Huomio traktorin päästöihin pellolla kyntäessä ja muokatessa – mittausten mukaan uusin päästötekniikka vähentää haitallisia kaasuja erittäin tehokkaasti

Traktorin päästöt eivät ole tällä hetkellä yksittäiselle viljelijälle kovinkaan suuri huoli, mutta isoa kuvaa tarkastellessa maailmanlaajuisesti päästöjen ympäristövaikutuksiin kiinnitetään entistä enemmän huomiota. Tässä artikkelissa perehdymme siihen, mitä päästöjä traktorin pakoputkesta pääsee ilmaan. Mittasimme traktorin ajonaikaiset päästöt pellolla työskennellessä.
MAINOS (teksti jatkuu alla)
MAINOS PÄÄTTYY
MAINOS (teksti jatkuu alla)
MAINOS PÄÄTTYY

Traktorin polttoaineenkulutuksen merkitys on kasvanut viime vuosien saatossa etenkin polttoaineen hinnan nousun myötä – mitä vähemmän polttoainetta kuluu, sitä pienempiä ovat luonnollisesti myös kustannukset ja osin myös päästötkin. Tutkimme polttoaineen säästömahdollisuuksia ja päästöjä pohjoismaisena yhteistyönä. Koneviestin lisäksi hankkeeseen osallistui traktorivertailuistakin tuttu kolmikko, Bedre Gardsdrift Norjasta, TractorTech Tanskasta ja Trekker Hollannista.

Julkaisemme niin aurojen kuin kultivaattorinkin säätöjen vaikutuksen polttoaineen kulutukseen Koneviestin numerossa KV2/2020.

Traktoriin asennetun mittalaitteiston ansiosta pystyimme mittaamaan traktorin päästöt ilmaan todellisessa tilanteessa. Kuten jutusta myöhemmin selviää, on mahdollista, että ajonaikaiset päästöt ovat osa vuonna 2027 voimaan astuvia uusia päästömääräyksiä.

Mittasimme testitraktorin tuottamat hiilidioksidi-, häkä-, typenoksidi- ja pienhiukkaspäästöt. Kolmella viimeksi mainitulla päästöllä on omat Stage 5 (taso 5) -päästöstandardiin kirjatut raja-arvot. Suoraan kulutettavan polttoaineen määrään sidoksissa oleva hiilidioksidin määrä on sen sijaan rajoittamaton, se ei vaikuta voimakkaasti paikalliseen ympäristöön vaan kasvihuonekaasuna sen on havaittu vaikuttavan ilmastoon maailmanlaajuisesti.

MAINOS (teksti jatkuu alla)
MAINOS PÄÄTTYY
MAINOS (teksti jatkuu alla)
MAINOS PÄÄTTYY
Päästöjen mittaamiseen käytetty PEMS-laitteisto (Portable Emission Measurements System) kiinnitettiin traktoriin. Samaa laitteistoa käytetään myös kuorma-autojen päästöjen mittaamiseen. Laitteisto koostuu kaasuanalysaattorista, joka mittaa hiilidioksidin, häkän, typenoksideiden sekä hapen pitoisuuden, sekä pienhiukkasten määrän laskurin ja pakokaasujen virtausmittarin. Laitteiston hinta on noin 300 000 euroa.
Päästöjen mittaamiseen käytetty PEMS-laitteisto (Portable Emission Measurements System) kiinnitettiin traktoriin. Samaa laitteistoa käytetään myös kuorma-autojen päästöjen mittaamiseen. Laitteisto koostuu kaasuanalysaattorista, joka mittaa hiilidioksidin, häkän, typenoksideiden sekä hapen pitoisuuden, sekä pienhiukkasten määrän laskurin ja pakokaasujen virtausmittarin. Laitteiston hinta on noin 300 000 euroa. Kuva: Torben Worsøe

Tekniikka toimii

Nykyisin typenoksidit ovat ympäristön kannalta ongelmallisin dieselmoottorin päästö, minkä vuoksi korkeasta hinnasta ja monimutkaisesta tekniikasta huolimatta näitä päästöjä neutraloiva SCR-katalysaattori näyttelee suurta roolia nykytraktoreissa, ja oli siten tärkeä mittauskohde testissämme.

