Moottorin esilämmityksen vaikutukset

Abstract

Tutkimuksen tarkoitus oli selvittää nykyaikaisten polttomoottorien esilämmittämisen vaikutuksia ajoneuvon energiankulutukseen ja pakokaasupäästöihin kylmissä olosuhteissa. Tehtävänä oli vertailla tarjolla olevia esilämmitintyyppejä ja niiden vaikuttavuutta. VTT:n toimeksiannosta tehty tutkimus toteutettiin kirjallisuusselvityksenä, asiantuntijahaastatteluina sekä VTT:n ajoneuvolaboratoriossa tehdyin mittauksin.

Kokeellinen osuus jaettiin kahteen vaiheeseen. Aluksi tutkittiin valittujen esilämmittimien toimintaa mittaamalla lämmitysaikaa ja lämpötiloja moottorista eri ulkolämpötiloissa. Toisessa vaiheessa valituille autoille tehtiin standardin mukaiset energiankulutus- ja päästömittaukset (lämpötiloissa 0, –7 ja –20 ˚C) sekä ilman esilämmitystä että esilämmitettynä.

Mittaustulosten perusteella nykyaikaisen polttomoottorin esilämmittäminen säästää jonkin verran polttoainetta ensimmäisen neljän ajokilometrin aikana. Vertailtaessa kylmää (–20 ˚C ja –7 ˚C) ja esilämmitettyä moottoria bensiiniä säästyi keskimäärin n. 5 %, dieseliä n. 11 % ja E85:tä n. 9 %. Yhdessäkään tämän tutkimuksen tapauksista esilämmityksen tuoma polttoaineen säästö ei kuitenkaan riittänyt kattamaan säästön synnyttämiseen tarvittavan energian kulutusta.

Mittaustulosten perusteella esilämmittämisellä on suotuisa vaikutus kylmäkäynnistystä seuraavien neljän ensimmäisen ajokilometrin aikana tapahtuviin pakokaasupäästöihin. Terveydelle erityisen haitallisena pidettyjen palamattomien hiilivetyjen (HC) päästöt alenivat määrällisesti etenkin bensiiniä ja E85:tä käyttävissä autoissa. Kylmissä lämpötiloissa (–20 ˚C ja –7 ˚C) HC-päästöt alenivat keskimäärin suhteellisesti 56 % (bensiini), 74 % (diesel), 42 % (E85) ja 57 % (hybridi). Leudommassa 0 ˚C:n lämpötilassa tehdyissä mittauksissa HC-päästöt alenivat keskimäärin 33 % (bensiini), 50 % (diesel) ja 42 % (hybridi).

Esilämmityksellä näyttää tutkimustulosten valossa olevan myös partikkelipäästöjä ensimmäisen neljän ajokilomerin aikana merkittävästi alentava vaikutus. Kylmissä lämpötiloissa (–20 ˚C ja –7˚ C) suorasuihkutteisen bensiinimoottorin PM-päästöt alenivat keskimäärin suhteellisesti 63 % ja 0˚ C:ssa noin 23 %.

The focus of this Bachelor’s thesis was to evaluate the effects of engine preheating units on the energy consumption and exhaust emissions of current type internal combustion engines in cold climate conditions. Different types of preheaters and their effects were compared. The study was commissioned by VTT and it is based on literature, expert interviews, selected previous studies and laboratory testing implemented at VTT vehicle laboratory.

During the first of two phases of laboratory testing various preheaters were used in different ambient temperatures. Engine temperatures from selected engine locations were monitored in order to determine optimal heating cycles for each type of preheater. During the second phase a series of standardised exhaust emission tests were carried out for both cold and preheated engines in three different ambient temperatures (0, –7 and –20 ˚C).

According to test results, preheating has some positive effects on fuel consumption during the first four kilometres following the start. In cold conditions (–20 ˚C and –7 ˚C) the average savings were 5% (petrol), 11% (diesel) and 9% (E85). However, in all tests the amount of energy consumed by the preheater was greater than the amount saved by using it.

Moreover, preheating has positive effects on exhaust emissions during the first four kilo-metres. Especially the reduction of harmful hydrocarbons (HC) was significant in engines that use either petrol or E85. In cold conditions (–20 ˚C and –7 ˚C) the average HC reduc-tions were 56% (petrol), 74% (diesel), 42% (E85) and 57% (hybrid). In milder conditions of 0 ˚C the average HC reductions were accordingly 33% (petrol), 50% (diesel), and 42% (hybrid).

The study also shows that preheating significantly reduces the amount of particulate matter (PM) in the exhaust emissions of current petrol engines using direct injection technology (DISI). During the first four kilometres following the start the PM reduction in cold conditions (–20 ˚C and –7 ˚C) was approximately 63%. In milder conditions of 0 ˚C the average PM reduction was about 33%.