SCR-JÄRJESTELMÄN STAATTISEN JA DYNAAMISEN TOIMINNAN OPTIMOINTI

Opinnäytetyö (AMK) Kone- ja tuotantotekniikka Energia- ja polttomoottoritekniikka 2012 Tomi Bly SCR-JÄRJESTELMÄN STAATTISEN JA DYNAAMISEN TOIMINNAN OPTIMOINTI

OPINNÄYTETYÖ (AMK) TIIVISTELMÄ Turun ammattikorkeakoulu Kone- ja tuotantotekniikka Energia- ja polttomoottoritekniikka Kesäkuu 2012 Sivumäärä 28 Pekka Nousiainen, Seppo Niemi Tomi Bly SCR-JÄRJESTELMÄN STAATTISEN JA DYNAAMISEN TOIMINNAN OPTIMOINTI Tämä opinnäytetyö on osa työkonedieselmoottorin tutkimustyötä, jonka tavoitteena on saada Sisu 66 CWA -moottori alittamaan EU Stage 4 -päästörajat tehokkaan SCR-järjestelmän avulla. Katalysaattorin ja koko järjestelmän pitää toimia erittäin korkealla hyötysuhteella staattisissa ja dynaamisissa tilanteissa. Lisäksi järjestelmä pitää käynnistyksen jälkeen saada oikeaan toimintalämpötilaan mahdollisimman nopeasti. Työssä mitattiin, säädettiin ja optimoitiin katalysaattorille staattinen toimintakartta moottorin kuormituskentässä. Optimoinnin jälkeen moottorin ja SCR-järjestelmän toimintaa ja suorituskykyä tutkittiin dynaamisissa olosuhteissa sekä kylmä-kuuma -syklissä. Työssä tutkittiin myös rapid heat up -järjestelmän toiminnan vaikutusta NRTC-syklin tuloksiin. Lopuksi tehtiin johtopäätöksiä järjestelmän Stage 4 -valmiustasosta ja annettiin suositus raaka-no x -tasoksi. Tutkimus toteutettiin kokeellisena Turun ammattikorkeakoulun moottorintutkimuslaboratoriossa kevään ja kesän 2011 aikana. Tutkimus tehtiin yhteistyössä AGCO Sisu Power Oy:n kanssa ja AGCO Sisu Powerin toimittamilla komponenteilla. Optimoiduilla SCR- ja rapid heat up -järjestelmillä saavutettiin Stage 4 -NO x -päästövaatimustaso, mutta hiukkaspäästörajat tulevat vaatimaan lisäksi tehokkaan hiukkassuodatusjärjestelmän. ASIASANAT: Dieselmoottori, pakokaasupäästöt, SCR, valikoiva katalyysipelkistys, uusimmat päästövaatimukset

BACHELOR S THESIS ABSTRACT TURKU UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Degree programme in Mechanical Engineering Energy and internal combustion engine technology June 2012 Total number of pages 28 Pekka Nousiainen, Seppo Niemi Tomi Bly OPTIMIZATION OF STATIC AND DYNAMIC BEHAVIOUR OF AN SCR SYSTEM This study is a part of an off-road diesel engine research, which aims to get Sisu 66 CWA engine to undercut EU Stage 4 emission limits with an effective SCR system. In the study, a static operational map was measured, adjusted and optimized throughout the engine load-speed envelope. After optimization of the engine and the SCR system its operation and performance were studied under dynamic conditions and also on cold-hot cycle. The study also examined the rapid heat up systems effect on the NRTC cycle results. Finally, conclusions were drawn about the systems concerning the Stage 4 readiness and a recommendation was given to a raw NO x level. The study was conducted as an experimental project in the engine research laboratory at Turku University of Applied Sciences during the spring and summer of 2011. The research was conducted in collaboration with AGCO Sisu Power Inc. and with components supplied by AGCO Sisu Power Inc. For NO x emissions, the Stage 4 standard was undercut with the optimized SCR and rapid heatup systems but particulate matter emissions will require an effective particulate filter. KEYWORDS: Diesel engine, exhaust emissions, SCR, selective catalytic reduction, Stage 4 emissions legislation

SISÄLTÖ KÄYTETYT LYHENTEET 6 1 JOHDANTO 4 2 SCR-JÄRJESTELMÄ 6 2.1 Toimintaperiaate ja reaktioyhtälöt 6 2.2 Erilaiset katalyytit ja tulevaisuuden näkymät 9 3 MOOTTORIN MITTAUKSET 10 3.1 Tutkimusmoottori ja mittalaitteisto 10 3.1.1 Tutkimusmoottori 10 3.1.2 Pyörrevirtadynamometri 11 3.1.3 Pakokaasukomponentit 11 3.1.4 Muut mittalaitteet 12 3.2 Polttoaine ja AdBlue 13 3.3 Työkoneiden päästönormit 13 3.4 Työkoneiden mittausnormit 16 3.4.1 ISO 8178 16 3.4.2 Non-Road Transient Cycle 16 3.4.3 Not-To-Exceed -alue 18 4 MITTAUSOHJELMA 20 4.1 Alpha ratio -ajot 20 4.2 Pistekohtaiset syöttöparametrioptimoinnit 22 4.3 Karttojen muodostaminen 22 4.4 WF-ajot 22 4.4.1 NRSC-mittaukset 23 4.4.2 NRTC-mittaukset 23 4.4.3 Kylmä-kuuma -mittaukset 23 4.5 Slip cat -ajot 23 4.6 Rapid heat up -ajot ja kuristimen syöttöparametrioptimoinnit 23 5 TULOKSET 25 6 JOHTOPÄÄTÖKSET 26 7 YHTEENVETO 27 KIITOKSET 28 LÄHTEET 29

