Ajotilanteiden vaikutuksia maakaasukäyttöisen työkonemoottorin ikääntyneen aerosolin ja mustan hiilen päästöihin

Abstract

Liikkuvat työkoneet tuottavat ihmisten terveyteen ja ilmastoon vaikuttavia pakokaasupäästöjä kuten hiilidioksidia, hiilimonoksidia, typen oksideja, palamattomia hiilivetyjä ja pienhiukkasia. Pienhiukkaset voivat aiheuttaa ihmisille ennenaikaisia kuolemia sekä verenkiertoon, hengitysteihin ja keuhkoihin liittyviä sairauksia, ja ne voivat jäähdyttää tai lämmittää ilmastoa. Musta hiili on hiilestä koostuvaa ainetta, joka absorboi vahvasti näkyvää valoa ja voi siten aiheuttaa ilmaston lämpenemistä. Monet työkoneista käyttävät polttoaineena raakaöljystä jalostettua nestemäistä dieselpolttoainetta, mutta hiilineutraaliustavoitteet lisäävät sähköisten ja vaihtoehtoisia polttoaineita hyödyntävien moottoreiden määrää. Näiden muutosten vaikutuksia kaikkiin pakokaasupäästöihin tutkitaan.

Tässä työssä mitattiin hiukkaspäästöjä maakaasumoottorista. Tutkimusmoottorin suunnittelun tavoitteena oli ollut saada dieselmoottorista kaasumoottori mahdollisimman vähillä muutoksilla. Moottori käytti polttoaineenaan paineistettua maakaasua, joka sytytettiin sytytystulpilla. Se toimi stoikiometrisellä ilman ja polttoaineen seossuhteella ja pakokaasun jälkikäsittelyjärjestelmänä toimi kolmitiekatalysaattori. Pakokaasun ikääntymistä ilmakehässä simuloitiin hapettavassa läpivirtausreaktorissa. Työssä mitattiin hiukkasmassaspektrometrillä ja mustan hiilen analysaattorilla kuinka paljon ikääntynyttä hiukkasmassaa voi syntyä erilaisissa ajotilanteissa ja minkälainen on hiukkasten kemiallinen koostumus.

Tasaista ajoa sisältävässä syklissä (NRSC-sykli) päästöjen määrä, kemiallinen koostumus ja sen perusteella myös hiukkasten lähteiden osuudet vaihtelivat suuresti, kun moottoria ajettiin erilaisilla vääntömomenteilla ja nopeuksilla. Epäpuhtainta palaminen oli matalan kuorman ajomoodeissa ja täydellisintä keskinopeuden ja keskikuorman ajomoodissa. Mustan hiilen osuus hiukkasmassasta oli ajomoodista riippuen välillä 0–91 %, mikä on huomattavasti enemmän kuin aiemmin julkaistuissa tutkimustuloksissa maakaasumoottoreilla. Kuumakäynnistetyssä nopeasti muuttuvaa ajoa sisältävässä ajosyklissä (NRTC-sykli) palamisilmasta peräisin olevat nitraatti (NO3-) ja ammonium (NH4+) hallitsivat hiukkasten koostumusta. Kylmäkäynnistys kasvatti NRTC-syklin alun orgaanisen aineen ja mustan hiilen päästöjä, mutta toisaalta sen aikana havaittiin hyvin vähän tai ei ollenkaan ammoniumnitraatin muodostumista.

Mustaa hiiltä syntyi tasaisessa ajossa NRSC-syklin aikana 1,8 mg/kWh, mikä oli vähemmän kuin muuttuvassa ajossa NRTC-syklin aikana 3,2 mg/kWh. Mustan hiilen päästöt tutkimusmoottorista muuttuvassa ajossa olivat lähellä samankaltaisen dieselmoottorin päästöjä. Tulosten perusteella tässä prototyyppimoottorissa on vielä kehitettävää, jotta voiteluöljyn joutumista palamiseen, todennäköisesti männän tiivisterenkaiden ohi, voitaisiin ehkäistä. Vaihtoehtoisesti musta hiili voitaisiin suodattaa pois hiukkassuodattimella, mutta moottori saattaisi edelleen olla sekundäärisen ammoniumnitraatin lähde, jota voi muodostua kaasumaisista lähtöaineista kolmitiekatalysaattorin jälkeen ja ilmakehässä kuten tässä työssä käytetyssä läpivirtausreaktorissa muodostui. Tulosten perusteella moottorin stabiilimpi ajaminen vähentää ikääntynyttä hiukkasmassaa ja mustaa hiiltä muuttuvaan ajamiseen verrattuna, mikä kannustaa esimerkiksi erilaisten hybridiratkaisujen kehittämiseen.