Päästöt yhä tiukempaan kuriin - urearuiskutusta, pakokaasun kierrätystä, katalysaattoreita ja hiukkassuotimia

Valtra hyödyntää 3B-päästötason moottoreissaan SCR-teknologiaa. 

Työkonemoottoreille asetettiin ensimmäiset päästörajat Yhdysvalloissa 16 ja Euroopassa 13 vuotta sitten (taso 1) ja niiden myötä vihreät arvot alkoivat vaikuttaa vahvasti myös moottorikehitykseen.

Työkonemoottoreissa (37– 560 kW) teholuokasta riippuen 3–5 vuoden välein kiristyneisiin päästönormeihin pystyttiin vastaamaan aina viime vuoden alkuun saakka pitkälti moottoriteknisin keinoin, eli palotapahtuman optimoinnilla (neliventtiilikansi, yhteispaineruiskutus, ahdintekniikka, ahtoilman jäähdytys, moottorin ohjauselektroniikka) ja joko sisäisellä (EGR, venttiilien ajoitukseen perustuva) tai ulkoisella (cEGR, osa pakokaasusta jäähdytetään ja ohjataan imusarjaan), moottorin ohjauselektroniikan säätämällä pakokaasun takaisinkierrätyksellä.

Viime vuoden alussa tason 3B -päästömääräykset tulivat voimaan 130–560-kilowattisten työkonemoottoreiden osalta. Hyväksytyt päästörajat laskivat typen oksidien, NOx, osalta aiemmasta (taso 3A) 4:stä 2 grammaan ja hiukkaspäästöjen (hiili, hiilivety, fosfori, rikki ym. palamattomat aineet) 0,2:sta 0,025 grammaan kilowattituntia kohden. Tähän eivät edellä mainitut keinot enää riitä, apua on haettava pakokaasun katalysaattoreihin ja hiukkassuotimiin perustuvista jälkikäsittelymenetelmistä.

Kuluvan vuoden alussa Stage 3B laajeni koskemaan moottoriteholuokkaa 56–129 kW, jossa NOx-raja on 3,3 g/kWh ja hiukkasraja sama kuin ylemmässä teholuokassa. Päästötavoitteet saavutetaan em. keinoilla.

Ensi vuoden vaihteessa myös moottoriteholuokka 37–56 kW muuttuu vähemmän saastuttavaksi.

Tässä teholuokassa NOx+HC (hiilivety) -päästöraja on kuitenkin suurempi, eli 4,7 g/kwh, jonka saavuttamiseksi riittää pakokaasujen ulkoinen (jäähdytetty) takaisinkierrätys. 0,025 g/kWh -hiukkasrajasta on huolehdittava joko hiukkassuotimella (DPF), tai palamisen ollessa riittävän puhdasta hapettavalla katalysaattorilla (DOC).

Poltto- ja voiteluaineteollisuus joutuvat osallistumaan päästötalkoisiin. Polttonesteen on oltava EN 590 -normin mukaista. Myös moottorin huohotuskaasuja pidetään nykyisin haitallisena päästönä, joka hoidetaan johtamalla höyryt moottorin imupuolen kautta sylintereissä poltettavaksi. Moottoriöljy ei saa sisältää sellaisia ainesosia, joiden palamisjäännös sisältää liikaa hiukkasia tai katalysaattoria vaurioittavaa tuhkaa.

Oman mausteensa soppaan tuo 3B:n myötä käyttöön otettu uusi päästöjen mittausmenetelmä. Ennen päästöt mitattiin kahdeksasta ennalta määritetystä vakiotehopisteestä moottorin käyntialueella. Nyt mittaukset tehdään koko käyntialueella vaihtelevilla moottorinopeuksilla ja kuormitustasoilla sekä kylmällä että kuumalla moottorilla.

Päästötavoitteen saavuttamiseksi käytetään kahta perusmenetelmää. Eurooppalaiset työkonemoottorivalmistajat ovat pääosin valinneet SCR-teknologian (urearuiskutus) ja amerikkalaista sukua olevat moottorivalmistajat muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta hyödyntävät cEGR-teknologiaa ja hiukkassuodatusta.

SCR-menetelmässä polttoaine muutetaan tehoksi mahdollisimman hyvällä hyötysuhteella. Tavoite saavutetaan optimoimalla palamistapahtuma jaksottaisella ruiskutuksella, 1800 baarin ruiskutuspaineella, uusimmalla moottorin ohjauselektroniikalla ja ahtamistekniikalla (hukkaportti- ja kaksoisahdinsovellutukset, ahtoilman jäähdytys). Korkea palamislämpö parantaa palamisen hyötysuhdetta ja laskee hiukkaspäästöjä, mutta kasvattaa NOx-päästöjä. NOx-päästöt ovat suunnilleen samat tai hieman korkeammat ja polttoaineen kulutus selvästi pienempi kuin 2-päästötasolla aikanaan.

