Search

Tavoitteena oli kehittää takaisinkytketty seoksensäätöjärjestelmä yhdistetyn lämmön- ja sähköntuotantolaitoksen (CGP) laihaseoskaasumoottoria varten. Työssä käytettiin Sisu Dieselin valmistamaa ja Valtion teknillisessä tutkimuskeskuksessa laihaseoskäyttöiseksi kehitettyä, 7,4-litraista, kipinäsytytteistä, avoimella palo-tilalla varustettua Valmet 634 GA -kaasumoottoria. Seossuhteen takaisinkytkentäsignaaliksi valittiin kaupallinen, pakoputkeen asennettava, nopea, pakokaasujen happipitoisuutta lineaarisesti mittaava anturi. Koe-ajot osoittivat, että takaisinkytkentään valittu laihaseosanturi soveltuu laihaseoskaasumoottorin seoksensäätöohjaukseen. Kehitetty seoksensäätöjärjestelmän ohjaus perustuu ohjelmoitaviin EPROM-muistipiireihin, joihin voidaan ohjelmoida erityyppisiä säätöstrategioita. Seoksensäädön lisäksi järjestelmään voidaan integroida vakiopyörintänopeussäätimen ja sytytysennakon säädön ohjaukset. Pienet pakokaasupäästöt, etenkin typenoksidipäästöt, ovat seoksensäätöohjatun laihaseoskaasumoottorin tärkein tavoite. Laihaseostekniikka vähentää myös hiilimonoksidipäästöjä, mutta hiilivetypäästöt (metaani) jopa kasvavat siirryttäessä typenoksidipäästöjen kannalta riittävän laihaan seokseen. Tästä syystä tutkittiin myös erityisesti maakaasulle kehitettyjen hapettavien laihaseoskatalysaattorien vaikutusta pakokaasupäästöihin. Mitatut katalysaattorit poistivat pakokaasuista lähes täydellisesti hiilivedyn ja hiilimonoksidin, mutta typenoksidipäästöt pysyivät odotetusti ennallaan. Tutkimuksen tavoitteet saavutettiin pääosin. Järjestelmän toimivuutta pitkäaikaiskäytössä ei voitu varmistaa työssä. Muita tämän mitan kokonaisenergialaitoksiin ja takaisinkytkentään soveltuvia antureita ei toistaiseksi ole saatavissa. Kirjallisuuden mukaan Japanissa on kehitteillä nopea typenoksideja mittaava anturi.

Annex V within the IEA Agreement on Alternative Motor Fuels is the first subtask to generate new experimental data. The objective of the task is to generate information on the emission potential of alternative fuels in severe operating conditions and to evaluate new emission measurement methods. The work was carried out in three phases, Engine Tests, Vehicle Tests and Addendum of Diesel Vehicles. The work was carried out at VTT (Technical Research Centre of Finland) as a cost shared operation. Participants were Belgium (Parts Two and Three), Canada (Parts One and Two), Finland, Italy (Part One), Japan, the Netherlands, Sweden and USA. The United Kingdom also joined at the end of the Annex. The work included 143 different vehicle/fuel/temperature combinations. FTP type emission tests were run on 14 vehicles powered with different gasoline compositions, methanol (M50 and M85), ethanol (E85), LPG, CNG and diesel. Both regulated and unregulated emission components were measured using the most up-to-date emissions measurement technology. The results indicated, that today's advanced gasoline vehicles must be considered rather clean. Diesel is comparable with gasoline in the case of CO and HC. M85 gives low emissions in warm conditions, but unburned methanol must be controlled. Natural gas and LPG are inherently clean fuels which, using up-to-date engine technology, give low emissions in all conditions.

At VTT, the development of stationary Valmet gas engines began in 1983. In 1988, a Valmet 311 engine equipped with a closed loop fuel system and a TWC was run on both natural gas and propane. The results were encouraging, and led to a decision to start the development of a heavy-duty vehicle engine. The study at hand describes the work beginning with the 311 engine up to vehicle applications with Valmet 612 engines. The next step was combustion chamber evaluation for propane using the 311 engine. Basically, two different combustion chamber types were evaluated. The final choice was made in favor of a high turbulence piston. A quantitative knock measurement system based on a rapid change of ignition timing and cylinder pressure analysis was developed. The experience from the three-cylinder Valmet 311 engine was then carried over to the six-cylinder Valmet 612 engine. With this engine, component temperature measurements, component evaluation and special exhaust emission measurements were carried out. The maximum efficiency of the naturally aspirated 612 LPG engine is 35 - 36 %. Piston temperatures should not cause any durability problems. The engine was also turbocharged to evaluate the possibilities of increasing the power output. The ignition system and spark plug type had very little effect on engine performance at lambda= 1. Lambda variations between individual cylinders could be reduced significantly by a small inlet manifold modification. A fuel control system allowing engine mapping was developed at Helsinki University of Technology. Ultimate emission performance using engine mapping, a modified inlet manifold and valve overlap was some 0.5 g CO and 0.1 g NOx/kWh in the ECE R49 test. A special two block catalyst was tested for improved dynamic emission performance. It was noted that ammonia is formed in the catalyst using a rich mixture. The Valmet 612 LPG engine has found its way into practical applications. Seven Sisu LPG trucks have been operational since 1993. The feedback in general has been good, although there have been some ignition and fuel system problems.