LIITTEET Liite 1. Polttoaineanalyysit KUVAT Kuva 1. SCR- ja NH 3 -katalysaattori 7 Kuva 2. Opinnäytetyössä käytetty pakokaasujenpuhditusjärjestelmä 8 Kuva 3. Tutkimusmoottori 10 KUVIOT Kuvio 1. Erilaisten katalyyttipinnotteiden toimintakenttä lämpötilan suhteen (DieselNet 2012) 9 Kuvio 2. Työkonedieselmoottorien NO x -päästörajojen kehitys teholuokassa >130 kw 14 Kuvio 3. Työkonedieselmoottorien PM-päästörajojen kehitys teholuokassa >130 kw 15 Kuvio 4. Transienttisyklin pyörintänopeus- ja momenttipyynti tutkimusmoottorilla ajan funktiona 17 Kuvio 5. NTE-alue (DieselNet 2012) 18 Kuvio 6. Alpha ratio -mittauspisteet kuorman mukaan moottorin kuormituskentässä 21 Kuvio 7. Alpha ratio -mittauspisteet SCR-katalysaattorin lämpötilan mukaan moottorin kuormituskentässä 21 TAULUKOT Taulukko 1. Tutkimusmoottorin yleiset tiedot 11 Taulukko 2. Tutkimuksessa käytetyt mittalaitteet 12 Taulukko 3. Muut mittauksissa käytetyt laitteet 13 Taulukko 4. EU:n päästörajoitukset työkonedieselmoottoreille, vaiheet 3B ja 4 15 Taulukko 5. ISO 8178 C1 -mittauspisteet sovellettuna tutkimusmoottoriin 16 Taulukko 6. Alpha ratio -mittauspisteet (pisteen määräävä tekijä lihavoituna) 20

KÄYTETYT LYHENTEET Tässä opinnäytetyössä on käytetty seuraavia suomenkielestä poikkeavia merkkejä ja lyhenteitä. AdBlue CO CO 2 EEM EGR FSN HC NH 3 NO x NRSC NRTC NTE O 2 PM ppm rpm SCR SFC Slip cat WF Urean vesiliuos typpioksidien pelkistämiseen Hiilimonoksidi eli häkä (Carbon Monoxide) Hiilidioksidi (Carbon Dioxide) Elektroninen moottorinohjausjärjestelmä (Electronic Engine Management) Pakokaasujen takaisinkierrätysjärjestelmä (Exhaust Gas Recirculation) Savutuksen mittayksikkö (Filter Smoke Number) Hiilivedyt (Hydro Carbons) Ammoniakki (Ammonia) Typpioksidit (Oxides of Nitrogen) Direktiivin mukainen staattinen päästöajo (Non-Road Steady Cycle) Direktiivin mukainen transientti päästöajo (Non-Road Transient Cycle) Päästötutkimusnormi moottorin kuormituskentässä määritetyllä tutkimusalueella (Not-To-Exceed) Happi (Oxygen) Hiukkaset (Particulate Matter) Miljoonasosa (Parts per Million) Pyörintänopeus [1/min] (Revolutions per Minute) Valikoiva katalyysipelkistys (Selective Catalytic Reduction) Polttoaineen ominaiskulutus [g/kwh] (Specific Fuel Consumption) NH 3 -päästökatalysaattori, joka hapettaa ammoniakkipäästöt Ruiskutusarvokarttoihin käytettävä painokerroin (Weighting Factor)

4 1 JOHDANTO SCR-järjestelmiä käytetään typenoksidien vähentämiseen. Niitä on käytetty n. 10 vuoden ajan heavy-duty -dieselmoottoreissa, yli 20 vuotta dieselvoimaloissa ja niitä kehitetään jatkuvasti. Suorituskyky, koko, hinta ja luotettavuus ovat tärkeimpiä kriteerejä järjestelmän kehitysmahdollisuuksia tutkittaessa. Tähdättäessä työkoneiden tulevaan EU Stage 4 -päästövaatimustasoon halutaan löytää entistä suorituskykyisempiä vaihtoehtoja. Katalysaattorin ja koko järjestelmän pitää toimia erittäin korkealla hyötysuhteella staattisissa ja dynaamisissa tilanteissa. Lisäksi käynnistyksen jälkeen järjestelmä pitää saada oikeaan toimintalämpötilaan mahdollisimman nopeasti. Luotettavuudessa tärkeimpinä kriteereinä ovat tasainen toimintavarmuus ja mahdollisimman pieni vanhentumisen tuoma tehon menetys. Typpioksidit (NO x ) syntyvät, kun ilmassa oleva typpi reagoi hapen kanssa palotilassa. NO x :in muodostumiseen vaikuttavat suuresti lämpötila, palamisaika ja ilmaylijäämä moottorissa. Typpioksidit aiheuttavat suurina pitoisuuksina hengenahdistusta. Niiden ympäristövaikutuksiin kuuluvat happosateiden, alemman ilmakehän otsonin ja savusumun muodostuminen. Lisäksi NO x aiheuttaa otsonikatoa. Hiukkaspäästöt (PM) syntyvät palotilassa ja pakoputkessa palamattomista hiilivedyistä ja noesta. Pienhiukkasten tiedetään aiheuttavan monenlaisia kroonisia ja akuutteja sairauksia. Hiukkasten ympäristövaikutus on suhteellisen pieni verrattaessa muihin moottorin päästöihin. Turun ammattikorkeakoulussa toteutetun SCR-järjestelmän staattisen ja dynaamisen toiminnan optimointitutkimuksen tavoitteena oli mitata, säätää ja optimoida moottorin SCR-katalysaattorille staattinen toimintakartta koko moottorin kuormituskentässä. Optimoinnin jälkeen moottorin ja SCR-järjestelmän toimintaa ja suorituskykyä tutkittiin dynaamisissa olosuhteissa sekä kylmä-kuuma - syklissä. Työssä tutkittiin myös rapid heat up -järjestelmän toiminnan vaikutusta

