Itä-Suomen yliopiston ja Tampereen yliopiston yhteisessä tutkimuksessa pureuduttiin ajoneuvojen polttoaineenkulutukseen ja päästöihin kylmissä talviolosuhteissa.
Erityisenä kiinnostuksen kohteena olivat kylmäkäynnistyksen päästöt ja esilämmityksen vaikutus niihin. Tulosten perusteella esilämmittämisen hyödyt niin polttoainetalouden kuin päästöjenkin kannalta ovat vähäisiä. Tutkimuksen tuloksia on julkaistu kahdessa tieteellisessä artikkelissa.
Applied Energy -lehdessä julkaistun tutkimuksen (Olin ym., 2023) tulokset osoittavat, että erityisesti dieselkäyttöisillä ajoneuvoilla kylmäkäynnistys on haastavaa Suomen talviolosuhteissa. Mittauskampanjan aikana ulkolämpötilat laskivat jopa −28 celsiusasteeseen, ja tämä näkyi myös autojen päästöissä. Mittauskampanjassa ajettiin reittiä, jolle pyrittiin tuomaan samoja elementtejä kuin tyypillisessä työmatka-ajossa. Reitti sisälsi ajoa niin taajama- kuin maantienopeuksissakin, sekä risteys- ja liikennevalotyyppisiä pysähdyksiä.
Autoilla ajettiin sama reitti kolmenlaisissa tilanteissa: kylmäkäynnistyksen jälkeen, esilämmitettynä ja moottori ajettuna lämpimäksi. Kylmäkäynnistyksen jälkeen moottorin jäähdytysneste tarvitsi lähes koko ajon (13,8 km, noin 19 minuuttia) saavuttaakseen optimaalisen toimintalämpötilansa (>60 °C). Tutkituissa ajoneuvoissa oli asennettuna joko sähkö- tai polttoainekäyttöinen esilämmitin.
Tutkijatohtori Ville Leinonen kertoo, että tehokkaat esilämmittimet (väh. 1 kW) auttoivat kyllä moottorin jäähdytysnesteen lämmittämisessä ennen käynnistämistä, mutta nekään eivät merkittävästi nopeuttaneet toimintalämpötilaan pääsyä. Korkeampi käynnistyslämpötila paransi ennen kaikkea ajoneuvon käyttömukavuutta, tarjoten lämpimämmän matkustamon ja estäen ikkunoiden jäätymistä. Lisäksi autovalmistajien mukaan se voi vähentää moottorin kulumista kylmissä käynnistyksissä.
Tutkimuksessa havaittiin hieman pienempää kokonaispolttoaineenkulutusta (10–20 %) kun auto oli ajettu lämpimäksi verrattaessa sitä kylmäkäynnistyksen jälkeiseen ajoon. Kuudesta tutkitusta ajoneuvosta kahdella, jotka molemmat olivat varustettu polttoainekäyttöisillä lisälämmittimillä, havaittiin pieniä polttoainesäästöjä esilämmityksen ansiosta. Näilläkin ajoneuvoilla moottorin esilämmitys ennen käynnistämistä auttoi vähentämään polttoaineen kulutusta vain alle 4 prosenttia verrattuna kylmäkäynnistyksiin.
Tutkimusjohtaja Santtu Mikkonen huomauttaa kuitenkin, että lasketuissa polttoainesäästössä ei huomioitu lisälämmittimien polttoaineen tai sähkön kulutusta. Kun otetaan huomioon myös 30 minuutin esilämmitysjakson polttoaineenkulutus, päädytäänkin esilämmityksen jälkeen ajetulla kierroksella kokonaisuudessaan 26–37 prosenttia korkeampaan polttoaineenkulutukseen, kuin kylmäkäynnistyksen jälkeen ajetulla kierroksella. Lisäksi esilämmitys heijastuu myös ajon kokonaispäästöihin.
