POLTTOAINEEN LAADUN VAIKUTUSPOLTTOAINEEN KULUTUKSEENRASKAASSA DIESELMOOTTORISSA

PROJEKTIRAPORTTI PRO3/P5115/04 04.02.2004

VTT PROSESSIT

POLTTOAINEEN LAADUN VAIKUTUS POLTTOAINEEN KULUTUKSEEN

RASKAASSA DIESELMOOTTORISSA

Kirjoittajat

Julkisuus: ^Julkinen

Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen (VTT) nimen käyttäminen mainonnassa tai tämän selostuksen osittainen julkaiseminen on sallittu vain Valtion teknilliseltä tutkimuskeskukselta saadun kirjallisen luvan perusteella

Projektin vastuuhenkilö Tilaajan yhdyshenkilö

Nils-Olof Nylund

Projektin asiakirjanumero (VTT) Tilaajan tilaus- tai viitenumero

PRO3/P5115/04

Hankkeen nimi, lyhytnimi ja suoritetunnus Raportin numero ja sivumäärä Päiväys 31HDEVOITELU / C3SU00545

PRO3/P5115/04 7. + liitt. 2 s.

4.2.2004

Projektiraportin nimi ja kirjoittajat

POLTTOAINEEN LAADUN VAIKUTUS POLTTOAINEEN KULUTUKSEEN RASKAASSA DIESELMOOTTORISSA

Timo Murtonen

Tiivistelmä

Polttoaineenkulutusmittaukset ovat osa VTT Prosesseissa läpivietävää projektia ”Raskaan kaluston energiankäytön tehostaminen ajoneuvo- ja käyttöteknisin ratkaisuin”. Mittauksissa tutkittiin Fortumin eri dieselpolttoainelaatujen vaikutusta polttoaineenkulutukseen. Mukana tutkimuksessa oli neljä eri vuodenajoille tarkoitettua polttoainetta, joiden samepiste ja suodatettavuus vaihtelivat. Mittaukset suoritettiin VTT:n moottorilaboratoriossa moottoridynamometriin asennetulla Volvon linja-automoottorilla marraskuussa 2003. Tulokset osoittavat, että eri vuodenajoille tarkoitetuilla polttoainelaaduilla on vaikutusta polttoaineenkulutukseen.

Jakelu: Julkisuus

HDEnergia

Neste Markkinointi Oy: Kari Jaanila, Aapo Niemi Fortum Oil & Gas Oy: Markku Honkanen

Julkinen

Projektin vastuuhenkilö Tarkastus- ja hyväksymisallekirjoitukset

Nils-Olof Nylund Matti Kytö

SISÄLLYSLUETTELO

JOHDANTO...1

1 KOEMOOTTORI JA MITTALAITTEET...1

2 MITTAUSMENETELMÄ JA POLTTOAINEET ...3

3 TULOKSET...3

4 JOHTOPÄÄTÖKSET ...7

JOHDANTO

Polttoaineenkulutusmittaukset ovat osa VTT Prosesseissa läpivietävää projektia

”Raskaan kaluston energiankäytön tehostaminen ajoneuvo- ja käyttöteknisin ratkaisuin”. Mittauksissa tutkittiin Fortumin eri dieselpolttoainelaatujen vaikutusta polttoaineenkulutukseen. Mukana tutkimuksessa oli neljä eri vuodenajoille tarkoitettua polttoainetta, joiden samepiste ja suodatettavuus vaihtelivat. Mittaukset suoritettiin VTT:n moottorilaboratoriossa moottoridynamometriin asennetulla Volvon linja- automoottorilla marraskuussa 2003.

1 KOEMOOTTORI JA MITTALAITTEET

Moottorina mittauksissa käytettiin Volvon DH10A 285 moottoria, joka on tarkoitettu linja-autokäyttöön. Moottorin tärkeimmät tekniset tiedot on esitetty taulukossa 1.

Taulukko 1. Koemoottorin tekniset tiedot.

