Jussi Sutinen. E85-polttoaineen käyttö henkilöautossa



Samankaltaiset tiedostot
Ahdinjarjestelma. Ahtaminen, yleistä. kaampi palaminen, lisääntynyt teho ja suurempi

Seoksen rikastus ja säätö - Ruiskumoottorit lambdalla

Kehittyneet työkoneiden käyttövoimavaihtoehdot moottorinvalmistajan näkökulmasta Pekka Hjon

PC vai Yoshbox? Moottorinohjauksen lyhyt teoria ja vertailu Mustavalkoisesti kirjoitettuna innostamaan tiedon ja mielipiteiden jakamiseen by PetriK

Polttoaineen kulutus kauppalaatuisilla bensiineillä 95E10 ja 98E5

Tervetuloa. Polttoainelinjaston huolto, nykyaikaiset polttoaineet ongelmineen

E10 BENSIINI 2011 Tiedotustilaisuus ke Hotelli Scandic Continental, Helsinki

TEKNIIKKA. Dieselmoottorit jaetaan kahteen ryhmään: - Apukammiomoottoreihin - Suoraruiskutusmoottoreihin

Kirjoittaja: tutkija Jyrki Kouki, TTS tutkimus

Liikennepolttoaineet nyt ja tulevaisuudessa

Parasta varautua - Neste Pro Diesel - talvilaatu. Tuukka Hartikka, moottoriasiantuntija, Neste Oil, Tutkimus ja teknologia

Jussi Klemola 3D- KEITTIÖSUUNNITTELUOHJELMAN KÄYTTÖÖNOTTO

Etanoli henkilöauton polttoaineena

4. VASTAVENTTIILIN JA PAINEENRAJOITUSVENTTIILIN SEKÄ VASTAPAINEVENTTIILIN KÄYTTÖ hydrlabra4.doc/pdf

Tulevaisuuden polttoaineet kemianteollisuuden näkökulmasta. Kokkola Material Week 2016 Timo Leppä

Dynamic Paketti. hinta 2773,12

Signaali Tila Tyypillinen arvo. Kiinnitetty piikki - ei testitietoja saatavilla tai satunnainen digitaalinen signaali

Päästötön moottoripalaminen

Viikinmäen jätevedenpuhdistamon Energiantuotannon tehostaminen

Julkaisun laji Opinnäytetyö. Sivumäärä 43

Henkilöautoliikenteen energiatehokkuuden parantaminen käyttäjälähtöisin toimin EFFICARUSE. TransEco Seminaari Jukka Nuottimäki, VTT

Mika Jukkara, Tuotepäällikkö / Scania Suomi Oy. Biokaasu, Biodiesel, HVO vai Sähkö raskaan liikenteen käyttövoimana

Low Temperature Combustion - Päästötön moottoripalaminen

SÄHKÖKÄYTTÖISET UB 20 / UB 30

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

MOOTTORI / ENGINE KF6

Konekoulutus I Moottorioppi

FHM-Cx Sekoitusryhmät lattialämmitykseen

MUSEOT KULTTUURIPALVELUINA

LMM KARTING TEAM. Luokkaesittelyt: - Cadet - Micro - Raket 85, Raket 95 - KF6

Juho Similä POLTTOAINEVERTAILU JA FLEX-FUEL-TOIMINNON RAKENTAMINEN OTTOMOOTTORIIN

Julkaisutiedot. Scania Diagnos & Programmer 3 versio 2.27

Dodge Avenger TEKNISET TIEDOT. Yleistä. Sterling Heights Assembly, Michigan, USA

MINI60 TEKNISET SÄÄNNÖT 2019

POLTTOAINEEN LAADUN VAIKUTUS POLTTOAINEEN KULUTUKSEEN RASKAASSA DIESELMOOTTORISSA

MEPUN KUIVURIUUNIT TALOUDELLISET JA TEHOKKAAT LÄMMÖNLÄHTEET

Sähköllä ja biopolttoaineilla uusiutuvaa energiaa liikenteeseen

WintEVE Sähköauton talvitestit

Diesel DPF -puhdistussarja

Kaasuauto. Autoalan opettaja- ja kouluttajapäivät Tampere. Jussi Sireeni.

Typpeä renkaisiin Pitää paineen vakaana ja vähentää kustannuksia

Tehokas ja ympäristöystävällinen Avant 760i 4 AVANT MAGAZINE

1 ON +I::::~I+ 50 Tekniset selostukset ETS. Varmuusventtiilin

Via Circonvallazione, Valduggia (VC), Italia Puh: Faksi: Kuva 9525.