5 NRTC-syklin tuloksiin. Lopuksi tehtiin johtopäätöksiä järjestelmän Stage 4 - valmiustasosta ja annettiin suositus raaka-no x -tasoksi. Tutkimustyö suoritettiin Turun ammattikorkeakoulun moottorintutkimuslaboratoriossa maaliskuun ja elokuun 2011 välisenä aikana.

6 2 SCR-JÄRJESTELMÄ Valikoivan katalyysipelkistyksen avulla voidaan pienentää NO x -päästöjä ja parantaa samalla polttoainetaloutta. SCR-järjestelmä perustuu valitun pelkistysaineen avulla tapahtuvaan typenoksidien pelkistämiseen hapen sijasta. Ammoniakilla on todettu olevan parhaimmat valikoivat ominaisuudet pelkistysaineena. Ammoniakkia itseään ei kuitenkaan käytetä sen haitallisuuden vuoksi vaan sitä aikaansaadaan ureasta ((NH 2 )CO), joka toimii kantoaineena. Lisäksi urea liukenee helposti veteen, mikä tekee liuoksesta helpon annostella pakokaasujen joukkoon. (Bosch 2010, 123) 2.1 Toimintaperiaate ja reaktioyhtälöt SCR-reaktiossa ureasta pitää ensin muodostaa ammoniakkia kaksivaiheisella hydrolyysireaktiolla. Reaktion ensimmäisessä vaiheessa, termolyysissä, ureasta syntyy riittävässä lämpötilassa ammoniakkia ja isosyaanihappoa: Reaktion toisessa vaiheessa, hydrolyysissä, isosyaanihappo muuntuu ammoniakiksi ja hiilidioksidiksi reagoidessaan veden kanssa: Saostumien välttämiseksi reaktion pitää tapahtua riittävän suuressa lämpötilassa. Tässä opinnäytetyössä urearuiskutus alkaa katalysaattorin saavutettua 200 C lämpötilan. Nykyisissä SCR-järjestelmissä ei tarvita erillistä hydrolyysikatalysaattoria, vaan SCR-katalysaattorit toimivat myös hydrolyysikatalysaattoreina. Reaktioissa tuotettu ammoniakki reagoi typenoksidien kanssa kolmella eri reaktiolla: 1. 2. 3.

7 Alle 300 C lämpötiloissa pelkistyminen tapahtuu pääosin reaktion 2 mukaisesti. Hyvän konversion saavuttamiseksi NO 2 :NO -suhteen on oltava n. 1:1 erityisesti pienemmissä lämpötiloissa. NO hapettuu NO 2 :ksi SCR-katalysaattoria ennen olevassa hapetuskatalysaattorissa. Tässä opinnäytetyössä käytetty hapetuskatalysaattori on DOC (Diesel Oxidation Catalyst). (Bosch 2010, 123 125) Urean liikasyötön seurauksena kaikki ammoniakki ei välttämättä ehdi reagoida, jolloin syntyy haitallisia ammoniakkipäästöjä (NH 3 slip). Suuremman ureasyötön mahdollistamiseksi SCR-järjestelmiin liitetään usein erillinen ammoniakkihapetuskatalysaattori (slip cat) SCR-katalysaattorin perään (kuva 1). Ammoniakkipäästöjä voi syntyä myös silloin, kun reaktio ei ehdi tapahtua tarpeeksi hyvällä hyötysuhteella. Slip cat hapettaa ammoniakkipäästöt N 2 :ksi ja H 2 O:ksi. (Bosch 2010, 125) Kuva 1. SCR- ja NH 3 -katalysaattori

8 Kuvassa 2 nähdään malli opinnäytetyössä käytetystä SCR-järjestelmästä. Kuva 2. Opinnäytetyössä käytetty pakokaasujenpuhditusjärjestelmä