Tämä tulos vahvistaa, että polttoainekäyttöisten lisälämmittimien käyttöä ei voi oikeuttaa paremman polttoainetalouden tai pienempien päästöjen kannalta todellisessa ajossa kylmissä lämpötiloissa. Kuitenkin, jos tarkastellaan ajoneuvon koko elinkaarta, esilämmityksen hyödyt voivat ilmetä moottorin voiteluaineen ja moottorin itsensä pidemmän käyttöiän kautta, mutta näitä tekijöitä ei tässä tutkimuksessa voitu tarkastella.
Esilämmitys ei vaikuta hiukkaspäästöihin
Tampereen yliopiston apulaisprofessori Panu Karjalainen nostaa esiin, että luonnollisena seurauksena kokonaispolttoaineenkulutuksesta saaduille havainnoille esilämmitys ei vaikuttanut merkittävissä määrin myöskään hiukkaspäästöihin. Hiukkasten lukumääräpitoisuudet olivat jopa satakertaisia verrattuna päästösäännöksissä uusille autoille määriteltyihin rajoihin.
Tämä selittynee osittain sillä, että säädökset ottavat huomioon vain kiinteät hiukkaset, jotka ovat suurempia kuin 23 nanometriä ja että säädökset koskevat lämpimässä tehtyjä päästömittauksia. Mittauksissa havaittiin suuria pitoisuuksia tätä kokoluokkaa pienempiä hiukkasia, jotka saattoivat olla myös osin nestemäisiä.
Vaikka dieselajoneuvojen hiukkassuodattimien pitäisi kerätä päästöstä lähes kaikki hiukkaset, havaittiin kuitenkin ajossa merkittävä määrä hiukkaspäästöjä myös dieselautoilla, joissa oli polttoainekäyttöiset lisälämmittimet. Tämä selittynee lisälämmittimien ajonaikaisilla päästöillä; lämmittimet näet toimivat automaattisesti myös ajon aikana, kun tarvitaan lisälämpöä moottorille tai matkustamolle. Lisälämmittimien vaikutus ajonaikaisiin päästöihin korostuu, koska lämmittimille ei ole vastaavanlaista päästöjen jälkikäsittelyä kuin moottoripäästöille.
Hiukkasmassan ja mustan hiilen päästöissä eroja eri ajotilanteissa
Toisin kuin hiukkasten lukumääräpäästöjen tapauksessa, hiukkasten massan, mustan hiilen ja typenoksidien päästöjen kohdalla päästöissä havaittiin eroja eri ajotilanteiden välillä. Hiukkasmassan ja mustan hiilen päästöt olivat pienemmät lämpimäksi ajetulla moottorilla ajettaessa kuin kylmäkäynnistyksissä, erityisesti bensiinikäyttöisillä ajoneuvoilla. Suurimmillaan hiukkasmassan vähennysten havaittiin olleen 85 prosenttia koko kierroksen aikana ja 99 prosenttia alkutyhjäkäynnin ja reitin alkuosan ajon aikana.
Typenoksidien päästöt olivat lämpimäksi ajetulla moottorilla ajettaessa 1–90 prosenttia pienemmät kuin kylmäkäynnistyksen jälkeen, ajoneuvosta riippuen. Kuitenkin esilämmityksen aikaansaamia etuja hiukkasmassan päästöjen vähentämiseen havaittiin vain yhdessä bensiiniajoneuvossa, jossa nämä päästöt vähenivät 72 prosenttia, ja yhdessä dieselajoneuvossa, jossa vähennys oli 24 prosenttia. Mustan hiilen päästöjen osalta esilämmityksestä havaittiin vain vähäisiä hyötyjä. Typenoksidien päästöjen osalta merkittäviä etuja esilämmityksestä havaittiin vain yhdessä bensiiniajoneuvossa, jossa vähennys oli 41 prosenttia. Huomattavaa on, että ottamalla myös lisälämmittimen päästöt kokonaiskuvaan, typenoksidien päästöjen vähennys onkin enää vain 15 prosenttia. On huomionarvoista, että sähköisten esilämmittimien ei havaittu tuovan merkittäviä etuja polttoaineenkulutukseen tai minkäänlaisten päästöjen vähentämiseen.
