Lisälämmittimen päästöjen tutkiminen hallitussa testiympäristössä
Ala-Hakuni, Laura (2024)
Ala-Hakuni, Laura
2024
Teknis-luonnontieteellinen DI-ohjelma - Master's Programme in Science and Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2024-05-20
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202404305008
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202404305008
Tiivistelmä
Ilmakehässä suuret pitoisuudet hiukkasia on terveyshaitta. Lisäksi monet kaasut, kuten hiilidioksidi, eri typpioksidit, hiilimonoksidi ja hiilivedyt on tunnistettu haitallisiksi, mikäli niiden pitoisuudet ovat korkeat. Suurin osa näistä hiukkasista ja kaasuista on päätynyt ilmakehään ihmisen toiminnan seurauksena, jolloin niistä voidaan puhua päästöinä. Yksi merkittävistä päästölähteistä on liikenne.
Ajoneuvojen päästöjä rajoitetaan EU:n alueella EURO-päästöluokkien avulla. Rajoituksista johtuen varsinkin uusimpien ajoneuvojen päästöt ovat pienet. Kylmillä alueilla, kuten Pohjoismaissa, ajoneuvoihin kuuluu lisäominaisuutena lisälämmitin, jonka tehtävänä on esilämmittää matkustajatilaa sekä usein myös moottoria. Tällaiset lisälämmittimet voivat olla joko sähköllä tai polttoaineella toimivia. Polttoainekäyttöiset lisälämmittimet on tunnistettu merkittäväksi päästölähteeksi, mutta ne eivät sisälly ajoneuvon moottoripäästöjen rajoituksiin, vaan niille on omat vaatimukset, joissa ei huomioida hiukkaspäästöjä lainkaan. Lisälämmittimien päästöjä ei ole tutkittu vielä kovin kattavasti. Tutkimuksen lisääntymisen myötä myös lisälämmittimiä koskevat rajoitukset voivat muuttua.
Tässä työssä tutkittiin henkilöajoneuvon polttoainekäyttöisen lisälämmittimen synnyttämiä päästöjä. Työn tavoitteena oli selvittää, vaikuttaako lämmittimen kylmäkäynnistyslämpötila sen päästöihin ja miten päästöt muuttuvat kylmäkäynnistyksen ja lämpimän käynnistyksen välillä. Tutkimuksen lisätavoitteina oli kehittää testiympäristö, jonka avulla lisälämmitinpäästöjä voidaan tutkia ja tutkia puolihaihtuvien hiukkasten osuutta lämpimissä käynnistyksissä. Testiympäristön kehityksen tavoitteena oli tuottaa toistettavaa ja vertailukelpoista dataa. Mittaukset suoritettiin viidellä eri lämpötilalla, jotka valittiin väliltä -14...-28°C. Jokaisessa lämpötilassa suoritettiin kylmäkäynnistys ja sen jälkeen kaksi lämmintä käynnistystä.
Tutkimuksen tuloksena havaittiin, ettei lämpötilalla näytä olevan merkittävää vaikutusta lisälämmittimen kylmäkäynnistyspäästöihin. Kylmiä ja lämpimiä käynnistyksiä vertaillessa havaittiin, että lämpimissä käynnistyksissä syntyy enemmän mustaa hiiltä, vaikka lämmin käynnistys oli kestoltaan alle puolet kylmäkäynnistyksen kestosta. Havaittiin myös, että lämpimien käynnistysten hiilivetyjen massapäästökertoimet ovat kylmäkäynnistyksiä suuremmat. Lämpimissä käynnistyksissä puolihaihtuvien yhdisteiden osuus massasta havaittiin olevan noin puolet ja puolihaihtuvia yhdisteitä havaittiin muodostuvan pääasiassa sammumisen aikana.
Tutkimusta varten kehitetty testiympäristö toimi odotetulla tavalla. Testiympäristöllä saatiin suoritettua toistettavia kokeita ja keskenään vertailukelpoista dataa. Yli-ilmalla palamisesta ja käynnistysten kestosta johtuen saadut tulokset eivät ole sellaisenaan vertailukelpoisia muiden tehtyjen lisälämmitinmittausten kanssa. Testiympäristöä voidaan kuitenkin kehittää vastaamaan entistä paremmin todellisia olosuhteita ja se tarjoaa jo nyt mahdollisuuksia moniin erilaisiin tutkimuksiin. High concentrations of particles in the atmosphere are a health risk. Among particles many gases like carbon dioxide, different nitrogen oxides and hydrocarbons have been found to be harmful when their concentrations are high. Most of these particles and gases have been released to the atmosphere as a result of human activies and due to that they can be referred as emissions. Transportation is one of the most significant sources of emissions.
Vehicle emissions are regulated through EURO-standards in the Europian Union. Due to these regulations the emissions from newer vehicles are very low. In the cold regions such as the Nordic countries, vehicles can have auxiliary heaters as additional features. Auxiliary heates can be electric or fuel-operated and their main purpose is to pre-heat the passenger compartment and often the engine as well. Fuel-operated heaters have been identified as a major source of emissions, but these are not yet included in the emission restrictions of vehicles. Instead they have less strict technical requirements related to emissions, since the requirements do not take particles into account. Auxiliary heater emissions have not been extensively researched. When the research in the field increases it might have an affect also on the restrictions.
In this master's thesis fuel-operated auxiliary heater emissions were studied. The objectives were to study if cold start temperature has an effect on the emissions and if the emissions change between a cold start and a warm start. It was also studied what is the proportion of semivolatile particles of all particles in the warm starts. In addition to these objectives a test environment was developed to study the auxiliary heater emissions. The goal for the test environment was to produce repeatable and comparable data. Measurements were done in five different temperatures between -14...-28°C. One cold start and after that two warm starts were executed in each temperature.
Results indicated that cold start temperature has no outstanding effect on the auxiliary heater's emissions. The results also showed that there are higher mass emissions of black carbon in warm starts than is cold starts. This is interesting, since the warm starts took less than half the time of the cold starts. Also the emission factors of total hydrocarbons were higher in warm starts compared to cold starts. It was found that semivolatile particles make up half of the mass of all particles in the warm starts and semivolatile particles are formed mainly in the shutdown.
The test environment developed for these measurements functioned as expected. The measurements were repeatable and results were comparable to each other. Due to excess air and duration times of the measurements, the results of this work are not directly comparable to other auxiliary heater measurements. The test environment can be further developed to match the real conditions and already it offers multiple opportunities for research.
Ajoneuvojen päästöjä rajoitetaan EU:n alueella EURO-päästöluokkien avulla. Rajoituksista johtuen varsinkin uusimpien ajoneuvojen päästöt ovat pienet. Kylmillä alueilla, kuten Pohjoismaissa, ajoneuvoihin kuuluu lisäominaisuutena lisälämmitin, jonka tehtävänä on esilämmittää matkustajatilaa sekä usein myös moottoria. Tällaiset lisälämmittimet voivat olla joko sähköllä tai polttoaineella toimivia. Polttoainekäyttöiset lisälämmittimet on tunnistettu merkittäväksi päästölähteeksi, mutta ne eivät sisälly ajoneuvon moottoripäästöjen rajoituksiin, vaan niille on omat vaatimukset, joissa ei huomioida hiukkaspäästöjä lainkaan. Lisälämmittimien päästöjä ei ole tutkittu vielä kovin kattavasti. Tutkimuksen lisääntymisen myötä myös lisälämmittimiä koskevat rajoitukset voivat muuttua.