9 2.2 Erilaiset katalyytit ja tulevaisuuden näkymät Pinnoitemateriaalit ovat tärkeässä asemassa katalyysireaktiossa. Erilaiset pinnoitteet ovat jatkuvan tutkimuksen kohteena erityisesti niiden kuumakesto-ominaisuuksien osalta. Kuviossa 1 on verrattu platinan (Pt), vanadiinipentoksidin ja titaanioksidin (V 2 O 5 /TiO 2 ), sekä zeoliitin toimintatehokkuutta katalyyttipinnoitteina lämpötilan suhteen. Vanadiini on tällä hetkellä yleisin käytössä oleva pinnoitemateriaali, mutta zeoliittia tutkitaan eniten erityisesti sen kuumakestoominaisuuksien ansiosta. (DieselNet 2012) Kuvio 1. Erilaisten katalyyttipinnotteiden toimintakenttä lämpötilan suhteen (DieselNet 2012) Tulevaisuuden haasteena SCR-järjestelmille on katalysaattorin ja koko järjestelmän toiminnan varmistaminen erittäin korkealla hyötysuhteella staattisissa ja dynaamisissa tilanteissa. Lisäksi käynnistyksen jälkeen järjestelmä pitää saada oikeaan toimintalämpötilaan mahdollisimman nopeasti, jotta katalyysireaktio saadaan aloitettua nopeasti käynnistyksen jälkeen. Suorituskyvyn lisäksi kehitystyössä pitää ottaa huomioon järjestelmän koko, hinta ja luotettavuus. Luotettavuudessa tärkeimpinä kriteereinä ovat tasainen toimintavarmuus ja mahdollisimman pieni vanhentumisen tuoma tehosuhteen menetys.

10 3 MOOTTORIN MITTAUKSET 3.1 Tutkimusmoottori ja mittalaitteisto 3.1.1 Tutkimusmoottori Tutkimusmoottorina (kuva 3) oli AGCO Sisu Powerin 66 CWA -työkonedieselmoottori, jonka tiedot on esitetty taulukossa 1. Moottori oli varustettu yhteispaineruiskutusjärjestelmällä, turboahtimella ja ahtoilman jäähdytyksellä sekä Boschin DeNOx 2.2 -SCR-järjestelmällä. Kuva 3. Tutkimusmoottori Moottorinohjausjärjestelmän hallintaohjelmana oli käytössä EEM4-ohjain, joka mahdollisti sekä moottorin että tutkimuskohteiden yhtäaikaisen säädön. Myös ruiskutusparametrit ja imuilman kuristuksessa käytettävän aktuaattorin asentokulma säädettiin EEM4:llä. Lisäksi moottorin tilaa ja hälytyksiä voitiin valvoa tällä ohjelmalla.

11 Taulukko 1. Tutkimusmoottorin yleiset tiedot Tutkimuskohde Valmistaja Agco Sisu Power Tyyppi 66 CWA Sylinterijärjestys Rivi 6 Sylinterin halkaisija 108 mm Iskunpituus 120 mm Iskutilavuus 6,6 dm 3 Puristussuhde 17,4 Sylinterikansi 4 venttiiliä / sylinteri Palotilajärjestelmä Suoraruiskutus Ruiskutusjärjestelmä Bosch CP 4.2 Ruiskutusjärjestys 1-5-3-6-2-4 Turboahdin Schwitzer S200G 66219 Nimellisteho 165 kw / 2100 rpm Maksimivääntömomentti 1060 Nm / 1500 rpm 3.1.2 Pyörrevirtadynamometri Koeajoissa moottoria kuormitettiin Schenckin WT 470 -pyörrevirtajarrulla, jota ohjattiin moottoritilan ulkopuolelta tietokoneella joko manuaalisesti tai NRTCajon aikana syklinajo-ohjaimen avulla. 3.1.3 Pakokaasukomponentit Pakokaasunäyte otettiin pakoputkesta lämmitettyyn näytelinjaan ja johdettiin Horiban valmistamaan MEXA-9400H -kaasuanalysaattoriin, jossa mitattiin pakokaasun happi-, hiilimonoksidi-, hiilidioksidi-, hiilivety- ja typpioksidipitoisuudet Ammoniakkipitoisuudet mitattiin Gasmetin valmistamalla FTIR Analyzer DX 4000:lla ja NEO Monitorsin LaserGasilla. FTIR Analyzerin tuloksia pidettiin luotettavampina. Hiukkaspitoisuus mitattiin ja laskettiin AVL:n Micro Soot Sensorilla. Savutusarvo saatiin myös AVL:n FSN-mittarilla. Tutkimuksessa käytetyt mittalaitteet on lueteltu taulukossa 2.

12 Taulukko 2. Tutkimuksessa käytetyt mittalaitteet Mitattava päästö Happi O 2 Hiilimonoksidi CO Valmistaja Malli Hiilidioksidi CO 2 Hiilivedyt HC Typpioksidit NO NO 2 Horiba Ammoniakki NH 3 Gasmet Hiukkaset PM AVL 483 Micro soot sensor Savutus FSN NEO Monitors AVL Smoke Meter MEXA-9400H FTIR Analyzer DX 4000 LaserGas 415 S G002 Horiban mittalaitteet kalibroitiin joka aamu ennen mittauksia, ja niiden ryömintä tarkastettiin mittausten jälkeen. Kalibroinnissa käytettiin typpeä nollakaasuna ja tunnettuja seoksia kalibrointikaasuina. AVL:n MSS-mittalaite mittaa ainoastaan nokihiukkasia ja näin ollen MSS:n tulos voi olla vain murto-osa todellisista hiukkaspäästöistä. Muut hiukkaset koostuvat pääosin palamattomista hiilivedyistä. FTIR otettiin käyttöön mittauksissa WF-ajojen alussa todenmukaisempien ammoniakkitulosten saavuttamiseksi. Koska lämpötila ja kosteus eivät pysy vakioina moottoritilassa, päästöjen laskennassa on käytetty korjauskertoimia. 3.1.4 Muut mittalaitteet Moottorin pako-, imu- ja ahtoputkistosta mitattiin paineet ja lämpötilat useasta eri kohdasta. Paineet mitattiin venymäliuskamittaukseen perustuvilla antureilla, lämpötilat K-tyypin termoelementtiantureilla sekä PT-100 -antureilla. Moottoritilan ilmanpaine, ilmankosteus ja lämpötila mitattiin Vaisalan PTU 200 - mittalaitteen avulla. Moottorin pyörintänopeus ja vääntömomentti mitattiin pyörrevirtajarrun välityksellä. Ilmamäärä mitattiin ABB Sensyflow -ilmamäärä-