{PRIVATE }Valmistaja ja malli VOLVO DH10A-285

Sylintereiden lukumäärä ja sijoittelu 6, rivimoottori

Iskutilavuus 9.6 dm³

Ruiskutuspumppu sähköisesti ohjattu mekaaninen rivipumppu

Suurin teho 210 kW / 2000 1/min

Suurin vääntömomentti 1200 Nm / 1450 1/min

Puristussuhde 20:1

Muuta suoraruiskutus, turboahdettu ja välijäähdytetty

Päästötaso Euro 2

Päämittalaitteet on esitelty taulukossa 2. Dynamometrinä käytettiin Zöllnerin valmistamaa hydraulista dynamometria, jota ohjattiin AVL:n “Puma Test Assistant”

järjestelmällä. Samaa järjestelmää käytettiin myös moottorin ohjaamiseen. Kaasumaiset pakokaasupäästöt mitattiin laimentamattomasta pakokaasusta BOO Instrument AB:n analysaattorijärjestelmällä, jonka sisältämät analysaattorit on esitelty Taulukossa 3.

2 (7)

vaa’an täyttölinja polttoainelinja

moottorille moottori

jäähdytin + termostaatti

Polttoainevaaka (polttoaineen lämpötila + 30 ^oC paluulinja

Polttoainesäiliö lämmitin +

termostaatti

Taulukko 2. Mittauksissa käytetyt päämittalaitteet.

{PRIVATE }Mittalaite Valmistaja / malli Huom.

moottoridynamometri Zöllner PS1-2911 hydraulinen, teho 660 kW

ohjaus ja tiedonkeruu AVL Puma Test Assistant 5 kaasumaiset päästöt BOO Instrument

polttoaineenkulutus AVL 733S Fuel Balance

Taulukko 3. BOO analysaattorijärjestelmän analysaattorit

Komponentti Valmistaja Malli Toimintaperiaate

CO Maihak Unor 610 NDIR

CO2 Maihak Unor 610 ^NDIR

NOx Ecophysics 700 ELHT HCLD

HC J.U.M. Engineering JUM109A HFID

Polttoaineenkulutus mitattiin AVL:n 733S polttoainevaa’alla. Polttoaineenlämpötila stabiloitiin järjestelmässä käyttämällä lämmönvaihtimia polttoaineen lämmittämiseen ja jäähdyttämiseen. Tällä estettiin polttoaineen lämpötilan vaihtelun vaikutus mittaustuloksiin. Kuvassa 1 on esitetty polttoainejärjestelmän kaaviokuva.

Kuva 1. Polttoainejärjestelmän kaaviokuva.

2 MITTAUSMENETELMÄ JA POLTTOAINEET

Polttoaineenkulutusta mitattiin neljässä eri kuormituspisteessä. Pyörintänopeus kaikissa pisteissä oli 1550 1/min ja moottorin kuormitusasteet olivat 90, 70, 50 ja 25 % (Taulukko 4). Näiden kuormituspisteiden lisäksi mitattiin jokaisella polttoaineella moottorin rajamomenttikäyrä.

Taulukko 4. Mittauspisteet.

Mittauspiste Pyörintänopeus, 1/min Momentti, Nm Teho, kW

1 1550 1047 170

2 1550 786 128

3 1550 524 85

4 1550 262 43

Ennen mittausten aloittamista moottorin lämmityskäyttö ja stabilointi suoritettiin määrätyllä tavalla. Jokaisessa kuormituspisteessä suoritettiin vähintään kuusi mittausta tulosten luotettavuuden varmistamiseksi. Yksittäisen mittauksen pituus vaihteli välillä 155 – 240 sekuntia moottorin kuormitusasteesta riippuen. Puma –järjestelmään tallennettiin kunkin mittauksen keskiarvotulos.

Taulukossa 5 on esitetty mitattujen polttoaineiden pääominaisuudet.

