Dieseleistä tuttu hiukkassuodatin nyt myös bensiinimoottoreihin – syynä korkeat pienhiukkaspäästöt

Uusi tiukka hiukkaspäästöraja koskee suorasuihkutusmoottoreita.

Uusille tyyppihyväksyttäville bensiinikäyttöisille autoille tuli syyskuun alussa 2017 uuden Euro 6c -normin käyttöönoton myötä sama hiukkaspäästön massaraja (PM 5 mg/km) kuin dieselautoilla on ollut jo vuodesta 2013 alkaen. Lisäksi sallittu hiukkasten enimmäislukumäärä (PN) on 6 x 10¹¹ kilometriä kohti.

Kaikille ensirekisteröitäville uusille autoille muutos astuu voimaan 1.9.2018. Jo käytössä olevia autoja muutos ei koske.

Tavoitteena hyvä suorituskyky

Uusi tiukka hiukkaspäästöraja koskee suorasuihkutusmoottoreita. Sen vuoksi suorasuihkutuksella varustetuissa bensiinimoottoriautoissa tarvitaan käytännössä hiukkassuodatin.

Aikaisemmin polttoaineen suihkutuksella varustetuissa bensiinimoottoreissa polttoneste suihkutettiin imusarjaan ennen venttiilejä, mutta kulutuksen pienentämiseksi ja suorituskyvyn kohentamiseksi on viime vuosina siirrytty bensiinin suorasuihkutukseen suoraan palotilaan.
Hiilidioksidipäästöjen eli polttonesteen kulutuksen pienentämiseksi bensiinimoottorien kehitystrendi on ollut viime vuosina iskutilavuuden pienentäminen (downsizing), suorasuihkutuksen käyttöönotto sekä turboahtaminen. Näin on voitu yhdistää pieni kulutus ja hyvä suorituskyky.

Tiukka hiukkasraja käy ongelmaksi

Ei niin hyvää, ettei jotain huonoakin: Tiukka hiukkasraja muodostuu ongelmaksi nykyisille suorasuihkutusta käyttäville turbomoottoreille, sillä uusissa moottoreissa bensiini ei kaikissa tilanteissa ennätä sekoittua ilman kanssa kunnolla ennen palamisreaktiota. Se aiheuttaa huonoa palamista, mikä johtaa pienhiukkasiin pakokaasuissa.

Suorasuihkutuksella varustettujen bensiinimoottorien hiukkaspäästöt ovat kasvaneet jopa dieseleitä suuremmiksi. Siksi niille tuli tiukat päästörajat.

Suodatin voi nostaa päästöjä

Dieseleihin on asennettu hiukkassuodattimia vakiovarusteeksi jo vuosikausia. Hiukkassuodatin tulee olemaan ratkaisu myös suorasuihkutuksella varustettujen bensiinimoottorien hiukkaspäästöjen hillitsemiseksi.

Hiukkassuodatinkaan ei ole ihan puhdas pulmunen: Kun yhtä päästölajia pienennetään, toinen voi kasvaa. Dieselmoottoreissa hiukkassuodatin on nostanut hiilidioksidipäästöjä eli kulutusta hiukan ja lisännyt lähinnä kaupunkiliikenteessä haitallisten typpidioksidipäästöjen (NO2) osuutta.

Miten käy kulutuksen?

Bensiinimoottoreissa on jo vuosikymmeniä ollut vakiona tehokas kolmitoimikatalysaattori, joka vähentää tehokkaasti säänneltyjä päästöjä kuten hiilimonoksidi (CO), palamattomat hiilivedyt (HC) ja typen oksidit (NO_x).

Herää kysymys, miten hiukkassuodattimen käyttöönotto vaikuttaa käytännössä bensiinimoottorien kulutukseen ja typenoksidipäästöihin?

Tähän saadaan kohta vastauksia myös uuden, entistä vaativamman WLTP (Worldwide Harmonised Light Vehicle Test Procedure) -normimittauksen myötä.

Tosin nyt on siirtymäaika, jolloin käytössä on sekä uusia WLTP-arvoja sekä vanhoja NEDC-normin mukaisia arvoja. Verotusteknisistä syistä WLTP-arvot muunnetaan laskennallisesti NEDC-arvoihin vuoden 2021 alkuun saakka, jolloin siirrytään pelkästään WLTP-arvoihin.

Laskennallisissa NEDC-arvoissa voi olla epätarkkuuksia, mikä siirtymäaikana vaikeuttaa vertailua.

