VIT TIEDOTTEITA – MEDDELANDEN – RESEARCH NOTES 1813

Lean-burn-kaasumoottoreidenpaastojen minimointivoimantuotanno ssa

Tom Eklund, Matti Kyto & Nils-Olof Nylund

VTT Energia

VALTION TEKNILLINEN TUTKIMUSKESKUSESPOO 1997

ISBN 951–38-5088–9ISSN 1235-0605Copyright @ Valtion teknillinen tutkimuskeskus (VTT) 1997

JULKAISIJA - UTGIVARE - PUBLISHER

Valtion teknillinen tutkimuskeskus (VTT), Vuorimiehentie 5, PL 2000,02044 VITpub. vaihde (09) 4561, faksi (09) 4564374

Statens tekniska forskningscentral (VTI’), Bergsmansvagen 5, PB 2000,02044 VTTtel. vtiel (09) 4561, fax (09) 4564374

Technical Research Centre of Finland (vT’I’), Vuorirniehentie 5, P.O.Box 2000, FIN-02044 VIT, Finlandphone intemat. + 35894561, fax+ 35894564374

VT’TEnergia, Energian kaytto, Biologinkuja 3-5, PL 1601,02044 VTTpub. vaihde (09) 4561, faksi (09) 460493

VTI’ Energi, Energiandviinding, Biologgrtinden 3-5, PB 1601,02044 VTTtel. viixel (09) 4561, fax (09) 460493

V’IT Energy, Energy Use, Biologinkuja 3–5, P.O.Box 1601, FIBM2044 VTI’, Finlandphone intemat. + 35894561, fax+ 3589460493

Tekninen toimitus Leena Ukskoski

V’IT OFFSETPAINO, ESPOO 1997

Eklund, Tom, Kyto, Matti & Nylund, Nils-Olof. Lean-burn-kaasumoottoreidenpiiiistojenmini-mointi voimantuotannossa [Minimisation of emissions from lean-bum gas engines in powerproduction].Espoo 1997. Valtion teknillinen tutkimuskeskus, V’lT Tiedotteita - Meddelanden –Research Notes 1813. 49s. + Iiitt. 9 s.

UDK 621.433 :628:681.5Avainsanat gas engines, emissions, control systems, detectors, reduction, oxygen, exhaust

gases, nitrogen oxides, energy production, environmental protection

TIIVISTELMA

Tavoitteena oli kehitta~ takaisinkytketty seoksensZiiitojiirjestelma yhdistetyn lam-mon- ja siihkontuotantolaitoksen (CGP) laihaseoskaasumoottoria varten. Tyossakaytettiin Sisu Dieselin valmistamaa ja Valtion teknillisessa tutkimuskeskuksessalaihaseoskayttoiseksi kehitettya, 7,4-litraista, kipinasytytteista, avoimella palo-tilalla varustettua Valmet 634 GA -kaasumoottoria.

Seossuhteen takaisinkytkentasignaaliksi valittiin kaupallinen, pakoputkeen asen-nettava, nopea, pakokaasujen happipitoisuutta lineaarisesti mittaava artturi. Koe-ajot osoittivat, etta takaisinkytkentaiin valittu Iaihaseosanturi sovehuu laihaseos-kaasumoottorin seoksensaatoohj aukseen.

Kehitetty seoksens&itojtijestelman ohjaus perustuu ohjelmoitaviin EPROM-muistipiireihin, joihin voidaan ohjelmoida erityyppisia saatostrategioita. Seoksen-saadon lisiiksi jiirjestelmiMn voidaan integroida vakiopyotintanopeusstitimen jasytytysennakon saadon ohjaukset.

Pienet pakokaasupaiistot, etenkin typenoksidipaWot, ovat seoksensaatoohjatunlaihaseoskaasumoottorin tiirkein tavoite. Laihaseostekniikka viihentaa myos hiili-monoksidipi.iiis toja,mutts hiilivetypa~tot (metaani) jopa kasvavat siirryttaessatypenoksidip&istojen kannalta riittavan laihaan seokseen. TWa syysta tutkittiinmyos erityisesti maakaasulle kehitettyjen hapettavien Iaihaseoskatalysaattorienvaikutusta pakokaasupaiistoihin. Mitatut katalysaattorit poistivat pakokaasuistaEihes taydellisesti hiilivedyn ja hiilimonoksidin, mutts typenoksidipa~tot pysyivatodotetusti ennallaan.

Tutkimuksen tavoitteet saavutettiin paaosin. Jtijestelman toimivuutta pitkiiaikais-kaytossa ei voitu varmistaa tyossa. Muita taman mitan kokonaisenergialaitoksiinja takaisinkytkentaan soveltuvia antureita ei toistaiseksi ole saatavissa. Kirjalli-suuden mukaan Japanissa on kehitteilla nopea typenoksideja mittaava anturi.

3

Eklund, Tom, Kyto, Matti & Nylund, Nils-Olof. Lean-burn-kaasumoottoreiden paastojen mini-mointi voimantuotannossa [Minimisation of emissions from lean-bum gas engines in powerproduction]. Espoo 1997. Technical Research Centre of Finland, VTT Tiedotteita – Meddelanden- Research Notes 1813. 49p. + app. 9 p.

UDC 621.433 :628:681.5Keywords gas engines, emissions, control systems, detectors, reduction, oxygen, exhaust

gases, nitrogen oxides, energy production, environmental protection

ABSTRACT

The aim was to develop a closed-loop mixture-control system for a lean-burn gasengine of a combined heat and power generating plant (CHP). A Valmet 634 GA7,4-litre spark-ignition gas engine with an open combustion chamber, manufactu-red by Sisu Diesel, was used as the test engine. It was changed lean-bum at theTechnical Research Centre of Finland.

A commercial sensor was chosen for the feed-back signal of the mixture ratio. Thesensor was installed in the exhaust pipe, it was fast, and measured the oxygencontent of exhaust gases linearly. The test runs indicated, that the lean-bum sensorchosen is well suitable for controlling the mixture regulation of the lean-bum gasengine.

The control system developed for mixture regulation is based on programmableEPROM memory circuits, in which different types of regulation strategies can beprogrammed. In addition to mixture regulation, controllers for engine speed andignition advance can be integrated to the system.

The most crucial aims in the use of the mixture-controlled lean-bum gas engineare small exhaust emissions, in particular, nitrogen oxide emissions. Lean-bumtechnology also reduces carbon monoxide emissions, while hydrocarbon emis-sions (methane) may even increase when using a mixture that is optimal with re-gard to nitrogen oxide emissions. For this reason, the effect of oxidizing lean-bumcatalytic converters developed especially for natural gas on exhaust emissions wasstudied. The catalytic converters measured removed the hydrocarbons and carbonmonoxide nearly completely, while the nitrogen oxide emissions remained un-changed, as expected.

The objectives of the study were mainly achieved. However, it was not possible toverify the operability of the system in the long-term use by this work. There are noother sensors suitable for total energy power plants of this size class and for feed-back systems as yet. According to literature references a fast nitrogen-oxidesmeasuring sensor is under development in Japan.

4

ALKUSANAT

Tyo oli osa Teknologian kehitt&niskeskuksen (TEKESin) rahoittamaa energia- jaympliristoteknologian tutkimusohjelmaa SIHTI 2 ja se toteutettiin VTT EnergianMoottoritekniikan tutkimusryhmiissa vuosina 1994-1995.

Tutkimuksen tavoitteena oli kehitttili takaisinkytketty seoksens&itojiirjestelmaCHP-laitoksen laihaseos-kaasumoottoria varten. Tyossa kaytettiin Sisu Dieselinvalmistamaa, VTT Energiassa laihaseoskayttdiseksi kehitettya Valmet 634 GA-kaasumoottoria. Tavoitteet saavutettiin piitiosin, mutts j~jestelmiin toimivuuttapitk~ikaiskaytossa ei tyossa voitu varmistaa.

Tyon valvojina olivat dipl.ins. Kari Saviharju VTT Energiasta ja dipl.ins. RaijaPikku-Pyhalto TEKESista. Tutkimuksen vastuunalaisena johtajana toimi tekn. triNils-Olof Nylund ja muina tutkijoina dipl.ins. Matti Kyto ja dipl.ins. Tom Eklund,kaikki VTT Energiasta. Erikoislaboratoriomestari Pekka Martelius Teknillisenkorkeakoulun (TKK) autolaboratoriosta vastasi sWojZirjestelmiin suunnittelusta jaohjelmoinnista.

Espoo, joulukuu 1996

Tekijat

SIS~LYSLUETTELO

TIIVISTELMA

ABSTRACT

ALKUSANAT

1 JOHDANTO

2 TAVOITTEET JA TOTEUTUS

3 KIRJALLISUUSKATSAUS3.1 Yleistii3.2 Maakaasun (metaanin) polttoaineominaisuuksia3.3 Laihaseosmoottorin toimintaperiaate ja -edellytykset

3.3.1 Yleista3.3.2 Seossuhde3.3.3 Palotila3.3.4 Kerrospoltto3.3.5 Sytytysennakko ja imuilman Eimpotila3.3.6 W-itojiirjestelma

3.4 Esimerkkeja laihaseosmoottoreista3.4.1 Cumminsin L1 O-240G- ja B5.9G-maakaasurnootiorit3.4.2 JARI-laihaseosmoottori3.4.3 Nissanin maakaasumoottori3.4.4 TNO-kaasumoottori

4 MOOTTORIASENNUS4.1 Koej&jestely

4.1.1 Moottori4.1.2 SytytysjZirjestelma4.1.2 Kaasunsyottojtirjestelma4.1.4 Takaisinkytketty seoksensliiitojiirjestelmii4.1.5 Mittausj&jestely

4.2 Alustavat koeajot4.2.1 Peruss&idot ja suoritusamot4.2.2 Koeajomatriisi

5 MITTAUKSET5.1 Laihaseosanturi5.2 Pakokaasut

5.2.1 Typen oksidit5.2.2 Happi5.2.3 Hiilidioksidi5.2.4 Hiilimonoksidi5.2.5 Hiilivedyt

5.3 Polttoaineenkulutus ja hyotysuhde

3

4

5

9

10

111111131313151517202324242526

28282829292930313131

333333343636373738

6 S~TOJARJESTELMAN OHJELMOINTI6.1 Ohjaavat suureet

6.1.1 Pyorintti.nopeus6.1.2 Kuormitus6.1.3 Seossuhde

6.2 Witostrategiat6.3 Koeajot valitulla si%itoohjelmalla

6.3.1 Si-iZitoohjelma6.3.2 Mittaukset

6.4 VakionopeussMtimen integrointi

7 KOEAJOT LAIHASEOSKATALYSAATTOHLLA

8 YHTEENVETO

LAHDELUETTELO

40404040404041414244

46

45

48

LIITTEET 1-6

1 JOHDANTO

Maakaasukayttoisilla yhdistetyilla kimmon- ja stihkontuotantolaitoksilla (CHP-laitoksilla) lienee tulevaisuudessa ttirkea asema hajautetussa M.hlcontuotannossakokoluokassa 0,1-10 MWC. Pelkiilla maakaasulla toimivilla rnoottoreilla on mah-dollista saavuttaa Ri.hessama stihldntuotarmon hyotysuhde kuin dieselmoottoreillamerkitivasti pienemmilla piitistoilla. Maakaasu on erittiiin hyva ottomoottoripolt-toaine. Oktaa.rduku on korkq maakaasumoottorista ei tie M.lcy#i savutusta tairikkidioksidip%stojl$ partikkeliptiiistot ovat hyvin pienia ja pakokaasujen HC-, CO-ja NOX-p&istot voidaan pitXi pienina katalysaattori- tai laihaseostekniikalla.

Moottoreissa kaytettlivat palamisjiirjestelmiit ovat neljiiti eri tyyppia riippuen ko-koluokasta ja kayttotarkoituksesta. Ajoneuvomoottoreissa ja pienehkoissa aggre-gaateissa kaytetlidn yleisesti stoikiometristi seosta ja kolmitoimikatalysaattoria.Raskaissa ajoneuvomoottoreissa ja aggregaateissa (sylinterihalkaisija alle 200 mm)kaytetiitin myos laihaseostekniikkaa avoimella palotilalla. Halkaisijaltaan suu-remmissa (150 - 300 mm) moottoreissa tulee usein kysymykseen esikammio jalean-burn-tekniikka. Tata suuremmissa moottoreissa voidaan soveltaa myos kallis-ta ja monimutkaista korkeapainekaasutekniikkaa dieselsytytysruiskutuksella.

Erittliin matalaan piiiistotasoon piiZistMn stoikiometrisella seossuhteella, takaisin-kytketylla polttoainejWjestelmWa ja kolmitoimikatalysaattorilla. Rajoituksena onmatala tehollinen keskipaine (Eirnpokuonmhxdmtus) ja dieselia seka muita pala-misjtijestelmia alempi hyotysuhde. Lisiiksi pakokaasupiiiistti jen pienuus on vah-vasti sidoksissa seoksensi%itojiir jesteldn toimivuuteen.

Laihaseosmoottorin etuja ovat pieni kimpokuorma ja optimaalisesti toimivissaversioissa korkea terminen hyotysuhde. Osakuormilla hyotysuhteen nostoon onkiinnitettiiva huomiota. Ahtaminen on yleensa vtilWatont& jotta moottoristasaatava teho pysyisi riittWZi.n korkeana. Kriittinen NOX-pWsto voidaan laskeamatakdle tasolle laihentamalla seosta riittiiviisti, mutts rajoittavana tekijtia onmoottorin stabiilisuus: vaihtelut seoksen syttymisessii ja palamisessa ovat sallittujavain viikiisessa mtiiirin. Laihaseostekniikalla toimiviin maakaasumoottoreihinpanostetaan nykyisin voimakkaasti eri puolilla maailmaa.