Kiertotaloutta käytännössä - Meneillään & tulossa Christian Hindersson

BENSIINIKÄYTTÖISEN HENKILÖAUTON MUUTTAMINEN E85:LLÄ TOIMIVAKSI

Anne-Marie Nääppä PAINEPUKUMATERIAALIEN KÄYTTÖOMINAISUUKSIEN SÄILYMINEN

SYLINTERIKANNEN VIRITYSTYÖ JA ETANOLIKÄYTTÖ AJONEUVOSSA

Energian talteenotto liikkuvassa raskaassa työkoneessa Heinikainen Olli

Arab Company for Petroleum and Natural Gas Services (AROGAS) Johtaja, insinööri Hussein Mohammed Hussein

Kuvailulehti. Korkotuki, kannattavuus. Päivämäärä Tekijä(t) Rautiainen, Joonas. Julkaisun laji Opinnäytetyö. Julkaisun kieli Suomi

Liikuteltavat kuumavesipesurit NEPTUNE 1

PAKOKAASUAHTAMINEN JA MONIPISTERUISKUTUS OTTOMOOTTORISSA

AJONEUVOTEKNIIKAN KEHITTYMINEN JA UUSIEN ENERGIAMUOTOJEN SOVELTUMINEN SÄILIÖKULJETUKSIIN. Mika Jukkara, Tuotepäällikkö / Scania Suomi Oy

Volvon Trucksin uudet voimansiirtolinjat lisäävät voimaa ja pienentävät polttoaineenkulutusta

Heini Salo. Tuotannonohjauksen kehittäminen digitaalipainossa. EVTEK-ammattikorkeakoulu Mediatekniikan koulutusohjelma. Insinöörityö 15.5.

Joni Heikkilä WINTEVE SÄHKÖAUTON TALVITESTIT

Ammattilaisen valinta on Shell Helix Ultra *

VENEEN ALKUPERÄISEN MOOTTORINOHJAUSYKSIKÖN VAIHTO OHJELMOITAVAAN YKSIKKÖÖN

FORD RANGER _Ranger_2015.5_COVER_V2.indd /08/ :39:54

MOOTTORI Raket 60. AKK-Motorsport Ry LUOKITUSTODISTUS 2/R60/18. Valmistaja Rande Motors Manufacturer RAKET Malli Model 60 CD

E10 bensiinin soveltuvuus automalleihin

Esim: Mikä on tarvittava sylinterin halkaisija, jolla voidaan kannattaa 10 KN kuorma (F), kun käytettävissä on 100 bar paine (p).

AJONEUVOTEKNIIKAN KEHITTYMINEN Erikoiskuljetusseminaari Mika Jukkara, Tuotepäällikkö / Scania Suomi Oy

VOLVO S60 & V60 DRIV. Lisäys käyttöohjekirjaan

E85-etanolikonversio. Roni Kuru. Polttoaineiden ominaisuuksien vertailu moottoridynamometrissä



Talon valmistumisvuosi 1999 Asuinpinta-ala 441m2. Asuntoja 6

Mutterinkierrin (24211) TREND 50/4000 ( )

MEPUN KUIVURIUUNIT TALOUDELLISET JA TEHOKKAAT LÄMMÖNLÄHTEET

Sähkökäyttöinen kiinteä kuumavesipesuyksikkö


Metropolia AMK BOSCH REXROTH HYDRAULIPENKIN KONSEPTISUUNNITTELU

Teknologiaraportti. Heikki Torvinen. 18/1/11 Metropolia Ammattikorkeakoulu

GREDDY PROFEC B SPEC II säätäminen

Merkittävin uutuustuotteemme sitten Aspen 2 -tuotteen. ONE FOR ALL.

Voiteluaineiden vaikutus raskaiden ajoneuvojen polttoaineen kulutukseen. Kari Kulmala Neste Oil Oyj / Komponentit / Perusöljyt

Suomen visiot vaihtoehtoisten käyttövoimien edistämisestä liikenteessä

TURBOAHTIMEN MITOITUS POLTTOMOOTTORIKÄYTÖSSÄ

DAIHATSU SIRION, M100

Puukaasutekniikka energiantuotannossa

Hallitusneuvos Anja Liukko Liikenne- ja viestintävaliokunta HE 199/2018 vp

MOOTTORI Raket 60. AKK-Motorsport Ry LUOKITUSTODISTUS 2/R60/18. Valmistaja Radne Motors Manufacturer RAKET Malli Model 60 CD

ALKUPERÄISEN KÄYTTÖOHJEEN KÄÄNNÖS

Vuodesta Tynnyri- ja konttipumput Tiivisteettömät keskipakopumput

SPV - Katsastajien neuvottelupäivät

2010 Autotuojat ry Julkaisun osittainenkin kopiointi ilman tekijänoikeudenhaltijan lupaa on kielletty.

L1 L2 L3 L4 L5 Akseliväli (mm) L1 L2 L3 L4 L5 Akseliväli (mm)

Ideaalikaasut. 1. Miksi normaalitila (NTP) on tärkeä puhuttaessa kaasujen tilavuuksista?