Mittauksissamme totesimme, että SCR-katalysaattori toimi juuri odotetulla tavalla ja testi-Valtramme typenoksidipäästöt olivat mittarien mukaan hyvin matalalla tasolla kaikissa tilanteissa.

MAINOS (teksti jatkuu alla)
MAINOS PÄÄTTYY
MAINOS (teksti jatkuu alla)
MAINOS PÄÄTTYY

Pakoputkesta tulevien päästöjen vaihtelu eri työtilanteissa on hyvin pientä, lukemat ovat lähes merkityksettömiä. Typenoksidien määrä vaikuttaa riippuvan lähes suoraan moottorin kuormitusasteesta. 8 km/h nopeudella kultivoidessa moottorin kuormitusaste oli keskimäärin 87 % ja typenoksidien määrä keskimäärin 5,1 ppm (parts per million, miljoonasosa). Kun moottorin kuormitusaste nostetaan 100 prosenttiin, typenoksidien määrä kohoaa 17,2 ppm:ään työsyvyyden pysyessä edellään samana.

Käytännössä siis ajonopeuden 8,5 % nostolla typenoksidien määrä kohosi 237 %, eli lähes 2,5-kertaistui. Mikä sitten SCR-katalysaattorin vaikutus on? Tyypillisesti ilman katalysaattoria oleva traktori päästää typenoksideita ilmakehään vastaavassa tilanteessa noin 800–1 000 ppm, joten 17,2 ppm on tähän verrattuna lähes nollatulos!

Eri mittauksissamme typenoksidien taso oli alle 35 ppm, eli SCR-katalysaattori vähentää typenoksidipäästöjä käytännön olosuhteissa hyvin tehokkaasti.

Vertasimme päästöjä niin kuusiteräistä auraa kuin nelimetristä kultivaattoriakin vetäessä. Hiilidioksidipäästöjä lukuun ottamatta päästöt olivat pienemmät kultivaattoria vetäessä.
Vertasimme päästöjä niin kuusiteräistä auraa kuin nelimetristä kultivaattoriakin vetäessä. Hiilidioksidipäästöjä lukuun ottamatta päästöt olivat pienemmät kultivaattoria vetäessä. Kuva: Torben Worsøe

Tyhjäkäynti vaikuttaa katalysaattoriin

Testitulokset osoittivat myös SCR-katalysaattorin hyvin tunnetun heikkouden, joka on tyhjäkäynnillä tapahtuva katalysaattorin viileneminen. Testin aikana traktori kävi välillä jonkin aikaa tyhjäkäyntiä, kun auroja säädettiin tai päästömittauslaitteiston akkuja ladattiin ennen mittausajoja. Tilastollisista syistä jokainen testiveto jaettiin kuuteen osioon ja oheisessa kaaviossa esitämme kahden eri mittausjakson tulokset, joissa pääpaino on typenoksidipäästöissä.

MAINOS (teksti jatkuu alla)
MAINOS PÄÄTTYY
MAINOS (teksti jatkuu alla)
MAINOS PÄÄTTYY

Toisella kerralla traktori kävi pidemmän pätkän tyhjäkäyntiä ennen mittauksen aloitusta, toinen mittaus päästiin tekemään jatkuvalla ajolla siten, että katalysaattori oli kuuma ja tavoitellussa lämpötilassa. Traktorilla ajettiin kahteen kertaan 250 metriä pitkä lohko, molemmat 250 metrin siivut oli jaettu kolmeen yhtä pitkään osaan. Kaaviosta näkyy selvästi, kuinka ensimmäisen testivedon ensimmäisellä kolmanneksella typenoksidimäärä oli huomattavan korkea.

