Tekniikkaa ja tietoa

Euroopan uusi työkoneiden päästötaso Stage 5, tulee voimaan kahdessa vaiheessa tästä vuodesta alkaen

Työkonemoottoreita koskeva uusi päästöluokka taso 5 tulee asteittain voimaan tämän vuoden alusta alkaen. Se tiukentaa uusia moottoreita koskevia päästövaatimuksia pienhiukkasten osalta. Nyt myös tähän saakka rajoitusten ulkopuolella olleet pienet ja isot teholuokat saavat omat päästörajat.
Arto Turpeinen
John Deere valmistaa itse suuren osan tarvitsemistaan moottoreista. JD:n vahva läsnäolo eri puolilla maailmaa on johtanut tarpeeseen valmistaa useiden eri päästövaatimusten moottoreita. EU:n Taso 5 tulee lisäämään työmäärää ja mallivalikoimaa. JD esitteli Taso 5:n tekniikkaa 2018 Intermat-messuilla Pariisissa. Kuvassa on 13,6 litran Power Tech -moottori, josta versiosta riippuen on tehoa 300–510 kW. JD suosii moottoreissaan tehokasta pakokaasun kierrätystä, jonka avulla urean kulutus on voitu painaa erittäin alhaiseksi. Tässä tapauksessa sen luvataan olevan 1–3 %.

Tämä vuosi tulee merkitsemään eurooppalaisille työkonevalmistajille suuria muutoksia. Muutokset tulevat vaikuttamaan myös koneiden ostajien ja käyttäjien elämään – tätä ei pidä unohtaa.

EU:n alueella päästörajoitusten piirissä ovat tähän saakka olleet työkonemoottorit tehovälillä 19–560 kW. Vuodesta 2014 alkaen asteittain voimaan tullut taso 4 kiristi merkittävästi päästörajoja työkonemoottoreissa, joiden teho on 56–560 kW. Taso 5 säilyttää kaasumuotoisten päästöjen rajat samalla tasolla, mutta hiukkaspäästöjen rajat kiristyvät entisestään, ja päästömääräysten piiriin tulevat kaikki moottorit 0 kW:sta alkaen.

Uusi päästötaso 5 tulee voimaan porrastetusti. Tästä vuodesta alkaen alle 56 kW ja yli 130 kW moottoreiden on täytettävä taso 5. Väliin jäävän tehoalueen moottorit saavat edelleen mennä taso 4:n vaatimusten mukaan vuoteen 2020 asti.

Tärkein muutos taso 5:ssä verrattuna aikaisempaan on pakokaasujen mukana tulevien hiukkasten määrän tiputtaminen 40 %:lla. Hiukkasmassan rajaksi on asetettu teholuokissa 19–590 kW 0,015 g/kWh. Taso 4:ssä rajoitus on ollut 0,024 g/kWh ja se on koskenut vain tehoaluetta 37–560 kW.

Hiukkasten painorajan lisäksi nyt on väliä myös hiukkasten määrälle, jotta hiukkasmassaa ei lähdettäisi pienentämään sellaisilla menetelmillä, jotka tuottavat hyvin pieniä ja samalla pienimassaisia hengityselimille vaarallisia pienhiukkasia.

Pakokaasujen pienhiukkasten rajoitus koskee kaiken kokoisia moottoreita, mutta eniten hiukkasmäärää on rajoitettu teholuokissa 19–560 kW. Käytännössä vaatimuksen täyttäminen näissä teholuokissa edellyttää moottorin varustamista pakoputkeen asennettavalla hiukkassuodattimella (Diesel Particulate Filter, DPF).

Koska kaasumuotoisten päästöjen rajoja ei keskitehoalueella muutettu, ei moottoreiden puhdistustekniikkaan tarvitse tehdä oleellisia muutoksia taso 4:ään verrattuna. Kaasumuotoisista pakokaasun aineista moottoritekniikan kannalta ongelmallisimpia ovat typen oksidit. Niitä syntyy ilmassa olevan typen reagoidessa palotilan korkeassa lämmössä hapen kanssa.

Typen oksidien poistamiseksi tarvitaan joko pakokaasujen ureapelkistystä (SCR) tai pakokaasujen kierrätystä takaisin palotilaan (EGR) tai usein näiden molempien yhdistelmää, jotta määrä saataisiin päästövaatimusten edellyttämälle tasolle.

Sama päämäärä, eri keinot

Teholuokassa 56–560 kW joutuu moottorinvalmistaja käyttämään periaatteessa kaikkia tavanomaisia pakokaasujenpuhdistuslaitteita. Siitä huolimatta erilaisia vaihtoehtoja syntyy sitä kautta, miten runsaasti jotain yksittäistä puhdistusmenetelmää on haluttu hyödyntää.

