Etanolin käyttö turboahdetussa SI-moottorissa

Abstract

Työn tarkoituksena oli tutkia etanolin käyttöä turboahdetussa kipinäsytytteisessä (SI) moottorissa sekä arvioida sen vaikutuksia moottorin suorituskykyyn, hyötysuhteeseen ja ympäristöön verrattuna perinteiseen bensiiniin. Keskeisenä tavoitteena oli selvittää, voidaanko korkeaseosetanolia (E85) hyödyntämällä saavuttaa merkittäviä parannuksia moottorin hyötysuhteessa, tehontuotossa ja päästöjen vähentämisessä. Tutkimuksessa kiinnitettiin erityistä huomiota etanolin vaikutuksiin moottorin nakutukseen ja oktaaniluvun merkitykseen turboahdetun moottorin suorituskyvyssä. Opinnäytetyössä perehdyttiin perusteellisesti etanolin ja bensiinin ominaisuuksiin ja tarkasteltiin, miten nämä vaikuttavat polttoaineen käyttäytymiseen ja palamisprosessiin turboahdetussa moottorissa. Erityisesti analysoitiin, kuinka etanolin korkea latenttilämpö, parempi lämmönsidontakyky sekä korkeampi itsesyttymislämpötila mahdollistavat moottorin korkeamman puristussuhteen sekä aikaisemman sytytysennakon, mikä johtaa merkittävästi parantuneeseen hyötysuhteeseen sekä alentuneisiin palamisreaktion lämpötiloihin ja siten pienempään nakutusalttiuteen. Työssä selvitetään SI-moottorissa esiintyvät kontrolloitu, kontrolloimaton ja epänormaali palamisreaktio, sekä oktaaniluvun määritelmät. Työssä myös esitetään mitä nakutuksella tarkoitetaan SI-moottorin palamisreaktiossa, ja millaisia ovat sen erilaiset ilmenemistavat. Tutkimuksessa havaittiin, että jopa pienillä etanolipitoisuuksilla (20–30 %) voidaan saavuttaa huomattavia hyötyjä moottorin hyötysuhteen ja nakutuksen kestävyyden suhteen. Korkeaseosetanolilla (E85) saavutettiin vielä merkittävämpiä parannuksia erityisesti moottorin tehon ja väännön tuotossa sekä termisessä hyötysuhteessa. Tulosten mukaan turboahdetut SI-moottorit hyötyvät merkittävästi etanolin käytöstä etenkin kovilla kuormituksilla, jolloin korkeat lämpötilat ja paineet lisäävät bensiinin nakutusalttiutta ja heikentävät moottorin suorituskykyä. Etanolilla huomataan myös olevan positiivinen vaikutus pakokaasujen lämpötilaan suuren latenttilämpönsä ansiosta, mikä lisää turboahtimen kestoikää. Työssä käsiteltiin myös etanolin käyttöön liittyviä ympäristönäkökohtia. Etanolipolttoaineen käytön havaittiin yleisesti alentavan hiilimonoksidi- (CO) ja hiilivetypäästöjä (HC) merkittävästi verrattuna perinteiseen bensiiniin. Kuitenkin etanolipolttoaineiden käyttöön liittyy myös ongelmia, erityisesti kylmäkäynnistystilanteissa esiintyvien korkeampien aldehydipäästöjen muodossa, mikäli auton polttoainejärjestelmä ei ole erityisesti suunniteltu tai optimoitu korkeaseosetanolille sopivaksi. Lisäksi tutkimuksessa havaittiin, että kokonaisympäristövaikutuksia arvioitaessa on huomioitava etanolin tuotantoprosessin energiankulutus, raaka-aineen alkuperä ja logistiikka, jotka vaikuttavat merkittävästi sen ympäristöystävällisyyteen. Etanoli tarjoaa turboahdetussa SI-moottorissa huomattavia mahdollisuuksia parantaa moottorin suorituskykyä ja vähentää haitallisia päästöjä. Etanolin käyttö edellyttää kuitenkin huolellista moottorin suunnittelua ja optimointia, jotta polttoaineesta saatava hyöty saadaan konkretisoitua.