Näin asennetaan Dual-Fuel-laitteisto polttomoottoriin dieselin rinnalle vanhaan työkoneeseen tai traktoriin – laitteistolla mahdollistetaan kaasun käyttö polttoaineena

Perinteisen dieselmoottorin muuntaminen käyttämään rinnalla kaasua ei ole monimutkainen työ, kyseessä on dual-fuel-asennus. Tietoa pitää toki olla ja lupien pitää olla kunnossa asennuksia tehdessä.
Heikki Rita-Kasari ja Nico Luopajärvi asentamassa seosrehuvaunun dual-fuel-järjestelmää marraskuussa.
MAINOS (teksti jatkuu alla)
MAINOS PÄÄTTYY
MAINOS (teksti jatkuu alla)
MAINOS PÄÄTTYY

Koneviesti 17/2021 -numerossa oli artikkeli biometaanin tuotannosta. Biometaania käytetään sähkön tuotantoon, lämmittämiseen ja moottoripolttoaineena. Biometaanin käyttäminen moottoripolttoineen rinnalla edellyttää täydennyksiä, konvertointia polttoainejärjestelmään.

Työkoneen tai traktorin dieselkäyttöinen polttomoottori voidaan muuntaa konvertoinnissa käyttämään kaasua polttonesteen rinnalla. Tällöin ajoneuvon moottorin tai sen lisälaitteiden rakenteita ei muuteta, eikä poisteta sieltä mitään. Kaasulaitteet lisätään järjestelmään rinnalle. Moottoria voidaan edelleen käyttää dieselpolttoaineella, mutta kaasukäyttö tulee vaihtoehdoksi.

Dual-fuel-järjestelmässä moottori toimii kaasun ja dieselin seoksella. Alkuperäisiltä suuttimilta syötettävän dieselöljyn sekaan syötetään imuilman kautta haluttu määrä kaasu. Tällainen moottori ei tarvitse erillistä sytytysjärjestelmää, koska dieselöljy sytyttää myös palotilaan syötetyn kaasun. Tyhjäkäynnillä ja matalalla kuormituksella moottori toimii suurimmaksi osaksi dieselillä. Kuormituksen kasvaessa kaasun osuus käytetystä polttoaineesta lisääntyy ja dieselin osuus on enää noin 20 prosenttia.

Aivan kaikki syötettävä metaani ei pala polttomoottorissa, jolloin sitä pääsee palamattomana pakokaasujen mukana. Lainsäätäjä on kuitenkin suopea jälkiasenteisille kaasuasennuksille ympäristönäkökohtien vuoksi ja siksi muutoksia saa tehdä.

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

Dual-Fuel:

  • Vanha polttonestejärjestelmä jää käyttöön
  • Rinnalle asennetaan kaasulaitteisto, johon kuuluvat kaasusäiliöt, kaasusekoitin, tarvittavat putkitukset ja ohjainyksikkö
  • Järjestelmän asentaminen on luvanvaraista
  • Moottorin käyttöominaisuudet eivät muutu
Kun moottorin tehoa mitattiin voimanulosottoakselilta, kaasun rinnakkaissyötöllä tuli voimaa 60 hevosvoimaa lisää. Mitattu teho kasvoi siis 120:stä 180:een ennen kuin tehoa rajoitetaan. Oktaani- luku biometaanilla on 140. Pako- lämmöt pysyivät normaalina, joten kasvanut teho ei vaikuta lämpöhaasteisiin.
Kun moottorin tehoa mitattiin voimanulosottoakselilta, kaasun rinnakkaissyötöllä tuli voimaa 60 hevosvoimaa lisää. Mitattu teho kasvoi siis 120:stä 180:een ennen kuin tehoa rajoitetaan. Oktaani- luku biometaanilla on 140. Pako- lämmöt pysyivät normaalina, joten kasvanut teho ei vaikuta lämpöhaasteisiin. Kuva: Seppo Pentti

Uusi vai käytetty

Monet moottori- ja työkonevalmistajat ovat esitelleet kaasukäyttöisiä laitteita, jotka ovat uutuuksina toki toimivia. Monella yksityisellä ja yrittäjällä on kuitenkin ongelmana se, ettei uuteen laitteeseen, esimerkiksi traktoriin, välttämättä ole taloudellisia resursseja, kun moneen muuhunkin tarvitsee investoida. Uuden tekniikan käyttöönottoon on korkea kynnys.