Dieselajoneuvojen osalta esilämmittimien osuus typenoksidien kokonaispäästöistä ei ollut yhtä suuri kuin bensiiniajoneuvoilla, koska dieselajoneuvojen ajonaikaiset typenoksidipäästöt olivat huomattavasti korkeammat. Vaikka kaikki tutkitut ajoneuvot ylittivät typenoksidien päästösäännösten rajat, suurimmat ylitykset havaittiin dieselajoneuvoilla, jopa 21-kertaisina. On huomionarvoista, että yhden dieselajoneuvon typpioksidipäästöt ylittivät sääntelyrajan 12-kertaisesti, vaikka siihen oli asennettuna typenoksidien päästöjä vähentävä SCR-järjestelmä. Tämä viittaa siihen, että SCR-järjestelmä ei toiminut kunnolla kylmissä lämpötiloissa.
Leinonen nostaa vielä esiin ongelman, joka tutkimusta tehtäessä havaittiin: yleisesti käytettävät päästökertoimien laskentamenetelmät soveltuivat huonosti mittauksien vaihtelevaan ajoon ja olosuhteisiin. Ongelman ratkaisemiseksi kehitettiin uusia laskennallisia menetelmiä, jotka toimivat päästökertoimien määrityksessä vaihtelevissa olosuhteissa. Menetelmien vertailu ja uudet menetelmät esiteltiin Atmospheric Measurement Techniques -lehdessä (Leinonen ym., 2023).
Esilämmityksen kaikkia hyötyjä ja haittoja ei tiedetä
Yhteenvetona voidaan todeta, että esilämmityksen käyttäminen pelkästään paremman polttoainetalouden ja pienempien päästöjen näkökulmasta ei saa tukea todellisessa ajossa tutkituissa kylmissä lämpötiloissa. Toki, erilaisissa ajotilanteissa ja huomioiden ajoneuvojen koko elinkaaren päästöjä saatettaisiin päätyä hieman erityyppisiin päätelmiin. Tutkitut päästöt, mukaan lukien hiukkas- ja typenoksidipäästöt, osoittivat joitain vähennyksiä ajoneuvoille, joissa oli polttoainekäyttöiset lisälämmittimet. Nämä hyödyt kuitenkin pienenevät merkittävästi tai jopa kumoutuvat, kun otetaan huomioon myös lisälämmittimen polttoaineen kulutus ja päästöt esilämmitysjakson aikana.
Lisäksi on huomattava, että esilämmityksestä voisi olla hyötyä tässä tutkimuksessa mittaamattomien päästöjen, kuten tiettyjen hiilivetyjen päästöihin. Tulee myös muistaa, että nämä päästöt polttoaineella toimivista esilämmittimistä voivat olla korkeampiakin vähäisemmän jälkikäsittelymenetelmän vuoksi ja siten jopa kumota esilämmityksen edut näidenkin päästöjen osalta.
Tutkimus toteutettiin Jane ja Aatos Erkon säätiön rahoituksella ja se on myös osa Suomen Akatemian ACCC-lippulaivan sisäistä yhteistyötä.
Lisätietoja:
Tutkijatohtori Ville Leinonen, Itä Suomen yliopisto, Teknillisen fysiikan laitos, ville.j.leinonen@uef.fi, p. +358 50 351 7579
Tutkimusjohtaja Santtu Mikkonen, Itä-Suomen yliopisto, Ympäristö- ja biotieteiden laitos, santtu.mikkonen@uef.fi, p. +358 40 355 2319
Assist. Prof. Panu Karjalainen, Tampereen yliopisto, Aerosolifysiikan laboratorio, panu.karjalainen@tuni.fi, p. +358 45 3592979
Viitteet:
Olin M., V. Leinonen, S. Martikainen, U.-V. Mäkinen, H. Oikarinen, S. Mikkonen & P. Karjalainen (2023). Engine preheating under real-world subfreezing conditions provides less than expected benefits to vehicle fuel economy and emission reduction for light-duty vehicles. Applied Energy, 351, 121805, doi:10.1016/j.apenergy.2023.121805.
Leinonen, V., Olin, M., Martikainen, S., Karjalainen, P., and Mikkonen, S. (2023). Challenges and solutions in determining dilution ratios and emission factors from chase measurements of passenger vehicles.
Atmos. