Dieselmoottorin typen oksidipäästöjen vähentäminen pakokaasun sähköisellä lämmityksellä
Käki, Simo (2024)
2024
Automaatiotekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Automation 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
2024-06-18
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202406147200
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202406147200
Tiivistelmä
Dieselmoottori on yleisin työkoneissa käytettävä moottorityyppi. Nestemäisten polttoaineiden, kuten dieselin, etuna on energiatiheys, minkä vuoksi ne ovat ja tulevat olemaan liikkuvien työkoneiden energiaratkaisu nyt ja lähitulevaisuudessa. Dieselin palaessa polttomoottorissa syntyy haitallisia yhdisteitä kuten hiilivetyjä, hiilimonoksidia, typen oksideja sekä hiukkaspäästöjä. Työkoneiden päästöjä rajoitetaan päästölainsäädännöllä. Tulevaksi päästöstandardiksi ehdotettu USA:n Tier 5 -päästöstandardi asettaa uusia rajoitteita esimerkiksi moottorin kylmäkäynnistyksestä ja matalalla kuormituksella käymisestä vapautuvien päästöjen määrälle.
Pakokaasun jälkikäsittelyllä päästöjä muunnetaan ihmisille ja ympäristölle haitattomaan muotoon. Jälkikäsittelyjärjestelmään voi kuulua DOC (hapettava katalysaattori (engl. Diesel Oxidation Catalyst)), DPF (hiukkassuodatin (engl. Diesel Particular Filter)) ja SCR (valikoivan pelkistyksen katalysaattori (engl. Selective Catalytic Reduction)). SCR pelkistää typen oksideja pelkistimenä toimivan ammoniakin avulla, joka suihkutetaan pakokaasun sekaan DEF:nä (nestemäinen urean vesiliuos (engl. Diesel Exhaust Fluid)). Päästöjen hallinnan haasteena on moottorin kylmä jälkikäsittelyjärjestelmä kylmäkäynnistyksessä ja jälkikäsittelyjärjestelmän viileneminen matalan kuormituksen yhteydessä. Järjestelmän jäähtyessä lämpötila ei ole riittävä hapetus- ja pelkistysreaktioita varten. Jäähtymisongelma voidaan yrittää ratkaista esimerkiksi muuttamalla polttoaineen palamisen parametrejä, keinotekoisella kuormituksella tai sähköisellä lämmityksellä.
Tässä työssä tutkittiin EHD:n (sähköisesti lämmitettävä levy (engl. Electrically Heated Disk)) vaikutusta SCR-kennon lämpötilan ylläpitoon. EHD asennettiin jälkikäsittelyjärjestelmässä DPF:n ja DEF-sekoittimen väliin. Työssä käytettiin konstruktiivista tutkimusmenetelmää, eli pyrittiin kehittämään, toteuttamaan ja testaamaan ratkaisu sekä arvioida sen käytännön soveltuvuutta. Tutkimus keskittyi sähköisen lämmityksen vaikutukseen NOx-päästöihin ja polttoaineen kulutukseen sekä suunniteltujen säätöjärjestelmien suorituskyvyn vertailuun.
Työssä toteutettiin rele-, PID- (Proportional-Integral-Derivative) ja tilasäätöä hyödyntävät säätöjärjestelmät EHD:n lämmitystehon ohjaamiseen. Säätöjärjestelmien tavoite oli lämmittää ja ylläpitää SCR:n lämpötilaa. Moottoridynamometrillä toteutetuissa käytännön kokeissa sähköinen lämmitys vähensi NOx-päästöjä jokaisessa mitatussa ajosyklissä. Kylmäkäynnistyksen yhteydessä NOx vähennys jäi alle 10 %:in. Matalan kuormituksen syklissä saavutettiin vähintään 68 % ja enintään 85 % vähennys NOx-päästöihin.
Sähköinen lämmitin on halpa ratkaisu päästöjen vähentämiseksi, mutta sen vaatima sähköinen järjestelmä on kallis ja vaatisi suuria muutoksia ajoneuvoon. Moottorin kuormituksen lisäämisestä aiheutuva polttoaineenkulutuksen kasvu lisää loppukäyttäjän käyttökustannuksia. Jälkikäsittelyjärjestelmän lämmönhallintaan on muita ratkaisuja, kuten pakokaasun takaisinkierrätys, joiden soveltuvuutta tulisi myös tarkastella.
Pakokaasun jälkikäsittelyllä päästöjä muunnetaan ihmisille ja ympäristölle haitattomaan muotoon. Jälkikäsittelyjärjestelmään voi kuulua DOC (hapettava katalysaattori (engl. Diesel Oxidation Catalyst)), DPF (hiukkassuodatin (engl. Diesel Particular Filter)) ja SCR (valikoivan pelkistyksen katalysaattori (engl. Selective Catalytic Reduction)). SCR pelkistää typen oksideja pelkistimenä toimivan ammoniakin avulla, joka suihkutetaan pakokaasun sekaan DEF:nä (nestemäinen urean vesiliuos (engl. Diesel Exhaust Fluid)). Päästöjen hallinnan haasteena on moottorin kylmä jälkikäsittelyjärjestelmä kylmäkäynnistyksessä ja jälkikäsittelyjärjestelmän viileneminen matalan kuormituksen yhteydessä. Järjestelmän jäähtyessä lämpötila ei ole riittävä hapetus- ja pelkistysreaktioita varten. Jäähtymisongelma voidaan yrittää ratkaista esimerkiksi muuttamalla polttoaineen palamisen parametrejä, keinotekoisella kuormituksella tai sähköisellä lämmityksellä.
Tässä työssä tutkittiin EHD:n (sähköisesti lämmitettävä levy (engl. Electrically Heated Disk)) vaikutusta SCR-kennon lämpötilan ylläpitoon. EHD asennettiin jälkikäsittelyjärjestelmässä DPF:n ja DEF-sekoittimen väliin. Työssä käytettiin konstruktiivista tutkimusmenetelmää, eli pyrittiin kehittämään, toteuttamaan ja testaamaan ratkaisu sekä arvioida sen käytännön soveltuvuutta. Tutkimus keskittyi sähköisen lämmityksen vaikutukseen NOx-päästöihin ja polttoaineen kulutukseen sekä suunniteltujen säätöjärjestelmien suorituskyvyn vertailuun.
Työssä toteutettiin rele-, PID- (Proportional-Integral-Derivative) ja tilasäätöä hyödyntävät säätöjärjestelmät EHD:n lämmitystehon ohjaamiseen. Säätöjärjestelmien tavoite oli lämmittää ja ylläpitää SCR:n lämpötilaa. Moottoridynamometrillä toteutetuissa käytännön kokeissa sähköinen lämmitys vähensi NOx-päästöjä jokaisessa mitatussa ajosyklissä. Kylmäkäynnistyksen yhteydessä NOx vähennys jäi alle 10 %:in. Matalan kuormituksen syklissä saavutettiin vähintään 68 % ja enintään 85 % vähennys NOx-päästöihin.
Sähköinen lämmitin on halpa ratkaisu päästöjen vähentämiseksi, mutta sen vaatima sähköinen järjestelmä on kallis ja vaatisi suuria muutoksia ajoneuvoon. Moottorin kuormituksen lisäämisestä aiheutuva polttoaineenkulutuksen kasvu lisää loppukäyttäjän käyttökustannuksia. Jälkikäsittelyjärjestelmän lämmönhallintaan on muita ratkaisuja, kuten pakokaasun takaisinkierrätys, joiden soveltuvuutta tulisi myös tarkastella.