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

Vanhasta toimivasta traktorista tai työkoneesta ei ainakaan haluta luopua. Perinteinen polttomoottori on toimintavarma ja sen polttoainevarmuus on käytännössä koeteltu. Vaihtoehtona on kaluston päivittäminen. Vanhaa kalustoa uudenaikaistamalla päädytään usein edullisempaan vaihtoehtoon, jolloin kaasukäyttö voi alkaa huomattavasti pienemmällä panostuksella.

Jos Dual-fuel-laitteiston asentamista harkitaan käytettyyn kalustoon, se kannattaa asentaa sellaiseen kalustoon, jolla on käyttötunteja vielä runsaasti jäljellä, jotta laitteistosta ja asennuksesta saadaan mahdollisimman paljon hyötyä tulevaisuudessa. Kalustolle olisi myös hyvä kertyä vuodessa runsaasti käyttötunteja, jotta kustannukset laskevat tuntia kohti.

Kaasukäyttö

Vanha työkoneen tai traktorin moottori voidaan varustaa laitteistolla, jolloin kaasukäyttö voi alkaa heti asennuksen ja hyväksynnän jälkeen. Tällöin asennetaan kaasusäiliö, putkisto, säätöjärjestelmä ja syöttöjärjestelmä. Tämän lisäksi tarvitaan turvalaitteet, joilla saadaan vahinkotilanteessa kaasun syöttö katkeamaan säiliöstä venttiileillä tai kaasu vapautettua ilmaan.

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

Polttonestejärjestelmä jää aina rinnalle, jotta moottori saadaan käyntiin ja polttonestettä käytetään tukipolttoaineena. Yleensä kaasu loppuu ennen kuin polttoneste, koska tila kaasusäiliöille ajoneuvoissa on rajallinen ja se kuluu nopeasti.

Ajoneuvojen säiliö tai säiliöt täytetään paineistetulla kaasulla. Kyseessä on siis varastopainesäiliö, josta kaasua päästetään venttiilin kautta ajoneuvon järjestelmän painesäiliöön. Kaasua voidaan siis tankata sieltä, missä sen tankkaus on edullisinta tai yleensä mahdollista. Kaasua alkaa olla saatavilla maaseudullakin. Moottori ei huomaa eroa sillä, onko kyseessä tasalaatuinen biometaani vai maakaasu, joka on myös metaania.

Kaasu syötetään kaasusekoittimen kautta imuilmaan ennen ahdinta.
Kaasu syötetään kaasusekoittimen kautta imuilmaan ennen ahdinta. Kuva: Seppo Pentti

Käyttökelpoisuus

Polttoainejärjestelmään tankataan nestemäistä polttoainetta kuten aikaisemminkin, ja tämän lisäksi kaasujärjestelmä täytetään yhdestä syöttöpisteestä erikseen painetankeista.

Ajoneuvoissa käytetään koostumukseltaan samaa kaasua kuin valtaosassa niissä laitoksissa, jotka tuottavat biokaasulla sähköä. Tuossa biokaasussa metaanin osuus on siis vähintään 98 %, eikä kaasu sisällä rikkiä. Rikki on tuhoisaa moottoreille.

Kaasulaitteiden asennus on kannattavaa, jos esimerkiksi maatilalla on itsellään saatavilla kaasua tai sitä on mahdollista ostaa lähiseudulta.

