raskaiden ajoneuvojen päästöistä, että on mahdollista tehdä johtopäätelmiä eri teknisten ratkaisujen suorituskyvystä ja toimivuudesta