13 mittarilla ja polttoaineen massavirta Emerson Micro Motion CMF 025M -coriolismittarilla. SCR-järjestelmänä käytettiin Bosch DeNOx 2.2:a. Muut mittauksissa käytetyt laitteet on lueteltu taulukossa 3. Taulukko 3. Muut mittauksissa käytetyt laitteet NOx-anturi Polttoaineen kulutus Lämpötila-anturit Paineanturit Ilmamäärä Mooottoritilan ilmanpaine, ilmankosteus ja lämpötila Siemens VDO Coriolis-mittari Emerson Micro Motion CMF 025M Bürkert PT100 (0,200 C) K-tyyppi [(-100)-1200 C] Keller PAA-25 / 8797.1 Wika S-10 ABB Sensyflow Vaisala PTU 200 SCR-järjestelmä Bosch DeNOx 2.2 3.2 Polttoaine ja AdBlue Polttoaineena tutkimuksessa käytettiin Neste Oilin toimittamaa tieliikenteessä käytettävää vähärikkistä dieselpolttoainetta. Jokainen polttoaine-erä analysoitiin sekä rikin että muiden alkuaineiden suhteen. Lisäksi polttoaineen lämpötila pyrittiin pitämään tasaisena. Polttoaineanalyysit ovat liitteessä 1. Urearuiskutuksessa käytettiin Yaran valmistamaa 32,5 % urean Air1 -AdBluevesiliuosta typpioksidien pelkistämiseen. (Yara 2011) Tällainen urealiuos saavuttaa jäätymispisteessä -11 C eräänlaisen minimikohdan: muodostuu eutektikumi, jonka myötä liuoksessa ei tapahdu erkautumista tämän jäätyessä. (Bosch 2010, 124) 3.3 Työkoneiden päästönormit Päästörajojen piiriin kuuluvat pienhiukkaset (PM), typpioksidit (NO x ), hiilivedyt (HC) ja häkä (CO). Näistä kaksi ensimmäistä aiheuttavat suurimman ongelman dieselmoottorin päästöjenhallintaan, kun taas jälkimmäiset ovat määriltään

14 melko vähäisiä. Rikkipäästöt eivät ole ajoneuvo- ja työkonedieselmoottoreissa ongelma, koska niiden polttoaineet ovat Euroopassa vähärikkisiä. (Rinne 2010, 5) Päästöjä rajoitetaan jo koko teollistuneessa maailmassa. Päästörajoitusten edelläkävijät ovat Yhdysvallat, EU ja Japani. Euroopan ensimmäinen työkonedieselien päästörajoitus astui voimaan 1999 ja uusin astuu voimaan 2014. Vuonna 2014 voimaan astuvan Stage 4:n typpioksidi- ja hiukkaspäästöt ovat jopa 95 % pienemmät kuin ensimmäisen vaiheen päästörajat (kuviot 2 ja 3). Päästörajat ovat tiukentuneet tiheällä porrastuksella ja tasoja on yhteensä viisi. Kaksi viimeisintä tasoa on esitetty taulukossa 4. (Rinne 2010, 6) Stage 3A:n NO x -päästöraja on typenoksidien ja hiilivetyjen summa. Kuvio 2. Työkonedieselmoottorien NO x -päästörajojen kehitys teholuokassa >130 kw

15 Kuvio 3. Työkonedieselmoottorien PM-päästörajojen kehitys teholuokassa >130 kw Taulukko 4. EU:n päästörajoitukset työkonedieselmoottoreille, vaiheet 3B ja 4 Vaihe Stage 3B Stage 4 EU-päästörajat Teho Alkaen CO HC NO x PM [kw] pvm [g/kwh] 130-560 1.1.2011 3,5 0,19 2,0 0,025 75-130 1.1.2012 5,0 0,19 3,3 0,025 56-75 1.1.2012 5,0 0,19 3,3 0,025 37-56 1.1.2013 5,0 Σ = 4,71 0,025 130-560 1.1.2014 3,5 0,19 0,4 0,025 56-130 1.10.2014 5,0 0,19 0,4 0,025 Edellä esitettyjen päästörajojen lisäksi Staget 3 ja 4 sisältävät NH 3 -päästörajan. Ammoniakkipitoisuudet eivät saa ylittää 25 ppm:ää missään vaiheessa mittausajoa. EU:n Stage 4 -päästörajojen alaiset työkonemoottorit mitataan sekä staattisella NRSC-mittauksella että dynaamisella NRTC-mittauksella.