Katalysaattori lämpeni nopeasti ja typenoksiditasot putosivat noin kymmenesosaan. Havainto vahvistaa jo tunnetun tosiseikan – tyhjäkäynnin välttäminen kannattaa paitsi moottorin kunnon, polttoaineen kulutuksen ja nyt myös päästöjen vähentämisen vuoksi. Tyhjäkäyntijakson jälkeen typenoksidipäästöt ovat selvästi korkeammalla tasolla.

Pienet häkäpäästöt

Yksi polttomoottorin tuottama haitallinen kaasu on häkä. Mittauksissamme häkäpäästöt olivat todella matalalla tasolla. Mittauksissa käytetty PEMS-laitteisto kykenee mittaamaan häkäpäästöjä 90 000 ppm tasoon saakka. Traktorin kyntäessä päästämät 30 ppm alittaa mittauslaitteiston mittausalueen, niin vähäiset päästöt olivat. Ppm:istä puhuessa on hyvä muistaa, että 10 000 ppm vastaa yhtä prosenttia pakokaasuista.

Yleisellä tasolla tarkastellessa siis katalysaattorit vähentävät häkäpäästöt käytännössä nollaan, sillä alle 100 ppm arvot voidaan rinnastaa nollaan. Lisäksi kultivoidessa päästöt pienenivät entisestään niin pieniksi, ettei tarkka mittauslaitteisto havainnut niitä lainkaan.

Häkäpäästöistä puhuttaessa vertailun vuoksi mainittakoon, että 1980-luvun autoissa, joissa katalysaattoreita ei vielä ollut, häkäpäästöt olivat tyypillisesti 30 000–45 0000 ppm moottorin kuormituksesta riippuen. Kun katalysaattorit tulivat pakollisiksi varusteiksi, raja-arvo laskettiin 3 000 ppm:ään. Pienmoottoreissa, kuten ruohonleikkureissa häkäpäästöt voivat olla edelleenkin jopa 90 000 ppm.

Pienhiukkaset talteen

Lopuksi tarkastelimme pienhiukkaspäästöjä. Pienhiukkaspäästöjen mittayksikkö on hiukkasten määrä kuutiosenttimetrissä pakokaasua (kpl/cm3). Normaali vaihteluväli tason 5 moottorille on 10 000 ja 50 0000 partikkelin/cm3 välillä. Siten testissä mitatut päästöt olivat normaalilla tasolla.

Testipäivänä pienhiukkasten taso laski päivän edetessä, minkä arveltiin johtuvan siitä, että hiukkassuodatin täyttyi hiljalleen nokihiukkasista päivän edetessä. Kasvanut täyttöaste ilmeisesti paransi hiukkassuodattimen tehoa. Mikäli mittausta olisi jatkettu kauemmin, todennäköisesti jossain vaiheessa automatiikka olisi käynnistänyt hiukkassuodattimen regeneroinnin, eli puhdistuspolton, joka olisi näkynyt päästömittarissa hetkellisesti kasvaneena hiukkaspäästölukemana.

Kyntöaurojen säätöjä parannettiin osa-alue kerrallaan tahallaan väärin säädetyistä säädöistä alkaen. Säädöistä vastasivat auratehtaan asiantuntijat.
Kyntöaurojen säätöjä parannettiin osa-alue kerrallaan tahallaan väärin säädetyistä säädöistä alkaen. Säädöistä vastasivat auratehtaan asiantuntijat. Kuva: Torben Worsøe

Melko varmasti läpi

Testitraktorin päästöistä kirjoittaessamme mainitsimme, että traktori alittaa melko varmasti päästöstandardeissa asetetut rajat. Miksi näin? Siksi, että moottorin on oltava kiinnitettynä testipenkkiin ja sille on suoritettava tietyt käyttösyklit sisältävä mittausohjelma, jonka perusteella määritellään, alittuvatko tason 5 päästöstandardin rajat.