Mikäli traktoria tai työkonetta käytetään erittäin harvoin ja moottori on kulutukseltaan pieni, ei konvertoinnilla saavuta suuria rahallisia hyötyjä. Mikäli kaasua taas käytetään paljon ja kulutus on suurta, tulee konvertoinnin rahallinen hyöty suuremmaksi.

Ohjainlaitteet

Käynnistyksen yhteydessä kaasuventtiili on kiinni, jolloin kylmäkäynnistys onnistuu normaalisti. Kun moottori käynnistyy, alkaa kaasun rinnakkaiskäyttö automaattisesti. Kaasun syöttömäärä säätyy kaasupolkimesta kuten nestemäisen polttoaineenkin. Uudemmissa moottoreissa tieto kaasusyöttöön otetaan moottoriohjausyksiköltä. Tieto välitetään ohjainyksikköön, joka ohjaa kaasuventtileitä ja kaasuvirtaa. Kun moottori saavuttaa halutun lämpötilan, anturitietoon perustuva kaasusyöttö alkaa. Mitä enemmän tehoa tarvitaan, sitä enemmän ohjainyksikkö annostelee kaasua imuilman joukkoon.

Jos moottori on vanhempi, eikä moottoriohjaus ole sähköinen, tieto kaasusyöttöön otetaan mekaanisesti kaasupolkimelta. Varsinaista kaasusyöttöä ohjataan samalla ohjainlaitteella kuin uudemmissakin moottoreissa.

Syöttötekniikka on rakennettu niin, että kaasusekoitin tai esiseoskammio on moottorin imupuolella ja kaasu sekoitetaan imuilmaan ennen ahdinta.

Konvertoidun traktorin ja työkoneen määräaikaishuollot suoritetaan normaalin huolto-ohjelman mukaan.

Kun kaasusäiliöt on asennettu traktoriin, ne syövät hieman maavaraa ja hankaloittavat huoltotöitä. Kaasuputket ovat myös vaurioherkkiä.
Kun kaasusäiliöt on asennettu traktoriin, ne syövät hieman maavaraa ja hankaloittavat huoltotöitä. Kaasuputket ovat myös vaurioherkkiä. Kuva: KasariMachinery
Metaani-kaasu sekoitetaan imuilmaan ennen ahdinta.
Metaani-kaasu sekoitetaan imuilmaan ennen ahdinta. Kuva: Seppo Pentti

Kaasuasennuksia E-P:llä

Heikki Rita-Kasari ja Nico Luopajärvi tekevät Dual-fuel-asennuksia Etelä-Pohjanmaalla, mutta asennuskeikka voi olla hieman etäämmälläkin. Heikin yritys, KasariMachinery on tehnyt vuosia vikadiagnostiikkaa ja moottorioptimointeja, joten moottorien sielunelämä on tavallaan tuttua. Moottoriohjauksessa tehdään alkuperäisen ohjelman päälle uusi ohjelma, jolla saadaan polttoaineensyöttö toimimaan oikein.

”Kun biokaasutuotanto on lisääntynyt maaseudulla, niin monia ajoneuvoja tultanee päivittämään kaasukäyttöön”, Heikki aloittaa. ”Oma kiinnostukseni tähän alaan alkoi, kun lähiseudulta Timo Viinamäki pari vuotta sitten kyseli, josko moottorien ohjelmointien lisäksi asentaisin kaasuvehkeitä. Kävin Italiassa ohjelmointikoulutuksessa, jossa tutustuin tähänkin aiheeseen”, Heikki jatkaa. Heikillä on moottoritekniikan insinöörikoulutus Italiasta.

Nicon yritys on NL-Service, joka on ollut monesti alihankkijana tilauksissa. Nicolla on tällä hetkellä voimassa P-kaasuluvat, jolloin hän voi hyväksyä heidän yhdessä tekemänsä asennukset. Heikki hoitaa markkinointia ja asennuksia. Kolmas kumppani on Jarkon Service, joka on Jarkko Mäki-Karvian yritys, joka hoitaa asennuksia ja etenkin niihin liittyviä metallitöitä.