Laihaseosmoottoreissa ei toistaiseksi ole enemmalti kaytetty takaisinkytkettyaseoksens&=itoa riittaviin matalan piiiistotason j a tasaisen toiminnan varmistami-seksi. Ttissa tutkimuksessa perehdytWin tarkemmin avoimella palotilalla varuste-tun laihaseosmoottorin takaisinkytketyn seoksensZiZitojarjestelmZin ohjausmahdol-lisuuksiin.

2 TAVOITTEET JA TOTEUTUS

Projektin tavoitteena oli kehittM takaisinkytketty seoksenstiiit6j&jestelma laiha-seoskaasumoottoreita varten. Varustamalla moottori takaisinkytketylla polttoai-nej2irjestelmiilla moottori saadaan toimimaan optimaalisesti kaikissa toimintapis-teissa. Taten ulkoisten seikkojen muuttuminen (liimpotilat, kaasun paine, kaasunkoosturnuksen hetkelliset vaikutukset, komponenttien likaa.ntuminen ja kulumi-nen) eivat piii-isevaikuttarnaan moottorin toimintaan. Optimointityossti huomioonotettavia seikkoja ovat pakokaasupiiiisttit (erityisesti typen oksidit), polttoaineen-kulutus, teho/tehollinen keskipaine, moottorin ltirnpokuorma ja pakokaasujenlampotila seka mahdollisesti kaytettilviin hapettavan katalysaattorin toiminta.Projektin tuloksena ei viela syntynyt lopullista kaupallista tuotetta. Tavoitteena olidemonstroida kaasumoottorin ohjausmahdollisuudet yleisellii tasolla.

Tutkimuksen ensimmiiinen vaihe oli kirjallisuustutkimus, jolla selvitettiin laiha-seosmoottoreiden tekninen taso, erityisesti saavutettavissa oleva piMstMaso sektiedellytykset tietyn piiiistotason saavuttamiseksi.

Kokeellisen osan perustana on VTT Energian usean vuoden kokemus stoikiomet-risell/i seossuhteella toimivista kaasumoottoreista. Suurin osa tyosti on tehtyValmet-moottoreilla. KaasunsyOtonohjausjiirjestelmM kehittliminen toteutettiinmyos t%wa tyossa nopeakayntisella Valmet 634G -kaasumoottorilla, jonka iskuti-lavuus on 7,4 litraa ja puristussuhde 10:1. Tyohon kuului moottorin toiminnanoptimointi, suoritusarvojen miili.rittiiminen seossuhteen funktiona seka takaisin-kytkent~n soveltuvien signaalien mtitirittiiminen.

Takaisinkytketty seoksensiWtij@”estelma kehitettiin siten, etta ohjaussignaalinavoidaan kayttliii mitli tahansa jii.nnite- tai virtaviestia. Seossuhdesiititti toteutettiinpulssisuhdesiiWna ja magneettiventtiilin valityksella ohjattavana, suureena kaa-sun syottopaine. Moottorin kuorrnituksen tunnistukseen kaytettiin valinnaisestiimusarj apainetta tai moottorija.mm momenttisignaalia simuloimaan generaattorinkuorrnaa. Siiiitojlirjestelmiiiin voidaan ohjelmoida seossuhteen tavoitearvot erikuormituspisteissa. J&jestelmalla voidaan tarvittaessa ohjata myos sytytysennak-koa. Takaisinkytkenttij iirjestelmtin lis~si tutkittiin myos hapettavan katdysaatto-rin vaikutusta pakokaasupi%stoihin.

Takaisinkytkettya sZiiWoj&jestelmMikehitetlitin ja demonstroidaan aluksi moottori-dynamometrissa. SZitojihjestelmiEi voidaan myos koekaytttiti aggregaattiasennuk-sen yhteydessa.

10

3 KIRJALLISUUSKATSAUS

3.1 YLEISTA

Kirjallisuusselvityksessa keskityttiin nopea&iyntisiin, laihaseostekniikalla toimiviinmaakaasumoottoreihin, jotka on ptiiis%intoisesti tarkoitettu ajoneuvokayttoon. Lai-haseosmoottorin suoritusarvoja verrataan tapauksittain vastaavaan lambda 1 -kaasu-moottoriin tai dieselmoottoriin. Kaasumoottorit muunnetaan usein kipiniisytyttei-siksi ottomoottoreiksi dieselmoottoreista. Muunnoksissa tarvittavat laitteet rajattiinkirjallisuusselvityksen ulkopuolelle, ja teknisia yksityiskohtia kiisitelliili.n vain silttiosin, kuin ne vaikuttavat laihaseosmoottorin toiminnan optimointiin.

3.2 MAAKAASUN (METAANIN) POLTTOAINEOMINAISUUK-SIA

Maakaasu on Suomessa Eihes puhdasta metaani% jonka oktaaniluku on eritttiinkorkea modifioidulla ASTM-menetehnWa mitattuna tutkimusoktaarduku (RON)on 133 ja moottorioktaaniluku (MON) 130. Korkea oktaaniluku merkitsee hyviiiipuristuskestWyytt& joka voidaan hyodynttlti moottorin korkeana puristussuhteena.

Stoikiometrisen maakaasu-ilmaseoksen energiatiheys on alempi kuin bensiini-i~maseoksen, mutts korkeampi kuin dieselpoltioaineella kaytlinnossa toimittavillailma-polttoainesuhteilla. (tauhlcko 1). Tiimii merkitsee moottorista saatavan tehonj&imistli pienemmWi kuin vastaavalla bensiinimoottorilla, mutts korkeammaksikuin ahtamattomalla dieselmoottorilla. Maakaasumoottorit korvaavat yleensa diesel-moottoreita, joten vertailukohtana on luormollista kayttliii myos dieselmoottoria.Maakaasu Iaihaseosmoottorissa tarkoittaa noin 1,5:n ilmakerrointa. Silloin seoksenenergiatiheys laskee jo selviisti dieselmoottorin arvoja alemmaksi. Kiiyttinnossalaihaseosmoottorin ahtaminen on ehdoton edellytys hyvtiksyttWii.n tehotason saavut-tamiseksi.

Taulukko 1. Ilinakertoimet sekd stoikiometrisen seoksen energiatiheydet eripolttoaineilla [1].

VetyMetaaniPropaaniMetanoliEtanoliBensiiniDieselDiesel(lambda = 1,3)

StoikiometrilIlmakerroin Tiheys, kg/m3

34 0,9417,2 1,2415,6 1,326,4 1,499 1,44

14,7 1,3814,5 1,3818,9 1,36

seesEnergiatiheys, MJ/m3

3,213,403,683,983,853,833,792,92

Suhteellinenenergiatiheys

0,840,890,961,041,011,000,990,76

11

Tau[ukko 2. Pakokuasujen koostumus eri polttoaineilla stoikiometrisella seokxel-la ideaalitapaukxessa [1].

VetyHiiliMetaaniEtaaniPropaaniButaaniDieselpolttoaineMetanoliEtanoIi

C02, % H20, ~0o 35

219,5

1111,61213,411,612,3

01916,515,51512,623,118,4

N2, %

657971,572,572,9737465,369,3

Metaanin vety-hiilisuhde on korkea, ja hiilidioksidin (C02) muodostuminen on siissuhteellisen vtitisti (tauhdcko 2). Moottorissa polttoaineenkulutus (hyotysuhde)vaikuttaa luonnollisesti suhteelliseen C02-pMstoon. Maakaasun hyva ominaisuus onmyds laaj a syttymisalue laihan seoksen puolella. Toisaalta palamisnopeus on hidas,noin 10 0/0 hitaampi lain nestekaasulla. Maakaasull% kuten muilkdcin moottori-kaasuilla, on korkea syttymisenergi% mutts maakaasulla rninirnikohta on muistapolttoaineista poiketen hieman laihan seoksen puolella (kuva 1). Maakaasulla toirni-vassa laihaseosmoottorissa tarvitaan voimakas kipina, ja erityisesti laihalla seoksellasyttymisen olisi oltava varmaa, jotta palarninen liihtisi nopeasti kayntiin ja moottoritoimisi vakaasti.

— ——————Methane — - — Propane

—.— Ethane – – – – – Butane

/ Lean Rich —

o 2.5 1.25 0.83 ~ 0.63 0.5 0.42 0.36

Kuva 1. Eri kaasuilla tarvittava syttymisenergia seossuhteen funktiona[2].

12

3.3 LAIHASEOSMOOTTORIN TOIMINTAPERIAATE JA -EDEL-LYTYKSET

3.3.1 Yleista

Laihaseosmoottorin idea on siina, ettii pakokaasupi-iiistdt saadaan matakdle tasolle jamoottorin terminen hybtysuhde kasvaa. Laiha sees merkitsee myos matalaa pako-kaasujen ki.mpbtilaa (palamisl&npotilaa) eli pientii termisti rasitusta. YleerMi laiha-seosmoottorit on suunniteltu korvaamaan dieselmoottoreita ja on useimmiten jopamuunnettu dieselmoottoreista. Dieselmoottorien kayttoika on pitkii ja samaa vaadi-taan myos niiti korvaavilta kaasurnoottoreiha. Dieselmoottorista muunnetun kaasu-moottonn mekaaninen rasitustaso laskee, mutts terminen rasitus on seossuhteenfimktio. Stoikiometrisella seoksella rasitus on selviisti korkearnpi kuin dieselmootto-rilla, mika merkitsee materiaaliongelmia ja mahdollisesti lyhentynyttii kayttoikiiii.Riitttiviin laihalla seoksella myos terminen rasitus j~ dieselmoottoriin verrattavalletasolle.

Laihaseosmoottorin toirnintaan ja pakokaasup%istoihin voimakkaasti vaikuttaviatekijoiti ovat seossuhteen lis*si mm. sytytysennakko, palotilassa vallitsevat o1o-suhteet syttymishetkella, j oihin taas vaikuttavat mm. palotikm muoto, seoksen-.Witojiirjestelmtin toimivuus j a sytytysj Zirjestelmiin tehokkuus. NOX-pWston rajoitta-mista tasolle 1 -5,5 g/kWh on pidetty eri kehitysprojekteissa tavoitteena, ja siihenp=sy on kayt&mossa merkinnyt seossuhdetta 1,5-1,7. Htirioton vakaa palaminenesimerkiksi ilmakertoimella 1,7 vaatii jo moottorin pitkalle menevXi optimointia.Kahden sytytystulpan kaytto on yksi yksityiskohta, jolla laihaseosrajaa voidaansiirti%ihieman laihaan suuntaan.

3.3.2 Seossuhde

Laihaseosmoottorissa pakokaasujen NOX-p&isto saadaan matakdle tasolle ilmanjalkikZisittelya. HC- ja CO-pMston alentamiseen kaytetiitin tarvittaessa hapettavaakatalysaattoria (kuva 2). Seossuhteen kasvaessa palamiskirnpotila laskee voimak-kaasti, mika niikyy seka NOX-p*ton etta myos pakokaasujen E.mpotilan laskuna.NOX-pMston sanotaan karkeasti puolittuvan palamisen huippukirnpotilan Iaskiessa100 OC:lla [3]. JMhdytysnesteeseen siirtyvti Eimmon miiiira laskee ja moottorinhyotysuhde kasvaa (kuva 3). Stoikiometrisella seossuhteella toimivaan moottoriinverrattuna on mahdollista saavuttaa 10 ‘/i:n siiiisto polttoaineen ominaiskulutuksessa.Seoksen laihentamisessa on rajoittavana tekij~a hiilivetypWistojen kasvu palamisenmuuttuessa osittain epataydelliseksi ja viela t&keiimpiina tekijiina moottorin kaynninmuuttuminen epavakaaksi seoksen syttymis- ja palamishairioiden vuoksi. 5 ‘/O:nvaihtelukemointa (kuva 3) pidet&in maksimina ajoneuvokaytossa, voimalaitos-moottoreissa vaadittava raja on tiukempi. Epavakaa palaminen merkitsee ajoneu-vossa huonoa ajettavuuttta, kohonneita HC-p/iiistoja ja hyotysuhteen alenemista.

Mazda [4] on kehitttiyt laihaseoskatalysaattorin, joka vfientXi kaikkien pakokaasu-komponenttien pitoisuuksia nykyisten pMstorajoitusten kannalta riittliv~ti. Tehokaslaihaseoskatalysaattori antaisi lis%i vapauksia moottorin toimintapisteen subteen.

13

1.0

28I Xfur 1 g NOX / kWh

E8’

*\

4

—

Oxidations-— katalysator -

24 T.:/

16 -

12

/-

r

. . . . . . . . . . . . .. =.9 ● =m ==.

co..................+Hc —

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

6

$5 h

I

48

u-

3=

2

. . . . . 1.5

1

. . . . . 0.4

1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Luftverhaltnis k

Kuva 2. Ilmakertoimen vaikutus kipinasytytteisen kaasumoottorin paastoihin [5].

Effektiver Wirkungsgrad

39

37

35

33

31

29

27

25

/

\.

\

\ I.\ Variations-1 koeffizient

\ 1, fur pi

\ / /

\\

//●

\

●

/ H \_ ./- - -

.- -- T

>

1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7\

Luflverhaltnis k Abgastemperatur

-7880

12 840

10 800

8 760

6 720

4 680

2 640

A 600

Kuva 3. Ilmakertoimen vaikutus termiseen hyotysuhteeseen, pakokaasujen lam-

potilaan ja palamisen stabiilisuuteen [5].

14

3.3.3 Palotila

Maakaasun palarnisnopeus on pieni, ja lis~i Iaihaseosmoottorin sees ei maa-kaasullakaan vtilttiirnattii ole tiiysin homogeeninen. Siksi voimakasta turbulenssiapidetiii-in laihaseosmoottorille vWiirnattom2na. Sylinterissa tyypillisissa lihnpoti-loissa pakimisreaktioihin kuluva aika on huomattavasti lyhyempi kuin reagoivienyhdisteiden toistensa Mheisyyteen saattamiseen lculuva ailq eli reaktionopeus onsuurempi kuin kuljetusnopeus. EduUisinta on muotoilla palotila siten, eti puristus-tahdin aikana syntyy voimakas turbulenssi erityisesti sytytystulpan Mheisyyteen,jolloin palarninen Mhtee nopeasti liikkeelle [5]. Stabiilisuuden kannalta on tiirkeiilihyva syttyminen ja nopea palarninen, jolloin vaihtelut tehollisessa keskipaineessa erisykleissa jtivat pieniksi.

Palotilan muoto seka syttyrnis- ja palamisolosuhteet vaikuttavat ratkaisevastilaihaseosrajaan. ErMssa tutkirnuksessa konventionaalisella palotilalla saatiin laiha-seosrajaksi noin 1,55, mutts optimoidulla palotikdla palamista saatiin nopeutetuksi,niin eti laihaseosraja kohosi noin 1,7:%in. Palarnisen nopeutuminen tuo liirnrndnvapautumisen hyvin Eihelle stoikiometrisen moottorin arvoja (kuva 4).

Kuvassa 5 on esimerkki Iaihaseosmoottorin palotilasta. Liihteissa [5] ja [7] kerrotaanpalotilavaihtoehdoista ja toiminnan karmalta tii.rkeisti nopeus- ja turbulenssi-jakaurnista. Jakaumat on osoitettu Wrien avull% mustavalkoisesta kopiosta infor-maatio jiiti vtiaiseksi. Olennaista on jo edella mainittu voimakas turbulenssi syty-tystulpan kiheisyydessa syttymisen ja palarnisen aikana ja toisaalta myos seoksenpieni keskirn%irtl.inen nopeus. Kuvassa 6 esitet&in konventionaalisen ja optimoidunpalotilan lasketut nopeus- ja turbulenssiarvot kammenkulman fhnktiona sytytys-tulpan kohdaIla.

Pyorteisyyden ja turbulenssin aikaansaaminen ensisijaisesti palotilan muotoilullakaasumoottoreissa on Wrke&i, koska esimerkiksi imukanavan muotoilu listiisiimuvastusta. Laihaseosmoottorissa riittiiviin tehon tuottaminen on tietty ongelma,joka ratkaistaan ahtamisella. Silti ylimiiiirtiset virtausvastukset hankaloittavat rat-kaisua. Kaasunsekoittimien aiheuttamaa painehaviotti.kin on pyritty Whentiiitinkonstruktiomuutoksilla [8].

3.3.4 Kerrospoltto

Laihaseosmoottoreissa seoksen syttymisti voidaan parantaa ns. kerrospoltoll~jolloin sytytystulpan Eihistolle tuodaan rikkaampi sees kuin palotilaan keskim&irin.Ricardo E6 -moottorilla on tutkittu laihaseosmoottorin suorituskykya perusversionaja modifioituna version% jossa sytytystdpan lapi on johdettu pieni mi%ra metaaniasytytystulpan elektrodien liihelle [8]. Laihaseosraja muuttui selvWi verrattunahomogeeniseen seokseen, hyotysuhde parani myos, mutts palamattoman hiilivedynmWra yleensa kohosi. Syyna kohoarniseen pidettiin sytytystulpan kiheisen rikkaanseoksen palarnista epatiiydellisesti liihella rikkaan seoksen palamisrajaa.

15

.1

I i I I I 1

-20 -1o” 0 ’10 20 30 40 50 60

Kurbelwinkel - Grad n. OT f-l0{2S

Verbrennungsveff ahren

. . . . . Otto-Gasmotor mit konventionellerBrennraummulde (;. = 1.55)

Otto-Gasmotor mit optimierterBrennraummulde (?L= 1.6)

--- 0tto-f3enzinmotor mit konventionellerBrennraummulde (;. = 1.0)

Kuva 4. Lammon vapautuminen eri kaasumoottoriversioissa 75 %:n kuormalla

pyorimisnopeuden ollessa 90 % moottorin maksimiarvosta [5].

Kuva 5. Esimerkki laihaseosmoottorin palotilasta.[6].

16

<

E 20.0I

~ 16.0x,Q’1: 12.0.-3; 8.0al

: 4.0

(xm

‘E 16.0

a)

“g 12.0

k

: 8.0U-J.—z$ 4,0

Q

~-

Brennraummulde:Ja--

““--- Konvenlioneli”

— Optimiert

. . . . . . . . . . . . . . .

0-120 -80 -’10 0 40

Kurl]elr~lnkel -- G~ad r. 01”

Kuva 6. Laskettu keskimaarainen virtausnopeus ja turbulenssin kineettinenenergia sytytystulpan eletiodien kohdalla kahdessa palotilassa[5].

Esikarnmioratkaisu on yksi kerrospolton sovellus. Volkswagenilla on esikammioonperustuva laihaseosmoottori (taulukko 3), samoin ainakin Niigatalla [10]. Niigatanratkaisussa esikammiossa sytytet%in l~es stoikiometrinen sees ja Iiekki sytyttMsitten varsinaisen palotilan laihan seoksen. KeskimUirainen ilmakerroin on jopa yli2, maksirnihyotysuhde 38 YO ja I?OX-pitoisuus pakokaasuissa 200 ppm:n tasolla(kuva 7). Niigatan moottorin sylinterihalkaisija on 260 mm ja teho 6-sylinterisenaversiona 900 kW (1 000 rpm).

3.3.5 Sytytysennakko ja imuilman Iarnpoti]a

Seossuhteen ohella sytytysennakko vaikuttaa voimakkaasti moottorin NOX-p*toon[1 1]. Laihaseosmoottorissa tarvitaan suuri sytytysennakko hitaan palarnisen takia,mutts yleensa ennakon Whentminen viihentiili myos pakokaasup%istdja (kuva 8).Poikkeuksena on HC-pMston kohoaminen sytytysennakon pienetessa eritiinlaihoilla seoksilla (kuva 8). Oikea sytytysennakko on siis optimointikysymys, jossaon otettava huomioon pakokaasup%=istot ja moottorin suorituskyky.

17

Imuilman lti.rnp6tila vaikuttaa myos pakokaasuptiiistoihin. T&Wilcin on etsittiivaoptimi HC- ja NOX-pMstojen subteen (kuva 9). NOX-pMstojen kannalta imu.ilmanv~ij%ihdytys on v/iltt&naton@ mutts jossakin pisteessa jiiiihdyttiiminen alkaa li~tiiHC-pMstoa. Toisaalta imuilman kimpotila saa kasvq ja NOX-piMston pysyy siltivakiona, jos seosta vastaavasti laihennetaan [12].

Taulukko 3. Kerrospolttoprosesseja [9].

Research Fuelling andorganization combustion Operationaland process system characteristics

Ford Low-pressure direct EGR and oxidation

Programmed injection. Open chamber catalyst requiredcombustion enhanced swirl. Twinprocess (PROCO) spark plugs

Honda Carburation into divided Low fuel consumption.Compound vortex combustion chamber Good emission control.

controlled Developed into productioncombustion (CVCC) engine for cars (CVCC 2)

MAN Open chamber high swirl Modified spark plug.FM system direct injection Exhaust catalyst. Multi-

technique employing fuel capability includessurface evaporation methanol and ethanol

Mitsubishi Open chamber. Fuel Multi-fuel capabilityMitsubishi injection with variable including kerosine.

combustion process retraction delivery Production engine for(MCP) valve agricultural machines

Texaco High-pressure direct EGR and oxidationTexaco controlled injection. High swirl, catalyst. Multi-fuel

combustion system Iate ignition. Included capability. Peak power(TCcs) turbocharged version limited by smoke

emissions

Vokwagen Variable fuel supply Thermal reactor to reducePrechamber injected to spherical CO and HC emissions

injection system precombustion chamber(PCI)

Curtiss-Wright Open chamber rotary Multi-fuel capabilityengine including natural gas

John Deere

Orbital Two-stroke engine. Low- Low emissions using EGROrbital combustion pressure air-assisted and oxidation catalyst.

process (OCP) direct injection Low fuel consumption

18

T4

NOX

Q.E

I0.2

0.1

0

6000

I

4000

2000

0

0 0.5 1.0 1.25 BMEP (hfPa]L

o 25 50 75 100 Load (%)

Kuva 7. Niigatan ultra-lean-kaasumoottorin suorituskykykdyrat [10].❑ Excess air ra~jo 1.4

60% Speed A Excess air ratio 1.580%Load , 0 Excess air ratio 1.65

3000 ji’::

‘/........................................................ ..........................,.,...................................................................,.2000 ................ . Ad ; ~ \

~ooo ..............................[............................ 1....... ~ ~ :* 6 g

0. ‘“ ; ; “ : “

‘-30 -25 -20 -15 -lo -5 0

Ignition timing{ 0 )

Kuva 8. A4aakaasumoottorin pakokuasupaastot seossuhteen ja sytytysennakonfunhiona moottorin toimiessa 60 %:n nopeudellaja 80 %:n kuormalla [11].

19

60% Speed 80% Load1100 ,j~,j

; ~ ..<; .;=

; 1000 ‘“””’”””’””-””““””’;““””""""-"-`"""""""\`"""""""""""'""-""`"""":""'"""`"""`"""`""""'""'"~"""""-`"""""`"""""""'";""""`"-``""""'-""““”””’

900 “: ‘ { “ i{

440 :;; :;%

<Q 420 """"""`-""""""""`"""""""{"`""""-"'"`""""'"`""`"""\""""""""""""`"""'"""`"""`-"-""'":""'""-`""""""""""""""""'""""`""":""""`"""""""““”””””D.

~ /“ ‘i&_+? .. .. .. ,.:. .. .. .. .. [ ............>. ... ..>>..... . ......g 400 “’-’”’’””-’”-<””’’-’””, . w, .,,,.Y~,. ,. ., .......... ..

:380 “ ; - { - ;

>:

220 :;:;~

$ ~80 ..................t5 ............'.............?.?~.!...*...

‘ : “cam””;””\””””””””:”\””””-”””l” >

g 140 ““”””””””‘-”””‘““”””“““”

,100 ‘ :

30 40 50 60 70 80 90

Charge air temperature (~)

Kuva 9. A400ttorin imuilman Iampotilan vaikutuspakokaasupaastoihin [11].

3.3.6 Saatojarjestelma

Laihaseosrrmottorin si%todn kaytet%in piitiasiassa erilaisia happiantureita ja bensiini-moottoreissa myos palamisen stabiilisuutta tarkkailevia paineanturijiirjestelmia.Ohjaus ja sMtojii.rjestelm/in tarkkuusvaatimukset sanelevat pitkiille anturivaihtoeh-dot. Yleisesti s&itotarkkuuden kohotessa myos sWt6j5rjestelmiin hints nousee.Esimerkiksi hapen ja typen oksidien m&M.n mittaaminen pakokaasuista antaisi jotarkan kuvan moottorin toiminnasta.

Happianturi

Laihaseosanturina kaytetMn yleisesti ZrOz-anturiz joka vertaa seosta stoikiometri-seen seokseen. Anturista tulee U1OSvarsin lineaarinen virtaviesti (kuva 10). Happian-turi soveltuu kohtuullisen hyvin moottorin ohjaukseen, kun tavoitteena on seossuh-teen pitiiminen tietylla tasolla. Jonkin verran mittavirhettli aiheuttaa se tosiseil@etta palaminen ei ole aivan tliydellisw vaan pieni osa teoreettisesti tiydelliseenpalamiseen tarvittavasta hapesta ji%i reagoimatta (kuva 11). P%iasiassa em. syystipakokaasuista mitattu happipitoisuus ei kerro tarkasti hapen m&ir&i palotilassa.Perinteisen happianturin kayttoik= on myos kritisoitu. Koska tarkkuus huononeekayton myoti, seurauksena on kaynnin stabiilisuusongelmia [13].

20

Air-Fuel Ratio

Kuva 10. Seossuhdetta mittaavan happianturin ominaiskdyra [6].

---- The.areticaly calculated

‘i e.

&

—

OL -—---- _---. ___-. . _- _-— -----------------

62CJ

t

BMEP

00 Pcc 260 mm 123 MPa

A open Chamber 260 mm 123 MPa

D Stoichicnnetric 132.9 mm 0.76 MPa

J Fe”

..@--,

..-12 /.

.“”10

.

9 .“”~8

.’”

I,@,,,,,,,,/-

6 /’

4 /9“

/2 c1

o —-----

0.6 1.0 1.4 1.8 2.2 2.6

ExcessAirRatio

Kuva 11. Hapen, hiilidioksidin sekzl hiilivedyn teoreettiset maarat ja mitatut ar-vot pakokaasuissa seossuhteen funktiona [9].

21

Sylinteriin tulevasta seoksesta seossuhteen mittaava anturi

Anturi ottaa pienen sivuvirran moottorin imukanavasta ja polttaa sen tiydellisesti(kuva 12). Seossuhde mitataan jMnnoshapesta erittiiin tarkasti. Imukanavasta otettunayte on vapaa mm. voiteluoljyn palamisj&inteist& jotka voisivat pitkiin ajankuluessa hiiiritii anturin toimintaa. Siten sen kayttoikii on pitldi. Station&irirnootto-reissa on tavanomaisissa lambda-antureissa havaittu jo 500 tin ajon jlilkeenherkkyydenmuutoksiq jotka eivtit ole hyv~sytttivissa. Sylinteriin tulevan seoksensivuvirtaan perustuvalla anturilla on tehty yli 4000 tunnin pitldaikaiskokeet hyvtill?imenestyksella. Anturin toiminta pysyi vakaana kokeen ajan.

MIXTURE SUPPLY/

ENGINE EXHAUST

1

..- ..

—— -

$-smal1

-bypassflow

I

FLOW CONTROL BURNER& with A- SENSOR

FLAME ARRESTER IGNITION

— ..A

1

Kuva 12. A400ttoriin menevan seoksenrin toimintaperiaate [13].

-., ‘sivuvirrasta seossuhteen mittaavan antu-

Paineanturiin perustuva sNitoj5rjestelma

Perinteisesti laihaseosmoottoreita on ohjattu happiantureill~ jotka pyrkivat pitiimNinpolttoaine-ilmasuhteen alueella 1:22 - 23. Uusissa moottoreissa Toyota kaytti%ipalamispaineantureita laihaseosantureiden sijaan [14]. Uusi jlirjestehna mahdollistaastabiilin palarnisen ki.hells palamisrajaa (1:24) ja alentaa edelleen pakokaasupiiiistojaseka parantaa polttoainetaloutta. Paineanturi on kiinnitetty ensimmtiseen sylintenin.Se mittaa palamisprosessia nelj%sa pisteessa (kamrntmkulma-arvolla), laskeev%intomomenttikayria ja lisW polttoaineensyottoa momentin vaihdellessa liianpaljon ja viihenti syottoa momentin ollessa vakaa. (kuva 13). Jilrjestelma onsuunniteltu bensiinimoottoreihin, mutts sarnaa periaatetta voidaan kayttiiii myoskaasumoottoreissa.

22

TheoreticalAirandFuelRateConuol [LcmAirand FUCI fke ConmA

, I b. Lean AlixtureScns.or~/ ,. -/

—

/

/

/1L-n AK andFuel Rate Conuol ;by Combustion PressureSensori

L

.i%!l?J~‘ Torque FluctuauonI

Torque Fluctuation Allowable Limi[

/ / ‘///////2 I

;—

fNOX i

115 ?0 25 Ruiuction Effcc~

Ajf and Fuel Rale

I

Kuva 13. Seossuhteen ohjaukseen kdytettavien jaijestelmien vertailu [14].

Polttoaineen ja imuilman massavirran mittaukseen perustuva jii.rjestelma

Impco on kehittiinyt seoksensWt6jii.rjestelmiin, joka koostuu imuilman massavirta-mittarista, polttoaineen massavirtamittaris~ lambda-anturista ja elektronisestayksikostti. Jtirjestelmiin kannalta ratkaisevan tiirkea polttoaineen massavirtamittariperustuu kuurnalanka-anemometritekniiklma.n.

Elektroninen ohjausyksikko laskee mittaustuloksista seossuhteen, vertaa siti kysei-sen toimintapisteen tavoitearvoon, joka on ohjelrnoitu yksikkoon, ja SMWtarvittaessa polttoainevirtaa [15]. Joutokaynnilla seossuhteen tavoitearvo on 1.Takaisinkytkentii on hoidettu Iambda-anturill% jonka toiminta taas varmistetaanjoutokaynnillii seossuhteella lambda = 1.

3.4 ESIMERKKEJA LAIHASEOSMOOTTOREISTA

Maakaasukayttoisia laihaseosmoottoreita on esitelty eri julkaisuissa varsinkin 1990-luvulla. Seuraavat esimerkit perustuvat yhti poikkeusta lukuun ottamatta (Cumrnins10L) Toronton kansainviilisessa konfkenssissa lokakuussa 1994 esiteltyihin mootto-reihin. Tiirdin kirjallisuustutkimuksen Uihdeluettelon julkaisuissa esitell&i.n eraitimuitakin laihaseosmoottoreita.

23

Vuonna 1991 tehdyn selvityksen [16] mukaan maailmassa oli kaytossa noin 600maakaasukayttoisti-i raskasta ajoneuvoa. Selvityksessa ei eritella ajoneuvoja laiha-sees- ja stoikiometrisiin versioihin. Maakaasun kaytto edellytt.i%i normaalistiahtamista (teho), ja ahdettu moottori on termisten rasitusten Whentlimiseksi edullistasuunnitella laihalla seoksella toimivaksi.

3.4.1 Cumminsin L1O-24OG- ja B5.9G-maakaasumoottorit

CUmmins on esitellyt kaksi laihaseosmaakaasumoottori~ ensin L1 O-dieselmootto-rista kehitetyn kaasumoottorin, jonka teho oli 179 kW (2 100 rpm), ja sittemminvastaavasti pienemmtistli dieselmoottorista kehitetyn 147 kW (2800 rpm) -kaasu-moottorin. 10 litran moottori on varustettu Impcon polttoainejtirjestelmtilla. Ras-kaille ajoneuvoille tarkoitetussa FTP transient -testissa saavutettiin seuraavat pMsto-arvot seossuhteella 1,6 [17]:

NOX 1,5 gfkwhTHC 2,2 g/kwh.

Kokonaishiilivetyjen (THC) raja kaupunkiliikenteen linja-autoille (EPA/1 994) on1,7 g/kwh.

Uudemmassa ja pienemmassa Cummins-moottorissa on takaisinkytketty laihaseos-jti.rjestelma ja kyseiselle moottorille rtilitiloity elektroniikka. Useita moottoreita onajoneuvoissa kentiolosuhteissa, massatuotanto on aloitettu joulukuussa 1994 [18].

B5.9-moottori on 6-sylinterinen, iskutilavuudeltaan 5,9 litran rivimoottori. Sytytys-tulpat ovat ki.hes samoilla paikoilla kuin ruiskutussuuttimet dieselversiossa. Elektro-ninen ,sytytysj@”estelma ilman virranjaotinta kontrolloi sytytysennakkoa. Polttoaine-mWrM kontrolloidaan elektronisesti toimintapisteen mukaan. L~ppa sijaitsee vtili-jiiiihdyttimen jtikeen ja sills stidetMin moottorin tehoa. Turbo on varustettu hukka-portilla ja ahtopainetta kontrolloidaan elektronisesti. Moottorin toimintoja kontrol-loiva elektroniikkayksikko on kehitetty Cumminsin dieselmoottoreissaan k~yttii-m~ti yksikosti.

Maksimihyotysuhteeksi on mitattu 36,7 %. Hapettavalla katalysaattorilla varustet-tuna moottori alittaa Californian Ultra Low Emission Vehicle (ULEV) -piiiisttkajat(kuva 14). ULEV-raja on m%iritetty NOX-ja NMHC-summana (NMHC = hiilivedyt- metaani) ja raja on 3,35 gkwh. Vastaava Low Emission Vehicle (LEV) -raja on4,7 g/kWh. Edella mainittu luokittelu otetaan kayttoon 1998.

3.4.2 JARI-laihaseosmoottori

6-sylinterisen, 11,7-litraisen moottorin puristussuhde on 14:1 ja moottori onvarustettu hapettavalla katalysaattorilla. Stoikiometrisella seoksella toimivastamoottorista kehitettyyn laihaseosmoottoriin tehtiin vain pienia muutoksia, puristus-suhteen kohottamisen Iisdcsi ylinta mlinntiengasta nostettiin yltkpain ja poltto-ainej~estelma seka imusarja optimoitiin laihaseosmoottorille sopivaksi [19].

24

PM (gm/HP.HR)0.16[0.14

0.13

0.12 I

~ No CatalystCatalyst

0.11/ LEV0.1

0.09 - * $

0.08 -*

** *0.07 - *

ULEV**

0.06 - *

0.05*.

0.04 -

#0.03 -

0.02 -‘*&&

A0.01 - A

0’ t 1 1 1 I

o 0.5 1 3 3.6NOX%MHC2(gm/!&.HR)

Kuva 14. FTP menetelman mukaisten paastomittauksien tuloksia B5. 9G-moottrills [18].

Ahtamattomalla moottorilla saavutettiin paras hyotysuhde ilmakertoimella 1,5-1kuormituksesta ja pyorinttl.nopeudesta riippuen. Hyotysuhde oli korkeimmillanoin 34 O/O. Varsinkin matalillavastaavilla dieselmoottoreilla.

Pakokaasupti5stot japanilaisessa

NOX 1 g/kwhHC 3 gfkwh.

4

‘o-

,7an

kuorrnilla hyotysuhde jiii selviisti alemmaksi kuin

13-syklisessa kokeessa olivat:

Kuvassa 15 esiteti moottorin pakokaasupiiiistot ilmakertoimen fim.ktiona vakio-momentilla ja -pyorintiopeudella.

3.4.3 Nissanin maakaasumoottori

Ahdetun valij~dytetyn Iinja-automoottorin [20] iskutilavuus on 12,5 1, teho173 kW/2 100 rpm ja maksimi v&intomomentti 834 Nrn/13 00 rpm. Moottorinpuristussuhde on 11:1. Ilmakertoimen si%ito tapahtuu takaisinkytketylla larnbda-sensorilla. Palotilan muoto on ns. “Texas Dog Fish”, matalaturbulenttinen palotila.Kaasumoottori on kehitetty vapaasti hengittav~ti dieselmoottonsta. Kaasumoottori-version yhtena tavoitteena on sailyttiiti dieselmoottorin tehotaso. PakokaasupWsto-jen subteen ttidattiin japanilaisten rajoitusten alittamiseen ilman katalysaattoria.

25

:-

0-U

20

15

10

5

0

. . . . . . . . . ...’ .-.

~ NOX

,. .,... . . . . .

1 1.2 1.4 “ 1.6 1.8 2

Excess air ratio ‘

Kuva 15. Seossuhteen vaikutus Iaihaseosmoottorin ennen katalysaattoria mitat-tuihin pakokaasupaastoihin toimintapisteessa 900 rpm/300 Nm [19].

Ahdettuna kaasumoottorilla piilistiin tavoitteena olleeseen dieselmoottorin suoritus-kykytasoon. Tokiossa tehdyssa kenttlikokeessa ajettavuu~ melutasoa sel@ipoltto-aineenlculutusta pidettiin hyviinii. Japanilaisessa 13-vaiheisessa pakokaasukokeessasaavutettiin seuraavat tulokset:

NO, 2,22 gikwhco 4 gikwhTHC 4.43 grkwh.

Kaikki tulokset ovat selv~tivoille m%iritellyt raja-arvot.

pienempia kuii raskaille bensiinildiyttoisille ajoneu-

3.4.4 TNO-kaasumoottori

TNO-moottori [20] on 6-sylinterinen, 9,5 litran, ahdettu, v~ijtiii.hdytetty laihaseos-moottori, jonka puristussuhde on 10.3:1. Polttoaineji%jestelma perustuu Deltee 100-laitteisiin. Perustana on IVECO-dieselmootioti, josta kehitettiin sekii stoikiometi-nen versio ettli laihaseosversio. Kummankin version hyotysuhdekaytit ovat kuvassa16. Hyotysuhde oli korkeimmillaan noin 37 VO.

Laihaseosversiolla saavutettiin 220 kW:n ja stoikiometrisella moottorilla 270 kW:nteho. Laihaseosmoottorin p&istot ECE R 49 -testissa olivat:

26

NOX 1,5 @Vhco 2,3 glkWhHC 4,4 g/kwh.

Saavutettua NOX-pMsto/i pidettiin suunnittelukriteerina ja rajan saavuttamiseksisytytysennakko pidettiin pienen& Akselitehoa kohti laskettu polttoaineenlculutus oli10,39 MJ/kWh.

Kuva 16. TNO-moottorien hyotysuhdekdyrat maksimimomentin pyorintanopeu-della [21].

4 MOOTTORIASENNUS

4.1 KOEJ~ESTELY

4.1.1 Moottori

Kokeissa kaytettiin Sisu Diesel Oy:n kipinasytytteisti kuusisylinteristi Valmet634G -kaasumoottoria. Moottorin iskutilavuus on 7,41 ja suurin akseliteho noin100 kW/1 500 l/rein ilmakertoimella 1,5. Moottorityyppi on kehitetty VTT:ssakaasumoottoriksi dieselmoottorista korvaarnalla ruiskutusjiirjestelmii sytytys- jakaasujiirjestelmilla seka alentamalla puristussuhde kaasukaytolle sopivaksi mti-tien palotiloja muotoilemalla. Koemoottoria oli ennen laihaseoskokeita kaytettystoikiometrisen ahtamattoman nestekaasuajoneuvomoottorin optimointityossa.Laihaseoskokeita varten moottori varustettiin pakokaasuahtimella ja ilma-ilmavalij&ihdytyksella. Moottorin puristussuhde (10:1 ) voisi maakaasulaihaseos-kokeita ajatellen olla jonkin verran korkeampi. Kiiyttiirnalla korkeampaa ahtopai-netta voidaan tilanne kuitenkin osittain korjata. Hyotysuhdetta alemmilla osa-kuormilla voitaisiin jonkin verran nostaa korottamalla punstussuhdetta. Yhdiste-tyn s~on- ja kirnmontuotantolaitoksen karmalta asialla ei juuri ole merkitysta.

Moottori on asennettu moottoridynamometriin, jossa sits voidaan kuormittaa por-taattomasti joko vakiopyorinttinopeus- tai v&intomomenttisMtoisena. Kuvassa 17

esitet&in moottorin asennus dynarnometriin.

Kuva 17. Koemoottoriasennus.