FORD ST _ST_Range_V2_ MY.indd FC1-FC3 27/06/ :24:01

Sideaineen talteenoton, haihdutuksen ja tunkeuma-arvon tutkiminen vanhasta päällysteestä. SFS-EN

Saab 900S Turbon muunnos RE85-polttoaineelle sopivaksi

JM-luokan kilpa-auton moottorin virittäminen

Joustava pumppujärjestelmä

monipuolinen ilmaverho

VOLVO V-70 D5 (2008) 136 KW DIESELHIUKKASSUODATIN - JÄRJESTELMÄ

1. Hidaskäyntiset moottorit

MOOTTORINOHJAUKSEN VALINTA

Hallitusneuvos Anja Liukko Ympäristövaliokunta HE 199/2018 vp

Transkriptio:

Jussi Sutinen E85-polttoaineen käyttö henkilöautossa Metropolia Ammattikorkeakoulu Insinööri AMK Auto- ja kuljetustekniikka Opinnäytetyö 13.4.2013

Tiivistelmä Tekijä(t) Otsikko Sivumäärä Aika Tutkinto Jussi Sutinen E85-biopolttoaineen käyttö henkilöautossa 16 sivua + 2 liitettä 13.4.2013 Insinööri AMK Koulutusohjelma Auto- ja kuljetustekniikka Suuntautumisvaihtoehto Jälkimarkkinointi Ohjaaja(t) Projekti-Insinööri Harri Miinin Tässä opinnäytetyössä selvitettiin ja toteutettiin tarvittavat muutokset alettaessa käyttää E85-biopolttoainetta SI-moottorilla varustetussa henkilöautossa sekä tutkittiin biopolttoaineen tuomia hyötyjä käytettäessä moottorissa suurempaa viritysastetta. Moottorin mittaus- ja säätötyöt tehtiin AMW Dyno Servicen tiloissa Lappeenrannassa ja testiajot suoritettiin Motoparkin moottoriradalla. E85-biopolttoaine toi samalla käytetyllä ahtopaineella enemmän tehoa ja enemmän vääntöä verrattuna 98E5-polttoaineeseen. Testeissä käytetyn moottorin pakopuoli osoittautui hieman ahtaaksi, joten tulokset jäivät arvioitua pienemmiksi. Yksi biopolttoaineen suurimmista haasteista käytössä on sylintereiden täytös. Käytettäessä korkeaseosetanolia tarvitaan sylinteriin jopa 40 % suurempi polttoainemäärä verrattuna 98E5-polttoaineeseen. Lisäksi monet polttoainelinjoissa käytettävät materiaalit eivät sovellu käytettäväksi korkeaseosetanolin kanssa. Avainsanat vaihtoehtoiset polttoaineet, E85

Abstract Author(s) Title Number of Pages Date Degree Jussi Sutinen Using E85-biofuel in a passenger car 16 pages + 2 appendices 13 April 2013 Bachelor degree Degree Programme Automotive industry Specialisation option Aftersales Instructor(s) Harri Miinin, Project Engineer The purpose of this thesis was to study and implement the necessary changes to start using E85 bio fuel in a car equipped with a SI-engine and to learn the benefits of bio fuel in a high performance engine. The engine tests were ran at AMW Dyno Service in Lappeenranta city. Test drives were held at Motopark race circuit. Measured with identical boost, the E85 bio fuel gave more horsepower and more torque compared to 98E5- fuel. The test engines exhaust system turned out to be small so the results weren t as good as expected. Most biggest challenges using bio fuel is filling the cylinders. Using high mixture ethanol the combustion needs even 40 % more fuel compared to 98E5 fuel. Also many materials common used in fuel systems do not tolerate high mixture ethanol inside. Keywords alternative fuels, E85

Sisällys 1 Johdanto 1 2 Käytettävät polttoaineet ja tutkimusmenetelmät 1 2.1 Käytettävät polttoaineet 1 2.2 Tutkimuksessa käytetty moottori 2 2.3 Moottorin muutokset 2 2.4 Mittausjärjestelmä 2 3 RE85 polttoaineena 3 3.1 RE85:n ominaisuudet 3 3.2 Hyödyt 3 3.3 Haitat 3 4 Muutostyö 4 4.1 Moottorinohjaus 4 4.2 Polttoaineen syöttö 6 4.3 Moottorinohjauksen optimointi 9 5 RE85-ja 98E5 -polttoaineiden vertailu 12 6 Yhteenveto 15 Lähteet 17 Liitteet Liite 1. Teho- ja vääntökäyrät E85 ja 98E5 Liite 2. Ahtopainekäyrät E85 ja 98E5