”Kun teimme ensimmäisiä asennuksia, niin meillä ei ollut vielä omia Tukesin lupia, vaan eräs paikallinen kaasuasentaja kävi hyväksymässä asennukset ja täyttämässä tarvittavat paperit”, Heikki toteaa.

Nicon auto- ja työkonetekniikan koulutuksesta sekä asentaja- ja työnjohto-osaamisesta on ollut yrityksen toiminnassa ja kaasuasennuksissa paljon hyötyä.

Moottorin konvertointitarvikkeita valmistetaan paljon Italiassa ja sieltä omiin valikoimiin kannattaa poimia luotettavimmat komponentit. Samoja komponentteja käytetään autopuolen asennuksissa. Suomessa laitteistot ovat kovilla, kun laitteet ovat usein kylmässä ja kosteassa, mutta silti niiden pitäisi toimia luotettavasti. Käytettävät komponentit ja Nikon luvat ja asennukset täyttävät ECE R110- ja R115-vaatimukset.

”Olemme poimineet tarjonnasta laadukkaat komponentit, jotta järjestelmät olisivat luotettavia. Paineensäätimet ovat Tomasetton eli samoja, joita on autoissa”, Nico kertoo.

Asennuksia tehdessä pitää olla huolellinen. Traktorissa isoin ongelma on löytää kaasupulloille tilaa, jotta saadaan sijoitettua riittävän suuret kaasupullot, joilla varmistetaan kaasun riittävyys.

”Vanhemman kaluston päivittäminen käyttämään kaasua on toimiva vaihtoehto. Investointi on kohtalainen, kun kokonaishinta on minimissään 10 000 euron paikkeilla. Jos esimerkiksi säiliöitä asennetaan traktoriin useampia, hinta nousee osaltaan niiden myötä.”, Heikki muotoilee.

”Traktorin konvertoinnissa päästöjen suhteen lainsäätäjä on nykytiedon mukaan joustava. Laissa annetaan ymmärtää, että jälkiasenteisesta dual-fuel-biokaasukäytöstä aiheutuvat hyödyt ovat niin suuret, että ne kumoavat siitä aiheutuvat päästöt”, Heikki tulkitsee. Tällöin traktori täyttää edelleen tieliikennelain vaatimukset, mutta se pitää muutoskatsastaa, jos sillä ajetaan tiellä.

Kun säännöstekstit ovat tasoa: ”UNECE sääntö N:o 115 6.2.4.2. Jos CNG-jälkiasennusjärjestelmän asianmukainen asentaminen ajoneuvoon sitä vaatii, voidaan sellaisten alkuperäisten päästöjen rajoittamiseen liittyvien komponenttien, joita ei käytetä maakaasutilassa, oikeanlaista toimintaa simuloida”, jää maallikolle niiden sisältö hieman epäselväksi.

”Asennuksiin tarvittava työmäärä vaihtelee, se riippuu lähinnä asennuksen haastavuudesta, kuten säiliöiden sijoittelusta ja mahdollisista muutostöistä. Uudemmat moottorit ovat toisaalta helpompia, kun valmista anturitietoa on tarjolla. Toisaalta esimerkiksi uusissa traktoreissa säiliöitä on hankalampi sijoittaa kuin vanhoissa, joissa tilaa oli enemmän.

”Kun kaasulaitteistoja asennetaan, niin lähtökohta on, että rikki- ja metaanipäästö hieman kasvavat, kun materiaalia menee läpi palamattomana. Typen oksidit ja noksit sen sijaan laskevat, kun poltetaan vähemmän nestemäistä polttoainetta. Kokonaispäästöt kuitenkin kaasukäytössä laskevat tuotettua energiayksikköä kohti”, Heikki pohtii.