28

4.1.2 Sytytysjarjestelma

Maakaasu vaatii syttyWseen suuremman syttymisenergian kuin esimerkiksi ben-siini ja nestekaasu @ropaani). Lis5ksi laihaseoskaytossa liikutaan hyvin Mhellaseoksen syttymisrajq mika edelleen nostaa syttymisenergian tarvetta. Ttistisyystli moottori varustettiin kapasitiivisella suurtehosytytysjiirjestelmalla (Motor-tech IQ250). Jarjestelmassa on sylinterikohtaiset sytytyspuolat. PyorintMopeus- jakammenkulmatieto saadaan vauhtipyorti kaynnistinhammaskehalta magneetti-pulssianturin vtilityksella. Oikea sytytysjii.rjestyksen liipaisupulssi valitetiitin puo-lella moottorin pyorintiinopeudella pyorivalta kiekolta (4-tahtimoottori) referens-sipulssianturin avulla. Pyorint&opeudesta riippuva sytytysennakkokayra voidaanasettaa kahden potentiometrin avulla. Sytytysennakkoa voidaan ohjata myos ul-koisen jiinnitesignadin avulla esimerkiksi kuormituksesta riippuvasti.

4.1.3 Kaasunsyottojarjestelma

Kaasu syoteti.iiin moottoriin mekaanisen kaasunsekoittimen ja kaksiportaisen kaa-sunpaineenalennuksen valityksella. EnsimmZiisessa portaassa koetilan kaasulinja-paine, noin 3,5 bar, sMdet&in painesMtimella (Krom-Schroder VGBF 25 R40)noin 15 mbariin. Toisessa portaassa (Krom-Schroder GI 25 R02) kaasunpainestidet~ kaasunsekoittajan (Impco 200) ilmakanavassa vallitsevaan tai viihansuurempaan paineeseen (O -3 mbar). Molempien si&itimien balanssilinjat on yh-distetty sekoittajan ilmakanavaan, jotta kaasunpaine seuraisi moottorin syotetta-vw ilman painetta (turbo-ahdin).

4.1.4 Takaisinkytketty seoksensaatojarjestelma

Takaisinkytketty seoksensiiiitoj &jestelma on VTT:n ja Teknillisen korkeakoulun(TKK) yhteistyota siten, etta TKK vastaa siilitimen elektroniikka- ja ohjelmointi-puolesta VTT:n m%i.rittamien reunaehtojen pohjalta.

Takaisinkytketty seoksensiiilto tapahtuu toisen portaan painesiiMimen balanssilin-jaan sijoitetun Ri.hkoisen tahtiventtiilin avulla. Tahtiventtiili on 10 Hz:n taajuudel-la varahteleva magneettiventtiili, jonka auki-kiinniolosuhdetta Qmlssisuhdetia)muutetaan. Kaasujti.rjestelmM perussMto on jonkin verran haluttua rikkaarnpi(venttiili kiinni, eli pulssisuhde = O %). Pulssisuhteen kasvaessa seossuhde laihe-nee, kun venttiili ptilistaa toisen portaan painestWimen balanssitilaan kaasunse-koittajan “alipaine’’-liitanniisti normaalibalanssilinj apainetta matalampaa painetta.Taten kaasunsekoittajaan tulevaa kaasunpainetta ja -mZiraa voidaan siilit~ halu-tun seossuhteen saamiseksi.

Takaisinkytketty seoksens%itojtirjestelma voi kaytt% takaisinkytkentasignaalinamita tahansa jiinnite- tai virtaviestia. Ohjaavina suureina voivat siten olla esimer-kiksi pakokaasujen happi-, hiiIidioksidi- tai typenoksidipitoisuudet. SMtojtijes-telmti kehitystyossa takaisinkytkenta signaalina on kaytetty kaupallista pakokaa-sujen happipitoisuutta mittaavaa Iaihaseosanturia (NTK). SiZitoj&jestelm~ oh-jelmointi vaatii myos tiedon moottorin kuormitusasteesta. Tiiliin on kokeiltu seka

29

imusarjassa vallitsevaa painetta ettli moottoridynamometrin vtiiintomomenttisig-naalia. Jiirjestelm511a on lisllksi mahdollista ohjata moottorin sytytysennakkoa.Aggregaattikayttoa silmtilti pittien mytis moottorin vakionopeussiitito voidaantoteuttaa sMtoj&jestelmii.n puitteissa. Kuvassa 18 on kaaviokuva stiiittijtirjestelmtikytkenntisti moottorin yhteyteen.

A“

=F=F==4II

-—— -iIlmokerrotiomlvcoottorl

JARRU

n

—

I1 I

NTK 1Sovltus -vohvlstln L7

I

HOPPI. lmu30rJon P o(ttoolneen S@@UkwnLurwkt.in Polneonturl d Mt bvent tinl ohJain

MOOTTORI

-1

Klerrosluku

Kuva 18. Takaisinkytketty laihaseossdato)arjestelma.

4.1.5 Mittausjarjestely

Moottori on asennettu pyorrevirtadynamometriin (Schenck W450), jota ohjaa oh-jainlaite (Schenck LSG/LEW 2000). Tiedonkeruu tapahtuu dataloggerilla (HP3497A) ja PC-pohjaisesta tiedonkeruuohjelmall% joka rekisteroi noin kolmen se-kunnin valein moottorin toimintapistetiedot (pyorintlinopeuden, Wiintomomentin),Hmpotiloja (ilman, veden, oljyn, pakokaasun jne.), imuilmamii.iir~, imusarjanpaineen, laihaseosanturin signaalin (V), ilmakertoimen (larnbda-arvon) ja pako-kaasujen koostumuksen (CO, HC, NoX, Oz, COZ).

30

Ilmakertoimen miilirittiirniseen kaytettiti.n nelikaasuanalysaattoria Cussons P8333(CO, COZ, HC ja Oz), joka on varustettu ilmakerroinprosessorilla ja polttoaineenhiili-vetysuhteen valinnalla. Pienen CO-pitoisuuden miiiiritykseen kaytetiilin infra-puna-analysaattoria ADC RF 2G. Varsinainen hiilivetymittaus tehdiiiin FID-tyyp-piselki J.U.M. VE 7 -merkkisell~ analysaattorilla (kalibrointikaasuna propaani).Typen oksidit (NO~ analysoidaan kemiluminisenssianalysaattorilla ThermoElectron 10 AR.

Moottorin kliyttiimtin palamisilmarntithiin mittaarniseen ktiytet&in Cussons-ilma-mMrtimittaria (P7209/P72028). Kulutettu polttoaine lasketaan ilmamM.rW ja il-

makertoimen avulla. Ltimpotilat mitataan K-tyypin termoelementeilla.

4.2 ALUSTAVAT KOEAJOT

4.2.1 Perussaadot ja suoritusarvot

Kaasujtirjestelmiin asennuksen jiillceen moottorille tehtiin perussiiiido~ joilla sitivoitiin ajaa laihalla seoksella (lambda 1,3- 1,6). Kokeet tehtiin aggregaatiipy&in-tiinopeudella 1500 l/rein. Niiss~ kokeiltiin mm. erityyppisia toisen portaan paine-s%itimia ja tahtiventtiilin kytkentoja balanssilinjaan. Kokeet tehtiin ajamalla tahti-venttiilin pulssisuhdetta potentiometriohj auksella ja seuraamalla seossuhteenmuuttumista tiedonkeruusta. Rajoittavia tekijoitii olivat laihaseosraj a (syttymis-vaikeudet) ja kaytetttivissa olleen pakokaasuahtimen tuottama ahtopaine (teho-raja). Kyseisin toimenpitein ptiiidyttiin kohdissa 3.1.1 ja 3.1.3 mainittuihin suori-tusarvoihin ja sti2itovalintoihin

Suoritusarvovertailussa stoikiometrisen kaasumoottorin kanssa laihaseosmoottorinyhtenii merkittiivtina etuna voidaan pitliii selvtisti pienemptiii ltimpokuorrnq mildijohtuu yli-ilman palotilaa jMhdytttivtistti vaikutuksesta. Koemoottoriin on asennet-tu sylinterikannen venttiilikannaksen M.mpotilaa mittaava anti. Tuotannossaolevan stoikiometrisen kaasumoottorin nimellisteho on 66 kW, jota rnittauksissavastasi venttiilikannaksen noin 180 OC:n ltirnpotila. Laihaseosmoottorilla vastaa-valla akseliteholla ja ilmakertoimen arvolla 1,5 venttiilikannaksen Eimpotila olinoin 160 ‘C. Laihaseosmoottori (lambda 1,5) saavuttaa saman liirnpokuormankuin 66 kW:n stoikiometrinen kaasumoottori hieman alle 110 kW:n akseliteholla,joten laihaseosmoottorin nimellisteho voi olla selvasti korkearnpi.

4.2.2 Koeajomatriisi

Siititojtirjestelmassa kaytettavien takaisirdcytkentasuureiden m&irittiiiseksi mM.ri-teltiin koeajomatriisi, jonka avulla voitiin niihda eri muuttujien vaikutus lopputu-lokseen eli pakokaasup~toihin ja hyotysuhteen kautta polttoaineenkulutukseen.

Peruskoeajojen pohjalta p~dyttiin seuraavaan muuttujamatriisiin, kun pyorinta-nopeus pidetWn vakiona ( 15001 /rein):

. tehollinen keskipaine (kuorma): 4,6,8,9, 10 bar (37, 56,75,84,93 kW)

31

. seossuhde (larnbda-arvo): 1,35, 1,40, 1,45, 1,50, 1,55, 1,60

. sytytysennakko: 20,22,24,26,28 ast.eykk.

Mittausmatriisi kaytiin lapi kuorrnituspistekohtaisesti muuttaen sytytysennakkoakahden kammenkulma-asteen pertain (20 -28 ast. eykk). Listiksi jokaisessa syty-tysennakkoportaassa seossuhdetta muutettiin 0,05:n pertain (1 ,35- 1,60). .loissa-kin pisteissa tehtiin mittauksia myos lambda-arvolla 1,65, mutts epavakaan pala-misen takia mittauksia ei voitu tehda kaikissa pisteissa nain laihalla seoksella.Tasta muodostui noin 150 mittauspistetta kasittWa tulosmatriisi, jonka pohjaltastitojtijestelm&in valittiin tiettyjen kriteerien pohjalta sopivat parametric sM-tostrategioita varten.

32

5 MITTAUKSET

5.1 LAIHASEOSANTURI

Laihaseosanturi tuottaa pakokaasujen happipitoisuudesta riippuvan virtaviestin,joka anturin mukana toimitettavassa sovitusvahvistimessa muutetaan lineaariseksijanniteviestiksi. Kuvassa 19 on Iaihaseosanturin jiinnitesignaali seossuhteen funk-tiona eri kuormituksilla sytytysennakolla 24 ast. eykk. Kayrista voidaan havaitapieni riippuvuus kuorrnituksesta. Osittain hajonta riippuu myos seossuhteen il-moittavan analysaattorin kalibrointien j alkeisesti ryomimisestti seka mittaustenaikana eri paivina vallinneiden ulkoisten olosuhteiden eroista. Seossuhteesta riip-puva jfiite-ero on siVitojiirjestelmiin takaisinkytkennti kannalta pieni, joten sittijoudutaan siiiitojtirjestelmassa vahvistarnaan. Kuorrnituksesta johtuvilla eroilla eiole merkitysta, sills j~estelmiiii ohjelmoidaan kuorrnitusohjatusti, jolloin sliiidontavoitearvoa voidaan valita kuormituksen mukaan.

Valmet 634 LB Lambdajhnite ilmakertoimen funktiona

3.50

3.48

3.46

~3.44

.# 3.42c

!$ 3.40

~ 3.38 – —

: 3.36

3.34-— 4 bar+ 6 bar

3.32-0-6 bar

+ lIJbar

3.30

Kuva 19.

1.30 1.35 1,40 1.45 1.50 1.55 1.60 1.65

Ilmakerroin (-)

Laihaseosanturin jannitesignaali ilmakertoimen funktiona.

5.2 PAKOKAASUT

Pakokaasupiitistot laihaseosmoottorista kayttaytyvat seossuhteen funktiona kuvan20 mukaisesti (osakuormapiste 4 bar tehollista keskipainetta). Kuvassa on mukanamyos edellisessa kohdassa kasitelty laihaseosanturin j&mite. SWitojii.rjestelmtinkannalta ohjaavaan takaisinkytkenttin voidaan pakokaasup~toista kuvan mukai-sesti hyodynt&i hiilidioksidia, happea ja typenoksideja. lliilimonoksidi ja hiilive-dyt eivat sovellu takaisinkytkentiiiin, koska ne kayttaytyvat epajohdonmukaisestitoivotulla stiiitoalueella.

33

Valmet 634 LB Parametric vs. ilmakerroin 4 bar/24 o

1000

900

800

700

-F 600~

$ 500u“s0“ 400v

300

200

100

01,200

y = -5.9193x + 16.353

Rz = 0.999

y = 10 225x -7.6793

R2 = 0.9986

y = 0.5996x + 2.515R2 = 0.9879

y = 8626 3X7 . 24186x + 17334

R’ = 0,9735

y = 7398.8x2- 21409x + 15839R2= 0.9939

no co6!iCA NOX

I . larnCdajWm./

I&L.-JYZ210312X’921]

R7 = 0.9941

~—

1000

900

800

7.00~

6.00 z

G5.00 :

~

4.00 ~~.o

3.00 “

2.00

1.00

0001.250 1.300 1.350 1.400 1.450 1500 1,550 1,600 1.650 1,700 1.750

lambda (.)

Kuva 20. Laihaseosmoottorin pakdcaasupaastot seossuhteen funktiona (teholli-nen keskipaine 4 bar, syt. ennakko 24 ast. eykk.).

Myos pienimuotoisen voimantuotantoyksikon, kuten kyseisen kaasumoottorin,kohdalla pakokaasupWstoill~ on merkitttivti ohjaava asema. Tassa asiassa nojau-dutaan usein saksalaisiin TA-Luft-raja-arvoihin (CO 0,65 g, HC 0,15 g ja NOX0,50 g/NM3 pakokaasujen happipitoisuudella 5 ‘%o). Mytk tiissii tyoss~ ktiytetiiitnmainittuja raj a-arvoja ohj aavina tekijtiina.