Mittausohjelmasta käytetään nimeä NRTC (Non Road Transient Cycle), joka kestää tarkalleen 1 238 sekuntia. Testi suoritetaan kahteen kertaan. Toinen mittaus tehdään kylmällä moottorilla, toinen kuumalla.

Näiden mittausten tulokset yhdistetään keskiarvoksi tietyn algoritmin mukaisesti laskemalla. Suorittamassamme mittauksessa tämän NRTC-syklin mukaista moottorin kuormitusvaihtelua ei ollut mahdollista toteuttaa, eikä moottorin tuottamaa tehoa ollut myöskään mahdollista mitata, kuten virallisessa mittauksessa tehdään.

Tuloksen päätteleminen käytännön mittauksissa tehdyistä tuloksista ei ole kuitenkaan täysin mahdotonta. Testin aikana mitattujen päästöjen ja polttoaineen kulutuksen perusteella voidaan arvioida, kuinka traktori olisi oletettavasti käyttäytynyt virallisessa Stage V -mittauksessa. Apuna voidaan käyttää niin sanottua BSFC-lukemaa (Brake Specific Fuel Consumption).

Tanskalaisen mittausfirman, Teknologisk Institutin asiantuntijat tekivät pyynnöstämme laskelmat, joissa BSFC-kulutuslukemana käytettiin arvoa 240 g/kWh. Tätä kulutustasoa käyttäen pakokaasujen puhdistuslaitteiston suorituskyky alitti selvästi Stage 5 -standardissa asetetut raja-arvot typenoksidi- ja häkäpäästöjen osalta. Myös pienhiukkaset olivat hyväksytyllä tasolla. Joten tätä takaisinlaskentamenetelmää apunakäyttäen testitraktorimme olisi läpäissyt mitä todennäköisimmin myös viralliset mittaukset.

Kynnön ja kultivoinnin päästöt

Mittauksissamme vertasimme kyntöaurojen eri säätöjen vaikutusta traktorin kulutukseen ja päästöihin. Tutkimme vastaavia lukemia myös kultivoinnista nelimetrisellä kultivaattorilla. Julkaisemme seuraavassa Koneviestin numerossa artikkelin työkoneen säätöjen vaikutuksesta traktorin polttoaineen kulutukseen.

Edellä mainitut päästöt ovat siis syntyneet, kun traktorilla on kynnetty kuusiteräisillä kyntöauroilla. Kuinka tilanne muuttuu, kun työkone vaihdetaan kultivaattoriin? Päästöt olivat jo kyntäessä matalalla tasolla, mutta tilanne paranee entisestään kultivoimaan siirtyessä.

Kun päästöjä verrataan tilanteeseen, jossa kynnetään väärin säädetyillä auroilla, syntyy kahdeksan kertaa enemmän pienhiukkaspäästöjä kuin kultivoidessa samaan syvyyteen. Tämä siis samalla traktorilla, samalla lohkolla. Kun aurat säädetään viimeisen päälle kohdalleen, ovat pienhiukkaspäästöt silti 2,7 kertaa suuremmat kuin kultivoidessa. Myös typenoksidipäästöt ovat kultivoidessa pienemmät, mutta ero kaventuu selvästi.

Mielenkiintoinen havainto tuloksista oli se, että vaikka polttoaineen kulutus (34 l/h), ajonopeus (8 km/h), moottorin kierrosluku (1 834 k/min), moottorin kuormitusaste (87 %) sekä luisto (10 %) olivat käytännössä identtiset sekä kyntäessä että kultivoidessa, olivat typenoksidipäästöt siitä huolimatta yli 3,5 kertaa pienemmät kultivoidessa kyntöön verrattuna. Kun kultivaattoria vedettiin 100 % moottorin kuormitusasteella, olivat typenoksidipäästöt lähes samat kuin 80–90 % kuormitusasteella kyntäessä.

Mittaukset: Teknologisk Institut, Eurofins Expert Services Oy

Lue myös:

Näin päästötesti tehtiin