Dual-fuel -laitteisto Valtrassa on koekäytetty tankkausasemalta ostetulla kaasulla.
Dual-fuel -laitteisto Valtrassa on koekäytetty tankkausasemalta ostetulla kaasulla. Kuva: Seppo Pentti
Valtran tankkausyhde on portaiden juuressa suojassa.
Valtran tankkausyhde on portaiden juuressa suojassa. Kuva: Seppo Pentti

Kaasupullojen sijoittelu

Pullojen kiinnittely on hankalaa etenkin traktoreihin, kun tilaa ei ole ja koneen pituus tai leveys ei saa pulloasennuksilla kasvaa. Traktorin allekaan niitä on hankala asentaa. Myöskään näkyväisyyttä ei voi rajoittaa. ”Kattoasennuksia olemme pohtineet, kun Suomessa ei voi säiliöitä ottaa esimerkiksi etunostolaitteisiin kuten Italiassa”, Heikki kertoo. ”Tämä on yksi kaasuasennusten lainsäädännöllinen puute Suomessa”, Heikki jatkaa.

”Noudatamme säännöksiä ja esimerkiksi traktorissa tehdasoptimoinnilla moottorista tuli tehoa voimanulosottoon moottoripolttoaineella 122 hv. Kun seosta priimataan kaasulla, teho kasvoi luokkaan 180 hv. Tämä kertoo kaasun potentiaalista. Tällöin on syytä rajoittaa dieselin syöttöä, jotta ”kaasupotkulla” ei rikota traktoria muuten”, Heikki toppuuttelee. Silloin tarvitaan moottoriohjelmointiosaamista. Sähköohjattuun laitteeseen voidaan trimmata voimat moottoriohjausyksikköön.

Case Marttila

Uuden kaasutraktorin hankinta ei tullut Marttilassa kyseeseen, vaikka kaasua saadaan omasta reaktorista. Uuden traktorin hinta karkaa kovin korkealle. Vanhan traktorin konvertointi sen sijaan kuulosti houkuttelevalta, kun traktori oli kuitenkin luotettava.

Vuonna 2003 valmistuneen Valtran tuntimittarissa on reilu 18 000:n lukema ja voimakoneena Sisun (AGCO Power) valmistama kuusisylinterinen moottori, joten käyttötunteja on edessä vielä runsaasti. Käytössä ovat tehdassäädöt polttoaineensyötössä. Polttoaineensyöttö ei ollut vielä sähköohjattu. Jos moottorissa on sähköpumppu, voidaan ohjelmaan ajaa kahdet säädöt.

Kaasulaitteisto on sovitettu konepellin alle ja traktorin rakenteisiin on mahdutettu viisi kaasusäiliötä, joiden tilavuus on 150 litraa, jolloin kaasukiloja on mukana 30.

Traktoria käytetään päivittäin esimerkiksi seosrehuvaunun edessä.

Traktori käynnistetään normaalisti avaimella, eikä kuljettajan tarvitse erikseen huomioida kaasukäyttöä. Kaasulaitteisto aukeaa samalla kun moottori käynnistyy ja kaasua syötetään järjestelmään moottoripolttonesteen rinnalla. Ajossa kaasusyötön huomaa nopeampana reagointina kaasupolkimen asentomuutokseen.

Kun traktori sammutetaan, kaasulaitteiston venttiilit sukeutuvat samaan aikaan. Kuljettaja ei käytännössä huomaa kaasulaitteiston olemassaoloa. Kaasumäärä näkyy kuljettajalle mittarista ohjaamossa. Jos kaasu loppuu ennen tankkaamista, se ei vaikuta traktorin toimintaan, koska polttonestejärjestelmä jatkaa kuten ennenkin. Kaasupaineen lasku kuitenkin sulkee kaasuventtiilit.

Marttilan oma kaasuasema ei ole vielä toiminnassa, tätä juttua kirjoitettaessa.