5.2.1 Typen oksidit

Typen oksideja (NOX) syntyy pa.lotilassa korkea.ssa Uirnpotilassa. Laihaseosteknii-kan ensisijainen tehtava on alentaa nimenomaan typpioksidiptiiistoja, mikti aikaan-saadaa.n yli-ilman jiilihdyttiivii.n vaikutuksen avulla. Moottorin kuormitus kasvattaaselvasti typen oksidien pitoisuutta, mutts taso ja erot pienenevat selvasti seoksenlaihetessa (kuva 21).

Sytytysennakolla on erittliin suuri merkitys typenoksidipiiiistojen muodostumises-sa. Kaikilla kuormitustasoilla ptistot alenivat alle puoleen, kun sytytysennakkoapienennettiin 8 astett% 28 ast.eykk –> 20 ast.eykk. Kuvassa 22 esitetliiin tuloksetkuormituksella 9 bar tehollista keskipainetta. NOX-p~stot on esitetty ominaispWs-toina (g/kWh). Lisiiksi kuvaan on piirretty TA-Luft-normin mukainen raja-arvotypen oksideille (0,50 g/Nm3) muutettuna kyseisen koemoottorin ja sen toiminta-pisteen ominaisptilistoksi. Mikali TA-Lufl-normin vaatimukset halutaan alittaa,moottorin sfitojarjestelmiin parametric valittava rajaviivan oikealta puolelta.

34

on

Valmet 634 LB NOX pitoisuus ilmakertoimen funktiona

2200 Io

>— 4 bar

2000 — — -x— 6bar

~-+- 8 bar

1800 -0-9 bar-0- 10 bar

1600 – —-

UY3 1200u-l.-.: 1000 t

: 800‘Q

600 5 c

400 \

200 \

o 1 !I I

1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 1.55 1.60 1.65

Ilmakerroin (-)

Kuva 21. Laihaseosmoottorin iVOX-pitoisuudet iimakertoimen jimktiona eri kuor-

mituksilla.

Valmet 634 LB NOx-paWd (g/kWh), 9 bar BMEP

28

o: 24c

122LO

20

d-------~ I I

/

1.0

1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 1.55 1.60 1.65

Ilmakerroin (-)

Kuva 22. Laihaseosmoottorin ominaistypenoksidipaastot ilmakertoimen ja sytyty-sennakonfinktiona 9 barin tehollisella keskipaineella (TA-Luft-raja-arvo merkittykatkoviivalla).

5.2.2 Happi

Pakokaasujen happipitoisuus on takaisinkytkentisuureeksi hyvin kayttokelpoinen,mika hyvin voidaan havaita kuvista 20 ja 23. Riippuvuus ilmakertoimesta on toi-votulla alueella hyvin lineaarinen. Kohdassa 4.1.1 k~itelty laihaseosanturi perus-tuu juuri happipitoisuuden mittaukseen. Kuten laihaseosanturin kohdalla todettiin,kuorrnituksella ei ole juuri havaittavaa vaikutusta happipitoisuuteen. Hajonta joh-tuu Eihinna mittausten viilisista olosuhde- ja kalibrointieroista.

5.2.3 Hiilidioksidi

Hiilidioksidi kayt@tyy yhti lineaarisesti ilmakertoimen mukaan kuin happi.Erotuksena on se, ettli muutos on kMnteinen. Hiilidioksidi ei mydsktiiin hapentavoin reagoi kuorrnamuutoksiin. Kuvassa 24 esitetWn hiilidioksidip~stojen riip-puvuus kuormituksesta ja ilmakertoimesta.

Valmet 634 LB 02 pitoisuus ilmakertoimen funktiona

9.0I

8.5 L---. ...——

J

8,0

7.5

7.0

6.5

6.0 r~ ‘

J— 4 bar+ 6 bar

5.5 + 8 bar+ 9 bar

5.0+10 barY,

1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 1.55 1.60 1.65

Ilmakerroin (-)

Kuva 23. Laihaseosmoottorin pakoknasujen O1-pitoisuus ilmakertoimen jimktio-na eri kuormituksilla.

36

Valmet 634 LB C02 pitoisuus ilmakertoimen funktiona

8,5

8,3

8.1

7.9q0

; 7.7

“~ 7.5.=

: 7,300 7.1

6.9

6.7

6.5

— 4 bar+ 6 bar+ 8 bar

1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 1.55 1.60 1.65

Ilmakerroin (-)

Kuva 24. Laihaseosmoottorin C02-paastot ilmakertoimen ji.mtiiona eri kuormi-

luksilla.

5.2.4 Hiilimonoksidi

Hiilimonoksidi ei sovellu takaisinkytkent$isignaaliksi kuvassa 20 ilmenevtin epa-lineaarisuuden johdosta. Saksalainen TA-Luft-nonni rajoittaa CO-piMstot arvoon0,65 g/Nm3, kun pakokaasujen happipitoisuus on 5 %. Koemoottorin CO-pik%totolivat Eihes jokaisessa koematriisin pisteessa alle kyseisen raja-arvon. Muutamissaltihell?i syttymisrajaa olevissa ilmakerroinpisteiss~ (lambda 1,55- 1,60) raja-arvoylittyi hieman. Valittaessa sMtopararnetreja tiirna on luonnollisesti otettava huo-mioon.

5.2.5 Hiilivedyt

Kuten hiilimonoksidi myosk&in hiilivedyt eivat sovellu taka.isinkytkenttiiin epa-lineaarisen kayttiiytymisen johdosta (kuva 20). Pakokaasun hiilivedyt lis%ntyvatto sin voimakkaasti syttymisrajan Eiheisyydessa epatiydellisen palamisen seurauk-sena. Silloin ollaan moottorin toiminnan kannalta jo niin epaedullisella alueella,etta toiminnan yllapitaminen voi olla hankalaa ja moottorille vahingollista. TA-Luft-normi ei ota huomioon metaania ollenkaan rajoitettavana hiilivetyptistona,vaan norrnissa puhutaan ainoastaan “no~ethane’’-hiilivedyisti. Nain ilmaistuna

hiilivetyraja-arvo on 0,15 g/Nm3 edellyttaen, etta laitos viela tuottaa yli 3 kglhmetaanittomia hiilivetypiiiistoja. Koska maakaasumoottorin hiilivetyp=stot piZGasiassa ovat metaania (yli 90 0/0), ei hiilivetyjen TA-Luft-raja-arvo kaytiinnossakoske maakaasumoottoreita. Metaanittomia hiilivetyja koemoottori tuotti enim-millaan alle 100 g/h.

37

5.3 POLTTOAINEENKULUTUS JA HYOTYSUHDE

Polttoaineenkulutus on mitattu epasuorasti moottorin kayttlimh ilmamiiiiriin jaseossuhteen ilmoittavan nelikaasuanalysaattorin avulla. Tulokset on kertitty kuor-mituspistekohtaisiin kuviin laskettuna ominaiskulutukseksi ja hyotysuhteeksi(kuvat 25 ja 26). Paras hyotysuhde saatiin ilmakertoimen arvoilla 1,40-1,50 jasuurimmilla ktiytetyilla sytytysennakoilla 26-28 ast.eykk. Mitatuissa toimintapis-teiss~ pii%tiin parhaimmillaan noin 34,5 %:n hyotysuhteeseen.

Valmet 634 LB Polttoaineen kulutus (g/kWh), 9 bar BMEP

30

n.,.2: ‘2

28 / / /\

.0_ / II I 1/-’ I

—.. LIU— ,——, .On

rEzLrl=El1.30 ‘1.35 1.40 1.45 1.50 1.55 1.60 1.65

Ilmakerroin (-)

Kuva 25. Laihaseosmoottorin ominaispolttoaineenkulutwtysennakonfinktiona 9 barin tehollisella keskipaineella.

ilmakertoimen ja syty-

38

Valmet 634 LB Hyotysuhde (Yo), 9 bar BMEP

30

28

g

~ 2600# 24cca)

‘“ 22$m

20

18 -

1.30 1.35 1,40 1.45 1.50 1.55 1.60 1.65

Ilmakerroin (-)

Kuvaa 26. Laihaseosmoottorin hyo~suhde (akseliteho/polttoaineteho) ilmaker-

toimen ja sytytysennakon funktiona 9 barin tehollisella keskipaineella.

39

6 S~TOJARJESTELMAN OHJELMOINTI

6.1 OHJAAVAT SUUREET

KaasunsWitoj&jestelm&i ohjaarnaan tarvitaan tieto moottorin pyorimisestli, kuor-mituksesta ja moottorin kaytttiasta ilman ja polttoaineen seossuhteesta (kuva18).

6.1.1 Pyorintanopeus

Moottorin pyorintiinopeustietoa tarvitaan liihinna kaynnistysvaiheessa pitiirntitinsees haluttuna kaynnistyksen aikana. Pyorintiinopeus madam sytytysjiirjestelmiinohjausyksikosta pulssitietona. Pybrintti.nopeustietoa tarvitaan myth myohernminmahdollisesti toteutettavassa vakiopyorintiinopeusstiiitimen integroimisessa siiiito-jtirjestelmiiiin.

6.1.2 Kuormitus

Moottorin kuormituksen tunnistamiseen on kokeiltu seka imusarjan painetta mit-taavaa anturia ettii moottorijarrun vtEi.ntomomenttisignaalia. Imusarjan paineeseenperustuva kuormitustieto vaihtelee jonkin verran ulkoisten olosuhteiden (ilman-paineen ja kirnpotilan) mukaan. Tii.ma kuorrnitustieto on riippumaton moottorinkayttotarkoituksesta. Kaytettaessa moottoria aggregaatin yhteydessa saackmnkuorrnatieto helposti generaattorin ohjauksesta, jota kokeissa voidaan simuloida

kaytttialla moottorijarrun momenttisignaalia.

6.1.3 Seossuhde

Tlirkein takaisinkytkenti.i laihaseosmoottorin ohjauksessa on tietenkin seossuhteennopeasti ilmoittava signaali. Koska mMriiiivimpiina tekijitnti kaasumoottorin yh-teydessii ovat pienet typenoksidipWst6t, suoraan pakokaasuista typenoksidit mit-taava anti olisi mielekldiin. Anturityyppia kehitetMn parhailhmn ainakin Japa-nissa, mutts kaupallisesti sita ei ole viela saatavissa.

Alustavissa koeajoissa kaytetty kaupallisesti saatavissa oleva ja edullinen (alle2500 rnk:n) laihaseosanturi todettiin erittain nopeaksi ja tiismalliseksi takaisin-kytkentl%n sopivaksi laitteeksi, joten sita on kaytetty tZim~ tutkimuksen primMri-sena takaisinkytkentatyokaluna. Pakokaasuj en happipitoisuutta mittaavan anturinsovitusvahvistin antaa tarkan saadon kannalta liian loivan j&mitesignaalin (kuvat19 ja 20), joten siti on saatoelektroniikassa vahvistettu.

6.2 SAATOSTRATEGIAT

Kaasujiirjestelmiin siiiitostrategioiden valinnassa mWr&Wiina tekljtina ovat pako-kaasujen typenoksidipMstdt. Toisena tavoitteena on mahdollisimman hyva hyoty-

40

suhde. Toisaalta kokonaisenergiasovelluksessa l-ontalteenotoIla Aihkontuotonhyotysuhde ei valtt.iimati ole ratkaisevassa osassa.

S%idot valittiin kuorrnituspistekohtaisesti vertaamalla typenoksidien ominaispWs-

to- (kuva 22) ja hyotysuhdekuvia (kuva 26). Kun kihtokohtana pidettiin TA-Luft-raja-arvoa typenoksideille, valittiin esimerkiksi siilitopiste, jossa on noin 20 O/O:nvarmuus raja-arvoon (TA-Luft 80 0/0 taulukossa 4) ja mahdollisimman hyva hyo-tysuhde. Talla tavoin mM.riteltiin kaksi strategiaa, joista toisessa oli kiintea syty-tysennakko kaikissa pisteissa ja toisessa pyrittiin mahdollisimman hyvMn hyoty-suhteeseen pistekohtaisella sytytysennakon siiiidolla. Kolmas strategia on TA-Luft-raja-arvosta 50 %:iin pyrkiva versio. Strategist esitettilin taulukossa 4.

Taulukko 4. VALiW.ET 634 G -Iaihaseosmaakaasu. Saatostrategiat 1500 l/rein.

KUORMA VERSIO 1 VERSIO 2 VERSIO 3TA-Lufl 50% TA-Luft 80% TA-Luft 80%

BMEP k/OEYKK l/OEYKK ?JOEYKK

4 1,45/28 1,45/24 1,42/22

6 1,51/28 -27 1,50/24 1,50/248 1,54/28 1,53/24 1,53/249 1,56/28 -27 1,52/24 1,54/26

10 1,53/23 1,54/24

6.3 KOEAJOT VALITULLA SAATOOHJELMALLA.. ..

6.3.1 Saatoohjelma

Kaytiinn5n koeajoihin valittiin taulukon 4 mukainen s=tostrategia kiintealla syty-tysennakolla ja TA-Luft 80 % -arvoilla (versio 2). Kuormituspisteiden vtilisetsliiitoalueet linearisoitiin ohjelmallisesti (esimerkki kuvassa 27). SZitit60hjelma-versiot tallennettiin EPROM-tyyppisiin ohjelmoitaviin muistipiireihin. Ennenmuistipiirien ohjelmointia moottoria siiiidettiin PC:lla asettelemalla erilaisia tavoi-tearvoja ja s&itonopeuksia toimilaitteelle ja seuraarnalla muutoksia tiedonkeruustaoikeiden stitoasetuksien loytiimiseksi.