1 1 Johdanto EU:n ilmasto- ja energiatavoitteiden mukaisesti Suomi sitoutui vuoden 2008 ilmasto- ja energiastrategiassaan siihen, että uusiutuvan energian osuus liikenteessä on vähintään 10 prosenttia vuoteen 2020 mennessä. Hallituksen keväällä linjaamassa uusiutuvan energian velvoitepaketissa asetettiin korotettu tavoite, jonka mukaan uusiutuvan energian osuus liikenteessä nostetaan 20 prosenttiin vuonna 2020 (1, s. 1). Liikenne on Suomen suurin öljynkuluttaja. Vuonna 2009 Suomen öljynkulutus oli runsaat 10 miljoona tonnia, josta liikenteen polttoaineiden osuus on 46,5 % (1, s. 1). Öljynkulutuksen vähentämiseksi Suomi etsii vaihtoehtoisia ratkaisuja liikenteen polttoaineiksi. Tärkein toteutuskeino tässä olisi biopolttoaineita koskeva jakeluvelvoite. Vaihtoehtoiset polttoaineet tulevat myös moottoriurheiluun. Moottoreiden käyttäminen niiden äärirajoilla antaa myös käytettävästä polttoaineesta sellaista tietoa, jota ei saada käyttämällä moottoria "normaalisti" tieliikenteessä. Tämän työn tavoitteena on tutkia bioetanolipohjaisen E85-polttoaineesta saatavia hyötyjä rata-auton polttomoottorissa, vertailla suoritusarvoja 98E5-polttoaineeseen sekä selvittää tarvittavat muutokset siirryttäessä käyttämään E85-biopolttoainetta rataautossa. Moottori on SI-tyyppinen Fordin valmistama, jota mitattiin AMW Dyno Servicessä sen ollessa kiinni autossa. 2 Käytettävät polttoaineet ja tutkimusmenetelmät 2.1 Käytettävät polttoaineet Tutkimuksessa käytettiin kahta Suomessa myytävää polttoainelaatua, Shellin V-Poweria sekä kotimaisen energiayhtiö St1:n tarjoamaa RE85:ta. Ensimmäisen polttoaineen oktaanipitoisuus on RON-asteikolla 98 ja etanolipitoisuus on 5 % (2, s. 1). Jälkimmäisen polttoaineen oktaanipitoisuus on 101 106 RON ja etanolipitoisuus

2 vuodenajoista riippuen 80 85 %. Etanolin nimellispitoisuus on 85 %, kuitenkin talvikaudella kylmäkäynnistysominaisuuksien parantamiseksi bensiinin osuutta lisätään. 2.2 Tutkimuksessa käytetty moottori Tutkimuksessa käytettävä moottori on Fordin valmistama 2.0iS, jota on tehty tutkimuksessa käytettävän Ford Sierra henkilöauton sarjavalmistuksessa. Moottori on nelisylinterinen 4-tahtinen, kahdeksanventtiilinen, iskutilavuudeltaan 1993 cm³ oleva rivimoottori. Kyseessä on kipinäsytytteinen ottomoottori eli SI-moottori. Moottori on varustettu neljällä polttoainesuuttimella, ja moottorinohjauksesta vastaa Bosch L- Jetronic. Moottori tuottaa vakiona 115 hv (85 kw) @ 5500 r/min ja 160 Nm @ 4000 r/min. Moottorin lohko sekä kansi on valmistettu valuradasta. 2.3 Moottorin muutokset Tutkimuksessa käytettävään moottoriin tehtiin sen rakennusvaiheessa muutoksia koska moottorista oli tarkoitus tehdä hieman vakiomoottoria tehokkaampi versio. Jo moottorin suunnitteluvaiheessa oli selvää, että moottori tullaan ahtamaan ja se tulee käyttämään RE85 -polttoainetta. Moottorin suurimmat muutokset, kuten lohkon betonointi, imu- ja pakosarjan teko ja sylinterinkannen virtauksien parantaminen, tehtiin ainoastaan moottorin viritysasteen nostamisen ja moottorin kestävyyden kannalta, ei suinkaan alkoholipohjaisen polttoaineen takia. Muutokset siirryttäessä käyttämään RE85-polttoainetta on käsitelty luvussa 4, mutta mainittakoon että moottorin suunnittelussa ja osien valinnassa ei juurikaan tarvitse ottaa huomioon, aikooko tulevaisuudessa polttoaineen vaihtaa korkeaseosetanoliin. 2.4 Mittausjärjestelmä Vertailut ja moottorin optimointi molemmille polttoaineille suoritettiin Lappeenrannassa AMW Dyno Service Ay:n tiloissa. Moottoreiden säätämiseen erikoistuneen yrityksen tiloista löytyy tarvittavat mittaus- ja säätöjärjestelmät. Mittauksien aikana moottori oli kiinnitettynä autoon. Moottoria säädettiin auton ollessa alustadynamometrillä (kuva 1).