Nykyiselle 3B -tasolle päästään täydentämällä moottorin pakolinjaa sekä hapettavalla katalysaattorilla (DOC) että urea-ruiskutusjärjestelmällä ja katalysaattorilla (SCR).

Ahtimen jälkeinen DOC hapettaa ns. liukenevat hiukkasosuudet vesihöyryksi ja hiilidioksidiksi.

SCR-järjestelmä koostuu urea-vesiseossäiliöstä (AdBlue), ruiskutuslaitteistosta ja katalysaattorista. Järjestelmä annostelee urea-vesiseosta pakokaasuvirtaan DOCin ja vanadiinilla pinnoitetun katalysaattorin väliin. Moottorin ohjauselektroniikan käyntitilan, pakokaasun NOx-pitoisuuden, ja joissain moottoreissa (ei DOCia) myös ilman kosteuden mukaan säätämä annostus on 3–7 prosenttia käytetystä polttoainemäärästä. Urea-vesiseos muuttuu pakokaasun lämmössä (yli 200 astetta) ammoniakiksi, jonka vaikutuksesta noin 80 prosenttia NOxista pelkistyy katalysaattorissa vaarattomiksi typeksi ja vedeksi.

Ohjauselektroniikka valvoo ajon aikana SCR-järjestelmän toimintaa. AdBlue-annostelu alkaa moottorin käynnistyksen jälkeen katalysaattorin lämpötilan noustessa yli 200 asteen. Kuski saa sekä kojetauluun sijoitetun näytön että äänimerkin välityksellä tiedon sekä tyhjenevästä AdBlue-säilöstä, mahdollisesta järjestelmäviasta että huonolaatuisesta AdBlue-nesteestä (esim. vedellä ajo ei onnistu). Jos varoitukset eivät johda vaadittaviin toimiin, niin moottorin ohjausjärjestelmä aloittaa portaittaisen tehon alennuksen. Lopulta onnutaan varikolle moottori tyhjäkäynnillä.

Urea-vesiseos alkaa hyytyä lämpötilan laskiessa alle -11 asteen. SCR-järjestelmä ei kuitenkaan huononna moottorin pakkaskäynnistysominaisuuksia.

Moottorin pysäyttämisen jälkeen SCR-järjestelmän pumppu imee järjestelmän putkistoista AdBlue-nesteen takaisin säiliöön. Pakkaskäynnistyksen jälkeen säiliössä oleva liuos sulatetaan (noin puoli tuntia) ja ajon aikana ruiskutusjärjestelmän komponentit pidetään sulina moottorin jäähdytysnestekiertoon liitetyllä putkistolla. Säiliön sulatusvaiheessa moottori toimii normaalisti, joten ajon voi aloittaa heti, kun traktorin muut toiminnot ovat notkistuneet lähtökuntoon.

Jos AdBlue-suuttimen jäähdytykseen käytetään moottorin jäähdytysnesteen sijaan AdBlue-kiertoa, niin moottori käy pakkaskäynnistyksen jälkeen osateholla jäähdytyskierron on sulamiseen saakka.

AdBlue on varastoitava auringon valolta suojattuun, lämpötilaltaan plussan puolella säilyvään tilaan. Optimi varastointilämpö on 10–25 astetta, eli lämmin konehalli soveltuu hyvin nesteen säilytykseen. Oikein varastoituna neste säilyy käyttökelpoisena reilun vuoden.

Työkonemoottoreiden päästöt alkavat lähestyä nollatasoa. 

Päästöjen vähentäminen onnistuu kahdella menetelmällä. Oheinen kaavio selvittää traktori- ja moottorivalmistajien tekemiä valintoja. 

Agco Sisu Powerin moottorit yltävät Stage 3B -päästötasolle SCR-teknologialla. 