Siititostrategiasta ohjelmoitiin kaksi EPROM-muistipiiria. Ensirnmaisessa kuor-man takaisinkytkentiignaalina kaytettiin imusarjapainetta (EPROM-koodi: Laih2)ja toisessa moottoridynarnometrin momenttisignaalia (EPROM-koodi: Morel ).Liitteessa 1 on Morel -ohjelmaversion ltidekoodilistaus. Kuvassa 27 esitetaZinMorel -ohjelman seoksensMtotoimilaitteen asetusarvo moottorin kuorrnituksenmukaan.

41

Asetusarvo

800

700

600 1

kuormituksen mukaan

g 500zg 400$)~ 300

200 --

100 --

0 I

o 100 200 300 400 500 600

Momentti Nm

Kuva 27. Seoksensdadon asetusarvo moottorin kuormanfinktiona.

6.3.2 Mittaukset

Kohdassa 6.3.1 mainituilla ohjelmaversioillaetta Laih2-ohjelmalla tehtiin toistomittaukset

ajettiin verifiointimittaukset siten,kolmena eri paivtinii (Laih2/1,2 ja

3). Listiksi Moml-ohjelmalla ajettiin eri kuormitustakaisinkytkentoja (imusarja-paine/momenttisignaali) vertaava mittaus. Mittauksissa seurattiin liihinnti hMcti-jatypenoksidip%istojen sekii seossuhteen (lambda-arvon) toistettavuutta, kun muut-tujina ovat olosuhteet (eri mittauspilivat) ja moottorin kuormituksen takaisinkyt-kenttisignaali. PMst6tulokset esitetWn kuvissa 28 ja 29. PWstoarvot ilrnoitetaanTA-Luft-norrnin mukaisina yksilcldina, viimeinen pylvtis merkitsee normin raja-arvoa. Kuvassa 30 ovat ilmakerroinprosessorilla varustetun nelikaasuanalysaatto-rin ilmoittarnat ilmakerroinarvot.

Mittaustuloksia voidaan pit&i hyvina, kun otetaa.n huomioon monet polttomootto-rin palotapahtumaan j a sMtoj tijestelmhn ohj aukseen vaikuttavat muuttujat sekamittaus- j a laskentaj &-jestelman tarkkuus. Toistettavuus momenttitakaisinkytken-nalla on todemiilcoisesti imusarjapainekytkentti.ii parempi. Samoilla seoksensiili-don asetusarvoilla molemmat kuorman takaisinkytkentiperiaatteet antoivat sa-mansuuruiset pakokaasup&istot. Toteutuneet ilmakerroinarvot olivat hieman ta-voitearvoja pienemmat, mika selittiiii pakokaasupZi%toj en, etenkin typenoksidien,j&irnista osittain tavoitellun 80 ‘%0 TA-Lufl-raja-arvojen ylapuolelle. Haluttu tulosmadam ohjelmoimalla uusi EPROM-piiri uusilla laihaseosanturin ja seoksensMi-totoimilaitteen asetusarvoilla.

42

CO-piiWot toiatokokeiaaa

:~

0.1

0

4 5 6 7 8 9 10

Kuormabr]

■ L~ha2/1

■ LaihaZ2

❑ Laiha2/3

❑ Morel

■ TA-Lufl

Kuva 28, Hakzipaastot toistokokeissa.

NOx-piWtot toiatokokeiaaa

0.6I

0.5

g 0.4

n

■ L#ha2/1

# H Laiha2/2

~ 0.3 ❑ Laiha2/3$

❑ Morel

g 0.2 , TA-LuR

0.1

0

4 5 6 7 8 9 10

Kuormapar]

Kuva 29. Typenoksidipaastot toistokokeissa.

43

Ilmakerroin toistokokeissa

154

1,52

1.5

1.48

1.46

1.44

1.42

1.4

1.38

1.38

1.34

1 - r

l==

!-NLatla2/z

u Laiha2/3

D Morel

4 5 6 7 8 9 10

Kuormamar]

Kuva 30. Ihnakerroin toistokokeissa.

Edella kuvatuilla Iyhytaikaisilla kokeilla ei voitu saada esiin sUitojiirjestelmtintoimivuutta jatkuvassa ajossa, jossa voi ilmetii etenkin laihaseosanturin mahdolli-nen “ryomiminen”. Ns. kaskadistidolla, jossa primiiti.rina ohjaavana suureena on

suhteellisen hidas (esim. NOX- tai nelikaasuanalysaattori) signaali ja sekundiMri-

ohjauksena nopea laihaseosanturi, voidaan toteuttaa oppiva s&itojiirjestelma. Ttis-sa Iaihaseosanturin ryomiminen ei vaikuta maaraavan (tarkan) ohjaussignaalin

.... .... ..

s&itiimWn lopputulokseen. Tiillaisen kytkenn~ toteuttaminen on mahdollistamyos projektia varten kehitetylla stilitojtirjestelmallii.

6.4 VAKIONOPEUSS~TIMEN INTEGROINTI

Jotta moottoria voitaisiin kayttaa aggregaattiasennuksessa, siina on oltava vakio-pyorintiinopeussaadin. Tata varten moottori varustettiin aluksi kaupallisella s&iti-mella (GEC). Talla stitimella moottorin pyorintiinopeutta ei saatu vakioiduksi,vaan nopeus huojui hyvin voimakkaasti ja joutui valilla kiihtyv%in resonanssiin.T&na johtui kahden eri saatimen (seoksen ja pyorinttinopeuden stiiitimien) yhteis-vaikutuksesta, jolloin saatotoimenpiteet pyrkivat jatkuvasti korjaarnaan toistensaaiheuttamia muutoksia. Li%ksi turboahtimen ahtopaine aiheutti kaasulappiili.nvoimia, j otka saatoliikkeen kasvaessa voimistivat Wrtihtelya, j ota saatimen toimi-laite (stihkomagneetti) ei kyennyt hallitsemaan.

Edella mainitusta syysta seoksen saatojarjestelmtiiin integroitiin myos pyorinttio-

peussaato. Toimilaitteeksi valittiin harnmaspyoravalityksella varustettu tasavirta-

moottori. Suuri valityssuhde estaa kaasulappWin syntyvien voimien vaikutuksen

si%itolaitteen toimintaan. Pyorintanopeuden s%idon ohjelmoinnissa voidaan huo-

44

mioida seoksensiiiidon stititoparametrit ja tliten minimoida molempien stitojenpiilillekkaisvaikutukset. Nain toteutetulla vakionopeusstllidolla voitiin tehda koe-ajoja suhteellisen tasaisella pyorint~opeudella. Tarkempi stEito olisi edellyttiinytstiiitoohjelman hienostititoa ja toimilaitteen valityssuhteen edelleen kasvattamista.T&na ntihtiin kuitenkin ttirntin projektin puitteissa tarpeettomaksi, koska stEit6ko-konaisuus kuitenkin toimi kohtuullisesti.

45

7 KOEAJOT LAIHASEOSKATALYSAATTORILLA

Vaikka TA-Luft-normi ei nain pienen mitan kohteessa miilirittele rajoituksia hiili-vetyptitistoille, niiden vfienttiminen on kuitenkin tlirketiii. Etenkin laihaseoskaa-sumoottorin kohdalla hiilivetypWstot (metaania) voivat olla huomattavat liikut-taessa Mhellii laihaseosrajaa. HiilivetypMstojti voidaan viihent/U kytkemtilla pako-putkistoon erityisesti vaikeasti hapetettavaa metaania varten kehitetty katalysaat-tori. Samalla viiheneviit myos hiilimonoksidipWstot.

Ruotsalainen Svenska Emissionsteknik AB toimitti projektin kayttotin kaksimaakaasulle kehitettyii hapettavaa laihaseoskatalyysaattoria. Katalysaattoreissa olierisuuret jalometalli’’lataukset”, joiden vaikutusta metaaniptiiistoihin haluttiin ver-rata. Ennen mittauksia katalysaattorit vanhennettiin ajamalla niiti koemoottorissasarnanlaisella kuormalla (7 badl 500 l/rein) 17 tuntia. Katalysaattorille tulevanpakokaasun Uimpbtila oli tiilloin noin 500 ‘C.

Sisti&ajon ji-ilkeen tehtiin pakokaasup%istdjen pitoisuusmittaukset ilman kataly-saattoria ja enkseen kumrnallakin katalysaattorilla kayttiien Laiha2-stiiittiohjelmaa.Mittauspisteet olivat 4, 6, 8 ja 9 bar tehollista keskipainetta pyorintii.nopeudella1500 l/rein.

Mittaustulokset esitetiitin taulukossa 5. Hiilivedyt analysoitiin kaasukromatografil-la. Tulokset osoittavat, ettli maakaasulle optimoidulla laihaseoskatalysaattorillavoidaan saavuttaa erittiiin hyva konversiosuhde metaanin (Cm) subteen. Hiika(CO) poistui myos ltihes tiiydellisesti. Kaasukromatogrtillla analysoitiin mytismuita hiilivetyja, kuten etaani, eteeni ja propeeni. Kun pitoisuudet ilman kataly-saattoria olivat 1 -20 ppm, ei katalysaattorinaytteista voitu mtiiiritt~ naiti kom-ponentteja. Hapettavilla katalysaatioreilla ei luonnollisestikaan ollut mainittavaavaikutusta typenoksideihin (NOx). Mitatut katalysaattorit olivat mittausolosuh-teisiin (@cokaasuvirtausmiiiirti) ntihden ehka jonkin verran ylimitoitetut.

Taulukko 5. Pakokuasupadstot laihaseoskatalysaattoreita kdyttaen ja ilman.

Katalysaattori

IIman

ETO 4359A

ETO 4360A

Kuorma (bar)

4689

4689

4689

CO (ppm)

380380390390

<10<10<10<10

<10<10<10<10

46

Cm (ppm)

1250124011001090

79

1725

21182227

NOX(ppm)

180130120130

130110100110

120110100100

8 YHTEENVETO

Projektin tavoitteena oli kehittiiti takaisinkytketty seoksenstiiitdj iirjestelma koko-naisenergialaitoksen laihaseoskaasumoottoria varten. Tyossa kiiytettiin Sisu Die-selin valmistamaa ja VTT:ssa proj ektin yhteydessa laihaseoskayttoiseksi kehitet-tya, 7,4-litraista, kipint@tytteist& avoimella palotilalla varustettua Valmet 634GA -kaasumoottoria.

Seossuhteen takaisinkytkentiignaaliksi valittiin kaupallisesti saatavissa olev~pakoputkeen asennettava, nope% pakokaasujen happipitoisuutta lineaarisesti mit-taava anti. S&itoj&-jestelma kehitettiin sellaiseksi, eti se voi hyodyntiiii mitiitahansa muuta takaisinkytkentiisignaalia. Koeajot osoittivat, etta takaisinkytken-ttiiin valittu laihaseosanturi on kayttokelpoinen laihaseoskaasumoottorin seoksen-.sMtoohjaukseen. Anturityypin toimivuutta pitktiaikaiskaytossti ei tlimiin proj ektinpuitteissa voitu varrnistaa.

Kehitetty seoksenstiiitojiirjestelmh ohjaus perustuu ohjelmoitaviin EPROM-muis-tipiireihin, joihin voidaan ohjelmoida erityyppisiti siiiitostrategioita kayttokohtees-ta, tavoitteista ja kiiytossii olevista ohjaussignaaleista riippuen. J&jestelmWn voi-daan seoksens/iiidon lisliksi integroida myos vakiopyorinttinopeuss~timen ja syty-tysennakon stkidon ohjaukset.

Pienet pakokaasuptkistot ovat seoksensi%itoohjatun laihaseoskaasumoottorin ttir-kein tavoite. T&n/i koskee etenkk typenoksidipMst6jii. Laihaseostekniikka viihen-tW myos hiilimonoksidipU.istoja, mutts hiilivetypti.listot (metaani) jopa kasvavat,kun siirrytMn typenoksidipti&tojen kannalta riittiivh laihaan seokseen. Ttistlisyysta projektissa tutkittiin myths erityisesti maakaasulle kehitettyjen hapettavienlaihaseoskatalysaattorien vaikutusta pakokaasup&istoihin. Mitatut katalysaattoritpoistivat pakokaasuista ltihes kaiken hiilivedyn ja hiilirnonoksidin, mutts ty-penoksidiptistot pysyivat odotetusti ennallaan.

Projektin tavoitteet toteutuivat p&iosin. Jiirjestelmiin toimivuutta pitkiiaikaiskay-tossa ei tiirnii.n projektin puitteissa voitu toteuttaa. Toisia tiirn!in mitan yhdistetyns~on- ja Eimmontuotantolaitoksiin ja takaisinkytkent&in soveltuvia antureita eitoistaiseksi ole saatavissa. Kirjallisuuden mukaan Japanissa on kehitteilla nopeatypenoksideja mittaava anturi.

47

LAHDELUETTELO

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

Kyto, M., NyIund, N.-O. &Ekhmd,T. Emissionsbegri-insning isnabbg~en-de 4-takts ottomotoren med lambda = 1. Delrapport for Nordisk GastekniskCenters projekt “Gasmotorer for v2irrne/kraftproduktion, teknologier foremisjonsbegrensning”. Oslo: Nordisk Gasteknkk Center, 1989. 70s.

Ekelund, M. ym. Naturgas som kolvmotorbriinsle. Stockholm: STU, 1989.180s. (STU-information nr. 751- 1989.)

Janach, W. & Chastonay, M. Der Erdgas-Magerrnotor ilk Ieichte Stadtau-tos. VDI Berichte, 1992. Vol. 1020,s. 269-277.

Lean-burn catalyst offers market boom. New Scientist, 1993.17 July,s. 20.