3 3 RE85 polttoaineena 3.1 RE85:n ominaisuudet Puhtaan etanolin RON -oktaaniluku on 111, RE85:ssa vastaava luku valmistajan mukaan on jopa 106, joka on huomattavasti bensiiniä korkeampi ja mahdollistaa suuremman puristussuhteen käytön SI-moottorissa. Sytytysennakon lisääminen moottorissa on myös mahdollista oktaaniluvun kasvaessa, sillä korkeamman oktaaniluvun saavuttamalla polttoaineella moottorin nakutuskestävyys kasvaa (3; 4; 5). Etanoliin sitoutunut energia, joka vapautuu polttaessa, on pienempi kuin bensiinissä. Litrassa etanolia on 23,5 MJ (6,5 kwh) energiaa kun bensiinissä sitä on 34,8 MJ (9,7 kwh). RE85-polttoainetta kuluu käytännössä n. 25 30 % enemmän kuin bensiiniä. Etanolin ilmantarve täydellisessä palamisessa on huomattavasti bensiiniä pienempi johtuen pääosin polttoaineen sisältämästä hapesta. Puhtaan etanolin stökiometrinen AFR on 9, kun bensiinille se on 14,7 (3; 4; 5.). 3.2 Hyödyt RE85-polttoaineen pienempi stökiometrinen polttoaineilmasuhde mahdollistaa suuremman polttoainemäärän sylinterissä, mikä johtaa tehokkaampaan palamiseen sylintereissä verrattuna puhtaisiin hiilivetypolttoaineisiin. 3.3 Haitat Suurin haitta käytettäessä korkeaseosetanolia on kylmäkäynnistys ominaisuudet alhaisissa lämpötiloissa. Huono kylmäkäynnistys on seurausta etanolin korkeasta höyrystymislämmöstä ja alhaisesta höyrynpaineesta. Juuri näistä kylmäkäynnistys syistä E85 sisältää 15 20 % bensiiniä. Flexifuel-autojen valmistajat kehottavat käyttämään alhaisissa lämpötiloissa autoissa vakiovarusteena olevaa lohkolämmitintä, jota käytettäessä kylmäkäynnistysongelmia ei ilmene (3; 5.). Käytettäessä korkeaseosetanolipolttoaineita polttoainejärjestelmissä käytettävissä materiaaleissa on eroja. Erityisen hyvin alkoholipolttoaineita sietävät mm. ruostumaton

4 teräs, pronssi, neopreenikumi, polypropeeni, nitriili ja teflon. Huonoiten alkoholipolttoaineita kestävät sinkki, messinki, lyijy, alumiini, luonnonkumi ja polyvinyylikloridi (pvc) (3; 6; 7.). SI-moottoreissa käytettävät etanolipohjaiset polttoaineet voivat lisätä voiteluöljyn vesipitoisuutta moottorissa etanolin palamisessa syntyvän verihöyryn takia. Tästä syystä Flexifuel-autoille suositellaan moottoriöljynvaihtoväliksi 10 tkm (3). 4 Muutostyö 4.1 Moottorinohjaus Projekti aloitettiin suunnittelemalla tarkoin vaadittavat muutostyöt siirryttäessä käyttämään RE85-polttoainetta. Korkeaseosetanolin tiedettiin vaativan suurempia polttoainetäytöksiä sekä sytytysennakonsäätämistä, tästä syystä autoon hankittiin Haltech E6A -moottorinohjausjärjestelmä (kuva 1) seossuhteen ja sytytysennakon optimoimiseksi. Käytännössä moottorinohjaukseen tehtävät muutokset ovat niin massiivisia, ettei alkuperäisen järjestelmän muokkaaminen ollut mahdollista. Kuva 1. Haltech E6A -moottorinohjausjärjestelmä

5 Kuvassa 1. Haltech E6A -moottorinohjausjärjestelmän keskusyksikkö, johon tieto moottorin parametreista tuodaan. Haltech E6A:n mukana tuli oma johtosarja, jonka avulla järjestelmä saatiin liitettyä autoon. Auton alkuperäinen johtosarja poistettiin miltei kokonaan, ja alkuperäisellä sähköjärjestelmällä käytetään ainoastaan auton valoja ja lämmityslaitetta. Haltech E6A -moottorinohajusjärjestelmä tarvitsee tiedon jokahetkisestä kuormitustilanteesta, joten sille on tuotava tieto mm. moottorin pyörintänopeudesta sekä sylinterintäytöksestä. Muita mitattavia parametreja ovat jäähdytysnesteen lämpötila, imuilman lämpötila, kaasuläpänasento, imusarjanpaine sekä lambda-arvo. Näiden lisäksi auton ollessa alustadynamometrillä mitattiin vielä pakosarjanpaine sekä pakokaasujen lämpötilaa. Kuva 1. Haltech E6A -moottorinohjausjärjestelmän kytkentälkaavio (10).