Agco Sisu Powerin SCR-järjestelmä. Alhaalla kuvatussa, ahtimen jälkeisessä pakolinjassa on ensin hapetuskatalysaattori (DOC), seuraavana AdBlue-suutin ja viimeisenä SCR katalysaattori. Linnavuoren tehtaan kehittämä moottorinohjausyksikkö säätää AdBlue-annostusta mm. pakolinjaan sijoitettujen anturien välittämän tiedon perusteella. Ylhäällä oikealla on AdBlue-säiliö ja vasemmalla pumppu. Järjestelmä pidetään sulana ja AdBlue-suutin jäähdytetään moottorin jäähdytyspiiriin liittyvällä putkistolla. AdBlue-järjestelmän komponentit toimittaa pääosin Bosch ja katalysaattorit tulevat sekä oululaiselta Proventialta että Donaldsonilta. 

SCR-moottori vaatii moottoripolttoöljyn lisäksi ureaperustaista AdBlue-nestettä. 

Sinisellä korkilla varustettu AdBlue-säiliö on polttoainesäiliön yhteydessä. Säiliötilavuudet on mitoitettu yleensä siten, että AdBlueta on lisättävä joka toisella tankkauskerralla. 

JD:n yhdistetty hapetuskatalysaattori ja hiukkassuodin. 

John Deeren cEGR-järjestelmä. Osa pakokaasuista ohjataan jäähdyttimen ja säätöventtiilin kautta imusarjaan. Menetelmä alentaa palamislämpötilaa, jolloin typen oksidien määrä pakokaasussa pienenee. Hapetuskatalysaattori (DOC) hiukkassuodin (DPF) laskevat häkä-, hiilivety- ja hiukkaspäästöt 3B-tasolle. 

Perkinsin suurimmissa moottoreissa hiukkassuodin nostetaan regenerointilämpöön pakolinjaan ahtimen jälkeen sijoitetulla polttimella. 

Caterpillarin omistama Perkins varustaa 3B-moottorinsa cEGR-teknologialla. 

John Deere käyttää 3 B-päästötason saavuttamiseen cEGR-teknologiaa. Pakokaasun kierrätys vaatii aiempaa enemmän jäähdytystehoa. JD 7R:ssä asia on ratkaistu totutusta poikkeavilla jäähdytinratkaisuilla. 

AdBlue-nestettä saa polttoaineyhtiöiden lisäksi traktori- ja työkonemyyjiltä, joiden tuotevalikoimaan sisältyy SCR-moottoreilla varustettua kalustoa. Nestettä toimitetaan kertakäyttöisissä 10:n, 20:n ja 30 litran muovikanistereissa ja 200 litran muovitynnyreissä sekä kierrätettävissä 1000 litran IBC-konteissa (trukkilavan päällä lepäävä, muovikehikolla suojattu muovisäiliö). Hinta vaihtelee pakkauskoon mukaan. Esim. Agco Suomi Oy:ssä (entinen Valtra Oy Ab) verollinen litrahinta asettuu haarukkaan 0,6–1,6 euroa. Lisäksi konttitoimitukseen saattaa sisältyä nesteen alkuperäisestä toimittajasta riippuva panttimaksu. Markkinoilla on hyvä valikoima sekä käsi- että sähkökäyttöisiä tankkauspumppuja jotka sopivat em. pakkauksiin. Lisäksi on saatavilla tankkauspumpulla ja lämpöeristyksellä varustettuja siirtosäiliötä, joilla nestettä voi kuljettaa maastossa työskenteleville koneille. Puhtaus liittyy oleellisesti AdBluen käyttöön. Polttoneste ja AdBlue on pidettävä tiukasti erillään toisistaan, molemmille on oltava omat astiat ja tankkauspumput.

AdBlue-liuos on urean ja veden seos, ominaispaino on 1,09. Ureapitoisuus on 32,5 prosenttia ja vesi on tislattua. DIN 70070 -normin mukaisessa liuoksessa sallitut epäpuhtaudet ovat ppm-tasolla (milligrammaa litrassa -tasolla). Tuote on vaaraton, väritön ja hajuton, pH on välillä 9–9,5 eli liuos on lievästi alkalinen.

Liuos sisältyy ureaa valmistavan lannoiteteollisuuden tuotevalikoimaan. AdBluen lisäksi käytössä on Air1 -kauppanimi, kumpikin ovat rekisteröityjä tuotemerkkejä.

cEGR/DOC/DPF-menetelmässä 3B-päästötasolle päästään varustamalla moottori jäähdytetyn pakokaasun takaisinkierrätykselle ja vaihtamalla ahtimen jälkeinen äänenvaimennin hapetuskatalysaattoriin ja hiukkasloukkuun.