Nestekaasukäyttöisen linja-auton seurantatutkimuksessa selvitettiin nestekaasu-auton soveltuvuutta lähiliikenteeseen, kerättiin tietoa auton käyttökustannuksista ja luotettavuudesta sekä seurattiin auton pakokaasupäästöjen kehittymistä. Auton alusta tilattiin itävaltalaiselta tehtaalta. Auton takaosaan sijoitetun ahtamattoman, lambdaohjatulla polttoainejärjestelmällä ja kolmitoimikatalysaattorilla varustetun 12-litraisen moottorin huipputeho on 177 kW. Alusta koritettiin Suomessa. Seurantajakso kesti huhtikuusta 1991 marraskuuhun 1992. Autolla ajettiin yhteensä 150 000 km ilman merkittäviä vaurioita tai vikoja. Auton käyttöä häiritsivät lähinnä sähkölaitteisiin liittyvät pikkuviat, ja myös pieniä mekaanisia vikoja esiintyi. Osittain viat johtuivat huollon kokemuksen puutteesta, osittain siitä, että alusta oli valmistajalle ensimmäinen takamoottorilla varustettu kaasuauto. Varsinainen kaasujärjestelmä toimi ilman merkittäviä häiriöitä. Keskimääräinen polttoaineenkulutus koejakson aikana oli 77 l propaania/100 km. VTT teki viikoittaiset seurantamittaukset ja varsinaiset pakokaasumittaukset. Viikkomittauksissa ilmeni, että auton alkuperäisen katalysaattorin teho alkoi heiketä noin 80 000 km:n jälkeen. Alkuperäisellä katalysaattorilla ei saavutettu valmistajan ilmoittamaa päästötasoa. Kun autolla oli ajettu 125 000 km, alkuperäinen katalysaattori vaihdettiin Kemira Oy:n katalysaattoriin, joka mitattiin kahdesti, uutena ja 25 000 km ajettuna. Kemiran katalysaattori pienensi päästöjä merkittävästi, valmistajan ilmoittaman päästöarvot alittuivat selvästi ja auto täytti jopa pohjoismaisen maakaasubussiprojektin asettamat päästötavoitteet. Nestekaasuauto vastasi sille asetettuja odotuksia ja jopa ylitti ne. Sekä kuljettajat että matkustajat olivat tyytyväisiä hiljaiseen, värinättömään ja hajuttomaan autoon. Autossa ei esiintynyt vakavia vikoja tai vaurioita. Toisaalta lukuisat pikkuviat heikensivät auton luotettavuutta. Auton käyttäjä ei kuitenkaan näe esteitä nestekaasukäyttöisten autojen yleistymiselle.

Tutkimuksen ensimmäisessä osassa oli todettu, että autojen pakokaasupäästöt pienenevät käytettäessä 2 paino % happea sisältäviä polttoaineita. Toisessa vaiheessa tutkittiin metyylitertiääributyylieetteriä (MTBE), etyylitertiääributyylieetteriä (ETBE) ja etanolia sisältäviä bensiinejä, joiden hap pipitoisuudet olivat 2-4 paino %. Laboratoriokokeiden mukaan etanolilla oli ei toivottuja vaikutuksia yleisimpiin varastosäiliöiden pinnoitteisiin. Ajettavuusmittauksissa käytettiin yhtä katalysaat toriautoa ja yhtä ei katalysaattoriautoa. Autot toimivat hyvin kaikilla testatuilla polttoaineilla. Kaasutinmoottorilla varustetun auton kuuma ajettavuus tosin huononi polttoaineilla, joiden happipitoisuudet olivat korkeat. Säänneltyjä päästöjä mitattiin MTBE:tä, ETBE:tä tai etanolia sisältävillä polttoaineilla, joiden happipitoisuudet olivat korkeintaan 4 paino %. Ei katalysaattoriauton CO ja HC päästöt pienenivät polttoaineen happipitoisuuden kasvaessa. Hiilivetypolttoaineen arvoihin verrattuna CO päästö laski happipitoisilla polttoaineilla +20oC:n lämpötilassa 10-40 % ja HC päästö 0-10 %. Matalissa lämpötiloissa, 7 ja 20 °C, CO päästö laski 5-30 % ja HC päästö 15-20 %. Myös katalysaattoriauton päästöt pienenivät +20 °C:ssa polttoaineen happipitoisuuden kasvaessa, CO päästö 10-20 % ja HC päästö 10-30 %. Kylmissä lämpötiloissa katalysaattoriauton tuloksissa oli hajontaa. NOx päästöön polttoaineen happipitoisuudella ei ollut merkittävää vaikutusta kummallakaan autolla missään lämpötilassa. Tulosten perusteella ei voitu määrittää optimihappipitoisuutta, sillä päästöjen vähenemät olivat pääsääntöisesti suoraan verrannollisia polttoaineen happipitoisuuteen. Ei säänneltyjen päästöjen mittauksissa todettiin, että autotyyppi ja koelämpötila vaikuttivat tuloksiin eniten. Katalysaattoriautolla päästöjä muodostui merkittäävästi vain matalissa lämpötiloissa kokeen alussa. Polttoaineen happipitoisuuden muutokset vaikuttivat ainoastaan pakokaasujen aldehydipitoisuuteen, joka kasvoi polttoaineen happipitoisuuden noustessa. Kenttäkokeessa testattiin ETBE:tä ja etanolia sisältävää bensiiniä, jota käytettessä ei havaittu polttoaineesta johtuvia ajettavuusongelmia.