6 4.2 Polttoaineen syöttö Polttoainesuuttimet hankittiin VPV-Motorracing Electonicsilta. Yritykseltä löytyi hyllystä suoraan rosterirunkoisia suuttimia, jotka soveltuvat korkeaseosetanoli käyttöön. Suuttimien oikean koon selvittämiseksi käytettiin kaavaa 1, jossa yhden suuttimen tarvittava tilavuusvirta saadaan selville. Tulokseen lisättiin vielä 30 %, jotta korkeaseosetanolin alhaisempi stökiometrinen seossuhde ei tuottaisi ongelmia. ä ö,, / Kaava 1. Kaava suuttimen tilavuusvirran laskemiseksi. Polttoainesuuttimiksi valittiin Siemens-Deka -merkkiset 840 l/min tuottavat rosterirunkoiset. Valinta kohdistui näihin suuttimiin, koska ne olivat lähimpänä kooltaan tarjolla olevat. Kuva 2. Siemens-Deka rosterirunkoiset polttoainesuuttimet.

7 Suuri sylinterin täytös vaatii myös polttoainetta polttoainetankilta, joten polttoaineen siirto päätettiin toteuttaa kahdella pumpulla ja välisäiliöllä. Boschin valmistama FP200 - polttoainepumppu pystyy tuottamaan tarpeeksi polttoainetta suutintukille ja on kehitetty toimimaan myös korkeaseosetanolin kanssa ongelmitta. Kuva 3. Bosch Motorsport FP 200 -polttoainepumppu (8). Riittävästä polttoaineen syötöstä huolehtii siis nyt kaksi polttoainepumppua, kaksi suodatinta ja noin kahden litran rosterinen välisäiliö, kaikki sijoitettuna akun kanssa varapyöräkoteloon. Toisella pumpulla polttoaine pumpataan tankilta suodattimen läpi välisäiliöön, josta toisella pumpulla polttoaine pumpataan jälleen suodattimen läpi moottorille.

8 Kuva 4. Varapyöräkotelo, jonne sijoitettuna polttoainejärjestelmä ja akku. Polttoainejärjestelmän ja akun sijoittaminen oli hankalaa ja ainoaksi vaihtoehdoksi tuntuikin jäävän varapyöräkotelo. Polttoainelinjat ja akku on kuitenkin eristettävä hytistä, joten kotelon päälle tehtiin tiivis, saranoitu aluminiikansi. Myös polttoainepumppujen tuottama ääni saatiin hiljennettyä kannen avulla.

9 Kuva 5. Alumiinista valmistettu varapyöräkotelon kansi paikoillaan. 4.3 Moottorinohjauksen optimointi 20.7.2011 kaikki muutostyöt olivat valmiina ja vuorossa oli moottorinohjauksen optimointi AMW Dyno Servicellä Lappeenrannassa. Polttoainetankkiin jätettiin riittävästi 98E-polttoainetta, jotta polttoaineen vaihdosta saadaan mahdollisimman hyvät vertauskuvat.

10 Kuva 6. Sierra AMW Dyno Servicellä kiinnitettynä alustadynamometriin. Neljässä tunnissa saatiin tehtyä Haltech moottorinohjauslaitteen avulla täydelliset polttoaine- ja sytytyskartat molemmille polttoaineille. Molempien polttoaineiden kartat ovat tallennettuina, joten autoon voidaan tankata kumpaa polttoainetta tahansa. Ainoa muutos, joka tarvitsee tehdä, on ohjelman vaihto Haltech - moottorinohjausjärjestelmään. Kuva 7. Ajoviiman stimulointia suurella puhaltimella alustadynamometrissä.

11 23.7.2011 suoritettiin ensimmäinen ratatesti Motoparkin moottoriradalla Virtasalmella. Testin tarkoituksena oli seurata imuilman sekä jäähdytysnesteen lämpötiloja ja tarvittaessa muuttaa kompensaatiokertoimia. Testeissä ei huomattu mitään parantamisen mahdollisuutta, joten moottorinohjaimen säätöihin ei koskettu. Kuva 8. Ensimmäinen ratatesti 23.7.2011 Motoparkin moottoriradalla RE85-polttoaineella. Ympäri vuorokauden kestäneen korkean lämpötilan vuoksi ei päästy kokemaan huonoja kylmäkäynnistysominaisuuksia. Nokka-akselin pitkän imuventtiilin aukiolon ajateltiin pienentävän puristustahdin loppupainetta ja lämpötilaa ja tekevän näin moottorista huonon käynnistettävän korkeaseosetanolilla. Moottori lähti kuitenkin käyntiin hyvin eikä mitään ongelmia havaittu moottorin toiminnassa. Ero moottorissa polttoaineen vaihdon jälkeen oli huomattava. Aikaisempi moottorin herääminen ja kasvanut suorituskyky olivat erittäin huomattavia.

