Emissiolaboratorion energiatehokkuuden parantaminen : moottoritestisolujen päivityksen suunnittelu AC-dynamometreille ja energian talteenoton parantaminen

Abstract

Opinnäytetyön tavoitteena oli suunnitella, miten polttomoottorien päästöjen hallintaan erikoistuneessa Proventia Oy:ssä voidaan parantaa kahden moottoritestisolun energiatehokuutta. Vanhat pyörrevirtadynamometrit eivät kyenneet enää tuottamaan uusien päästölainsäädäntöjen testisyklien mukaisia valideja testaustuloksia. Työn päätavoite on uusien AC-dynamometrien valinta, sillä niiden vaikutus energiatehokkuuteen on testisolun laitteista suurin.

Työhön on koottu teoriaa moottoritestisolun energiavirtauksista sekä moottoridynamometreistä. Polttoaineen, jäähdytinnesteen, pakokaasun sekä moottorista säteilevien ja johtuvien energiavirtojen ja dynamometrien vääntökäyrien sekä kiihtyvyyksien laskemisessa käytettävät kaavat ja menetelmät esitellään. Lisäksi perustellaan lakien, standardien sekä käytännön syiden avulla, miksi testisolussa täytyy olla pieni alipaine ja moottorin imuilman lämpötilan on oltava 20–30 ˚C. Testisolun olosuhteiden määrittelyyn käytettäviä ratkaisuja ja kaavoja esitellään myös teoriaosuudessa.

Pienempään testisoluun dynamometrien komponentit valittiin aikaisemmin testattujen moottoreiden vääntökäyrien perusteella. Isompaan testisoluun valittiin komponentit niin, että sillä on tulevaisuudessa kapasiteettia testata tehokkaampiakin moottoreita. Vaihtamalla dynamometrit ilmajäähdytettyihin malleihin saatiin myös parannettua testisolun lämmöntalteenoton hyötysuhdetta. Valituilla AC-dynamometreillä saadaan työssä tehtyjen laskujen perusteella polttoaineen energiasta hyötykäyttöön 35 % enemmän energiaa vanhoihin pyörrevirtadynamometreihin verrattuna. Päästöjärjestelmien mittausdatasta sekä vuotuisesta polttoainekulutuksesta laskettujen tulosten perusteella sähkön ja lämmön ostosta muodostuvat hiilidioksidipäästöt vähenevät 31 %, kun molemmissa testisoluissa otetaan käyttöön uudet dynamometrit. Energiansäästön sekä sähkön myynnin kasvun myötä saadaan myös huomattavia rahallisia säästöjä.

Työssä saatiin käytännössä testipenkissä ajamalla kerätyn mittausdatan avulla laskettua tuloksia, joiden perusteella arvioitiin, että isompaan moottoritestisoluun riittää 60 kW:n ja pienempään moottoritestisoluun 40 kW:n jäähdytysteho. Lisäksi laskettiin, että ilmanvaihdolla 60 kW:n jäähdyttämiseen riittää 5,0 m3/s virtaus ja 40 kW:n jäähdyttämiseen riittää 3,4 m3/s virtaus. Lasketut dieselmoottorin energiavirtausten tulokset todennettiin paikkansa pitäviksi vertaamalla niitä yleisten oletusten ja vastaavien mittausten arvoihin.

Tulevaisuuden varalle pohdittiin testisolun jäähdytysratkaisuja sekä ehdotettiin käyttämättömäksi jääneiden energiavirtausten talteenoton sekä sähkön varastoinnin ja käytön optimointi-ideoita. Näitä ei kuitenkaan käsitellä opinnäytetyöraportissa tarkemmin oletettujen kustannushyötysuhteiden ja työn laajuuden vuoksi.

The purpose of this thesis was to improve energy efficiency of Proventia Oy’s two engine test cells. Old eddy current dynamometers couldn’t produce accurate test results anymore according to new emission standards. That caused the main objective of the thesis work to be selecting new dynamometers because they affect most on the test cells energy efficiency.

This thesis includes theory of test cells and combustion engines energy flows since they are important to know on energy efficiency’s perspective. The needed formulas used to select optimal dynamometers torque and acceleration charts are introduced in the theory part. Basic working principles of dynamometers related to this thesis are also explained. The laws and standards that define the tested diesel engines’ intake airs temperature are taken into consideration and test cells new cooling solutions are suggested since new dynamometers produce more heat.

As the result of the thesis new AC-dynamometers parts were ordered that can produce electricity using tested engines shaft output power. Engines coolant fluid’s heat can also be used more efficiently on heating of the house with these dynamometers. Compared to old eddy current dynamometers new dynamometers can collect 35 % more energy of the used fuels energy and carbon dioxide emissions formed by bought heating and electricity will be 31 % smaller according to calculations done in this thesis. Also, significant savings will be achieved by consuming less energy and selling more electricity to the grid.

In this thesis work is calculated test cells energy balance and turbocharged diesel engines different energy flows using in practice collected measurement data by running diesel engine in the test cell. This data is used to predict the needed air handling capacity for upcoming upgraded test cells. It was estimated that the bigger engine test cell will need 60 kW and the smaller engine test cell will need 40 kW of cooling power.