Pakokaasun takaisinkierrätyksessä ahtimelle tulevasta pakokaasuvirrasta ohjataan osa (moottorin käyntitilasta riippuen 25–30 %) jäähdyttimen kautta imusarjaan. Sylinteriin imutahdin myötä joutuva jäähdytetty pakokaasu alentaa palamislämpötilaa madaltamalla ahtoilman happipitoisuutta ja tätä kautta NOx-päästöjä (typen oksidit). Palamislämpötilaa lasketaan myös tehostamalla ahtoilman jäähdytystä ja myöhentämällä ruiskutushetkeä.

Moottorin ohjauselektroniikka säätää pakokaasun takaisinkierrätystä sekä kierrätyslinjassa olevan venttiilin että usein myös muuttuvageometrisen VGT-ahtimen avulla (esim. JD ja Cummins).

VGT-ahtimen säätyvät johdinsiivet muuttavat moottorin käyntitilan mukaan kulmaa, jolla pakokaasuvirtaus osuu turbiinipyörään. Säätö vaikuttaa ahtimelle tulevan pakokaasun paineeseen ja tätä kautta kiertoon lähtevän kaasun määrään.

Happipitoisuuden alennuksen seurauksena moottorissa syntyvien hiukkaspäästöjen (hiili, hiilivety, fosfori, rikki ym. palamattomat aineet) määrä kasvaa. Moottorissa tilanteeseen vastataan tarkalla, käyntitilan mukaisella ahtopaineen säädöllä (em. VGT-ahtimen johdinsiipien säätö ja kaksoisahdinratkaisut) ja korkealla ruiskutuspaineella.

Nämä keinot eivät kuitenkaan riitä, vaan ahtimen jälkeistä pakolinjaa on päästötavoitteen savuttamiseksi täydennettävä hapetuskatalysaattorin ja hiukkassuotimen yhdistelmällä (DOC+DPF). DOC sekä hapettaa (polttaa) pakokaasun ns. liukenevat hiukkasosuudet vesihöyryksi ja hiilidioksidiksi että vähentää häkää. DPF suodattaa lopuksi yli 90 % pakokaasun palamattomista hiukkasista.

Hiukkassuotimen suodatuskykyä pidetään yllä regeneroinnilla eli suotimeen kertyvien hiukkasten hapettamisella (polttamisella).

Passiivinen regenerointi tapahtuu moottorin normaalin käytön yhteydessä suotimen lämpötilan ollessa yli 300 astetta. Jos moottorin kuormitusaste on niin alhainen, että vaadittavaa lämpötilaa ei saavuteta, niin käyttöön otetaan moottorin ohjauselektroniikan ohjaama aktiivinen regenerointi.

Aktiivisia regenerointitapoja on kaksi. Yksinkertaisemmassa versiossa hiukkasloukkuun annostellaan polttoainetta, joka hapettuessa katalyyttisesti (ei avotulta) nostaa suotimen lämpötilan 550–600 asteeseen. Tarvittaessa regenerointi tapahtuu automaattisesti 5–10 tunnin välein. Monimutkaisemmassa aktiivisessa regeneroinnissa pakolinjaa täydentää ilma- ja polttoainesuuttimilla sekä kipinäsytytyksellä varustetulla poltin, jonka avoliekki nosta regenerointilämmön jopa 800 asteeseen.

Ajotuntien myötä hiukkassuotimeen kertyy pääosin voiteluöljystä peräsin olevaa tuhkaa, joka ei poistu regeneroinnissa. Näin olleen suodin on vaihdettava uuteen tai huollossa puhdistettuun (ei onnistu kotioloissa). Kaavailtu vaihtoväli on alle 130-kilowattisissa moottorissa 3000 ja yli 130-kilowattisissa 5000 tuntia. n

Edut

• SCR:llä saavutetaan 5–10 prosenttia parempi polttoainetalous kuin 3A-päästötason moottorilla samalla tai hieman alemmalla lämpökuormituksella. Moottoria ei tarvitse ”kuristaa” päästöjen pienentämiseksi.
• Savutus ja voiteluöljyn nokeentuminen vähenevät.

Haitat

• Kahden nesteen käyttö
• Hinta

Edut

• Ei lisäaineita

Haitat

• Jälkikäsittelylaitteiston vaatima tila. Suurempi jäähdytystehon tarve. Hiukkassuotimen puhdistuksessa syntyvä lämpö. Tuhkan poisto hiukkassuotimesta. Hinta.
• Päästötaso 4 astuu voimaan vaiheittain vuosina 2014–2015. Päästörajat laskevat sekä typen oksidien lähes nollatasolle. Tasosta 5 ei vielä ole virallista tietoa, odotettavissa lienee hiukkaspäästöjen alennus.

Avaa artikkelin PDF