Moottorivalmistajat ovat karkeasti ottaen jakautuneet kahteen leiriin sen mukaan, painotetaanko typen oksidien vähentämisessä ureapelkistystä vaiko pakokaasujen takaisinkierrätystä.

Jälkimmäinen menetelmä laskee moottorin palamislämpötilaa ja yli-ilmakerrointa. Se vähentää ilmassa olevan typen reagoimista hapen kanssa ja muuttumista typpioksidiksi. Menetelmän varjopuolena on usein hiukkasmäärän kasvu, jota varten tarvitaan tehokkaampaa ja kalliimpaa suodatusta.

Muun muassa John Deere on tähän saakka selvinnyt pääasiassa EGR:n avulla urean käyttöä minimoiden. Tavoitteena on ilmeisesti ollut vähentää ureatankkauksesta aiheutuvaa lisävaivaa ja -kustannusta etupäässä amerikkalaisten asiakkaiden osalta. Euroopassa urealisäaine on kuitenkin edullista polttoaineeseen verrattuna.

Ureapelkistyksen painottaminen mahdollistaa moottorin rakentamisen yksinkertaisemmaksi ja siten valmistuskustannuksiltaan halvemmaksi. Toisaalta urealaitteisto on rakennettava massiivisemmaksi.

FPT, jonka moottorit liikennepuolella tunnetaan nimellä Iveco, on painottanut puhdistusmenetelmissään tehokasta ureapelkistystä, eikä valmistajan moottoreissa ole käytetty pakokaasujen takaisinkierrätystä. Samoin AGCO ja Cummins ovat turvautuneet mieluummin ureapelkistykseen niissä kokoluokissa, joissa sen käyttö on ollut välttämätöntä.

Taso 4:n tullessa voimaan annettiin konevalmistajille pitkät siirtymäajat, joiden aikana oli edelleen mahdollisuus käyttää valmiiksi tehtyjä taso 3B:n moottoreita. Nyt siirtymäajat ovat lyhyemmät ja niin sanottuja varastomoottoreita saa käyttää vain 18 kuukauden ajan.

Maanrakennuskoneet

Vitostason maarakennuskoneita ei ole vielä esitelty, mutta valmistajat ovat kuitenkin jo kertoneet moottoristrategioistaan. Ensimmäiset 5-tason mallit julkaistaneen huhtikuun Bauma-näyttelyssä. Uudelle päästötasolle hyppääminen ei kuitenkaan ole niin suuri hyppäys kuin aiemmat siirtymät.

Useat valmistajat ovat käyttäneet taktisesti esim. pyöräkuormaimissaan 55 kilowattisia voimanlähteitä, joita nelospäästötaso ei koskenut. Todennäköistä onkin, että monissa päivitetyissä malleissa moottoritehot tulevat muuttumaan – ehkä myös moottorivalmistaja.

Vain harvat konevalmistajat valmistavat itse käyttämiään moottoreita. JCB, Volvo, John Deere ja AGCO ovat sekä merkittäviä konevalmistajia että moottorivalmistajia. Liebherr ja Deutz tekevät tiivistä yhteistyötä Liebherrin käyttämien moottorien suhteen. Useimmat konevalmistajat ovat periaatteessa vapaita valitsemaan markkinoilta heille sopivimpia vaihtoehtoja.

Omat haasteensa tuo komponenttien sijoittaminen pienempien koneiden jo ennestään ahtaisiin moottoritiloihin, sillä myös näkyvyydelle ohjaamosta on omat direktiivinsä. Erilaiset kamerajärjestelmät yleistynevätkin myös pienemmissä koneissa.

Traktorit ja maatalouskoneet

Ensimmäiset tason 5 täyttävät traktorit on jo esitelty. Esimerkiksi Eima-näyttelyssä esitellyn uuden reilun 100 hevosvoiman kokoluokkaan sijoittuvan New Holland T5 Autocommand-traktorin moottori täyttää tason 5 päästövaatimukset.

Traktorivalmistajat ovat varustautuneet jo tovin aikaa. Esimerkiksi Deutz-Fahr olisi hyväksyttänyt jo vuonna 2016 esittelemänsä 6- ja 7-sarjan traktorit tason 5 päästömääräyksien mukaan, mutta hanke kaatui siihen, ettei päästörajoja ollut vielä vahvistettu.