Taulukko 5. Polttoaineiden pääominaisuudet

Polttoaine DIC -29/-34 DIC -15/-25 DIC -5/-15 DIC 0/-10 Kalorimetrinen lämpöarvo (MJ/kg) 45.5 46.3 46.2 46.2 Tehollinen lämpöarvo (MJ/kg) 42.5 43.4 43.3 43.3 Kalorimetrinen lämpöarvo (MJ/l) 37.6 38.4 38.5 38.8

Tehollinen lämpöarvo (MJ/l) 35.1 35.9 36.1 36.3

Samepiste (^oC) -30 -15 -12 0

Tiheys (kg/m3) 827.0 829.1 834.2 839.4

Kinemaattinen viskositeetti +40 ^oC 2.114 2.45 2.843 3.704

3 TULOKSET

Kuvassa 2 on esitetty polttoaineilla mitatut tehokuvaajat. DIC 0/-10 laadulla saavutettiin noin 5 % korkeampi teho läpi pyörintänopeusalueen verrattuna laatuun DIC –29/-34.

Liitteestä 1 löytyvät tarkat momentti- ja teholukemat kullekin polttoaineelle.

4 (7)

Mitattu teho eri polttoainelaaduilla

140 150 160 170 180 190 200 210 220

1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 pyörintänopeus, 1/min

teho, kW

DIC -29/-34 DIC -15/-25 DIC -5/-15 DIC 0/-10

Kuva 2. Eri polttoaineilla mitattu moottoriteho.

Polttoaineenkulutusta tarkasteltaessa on yhden pisteen mittaustuloksista jätetty suurin ja pienin tai muutoin selvästi poikkeavat arvot pois siten, että jokaisesta pisteessä tarkastelun kohteeksi on jäänyt neljä mittaustulosta. Näistä neljästä lukemasta on laskettu keskiarvo ja keskihajonta. Keskihajonta yhdessä kuormituspisteessä mitatuilla kulutusarvoilla oli suurimmillaan 0,9 prosenttia ja pienimmillään 0,1 prosenttia.

Tarkasteltaessa polttoaineen keskimääräistä (neljän mittauspisteen keskiarvo) ominaiskulutusta (g/kWh) on ero polttoaineiden välillä suurimmillaan noin 2 % (Kuva 3). Polttoaineella DIC-15/-25 mitattu muutos kulutuksessa (verrattuna polttoaineeseen DIC –29/34) on lähellä mittaustarkkuuden rajoja. Muutoksen ominaiskulutuksessa voi aiheuttaa polttoaineiden erisuuruiset viskositeetit sekä lämpöarvot. Viskositeetin kasvaessa on mahdollista, että dynaamiseen ruiskutusennakko muuttuu aikaisemmaksi.

Ennakon muuttuessa aikaisemmaksi polttoaineenkulutus pienenee ja NOx päästöt kasvavat. Mittausten aikana saadut NO_x tulokset viittaisivat, että polttoaineen viskositeetti on vaikuttanut dynaamiseen ennakkoon. Muutokset NOx arvoissa olivat vähäisiä mutta kuitenkin selkeästi havaittavissa etenkin suurilla kuormitusasteilla.

Jos tarkasteltavaksi yksiköksi valitaan litraa/tunti on suurin ero polttoaineiden välillä noin 3,5 % (Kuva 4). Testatuilla polttoaineilla tiheys aleni samepisteen ja suodatettavuus lämpötilan laskiessa (Taulukko 5).

Polttoainelaadun vaikutus polttoaineenkulutukseen (g/kWh), vertailupolttoaineena DIC -29/-34

-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0

DIC -15/-25 DIC -5/-15 DIC 0/-10

Vaikutus kulutukseen, %

Kuva 3. Polttoainelaadun vaikutus polttoaineen ominaiskulutukseen (g/kWh).

Polttoainelaadun vaikutus polttoaineenkulutukseen (l/h), vertailupolttoaineena DIC -29/-34

-4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0

DIC -15/-25 DIC -5/-15 DIC 0/-10

Vaikutus kulutukseen, %

Kuva 4. Polttoainelaadun vaikutus polttoaineenkulutukseen, vertailuyksikkönä l/h.