Chrnekq F. L2 Kapus, P. Das TRI-FLOW-Verbrennungsverfahren ilk denMagerbetrieb von Gasmotoren. MTZ Motortechnische Zeitschrift, 1994.Vol. 55, IUO 9, S.526-535.

Horie, K. ym. The development of a high fhel economy and high perfor-mance four-valve lean burn engine. Warrendale: Society of AutomotiveEngineers, 1992. 10s. (SAE Paper 920455.)

Weller, G. The LEGEND project. Proc. International Conference & Exhi-bition on Natural Gas Vehicles, Toronto 3-6 October 1992. Toronto: Inter-national Association for Natural Gas Vehicles Inc., 1994. S. 409-419.

Nagamuna, T. ym. New gas mixer for gas engines - optimized air-fhel ratiowith negligible pressure loss. Warrendale: Society of Automotive Engineers,1992.12 s. (SAE Paper 922361.)

Green, R. & Zavier, C. Charge stratification in a spark ignition engine.Journal of Power and Energy, 1992. Vol. 206,s. 59-64.

Goto, S. ym. NIIGATA ultra lean burn S1 gas engine - achieving high effi-ciency and low NOX emission. Warrendale: Society of Automotive Engi-neers, 1990. 19s. (SAE Paper 901608.)

Takada, Y. ym. Development of a heavy-duty turbocharged and aftercooledCNG-fueled lean burn engine - conversion of a naturally aspirated dieselengine into otto-type CNG engine. Warrendale: Society of Automotive En-gineers, 1993. 7s. (SAE Paper 932818.)

Klimstra, J. & Westing, E. Performance of natural gas fueled engines withvariable intake-manifold temperatures. Warrendale: Society of AutomotiveEngineers, 1992.12 s. (SAE Paper 922364.)

48

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

Klimstra, J. ym. A lambda sensor using intake mixture of natural-gas-fieledengines: the Censor. Warrendale: Society of Automotive Engineers, 1993.8s. (SAE Paper 932821.)

Details of Toyota’s new lean-burn engine system. Japan Autotech Report,1992. Vol. 149,5 August, S.16-24.

Wadman, B. Electronic alternative fhel management. High Speed Diesels&Drives, 1993. September,s. 22.

Methane as a motor fhel. Ottawa: IEA International Energy Agency, 1992.167 S.

Sharp, C. ym. Transient emissions from two natural gas-fheled heavy-dutyengines. Warrendale: Society of Automotive Engineers, 1993. 11 s. (SAEPaper 932819.)

Kamel, M. & Duggal, V. Cummins B5.9G natural gas engine. Proc. Inter-national Conference & Exhibition on Natural Gas Vehicles, Toronto 3 -6October 1994. Toronto: International Association for Natural Gas VehiclesInc., 1994. S. 351-360.

Kim. E. ym. Feasibility study on CNG engine technology - performance andexhaust emissions of a heavy duty learn burn engine. Proc. InternationalConference & Exhibition on Natural Gas Vehicles, Toronto 3-6 October1994. Toronto: International Association for Natural Gas Vehicles Inc.,1994. S. 309-320.

van der Weide, J. ym. CNG city bus engine with optimized part-load effi-ciency, high mean effective pressure and low emissions. Proc. InternationalConference & Exhibition on Natural Gas Vehicles, Toronto 3-6 October1994. Toronto: International Association for Natural Gas Vehicles Inc.,1994. S. 469-482.

49

:

-q

e.

:

.% . -+%

+Eih-+&’..+In

L

“u w

T1,

D*

i

-$+,

LIITE 2

LIITE 3

w

/(’1’

\‘7%

I

z

LIITE 4

I

N

-lm”nk

I

> 0W z

u

.41”0 g

LIITE 5

LEAN-BURN-KAAS~OOTTO~ LAMBDAS~TI~N OHJELMA

KWAUS :PI-s2idt2Jj&J,jonka mitts-arvona on NTK:afr pakokaasujen happitunnistimen tuot-tama j~nnite.Sd~t2ij2inulostulo ohjaa polttoainesa~t6venttiilia pulssinleveys-moduloinnilla.Asetusarvoa ohjataan kuormituksen mukaan momenttianturin avulla.********************************************************** ******************/

#include “80C196E.h”#include <stdio.h>#include “lambda.h”

#define KAYNNISSA#define LEVOSSA#define KAYNNISTYS#define LAMMITYS

#define KYLLA#define EI

#define MAX_SUMINTEGl#define MIN_SUMINTEGl

/’ kerromme kaantajalle#pragma model(kb)/*keskeytyspalvelut*/

1023

10

5000 /*1-s&Vidtinrajat ‘/-5000

mika prosessori on kaytossa(80C196KS)*/

#pragma interrupt (timer_ovf=O,atod_done=l,hsi_data_available=2, \soft_timer_int=5, hso_int=3)

extern char temp sp status; /*apumuuttuja sarjaliikennett~ varten*/——short lambda;unsigned short kierrosluku;char overflow_flag;unsigned short vanha;short asetusarvo;short momentti;short venttiili;short output;short av momentti;short av—lambda;—char av count;unsigneci—char time hi;short sum integral~—

/*h>ppitunn~stimen j~nnitteen ad-muunnos*//*kierrosluku [rpm]*//*prosessorin ajastimen ylivuotomerkki*//*kaytetaan kierroslukua laskettaessa*//*haluttu arvo*/

/*momenttimittauksen jannitteen ad-muunnos *//*polttoaineen s214it6venttiilinasento 1000=100%’//*saatajan ulostulo*//*momenttiarvojen summa keskiarvon laskua varten*//*lambda-arvojen summa keskiarvon laskua varten*//+laskuri keskiarvon laskua varten*//*hidas aika asetusarvon vaihtoa varten*/

/*sa.3taj2inintegrointisumma*/

/*struktuuri asetusarvok.3yran pisteita varten*//*piste *//*haluttu asetusarvo*//*kerroin pisteen ylitt$iv~lle osalle*/

struct toimintapiste{int momentti;int lambda;float k;);

/*mL+~riteta~n asetusarvokdyrdn pisteet tassa tapauksessa*/const struct toimintapiste pistel={ 0,320,1.04 ); /*nollakuorma*/const struct toimintapiste piste2=( 120r445,0.95] ;const struct toimintapiste piste3=(230, 550,0.711 ;const struct toimintapiste piste4=(350,635,0. 42];const struct toimintapiste piste5=(470, 685,0.25) ;const struct toimintapiste piste6=(530, 700,0.07 );const struct toimintapiste piste7=(590,704, 0); /*59(3~*/

/******************.*****************************************************/

/*Asetusarvon m~2Jritys-funktio.Valiarvot interpoloidaan.***************** ****************** ****************** ***************** ***/

short maarita_asetusarvo ()

5/1

{if (momentti>piste7 .momentti) return

*piste7. k) ;if (momentti>piste6 .momentti)return

*piste6.k) ;if (momentti>piste5 .momentti)return

*piste5.k) ;if(momentti>piste4 .momentti)return

*piste4.k) ;if (momentti>piste3 .momentti)return

*piste3.k) ;if (momentti>piste2 .momentti)return

*piste2.k) ;if (momentti>pistel .momentti )return

*pistel.k) ; ,.

return (pistel.lambda) ;

1

(piste7.lambda+ (momentti-piste7 .momentti)\

(piste6.1ambda+ (momentti-piste6.momentti) \

(piste5.1ambda+ (momentti-piste5.momentti) \

(piste4.1ambda+ (momentti-piste4 .momentti)\

(piste3.1ambda+ (momentti-piste3 .momentti)\

(piste2.1ambda+ (momentti-piste2 .mornentti)\

(pistel.lambda+ (momentti-pistel .momentti)\

/*************************************************************************//*T~m.3 funktio ajetaan aina kun analogia/digitaali-muunnos on valmis********************************************** ************************** **/

void atod doneo—(short hi,lo;short temp;*/Kaivetaan kanavanumero ja tulos kahdesta rekisterist2i*/lo=ad_result_lo;hi=ad_result_hi;temp=(lo&OxcO)>>6;hi=(hi<<2)&Ox3fc;temp=hiltemp;

switch (lo&Ox07)

{case CHANNEL O:ad cormnand=(CHANNEL 1) ;av_lambda+=temp;break ;— —

case CHANNEL l:ad command= (CHANNEL_O) ;av_momentti+=temp;break ;— —

}/*Jos 10 n~ytett~ kummaltakin kanavalta .lasketaan keskiarvo.T.3m3ntarkoituksena on suodattaa 50hz hairi6it&,joita esiintyy runsaastipy6rrevirtajarrun ympdrist&iss2i.*/

if(av_count>18) {av_count=O;rnomentti=av_momentti/lO;av_momentti=O;lambda=av_lambda/10;av lambda=O;l—J

else av count++;reset hs=(START AD,SAMPLE TIME); /*uusi n~yte lms kuluttua*/—)–

—

/**************************************************************************//*Tama funktio ajetaan aina kun prosessorin TIMER1 vuotaa yli.********************** ************************* ******************** *******/

void timer_ovfo

(if (overflow_flag<lO) overflow_flag++; /*jos

kone ei

else kierrosluku=O;

)

yli kymmenen kertaavarmaan kay*/

/**********************************+***************************************/

/*Pulssisuhdeulostulo tehddan talla funktiolla. Taajuus on noin 10hz.***************** ***************** ****************** ***************** *****/

void hso_into

5/2

{if (venttiili>700) venttiili=700; /*ei enemp~d kuin 70% */if(venttiili<l) venttiili=l;

mset_hso(HSOO_PINl SETIINT,60000) ; /*sewraavan kerran ulostulo y16s*/mset_hso(HSOO_PIN lCLEA.R,60*venttiili) ; /*aukioloaika ‘/mset_hso (SOFT_TIMERl IINT,31)OOO); /*s#i&Jt~jdnaktivointi*/1/***************************************************************************/

/*Puolalta tuleva kierroslukupulssi herdtt~~ t~m~n funktion.Kierrosluku las-ketaan edellisen ja t~m~n pulssin v.31isestdajasta,kun pulssien lukum~.%r~kierroksella on tiedossa.******************************* ****************************** *************/

void hsi_data_available( )

(unsigned long templ;unsigned short temp;

te”mp=hsi_time;templ=overflow_flag;templ=templ*Oxffff;if (overflow_flag<lO) {

templ=templ+temp;templ=templ-vanha;kierrosluku=RPM_CONST/templ;)

overflow_flag=O;vanha=temp;

}

/***************************************************************************//’ ohjelma-ajastin keskeytyksfunktio/* l-ajastin PI-sWt~j~ kiertoaika kytketty venttiilin taajuuteen (100ms)/* 2-ajastin hidas aika 50ms******************** ************************************************** *******/

void soft timer_into—{short err;short temp;temp=iosl;

if (temp&SOFT_TIMERl_EXP) (

err=asetusarvo-lambda;sum integral+=err;if(~um integral>MAX_SUMINTEGl) sum integral=MAX_SUMINTEGl;if (sum-integral<MIN SUMINTEGl) sum~integral=MIN_SUMINTEGl;output~err+512+sum Zntegral/10;—1

if (temp&SOFT_TIMER2_EXP) (reset hso(SOFT TIMER211NT,TIMER_HI) ;time~hi++; –

)}/*************************************************************************/

/*sarjaportin initialisointi funktio******************** ******************* ********************* ***************/

void init_ser_porto

(iocl=Ox26;baud rate=Ox4d;baud–rate=Ox8 O;sp_c~n=Ox09;

)

/**************************************************************************/

alien void main(void){char tila; /*toimintatila muuttuja*/

5/3

/*sarjaportin initialisointi*//*printf initiliasointi*/

/*keskeytyspalvelujen salliminen*/

init_ser_port ();init_putcharo ;hsi_mode=OxOl;iocO=OxOl;venttiili=400;asetusarvo=20;lambda=O;av count=O;av—momentti=O;av—lambda=O;ki~rrosluku=O;time_hi=O;int_mask=A D DONEl\

HYG~ SPEED_OUTPUTl\SOFT~TIMERl\HSI DATA Available\ ‘%TIMER OW–RF;

mset_hso (SOFT_?IMER2 lINT,TIMER_HI) ;ad_command=(CHANNEL_O) ;mset_hso(START_AD, 1000); /*ensimm~inen ad-muunnos*/mset_hso(HSOO_PINl SETIINT,25000) ;tila=ASLEEP;/**************************************************************************//* Tehd~dn t~t~ niinkauan kuin s~hk~~ riitt~~********************************* *******************************************/

for(;;) ,,

(switch (tila)

(

case LEVOSSA: { venttiili=O;if (kierrosluku>80) {tila=KAYNNISTYS;break ;

1case KAYNNISTYS: {venttiili=lO;

if (kierrosluku>400) tila=KAYNNISSA;if (kierrosluku<=80) tila=LEVOSSA;break ;

)

case KAYNNISSA: (venttiili=output;if (kierrosluku<=80) tila=LEVOSSA;break ;

)}if(time hi>20)

/*jos aikaa kulunnut Is*/{–time_hi=O;printf(”%d %d %d %d %d\r\n”, /*kerrotaan tilanne sarja- ‘/

kierrosluku, /*porttiin mahdollisesti kytke-*/asetusarvor /*tylle PC:lle*/lambda,momentti,venttiili) ;

asetusarvo=maarita_asetusarvo (); /*haetaan asetusarvo k~yraltti*/1

5/4

i {

—

r-

—

e.

i;

F-

mm. .

m

u, r*, I!

L2

w

1-’$$-’

-+4

g d+ l-h’--J&-%’

..“

WCC.

T1,

‘“

i

22-1 HI

I

1

—

+-l’

-’&-J+’w, r

“

L;:

1