Tasolle 4 siirryttäessä joutuivat kaikki valmistajat ottamaan urearuiskutuksen käyttöön. Aiemmin pakokaasujen takaisinkierrätystä ja hiukkassuodatinta käyttäneet valmistajat, kuten John Deere ovat siis jo tasolla 4 käyttäneet molempia järjestelmiä rinnan, minkä ansiosta tasolle 5 siirtyessä uusia merkittäviä komponentteja ei tarvitse lisätä traktoreihin.

Perinteisesti SCR-järjestelmä edellä menneet FPT:n ja Agco Powerin moottoreita käyttäneet traktorivalmistajat tuovat nyt myös hiukkassuodattimen uusiin traktorimalleihin ja moottoriperheestä riippuen myös pakokaasujen takaisinkierrätys yleistyy.

Tason 5 määräykset pystytään täyttämään jo käytössä olleella perustekniikalla, joista useimmilla valmistajilla on jo vuosien kokemus. Monimutkaisempi puhdistustekniikka vaatii kuitenkin lämpöä toimiakseen kunnolla. Satunnaisessa käytössä, kuten karjatiloilla vain lyhyitä aikoja työskentelevissä traktoreissa päästöjärjestelmien häiriöt tuskin tulevat vähentymään.

Metsäkoneet

Metsäkoneiden osalta päästömääräysten kiristykset etenivät kohtuullisen kivuttomasti aina 3B-tasolle asti. Moottoreiden ominaisuuksien säädöillä saatiin määräykset täyttymään. Mutta sitä seuranneet portaat toivat suunnittelijoille enemmän mietittävää.

Metsäkoneissa päästötasojen muutokset ovat näkyneet koneiden muotoilussa 2010 -luvun alusta asti. Silloin useampikin valmistaja joutui toteamaan, ettei vaadittavia komponentteja saada sopimaan koneisiin ilman ulkomittojen muutoksia.

Lisähaasteen globaalisti myytäville ja pienien kokonaisvalmistusmäärien metsäkoneille toivat eri alueiden päästötasojen vaatimusten eriävyydet. Valmistajat jakautuivatkin kahteen leiriin tässä tilanteessa.

Osa valmistajista uudelleensuunnitteli koneen runkorakenteen ja moottorisuojan. Näin teki esimerkiksi John Deere, jonka koneiden ulkomuodoissa tapahtui 3b-vaiheeseen siirryttäessä selvä moottorisuojan pullistuminen ylöspäin. Mutta 4-vaiheessa lisäkomponenteille tehtiin lisätilaa sijoittamalla moottorikokonaisuus alemmas rungon sisällä.

Komatsu ja Logset tekivät hieman vastaavantyyppisen perusratkaisun, pullistaen varsinaista moottorisuojaa. Samalla nämä valmistajat olivat jo varautuneet 5-tason komponenttien vaatimiin tilavarauksiin, koneiden ulkomitat eivät muutu sen astuessa voimaan.

Toinen osa valmistajista taasen jätti moottorisuojan muotoilun 3B-tason vaatimusten mukaiseksi – seuraavien tasojen tarvitsemat komponentit sijoitettiin erillisten suojien alle moottorisuojan ulkopuolelle.

Näin tekivät esimerkiksi Rottne, Ecolog ja Ponsse. Ratkaisun etuna on se, että jos kone toimitetaan vaikkapa 3B-tason vaativalle markkina-alueelle, jätetään vain ylimääräiset komponentit suojineen pois – turhan suuria konepeittoja ei silloin ole vähentämässä näkyvyyttä.

Suurin vaikutus pienissä moottoreissa

Luultavasti kaikkein suurin vaikutus uusilla päästövaatimuksilla tulee olemaan tehoalueella 19–56 kW. Näissä moottoreissa ei aikaisemmin ole tarvittu mitään erityisiä puhdistuslaitteita. Nyt niihin tulevat DPF-suodattimet ja mutkikkaat moottorinohjausjärjestelmät.

Lisääntyneen jäähdytystarpeen seurauksena tarvitaan myös kookkaammat jäähdyttäjät. Nämä yhdessä aiheuttavat moottorin tilan tarpeen kasvun ja merkittävän kustannuslisän konevalmistajalle. Odotettavissa on sekä työkoneiden tekniikkaan ja käyttöominaisuuksiin että niiden markkinoihin merkittäviä muutoksia, mikä vaikuttaa varmasti myös lopputuotteen hintaan.

Erityisenä ongelmana nousee esille vuokrakoneet. Huolimaton ureatankkaus ja monet muut laiminlyönnit konetta käytettäessä eivät välttämättä riko konetta välittömästi, mutta voivat aiheuttaa suuria kustannuksia myöhemmin. Miten vuokraaja voi suojautua näitä vastaan?