16 3.4 Työkoneiden mittausnormit 3.4.1 ISO 8178 Staattisen ISO 8178 C1 -mittauksen ajopisteet ja painotuskertoimet selviävät taulukosta 5. NRSC-mittauksella voidaan EU:ssa, Japanissa ja Yhdysvalloissa määrittää kaasumaisten päästöjen ominaispäästöt. NRSC-mittauksessa tutkimusmoottorin imusarjan lämpötila säädetään nimellistehon pisteessä valmistajan määrittämään arvoon 55 C, jonka jälkeen otetaan tulokset pisteestä. Valmistaja määrittelee arvon tyypillisesti 50-60 C välille. Mittauspisteen vaihdon jälkeen arvojen annetaan tasaantua 8 minuuttia, jonka jälkeen otetaan uuden pisteen tulokset. Taulukko 5. ISO 8178 C1 -mittauspisteet sovellettuna tutkimusmoottoriin NRSC ISO 8178 C1 Mittauspiste Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4 Mode 5 Mode 6 Mode 7 Mode 8 Pyörintänopeus (rpm) Nimellisnopeus Välinopeus Tyhjäkäynti 2100 2100 2100 2100 1500 1500 1500 850 Kuorma (%) 100 75 50 10 100 75 50 0 Painotus (%) 15 15 15 10 10 10 10 15 3.4.2 Non-Road Transient Cycle Transienttisykliä ajettaessa moottori vaihtaa dynaamisesti pyörintänopeutta ja kuormaa sekunnin kymmenesosan välein. Sykliin on sisällytetty tyypillistä ajoa seitsemästä eri työkonesovelluksesta. Se sisältää sekä nopeita kiihdytyksiä ja kuormanmuutoksia että tasaisilla kuormilla ja nopeuksilla ajoa. Transienttisyklin kuorma ja pyörintänopeus ajan funktiona on esitetty kuviossa 4.

17 Kuvio 4. Transienttisyklin pyörintänopeus- ja momenttipyynti tutkimusmoottorilla ajan funktiona Sekä hiukkaspäästöt että kaasumaiset päästöt määritetään EU:ssa dynaamisella NRTC-mittauksella.

18 3.4.3 Not-To-Exceed -alue Vuonna 2004 julkaistu NTE-tutkimusnormi dieselmoottoreille tuli voimaan Yhdysvalloissa asteittain yhdessä Tier 4 -päästörajojen kanssa. NTE-tutkimuksen tarkoituksena on kontrolloida ja mitata moottorin tuottamia päästöjä koko NTE-alueella. NTE-tutkimus ei noudata mitään tiettyjä syklejä tai aikarajoja. Moottorin tulee siis täyttää sille asetetut päästörajat jokaisessa yksittäisessä mittauspisteessä NTE-alueella (kuvio 5). Mittaus voidaan suorittaa staattisissa ja dynaamisissa olosuhteissa. Dynaamisissa tilanteissa pisteiden yhdistetyt päästöt eivät myöskään saa ylittää NTE-päästörajoja, jotka ovat normaalit päästörajat kerrottuna 1,5:lla. Esim. NO x -päästöraja on: NTE eroaa muista tutkimusnormeista siten, että testaaja saa itse valita mielivaltaisesti mitattavat pisteet ja syklin kulun testin aikana. Moottorin tuottamat päästöt lasketaan vähintään 30 sekunnin keskiarvona. (Pihlava 2010, 8) Kuvio 5. NTE-alue (DieselNet 2012) NTE-alue koostuu seuraavista rajatekijöistä:

19 Pienin pyörintänopeus on 15 % enemmän kuin pienin pyörintänopeus, jossa 50 % moottorin tuottamasta tehosta on vielä käytettävissä o Pienin pyörintänopeus lasketaan kaavasta o on moottorin pienin pyörintänopeus, jossa 50 % kuorman tuottamasta energiasta on vielä käytettävissä o on moottorin suurin pyörintänopeus, jossa 70 % moottorin tuottamasta suurimmasta tehosta on vielä käytettävissä. o Kuormituksen tulee olla yhtä suuri tai suurempi kuin 30 % moottorin tuottamasta suurimmasta vääntömomentista NTE-alueeseen otetaan mukaan kaikki pyörintänopeudet ja kuormitukset, joiden ominaiskulutus on 105 % alueella moottorin pienimmästä ominaiskulutuksen arvosta. Mikäli pienin ominaiskulutus on lähellä jotakin raja-arvoa, otetaan alueeseen mukaan myös normaalin NTE-alueen ulkopuolella olevat pisteet. Valmistaja voi anoa nämä pisteet pois mitattavasta alueesta, jos moottorin ei odoteta käyvän normaalissa käytössä tällä alueella. NTE-alueesta jätetään pois kaikki pisteet, joissa moottori tuottaa vähemmän kuin 30 % suurimmasta tehostaan. (Pihlava 2010, 10 11)

20 4 MITTAUSOHJELMA 4.1 Alpha ratio -ajot Alpha ratio tarkoittaa moottorille laskettua AdBlue-syöttösuhdetta, jonka arvolla 1,00 pitäisi stökiömetrimesti (teoriassa) saavuttaa 100 %:n konversio. Alpha ratio -lukuun vaikuttavat kemiallinen reaktio ja erityisesti pakokaasun vaihtuma (space velocity). Vaihtuman käänteisluku on viipymäaika, joka kertoo reaktanttien viipymäajan katalyytissä. Mitä pienempi vaihtuma on, sitä pidempi on viipymäaika ja täten suurempi konversio (kemiallinen reaktio ehtii tapahtua). (Bosch 2010, 125) Käytännössä arvolla 1,00 ei kuitenkaan päästä 100 %:n konversioon, koska kemiallinen reaktio ei toteudu täydellisesti. Taulukossa 6 sekä kuvioissa 6 ja 7 on esitetty tutkimuksessa käytetyt alpha ratio -mittauspisteet. Taulukko 6. Alpha ratio -mittauspisteet (pisteen määräävä tekijä lihavoituna) SCR Test point Engine speed Load upstream temp 1/min % C 1 2100 100 400 2 2100 75 350 3 2100 50 290 4 1500 100 435 5 1500 75 400 6 1500 50 350 7 2100 40 260 8 2100 30 240 9 2100 20 220 10 1800 100 430 11 1800 80 400 12 1800 55 350 13 1800 25 260 14 1800 20 240 15 1800 15 220 16 1500 35 300 17 1500 25 260 18 1500 15 220 19 1200 100 490 20 1200 60 450 21 1200 35 350 22 1200 20 260 23 1200 15 240 24 1200 10 220