Kun esimerkiksi seosrehuvaunua rakennetaan biokaasukäyttöön, mitään vanhaa ei yleensä tarvitse purkaa. Tässä alkuperäisen polttoainesäiliön paikka vaihdettiin Viinamäen seosrehuvaunussa ylös, kun kaasusäiliö asennettiin polttoainesäiliön paikalle alas.
Kun esimerkiksi seosrehuvaunua rakennetaan biokaasukäyttöön, mitään vanhaa ei yleensä tarvitse purkaa. Tässä alkuperäisen polttoainesäiliön paikka vaihdettiin Viinamäen seosrehuvaunussa ylös, kun kaasusäiliö asennettiin polttoainesäiliön paikalle alas. Kuva: KasariMachinery
Seosrehuvaunun täyttöyhde on paikassa, jossa tehdään muutakin päivittäistä täydennystä Seosrehuvaunussa asennuksille on tilaa.
Seosrehuvaunun täyttöyhde on paikassa, jossa tehdään muutakin päivittäistä täydennystä Seosrehuvaunussa asennuksille on tilaa. Kuva: KasariMachinery
Kuljettaja näkee ohjaamosta, mikä on kaasuvaraston tila. Tällöin tankkaukset saadaan optimoitua mahdollisimman keskeytymättömään kaasukäyttöön.
Kuljettaja näkee ohjaamosta, mikä on kaasuvaraston tila. Tällöin tankkaukset saadaan optimoitua mahdollisimman keskeytymättömään kaasukäyttöön. Kuva: KasariMachinery

Case Viinamäki

Kaasukäyttöön varusteltava työkone oli tammikuussa 2021 Italiasta tilalle toimitettu, ajettava 30 m3 seosrehuvaunu. Marraskuussa 2021 siihen oltiin laittamassa kaasulaitteistoa. Polttoöljyn rinnalla käytetään polttoaineena omalla tilalla tuotettua biometaania. Kyseistä seosrehuvaunua on käytetty kuudesta kahdeksaan tuntia päivässä, joten tunteja ehtii kertyä vuodessa noin 1 500.

Farmikaasu Oy tuottaa biometaania rehusta ja Viinamäen tila Oy:n tuottamasta lannasta. Tilalle on valmistumassa kaupallinen kaasuasema, josta tankataan myös omaa kalustoa.

”Seosrehuvaunuun laitetaan mahdollisuus käyttää kaasua, koska laite on uudehko ja käyttötunteja ehtii tulla paljon, jolloin investointi maksaa itsensä takasin” Timo Viinamäki toteaa. Muihin laitteisiin kaasua ei vielä sovitella, vaikka pyöräkuormaajaan laitteet sopisivat ja tuntejakin siihen kertyy kohtalaisen paljon.

Seosrehuvaunuun asennettiin kaksi kaasusäiliötä, joissa on yhteensä reilu 300 litraa tilavuutta. Niihin sopii 50–60 kiloa kaasua.

Seosrehuvaunussa edellytettiin hieman poikkeuksellista syöttöohjausta. Kuljettajalla on ajopoljin, jolla ohjataan moottorikierroksia, joten tietoa piti saada sieltä. Toisaalta koneen omalta ahtopaineanturilta tulee myös tietoa paljonko kaasua pitää syöttää. Seosrehuvaunussa moottorin kierroksia kun ohjataan purkukouran käytöllä ja kuormantuntevalla hydrauliikalla. Molempien tieto välitetään ohjauslaitteelle, joka ohjaa kaasusyöttöä.

Järjestelmässä on kaksi kappaletta paineensäätimiä. Hätäsulku laitetaan jokaiseen kriittiseen väliin, jolloin mahdollisen haaverin sattuessa minimoidaan vahingot.

Viinamäen oma kaasuasema ei ole vielä toiminnassa lehden julkaisuhetkellä, eikä Dual-fuelia seosrehuvaunussa ole koeajettu.

Katso myös video, jossa KasariMachinery esittelee Duel-Fuel-laitteistoa:

Duel-fuel -laitteisto asennetaan diesel-laitteiston rinnalle, jolloin kaasua voidaan hyödyntää – KasariMachinery Oy esittelee, miten järjestelmä toimii