Kuvassa 5 on esitetty polttoaineen ominaiskulutuksen ja CO2 päästön välinen korrelaatio. Ainoa piste, joka poikkeaa merkittävästi korrelaatiosuoralta on mittauspisteen 3 DIC –29/-34 polttoaineella saavutettu tulos. Jos tarkastellaan polttoaineenkulutusta jokaisessa mittauspisteessä erikseen, voidaan huomata, että pisteessä 3 on polttoaineella DIC –29/-34 saavutettu tulos suhteessa muihin polttoaineisiin huonompi kuin muissa mittauspisteissä (Kuva 6). Mittausolosuhteet olivat kaikilla polttoaineilla samat, joten muutos olosuhteissa ei selitä hieman poikkeavaa tulosta. Yksittäisissä kuormituspisteissä erot polttoaineiden välillä vaihtelivat 0,8…5,3 prosenttiin. Piste- ja polttoainekohtaiset arvot löytyvät liitteestä 2.

6 (7)

Korrelaatio polttoaineenominaiskulutksenkulutuksen ja CO2 emission välillä

600 650 700 750 800 850 900

210 220 230 240 250 260 270 280 290 300

polttoaineenkulutus, g/kWh

CO2 emissio, g/kWh

piste 4

piste 3

pisteet 1 ja 2 ympyrä = DIC 0/-10

neliö = DIC -5/-15 kolmio = DIC -15/-25 nelikulmio = DIC -29/-34

Kuva 5. Polttoaineenominaiskulutuksen ja CO2 emission välinen korrelaatio.

Kuva 6. Muutos polttoaineenkulutuksessa eri mittauspisteissä, vertailupolttoaineena DIC –29/-34.

Moottorin kuormitus aste 90 % pyörintänopeudella 1550 1/min, kulutus litraa/h

-3.5 -0.9

-2.4

-4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0

DIC -29/-34 DIC -15/-25 DIC -5/-15

Moottorin kuormitus aste 70 % pyörintänopeudella 1550 1/min, kulutus litraa/h

-3.0 -1.7

-0.9

-4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0

DIC -29/-34 DIC -15/-25 DIC -5/-15

Moottorin kuormitus aste 50 % pyörintänopeudella 1550 1/min, kulutus litraa/h

-5.3 -3.0

-5.1 -6.0

-5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0

DIC -29/-34 DIC -15/-25 DIC -5/-15

Moottorin kuormitus aste 25 % pyörintänopeudella 1550 1/min, kulutus litraa/h

-3.8 -2.5

-0.8

-4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0

DIC -29/-34 DIC -15/-25 DIC -5/-15

4 JOHTOPÄÄTÖKSET

Mittaustulosten perusteella voi sanoa, että eri vuoden aikojen polttoainelaadut vaikuttavat myös polttoaineenkulutukseen. Jos kulutusta tarkastellaan yksikössä litraa/tunti vaikuttaa tuloksiin osittain polttoaineiden tiheyserot; moottorin käydessä tietyllä teholla se tarvitsee tilavuudeltaan suuremman määrän tiheydeltään pienempää polttoainetta kuin polttoainetta, jonka tiheys on suurempi. Näissä mittauksissa havaitut erot kulutuksessa aiheutuvat tosin myös muista tekijöistä (esim. polttoaineen viskositeetti ja lämpöarvo), koska myös tarkasteltaessa polttoaineen ominaiskulutusta (g/kWh) eroja polttoaineiden välillä tuli näkyviin.

Polttoainelaadulla oli vaikutusta myös moottorista saatavaan maksimitehoon. Muutos tehossa selittyy pääasiassa sillä, että polttoaineiden tiheys oli erilainen.

Ruiskutuspumppu syöttää moottorille maksimissaan tietyn tilavuuden polttoainetta mutta tehon kannalta ratkaisevaa on moottorille menevän polttoaineen massa. Jos moottorille syötetään sama tilavuus kahta eri tiheyksistä polttoainetta niin suuremman tiheyden omaavalla polttoaineella saadaan moottorista suurempi teho (edellyttäen, että polttoaineiden lämpöarvot yksikössä MJ/kg eivät poikkea suuresti toisistaan) .

Näiden tulosten suora vertaaminen käytännön ajotilanteisiin on hankalaa, sillä pelkästään muutokset ympäröivissä olosuhteissa vaikuttavat polttoaineenkulutukseen.

Laboratoriossa olosuhteet pystytään pitämään vakiona ja siten vertailu eri polttoaineilla saatujen tulosten välillä on mahdollista. Kuitenkin voi sanoa, että on suositeltavaa valita oikea polttoaine oikeisiin olosuhteisiin, jos haluaa päästä mahdollisimman alhaiseen polttoaineenkulutukseen.

LIITE 1, Moottorin teho ja momentti ero polttoaineilla.

polttoaine DIC -29/-34 polttoaine DIC -5/-15 Pyörintänopeus Momentti Teho Pyörintänopeus Momentti Teho

1/min Nm kW 1/min Nm kW

2003 980 205 2003 1009 212

1903 1020 203 1903 1051 209

1802 1041 196 1803 1073 203

1702 1076 192 1703 1108 198

1602 1106 185 1603 1135 191

1554 1113 181 1551 1145 186

1502 1124 177 1502 1161 183

1402 1166 171 1402 1199 176

1302 1154 157 1303 1183 161

1201 1148 144 1201 1182 149

polttoaine DIC -15/-25 polttoaine DIC 0/-10 Pyörintänopeus Momentti Teho Pyörintänopeus Momentti Teho

1/min Nm kW 1/min Nm kW

2000 996 209 2005 1028 216

1901 1034 206 1905 1067 213

1807 1061 201 1805 1095 207

1705 1091 195 1703 1128 201

1605 1120 188 1602 1157 194

1556 1132 185 1553 1167 190

1504 1142 180 1502 1184 186

1404 1182 174 1402 1221 179

1304 1171 160 1301 1209 165

1204 1167 147 1203 1209 152

Keskimääräinen tehon alenema verrattuna DIC 0/-10 polttoaineeseen

polttoaine muutos, % DIC -29/-34 -4.8 DIC -15/-25 -3.1 DIC -5/-15 -2.0

piste 1 (90 %) 216.5 216.0 213.6 212.6

piste 2 (70 %) 217.8 217.2 216.3 215.0

piste 3 (50 %) 236.7 230.9 226.9 228.3

piste 4 (25 %) 287.6 287.7 283.5 282.4

ero verrattuna DIC -29/-34 polttoaineeseen

piste 1 (90 %) 0.0 -0.3 -1.4 -1.8

piste 2 (70 %) 0.0 -0.3 -0.7 -1.3

piste 3 (50 %) 0.0 -2.4 -4.1 -3.5

piste 4 (25 %) 0.0 0.0 -1.4 -1.8

keskiarvo 240 238 235 235

ero verrattuna DIC -29/-34 0.0 -0.7 -1.9 -2.1

kulutus, l/h

polttoaine DIC -29/-34 DIC -15/-25 DIC -5/-15 DIC 0/-10

piste 1 (90 %) 44.7 44.3 43.6 43.1

piste 2 (70 %) 33.8 33.5 33.2 32.7

piste 3 (50 %) 24.5 23.7 23.2 23.2

piste 4 (25 %) 14.9 14.8 14.5 14.3

ero verrattuna DIC -29/-34 polttoaineeseen

piste 1 (90 %) 0.0 -0.9 -2.4 -3.5

piste 2 (70 %) 0.0 -0.9 -1.7 -3.0

piste 3 (50 %) 0.0 -3.0 -5.1 -5.3

piste 4 (25 %) 0.0 -0.8 -2.5 -3.8

keskiarvo 29.5 29.1 28.6 28.3

ero verrattuna DIC -29/-34 0.0 -1.4 -2.9 -3.9