21 Kuvio 6. Alpha ratio -mittauspisteet kuorman mukaan moottorin kuormituskentässä Kuvio 7. Alpha ratio -mittauspisteet SCR-katalysaattorin lämpötilan mukaan moottorin kuormituskentässä

22 Jokaisessa pisteessä ajettiin alpha ratio -arvoilla referenssipiste 0, jonka jälkeen ajettiin suhteet 0,5, 0,7, 0,8, 0,9, 0,95 jne. 0,05 välein tai kohdassa 4.2 luetelluin perustein. 4.2 Pistekohtaiset syöttöparametrioptimoinnit Mittapistekohtainen maksimikonversio (paras alpha ration arvo) määritettiin jollakin seuraavista perusteista: 10 ppm:n NH 3 -pitoisuus, mikäli konversio kasvoi selvästi 10 ppm:ään asti Maksimikonversion kohta, mikäli konversiokäyrä alkoi laskea syöttöä kasvatettaessa, eikä NH 3 -pitoisuus ylittänyt vielä 10 ppm:ää 100 % konversio, mikäli konversiokäyrä nousi lähes suorana siihen asti, eikä NH 3 -pitoisuus ylittänyt 10 ppm:ää 99,5 %:n konversion kohta, mikäli suurempaan konversioon pääseminen edellytti selvää AdBlue-syöttömäärän kasvatusta (konversiokäyrä taittui laakeaksi loppuosaltaan). NH 3 -pitoisuuden piti olla alle 10 ppm. Näillä perustein valittiin pisteittäin paras alpha ration arvo (AdBlue-ruiskutusmäärä), jota käytettiin karttojen muodostuksessa. 4.3 Karttojen muodostaminen Saadut alpha ratio -tulokset lähetettiin työn tilaajalle karttojen muodostusta varten. 4.4 WF-ajot Weighting factor tarkoittaa muodostetuille kartoille käytettävää painokerrointa, jossa arvo 1,00 vastaa sataprosenttisesti muodostetun kartan arvoja ja 0,95 95 prosenttia. Ajoissa käytettiin aiemmin määriteltyä karttaa.

23 4.4.1 NRSC-mittaukset NRSC-mittaukset ajettiin WF:n arvoilla 0, 0,90, 0,95, 1,00, 1,05. 4.4.2 NRTC-mittaukset NRTC-mittaukset ajettiin WF:n arvoilla 0,90, 0,95, 1,00 ja 1,05. Jokaisella arvolla ajettiin kolme sykliä peräkkäin 20 minuutin tauoilla, jotta saatiin tilastollista tulosta. Katalysaattoriin kerääntyneitä ammoniakkivarastoja ei tyhjennetty välissä, jotta jo ensimmäisessä syklissä päästiin mahdollisimman todennäköisiin konversioihin. 4.4.3 Kylmä-kuuma -mittaukset Kylmä-kuuma -mittaus tarkoittaa kahden NRTC-syklin ajamista peräkkäin. Ensimmäisessä syklissä moottori käynnistettiin huoneenlämmössä, jonka jälkeen se sammutettiin 20 minuutiksi ja ajettiin toinen sykli. Tuloslaskennassa syklejä painotetaan niin, että kylmä sykli vastaa 10 %:a ja kuuma sykli 90 %:a lopputuloksesta. Kylmä-kuuma -mittaus suoritettiin WF-ajojen jälkeen parhaaksi todetulla kertoimella. 4.5 Slip cat -ajot Slip cat -ajoissa käytettiin katalysaattoriin lisättyä ammoniakinpoistokatalysaattoria ja ajettiin samat ajot kuin WF-ajoissa. NH 3 -päästökatalysaattori hapettaa ammoniakkipäästöt. Verrattiin tuloksia aiempiin vastaaviin. 4.6 Rapid heat up -ajot ja kuristimen syöttöparametrioptimoinnit Rapid heat up -ajoihin asennettiin moottorin imupuolelle kuristin, jotta pakokaasujen lämpötila nousisi nopeammin riittävälle tasolle NRTC-ajoissa AdBlueruiskutuksen käynnistämiseksi. Kuristusajoissa oli edelleen käytössä slip cat.

24 Kuristimella oli käytössä sille aiemmin muodostettu toimintakartta moottorin kuormituskentässä. Kuristimella ajettiin vertailuksi NRTC-syklit vanhalla kartalla slip cat -ajojen jälkeen parhaaksi todetulla WF:llä. Testattiin myös, saatiinko kuristusta lisäämällä AdBlue-ruiskutusta mukaan NRSC mode 4 ja mode 8 -mittapisteisiin. Kuristimen syöttöparametrioptimointien jälkeen ajettiin uusilla kartoilla kylmä-kuuma - mittaukset. Näiden kuristusajojen jälkeen ajettiin NRTC-syklejä ja kytkettiin manuaalisesti kuristus pois käytöstä (lämpöperusteinen ohjaus), kun SCR-katalysaattorin keskilämpötila ylitti eri sykleissä 230, 250 tai 270 C. Verrattiin, miten nämä vaikuttivat tuloksiin ja hiukkaspäästöihin (PM).