VTT:n Laurikko: vaikutukset arvailujen varassa

– Bensiinimoottoreissa typen oksidipäästöt (NO_x) ovat kolmitoimikatalysaattorin ansiosta tyypillisesti alle puolet dieselin vastaavista ja NO2:n osuus vain noin viidesosa dieselin tasosta. joten typen oksidipäästöt tuskin aiheuttavat ongelmia bensiinimoottorille hiukkassuodattimen kanssa, VTT:n johtava tutkija Juhani Laurikko arvioi.

Hiukkassuodattimen mahdollinen vaikutus hiilidioksidipäästöjen ja kulutuksen lisääntymiseen on Laurikon mukaan toistaiseksi arvailujen varassa, koska vielä ei ole käytössä vertailukelpoisia mittaustuloksia.

– Hiukkassuodatin aiheuttaa pakoputkistossa virtaushäviöitä ja lisää putkiston vastapainetta hiukan. Lisäksi hiukkassuodattimen puhdistus vaatinee tietyin välein regenerointia eli puhtaaksipolttoa rikkaalla polttoaineen ja ilman seoksella. Bensiinimoottorissa on dieselmoottoria korkeampi pakokaasun lämpötila, joten tätä aktiivista apua ei pitäisi tarvita niin usein, Laurikko taustoittaa.

– Tämä on kuitenkin teoriaa ja vasta käytäntö ja vertailevat mittaukset tulevat osoittamaan, mitä sivuvaikutuksia hiukkassuodattimella on bensiinikäyttöisen suorasuihkutusmoottorin muille säännellyille päästöille, suorituskyvylle ja polttoainetaloudellisuudelle.

Ajossa tehtävä tiukka testi

WLTP-laboratoriomittauksen lisäksi tehdään liikenteessä ajettava RDE-testi. RDE on lyhenne sanoista Real Driving Emissions ja se tarkoittaa lisätestiä maantieolosuhteissa, jolla varmennetaan vaatimuksenmukaisuus auton pakokaasujen NO_x-päästöjen ja hiukkaslukumäärän osalta tavanomaisissa ajo-olosuhteissa tarkoin määritellyllä ajoreitillä ja ajo-ohjelmalla.

RDE-testissä on hiukkaspäästöjen raja-arvojen osalta vastaava kerroin, kuten NO_x-päästöissä (aluksi 2,1 ja myöhemmin 1,5) laboratoriossa mitattuihin päästöihin verrattuna.

Hiukkassuodattimet yleistymässä nopeasti

Esimerkiksi Mercedes-Benz on käyttänyt Faurecian toimittamaa tekniikkaa jo joitain vuosia S 500 -mallissaan ja yhtiö aikoo lisätä suodattimilla varustettujen mallien määrää tulevaisuudessa. Myös Faurecia on ilmoittanut tekniikkansa olevan jatkossa koko alan käytettävissä.

Bensiinimoottoreiden yhteydessä käytettävä hiukkassuodin on valmistettu bensiinimoottorin korkeita lämpötiloja paremmin kestävästä kordieriitista dieseleiden käyttämän silikonikarbidin sijaan, mutta toimii pääpiirteittäin samalla tavalla.

Saksalaisen Auto, Motor und Sport -lehden (AMS 1/2018) katsauksen mukaan hiukkassuodatin on jo seuraavissa bensiinimalleissa tai tulossa lähiaikoina seuraaviin automalleihin:

Audi A5 Coupé 2.0 TFSI S tronic (140 kW) vakiona, ei tietoa aikataulusta muihin malleihin.

BMW X3 -bensiinimalleissa vakiona, myöhemmin tulee kaikkiin BMW-bensiinimalleihin.

Mercedes-Benz S 500, S 450 ja S 560 vakiona. Vuoden 2018 puolivälissä kaikkiin Mercedes-Benz -bensiinimalleihin.

Volkswagen Tiguan 1.5 TSI vakiona, ei tietoa aikataulusta muihin malleihin.

Volvo, tilattavissa XC40-, S90- ja V90-malleihin, huhtikuusta 2018 alkaen vakio kaikissa Volvon bensiinimalleissa.

Mallimuutosten yhteydessä hiukkassuodatin tullee ennen pitkää lähes kaikkiin suorasuihkutuksella varustettuihin bensiinimoottoreihin, sillä Euro 6c -päästömääräyksiä on hiukkaspäästöjen osalta vaikea täyttää ilman hiukkassuodatinta.

Toinen vaihtoehto on kaksoisruiskutusjärjestelmä, jossa tilanteesta riippuen polttoaine annostellaan joko suoraan palotilaan, tai toisen suutinsarjan kautta imusarjaan, kuten perinteissä moottoreissa. Tällaisia moottoreita on tuotannossa muun muassa Audilla ja Toyotalla.

Teksti: Timo Turkula, kuva: Volkswagen