Pakokaasun jälkikäsittelyjärjestelmän terminen käyttäytyminen
Juntunen, Susanna (2023)
2023
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2023052614681
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2023052614681
Tiivistelmä
Tulossa oleva Tier 5 -lainsäädäntö tuo tullessaan tiukemmat päästörajat erityisesti NOx-päästöille, jotka uhkaavat ylittää päästörajansa jo kylmäkäynnistyksen jälkeisenä aikana. NOx-päästöjä vähentävät SCR-reaktiot tarvitsevat toimiakseen vähintään 200 °C:n lämpötilan. Opinnäytetyön tavoitteena oli selvittää termisen massan ja eristeen vaikutusta järjestelmän lämpenemiseen, tutkia lämpögradienttia SCR-kennolla, selvittää lämpöhäviöt eri rakenteille ja materiaaleille ja löytää toteutuskelpoinen ratkaisu lämpöhäviöiden minimoimiseen kylmäkäynnistyksen jälkeisenä aikana.
Termisen massan vaikutuksia lämpenemiseen tutkittiin lämpöpuhallintesteissä. Testien aikana tutkittiin eroavuuksia perinteisellä ja käänteisellä tavalla valmistettujen putkien lämpenemisessä. Perinteisellä tavalla valmistetussa putkessa sisäputkena on paksu putki. Sisäputken päällä on eristevilla ja ohut eristekuori. Käänteisellä tavalla valmistetussa putkessa eristekuori ja paksu putki vaihtavat paikkaa. Lämpöpuhallintesteissä havaittiin, että käänteinen putki lämpenee hieman nopeammin käyttölämpötilaansa massavirran ollessa 400 kg/h. Ero on kuitenkin niin pieni, että vaadittaisiin lisää testejä lämpösykleillä, jotta putki voitaisiin todeta paremmaksi. Käänteisen putken paksu ulkoputki jäähtyy hitaammin ja säteilee lämmön jäähtyessään konehuoneeseen.
Moottorilaboratoriotesteissä tutkittiin sähköisen lämmittimen vaikutusta järjestelmän kylmäkäynnistyksen jälkeisenä aikana. Sähköinen lämmitin sijoitettiin järjestelmän alkuun, DOC-kennon etupuolelle. Samoissa testeissä tutkittiin lämpögradienttia SCR-kennolla 13:n kennon sisään asennetun lämpöanturin avulla. Testituloksia vertaillessa todettiin, että käyttämällä sähköistä lämmitintä täydellä teholla heti syklin alussa saadaan SCR-kenno lämpimäksi 88 sekuntia aiemmin kuin baseline-mittauksessa. Lämmittimen päälläoloajan optimoinnista tai lämmitinkennon esihehkutuksesta ei ollut hyötyä järjestelmän lämpenemiselle. Koko SCR-kenno lämpeni puolet nopeammin sähkölämmitintä käytettäessä kuin baseline-mittauksessa. Testien jälkeen pohdittiin sähköisen lämmittimen paikoitusta järjestelmässä. Nykyisellä paikallaan osa lämpötehosta kuluu DOC- ja DPF-kennojen lämmitykseen. Jos sähköinen lämmitin sijoitettaisiin mikserin eteen, voitaisiin saada suurempi lämmitys kriittisesti lämmitystä tarvitseviin järjestelmän osiin kuten SCR-kennolle.
Testien aikana mitattuja NOx-pitoisuuksia verrattiin ennen tätä työtä testatun close-coupled SCR:n testien tuloksiin. Sähköisen lämmittimen testeissä ei päästy yhtä mataliin NOx-lukemiin. Sähköisen lämmittimen sijoittelulla ja urean ruiskutusstrategiaa muuttamalla on kuitenkin mahdollista päästä Tier 5 -lainsäädännön vaatimiin lukemiin. Sekä close-coupled SCR että sähköinen lämmitin ovat toimivia ratkaisuja päästöjen vähentämiseksi.
Termisen massan vaikutuksia lämpenemiseen tutkittiin lämpöpuhallintesteissä. Testien aikana tutkittiin eroavuuksia perinteisellä ja käänteisellä tavalla valmistettujen putkien lämpenemisessä. Perinteisellä tavalla valmistetussa putkessa sisäputkena on paksu putki. Sisäputken päällä on eristevilla ja ohut eristekuori. Käänteisellä tavalla valmistetussa putkessa eristekuori ja paksu putki vaihtavat paikkaa. Lämpöpuhallintesteissä havaittiin, että käänteinen putki lämpenee hieman nopeammin käyttölämpötilaansa massavirran ollessa 400 kg/h. Ero on kuitenkin niin pieni, että vaadittaisiin lisää testejä lämpösykleillä, jotta putki voitaisiin todeta paremmaksi. Käänteisen putken paksu ulkoputki jäähtyy hitaammin ja säteilee lämmön jäähtyessään konehuoneeseen.
Moottorilaboratoriotesteissä tutkittiin sähköisen lämmittimen vaikutusta järjestelmän kylmäkäynnistyksen jälkeisenä aikana. Sähköinen lämmitin sijoitettiin järjestelmän alkuun, DOC-kennon etupuolelle. Samoissa testeissä tutkittiin lämpögradienttia SCR-kennolla 13:n kennon sisään asennetun lämpöanturin avulla. Testituloksia vertaillessa todettiin, että käyttämällä sähköistä lämmitintä täydellä teholla heti syklin alussa saadaan SCR-kenno lämpimäksi 88 sekuntia aiemmin kuin baseline-mittauksessa. Lämmittimen päälläoloajan optimoinnista tai lämmitinkennon esihehkutuksesta ei ollut hyötyä järjestelmän lämpenemiselle. Koko SCR-kenno lämpeni puolet nopeammin sähkölämmitintä käytettäessä kuin baseline-mittauksessa. Testien jälkeen pohdittiin sähköisen lämmittimen paikoitusta järjestelmässä. Nykyisellä paikallaan osa lämpötehosta kuluu DOC- ja DPF-kennojen lämmitykseen. Jos sähköinen lämmitin sijoitettaisiin mikserin eteen, voitaisiin saada suurempi lämmitys kriittisesti lämmitystä tarvitseviin järjestelmän osiin kuten SCR-kennolle.
Testien aikana mitattuja NOx-pitoisuuksia verrattiin ennen tätä työtä testatun close-coupled SCR:n testien tuloksiin. Sähköisen lämmittimen testeissä ei päästy yhtä mataliin NOx-lukemiin. Sähköisen lämmittimen sijoittelulla ja urean ruiskutusstrategiaa muuttamalla on kuitenkin mahdollista päästä Tier 5 -lainsäädännön vaatimiin lukemiin. Sekä close-coupled SCR että sähköinen lämmitin ovat toimivia ratkaisuja päästöjen vähentämiseksi.