12 5 RE85-ja 98E5 -polttoaineiden vertailu Moottorista mitattiin suurempi vääntömomentti käytettäessä RE85-polttoainetta. Kaikissa testeissä imusarjan ylipaineena käytettiin samaa 1,36 bar:n painetta. RE85:n kanssa ongelmaksi muodostuivat korkeat pakopaineet, joiden vuoksi tehoero normaaliin polttoaineeseen jäi hieman suunniteltua pienemmiksi. Pakokaasujen tilavuusvirta käytettäessä RE85:ta kasvoi niin paljon, että paine pakosarjassa kasvoi yli ahtopaineen. Tämä johtui liian pienestä turbon turbiinipesästä; turbiinipesän haluttiin olevan pieni auton laajan käyttöalueen varmistamiseksi. RE85-kokeilua voidaan kuitenkin pitää onnistuneena, sillä tehot kasvoivat samalla 1,36 bar:n ylipaineella V-Poweriin verrattuna. Suurempi pakokaasujen tilavuusvirta aiheuttaa ahtopaineen nousun aikaisemmilla kierroksilla, ja juuri tällainen käyttöalueen laajeneminen on yksi korkeaseosetanolin tuomia hyviä puolia. Ahtopaineen nousua kuvaava kaavio löytyy liitteestä 2. Seuraavista kuvista voidaan vertailla polttoainesuuttimien aukioloaikaa sekä käytettävää sytytysennakkoa moottorin pyörintänopeuden ollessa huipputehon kohdalla. Korkeaseosetanolin suurempi polttoaineen tarve on suoraan havaittavissa Haltech -moottorinohjausjärjestelmästä kaapatuista polttoainekartoista.

13 Kuva 9. Suuttimen aukioloaika millisekunteina, 5500 rpm, 100 %:n kuorma, 98E5. Kuva 10. Suuttimen aukioloaika millisekunteina, 5500 rpm, 100 %:n kuorma, RE85. Vertailemalla kuvioiden 11 ja 12 suuttimien aukioloaikaa voidaan havaita E85:n myötä saatava suurempi täytös.

14 Kuva 11. Sytytysennakko 98E5:lla, 5500 rpm ja 100 %:n kuorma. Kuva 12. Sytytysennakko E85:lla, 5500 rpm ja 100 %:n kuorma. Kuvista 12 ja 13 voidaan hyvin havaita, kuinka epätäydellinen täytös sylintereissä on. Korkea pakopaine estää pakokaasujen poistumisen sylintereistä poistotahdin aikana. Sylintereissä on hyvin huono täytös, koska siellä on paljon edelliseltä työkierrolta jäänyttä pakokaasua. Tästä johtuen moottorille ei voitu antaa suurempaa sytytysennakkoa.

15 6 Yhteenveto Työn tarkoituksena oli selvittää tarvittavat muutokset sekä hyödyt siirryttäessä käyttämään biopolttoainetta SI-moottorilla varustetussa henkilöautossa. Työssä käytetyn moottorin tehoa nostettiin alkuperäistä huomattavasti suuremmaksi, jolloin päästiin toteamaan korkeaseosetanolin hyötyjä suurilla kuormituksilla. Korkeaseosetanolin hyvät puolet tulivat mittauksien aikana nopeasti havaittaviksi, vaikkei moottorin hengitys ollutkaan parhain mahdollinen silmällä pitäen suurinta huipputehon nousua. Samalla ahtopaineella tulokseksi E85:ta käyttämällä saatiin 1,6 % suurempi teho sekä 2,5 % suurempi vääntömomentti. Sytytysennakoita vertailemalla nähdään, että korkeaseosetanoli mahdollistaa suuremman ennakon käytön. Tässä mittauksessa korkeasta pakopaineesta johtuen sylinterit eivät tyhjentyneet kunnolla pakokaasuista, mistä johtuen moottori ei kestänyt huomattavasti suurempaa sytytysennakkoa. Vertailemalla ruiskutussuuttimen aukioloaikaa voimme todeta suoraan korkeaseosetanolin tarvitseman suuremman polttoainemäärän. 5500 kierroksen kohdalla täydellä kuormituksella polttoainesuutin käytettäessä 98E5:sta on auki 6,464 ms, kun taas E85:lla suutin on auki 9,104 ms. Tämä tarkoittaa korkeaseosetanolille 40,1 % pidempää suuttimen aukioloaikaa tuolla moottorin pyörintänopeudella. Tästä syystä polttoaineensyöttöön onkin keskityttävä huolella, sillä korkeaseosetanoli ei ainoastaan ole monien materiaalien syövyttäjä. Korkeaseosetanolia käytettäessä on polttoaineen riittävästä saannista moottorille huolehdittava. Korkeaseosetanolin jakeluverkoston laajentuessa ja tämän työn tuloksien perusteella voidaan E85-polttoainetta pitää järkevänä polttoaineena ottomoottoriin. FlexiFuel-autot tulevat varmasti yleistymään, ja niissä E85:n käyttöönotto on vaivatonta. E85:n osuus kilpa-autoilussa Suomessa on vielä epäselvää, ja tätä kirjoittaessa Suomen autourheilun kattojärjestö, AKK, kieltää korkeaseosetanolin käytön kaikissa sen alaisissa moottoriurheilulajeissa (11).