25 5 TULOKSET Yksityiskohtaiset tulokset ovat tilaajalle toimitetussa versiossa.

26 6 JOHTOPÄÄTÖKSET Yksityiskohtaiset johtopäätökset ovat tilaajalle toimitetussa versiossa.

27 7 YHTEENVETO Tämä opinnäytetyö on osa työkonedieselmoottorin tutkimustyötä, jonka tavoitteena on saada Sisu 66 CWA -moottori alittamaan EU:n Stage 4 -päästörajat tehokkaan SCR-järjestelmän avulla. Työssä tutkittiin mahdollisuuksia vähentää NO x -päästöjä optimoimalla urearuiskutuksen käyttöä moottorin kuormituskentässä staattisissa ja dynaamisissa olosuhteissa. Optimoinnin jälkeen tutkittiin slip catin ja rapid heat up -järjestelmän vaikutusta päästötuloksiin. Slip cat vähentää mahdollisia ammoniakkipäästöjä, ja rapid heat up -järjestelmällä korotetaan pakokaasun lämpötilatasoa. Yksittäisissä staattisissa kuormituskentän pisteissä saavutettiin ensin miltei 100 %:n konversioita NH 3 -pitoisuuksien kasvamatta liian suuriksi. Urearuiskutuskarttojen optimoinnin jälkeen valittiin kartoille oikeat painotuskertoimet staattisten ja dynaamisten mittaussyklien lisäksi kylmä-kuuma -sykleillä. Parhaimpien painokertoimien selvittyä tutkittiin slip catin tehokkuutta vähentää NH 3 -pitoisuuksia ja mahdollisuutta lisätä urearuiskutuksen määrää. Rapid heat up -järjestelmän tehoa tutkittiin erityisesti pienen kuormituksen pisteissä, joissa SCR-katalysaattorin lämpötila pyrittiin saamaan mahdollisimman nopeasti riittävälle tasolle urearuiskutusta varten. Rapid heat up -järjestelmän vaikutus korostuu kylmäkäynnistyksessä, koska imuilman kuristamisella pystytään aikaistamaan urearuiskutuksen alkua transienttisyklissä. Imuilman kuristaminen kasvatti polttoaineen ominaiskulutusta ja savutusta, minkä takia pyrittiin lämpöperusteisella ohjauksella lopettamaan imuilman kuristus siinä vaiheessa, kun SCR-katalysaattori oli saavuttanut riittävän lämpötilan. Työssä saavutettiin riittävät NO x -konversiot Stage 4 -vaatimuksia varten. Tehokas SCR-järjestelmä mahdollistaa hyvän polttoainetalouden sallimalla korkeamman raaka-no x -tason. Savutuksen ja polttoaineen ominaiskulutuksen parantamiseksi moottori tullee kuitenkin vaatimaan lisäksi pakokaasun takaisinkierrätysjärjestelmän ja hiukkassuodattimen.

28 KIITOKSET Työn valvojina toimivat lehtori Pekka Nousiainen ja yliopettaja, tri Seppo Niemi, joita haluan kiittää saamistani neuvoista sekä erityisestä kiinnostuksesta työtäni kohtaan. Ohjaajana ja opastajana toimi tutkimusinsinööri Jyri Törnvall, jota haluan kiittää hyvästä yhteistyöhengestä, tehdyn työn tarkkuudesta ja pitkäpinnaisesta avusta työni kanssa. Lisäksi haluan kiittää koko Turun ammattikorkeakoulun moottorintutkimuslaboratorion henkilökuntaa osaavasta, kannustavasta ja rennosta työskentelyilmapiiristä.

29 LÄHTEET Bosch 2010. Dieselmoottorin ohjausjärjestelmät. Helsinki: Autoalan Koulutuskeskus Oy DieselNet 2012. Selective Catalytic Reduction. Viitattu 12.4.2012 http://www.dieselnet.com.ezproxy.turkuamk.fi/tech/cat_scr.php Johnson, T. 2010. Diesel Emission Control Review. Viitattu 24.4.2012 http://www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs/deer_2010/tuesday/presentations/deer10_tj ohnson.pdf Pihlava, T. 2010. Työkonedieselmoottorin NTE-tutkimus. Turun ammattikorkeakoulu Rinne, J. 2010. Dieselmoottorin ilmamäärän hallinta. Turun ammattikorkeakoulu Turun AMK, moottorintutkimuslaboratorio 2010. NO x -PM tradeoff -tutkimus Yara 2011. Air1 AdBlue. Viitattu 12.11.2011 http://www.yara.fi/industrial_solutions/adblue_nox_reduction_agents/air1_adblue/index.aspx Yokomura, Kohketsu, Mori. 2003 EGR System in a Turbocharged and Intercooled Heavy-Duty Diesel Engine. Viitattu 16.6.2012 http://www.mitsubishi-motors.com/corporate/about_us/technology/review/e/pdf/2003 /15E_03.pdf

Polttoaineanalyysit Liite 1 (1/7)