Tässä työssä tutkittiin henkilöajoneuvon polttoainekäyttöisen lisälämmittimen synnyttämiä päästöjä. Työn tavoitteena oli selvittää, vaikuttaako lämmittimen kylmäkäynnistyslämpötila sen päästöihin ja miten päästöt muuttuvat kylmäkäynnistyksen ja lämpimän käynnistyksen välillä. Tutkimuksen lisätavoitteina oli kehittää testiympäristö, jonka avulla lisälämmitinpäästöjä voidaan tutkia ja tutkia puolihaihtuvien hiukkasten osuutta lämpimissä käynnistyksissä. Testiympäristön kehityksen tavoitteena oli tuottaa toistettavaa ja vertailukelpoista dataa. Mittaukset suoritettiin viidellä eri lämpötilalla, jotka valittiin väliltä -14...-28°C. Jokaisessa lämpötilassa suoritettiin kylmäkäynnistys ja sen jälkeen kaksi lämmintä käynnistystä.
Tutkimuksen tuloksena havaittiin, ettei lämpötilalla näytä olevan merkittävää vaikutusta lisälämmittimen kylmäkäynnistyspäästöihin. Kylmiä ja lämpimiä käynnistyksiä vertaillessa havaittiin, että lämpimissä käynnistyksissä syntyy enemmän mustaa hiiltä, vaikka lämmin käynnistys oli kestoltaan alle puolet kylmäkäynnistyksen kestosta. Havaittiin myös, että lämpimien käynnistysten hiilivetyjen massapäästökertoimet ovat kylmäkäynnistyksiä suuremmat. Lämpimissä käynnistyksissä puolihaihtuvien yhdisteiden osuus massasta havaittiin olevan noin puolet ja puolihaihtuvia yhdisteitä havaittiin muodostuvan pääasiassa sammumisen aikana.
Tutkimusta varten kehitetty testiympäristö toimi odotetulla tavalla. Testiympäristöllä saatiin suoritettua toistettavia kokeita ja keskenään vertailukelpoista dataa. Yli-ilmalla palamisesta ja käynnistysten kestosta johtuen saadut tulokset eivät ole sellaisenaan vertailukelpoisia muiden tehtyjen lisälämmitinmittausten kanssa. Testiympäristöä voidaan kuitenkin kehittää vastaamaan entistä paremmin todellisia olosuhteita ja se tarjoaa jo nyt mahdollisuuksia moniin erilaisiin tutkimuksiin.
Vehicle emissions are regulated through EURO-standards in the Europian Union. Due to these regulations the emissions from newer vehicles are very low. In the cold regions such as the Nordic countries, vehicles can have auxiliary heaters as additional features. Auxiliary heates can be electric or fuel-operated and their main purpose is to pre-heat the passenger compartment and often the engine as well. Fuel-operated heaters have been identified as a major source of emissions, but these are not yet included in the emission restrictions of vehicles. Instead they have less strict technical requirements related to emissions, since the requirements do not take particles into account. Auxiliary heater emissions have not been extensively researched. When the research in the field increases it might have an affect also on the restrictions.
In this master's thesis fuel-operated auxiliary heater emissions were studied. The objectives were to study if cold start temperature has an effect on the emissions and if the emissions change between a cold start and a warm start. It was also studied what is the proportion of semivolatile particles of all particles in the warm starts. In addition to these objectives a test environment was developed to study the auxiliary heater emissions. The goal for the test environment was to produce repeatable and comparable data. Measurements were done in five different temperatures between -14...-28°C. One cold start and after that two warm starts were executed in each temperature.
Results indicated that cold start temperature has no outstanding effect on the auxiliary heater's emissions. The results also showed that there are higher mass emissions of black carbon in warm starts than is cold starts. This is interesting, since the warm starts took less than half the time of the cold starts. Also the emission factors of total hydrocarbons were higher in warm starts compared to cold starts. It was found that semivolatile particles make up half of the mass of all particles in the warm starts and semivolatile particles are formed mainly in the shutdown.
The test environment developed for these measurements functioned as expected. The measurements were repeatable and results were comparable to each other. Due to excess air and duration times of the measurements, the results of this work are not directly comparable to other auxiliary heater measurements. The test environment can be further developed to match the real conditions and already it offers multiple opportunities for research.