16 Korkeaseosetanolin käyttöönotto tässä projektissa vaati muutoksia koko polttoaineensyöttö- ja sytytysjärjestelmään. Muutokset näihin järjestelmiin olivat väistämättömiä kun moottorin alkuperäinen suorituskyky päätettiin yli nelinkertaistaa. Kun päätös korkeaseosetanolin käytöstä vahvistettiin oli muutamiin hankittaviin osiin kiinnitettävä erityistä huomiota. Polttoainesuuttimien kokoa suurennettiin vielä 30 %:lla, koska korkeaseosetanolin tiedettiin vaativan suuremman täytöksen. Suuttimien runkomateriaali vaihdettiin ruostumattomaan teräkseen, koska sen tiedetään sietävän korkeaseosetanolia hyvin. Moottorin suuresti kasvaneen polttoainetarpeen johdosta myös kaikki polttoainelinjat vaihdettiin halkaisijoiltaan suuremmiksi ja polttoaineen syöttöä parannettiin asentamalla autoon kaksi kilpailukäyttöön tarkoitettua polttoainepumppua. Myös pumppujen ja putkien materiaaliin kiinnitettiin huomiota mahdollisten syöpymisien välttämiseksi. Koska muutokset moottoriin olivat niin suuria ettei auton omaa moottorinohjausjärjestelmää ollut enää mahdollista käyttää, päätettiin autoon hankkia Haltech E6A -moottorinohjausjärjestelmä. Haltech mahdollistaa polttoaineen syötön sekä sytytysennakon säädön tarkasti tietokoneella. Uudella moottorinohjausjärjestelmällä saadaan siis sytytysennakko sekä polttoaineensyöttö säädettyä, tämä mahdollistaa moottorin toimimisen suurten muutosten jälkeen. Opinnäytetyöni tekeminen on opettanut minulle erityisesti ottomoottorin toimintaa tarkemmalta etäisyydeltä sekä tuonut erittäin hyödyllistä tietoa ja taitoa vaihtoehtoisten polttoaineiden käyttäytymisestä SI-moottorissa. Vaihtoehtoiset energialähteet tulevat varmasti yleistymään lähitulevaisuudessa, joten hyöty tämän opinnäytetyön tekemisestä tulee varmasti vastaan työskennellessäni autoalalla myös jatkossa.

17 Lähteet 1 Öljyn osuus tieliikenteessä. 2011. Verkkodokumentti. Öljyalan keskusliitto. <http://www.oil.fi/index.php?m=charts&group=8lähdetieto>. Luettu 24.8.2011. 2 V-Power-bensiini, tuotetieto. 2011. Verkkodokumentti. Shell. <http://www.shell.com/static/fin/downloads/tt/bensiini_vpower_2011.pdf>. Luettu 24.8.2011. 3 Laaja tietopaketti flexifuel-tekniikasta ja etanolista. 2011. Verkkodokumentti. Autotoday. <http://www.autotoday.fi/page.php?page_id=4&news_id =200900803>. 4 St1 Suomalainen enegiayhtiö. 2011. Verkkodokumentti. St1 Oy. <www.st1.fi>. Luettu. 25.8.2011. 5 Kotimainen polttoneste RE85. 2011. Verkkodokumentti. Ford Motor Company. <www.re85.fi>. Luettu. 25.8.2011. 6 Sustainability. 2011. Verkkodokumentti. Ford Motor Company. <http://corporate.ford.com/about-ford/sustainability>. Luettu. 25.8.2011. 7 Ethanol & E85 Material compatibility. 2011. Verkkodokumentti. IQ Learning Systems. <http://iqlearningsystems.com/ethanol/downloads/ Ethanol%20&%20E85%20Material%20Compatibility.pdf>. Luettu 25.8.2011. 8 Bosch motorsport FP 200 polttoainepumpun tekniset tiedot. 2011. Bosch Motorsport. <http://www.bosch-motorsport.de/en-us/literature/en- US/FuelPumpFP200_DataSheet_enUS_T6821238411.pdf>. Luettu 30.8.2011. 9 A. Graham Bell. 1998. Four-stroke performance tuning. Cambridge. Cambridge University Press. 10 Haltech wiring diagram. 2011. Verkkodokumentti. Haltech Engine Management Systems. <http://www.haltech.com/wpcontent/uploads/2011/01/e6a_wiring_diagram.pdf>. Luettu 25.8.2011. 11 Autourheilun säännöt. 2011. Verkkodokumentti. AKK Motorsport. <http://multimagazine.fi/index.php?id=saantokirja>. Luettu 25.8.2011.

Liite 1 1 (1) Teho- ja vääntökäyrät RE85 ja 98E5

Liite 2 1 (1) Ahtopainekäyrät RE85 ja 98E5