Pienemmissä koneissa ratkaisuksi on ehdotettu siirtymistä bensiinimoottoreihin. Esimerkiksi Kubota on valmistautunut bensiininmoottoreiden yleistymiseen pienissä työkoneissa esittelemällä viime Agritechnicassa vaihtoehtoiset bensiinimallit yleisimpien dieselmoottorimalliensa rinnalle.

Käyttötottumuksia joudutaan päivittämään

Käyttäjän kannalta katsottuna muutos nelostasoon verrattuna ei ole suuri. Korkean päästöluokituksen moottoreiden kanssa elettäessä tärkein asia on puhtaus. Sitä tulee noudattaa monissa arkipäivän tilanteissa ja se vaikuttaa ehkä kaikkein eniten koneen häiriöalttiuteen.

Puhtausvaatimukset alkavat polttoaineen tankkauksesta. Polttoaineastioiden on oltava ehdottoman puhtaita, mikäli ongelmilta haluaa välttyä. Onneksi suodattimet poistavat suurimman osan epäpuhtauksista, mutta tarvittaessa suodattimien vaihtoa on tihennettävä, jotta polttoaineessa oleva vesi ei aiheuttaisi haittaa.

Urean tankkaus on vielä kriittisempi tapahtuma, ja ureajärjestelmä on erittäin herkkä kaikenlaisille epäpuhtauksille. Tämä on tullut hyvin selvästi esiin jo nykyisin käytössä olevien urealaitteistojen kanssa.

Taso 5 -päästöluokassa puhtausvaatimukset eivät rajoitu polttoaineen ja urealisäaineen tankkaukseen. Näiden lisäksi puhtausvaatimus koskee myös imuilmaa.

Tämä johtuu siitä, että ilman mukana moottoriin pääsevä kivipöly kulkeutuu palamattomana moottorin läpi ja päätyy lopulta hiukkassuodattimeen. Sieltä se ei poistu normaalin regenerointipolton mukana, vaan jää kiinni keraamisiin pintoihin ja lyhentää suodattimen ikää.

Moottorin imuilmansuodatin on tässä ratkaisevassa asemassa ja siksi ilmansuodattimien tiheyttä on uusissa moottoreissa lisätty. Suodatin pitää myös vaihtaa aikaisempaa useammin. Vaihtoa ei saisi milloinkaan viivyttää, jos vaihdosta ilmoittava varoitus ilmestyy näkyviin tai vaihtoaika muuten tulee täyteen.

Polttomoottorille ei toistaiseksi löydy korvaajaa

Sekä konevalmistajat että moottorivalmistajat ovat teettäneet kasapäin laskelmia tulevaisuuden vaihtoehtoisista energialähteistä. Niiden perusteella näyttää siltä, että muutos tulee viemään pitkän ajan – vähintään 20 vuotta – eikä toistaiseksi ole olemassa toteuttamiskelpoista vaihtoehtoa polttomoottorille kaikkiin erityyppisiin työkoneisiin.

Sähkökäyttö on jo nykyisin toteuttamiskelpoinen monissa hyvin pienissä koneissa, jotka voivat hyödyntää litiumioniakkuja. Sähkövoimaa voivat hyödyntää myös kaivoskoneet, jotka pystyvät ottamaan sähköenergian johdon välityksellä silloin, kun työ ei edellytä liikkumista paikasta toiseen. Tilanne on aivan toinen maa- ja metsätaloudessa, jossa pelloilla tai metsissä työskentelevien koneiden liikematkat ovat pitkiä, työ vaatii suuria energiamääriä ja koneen painoa ei voi merkittävästi kasvattaa vahingoittamatta maan rakennetta. n

Volvo Pentan uudessa D8 Stage V -moottorisarjassa käytetään lähes kaikkia pakokaasujen haitallisia aineita vähentäviä tekniikoita. Moottorissa on yhteispaineruiskutus, muuttuvan geometrian ahdin, pakokaasujen takaisinkierrätys, sähköisellä pakopuolen paineensäädöllä (EPG) toteutettu kaasunvaihdon kuristusjärjestelmä, hapetuskatalysaattori, hiukkassuodatin, urean ruiskutuslaitteisto, pelkistyskatalysaattori ja ammoniakin neutralointikatalysaattori. Kaasunvaihdon kuristus mahdollistaa tehokkaan lämmöntuoton hallitsemisen eikä moottorissa tarvita polttoaineen suihkutusta pakokanavaan riittävän jälkikäsittelylämmön saavuttamiseksi. Regenerointi tapahtuu passiivisesti normaalin käytön aikana.

Kuvat: Jussi Laukkanen, Arto Turpeinen, Valmistajat, grafiikka: Katja Kohtala, Jukka-Pekka Lindbäck

Lue lisää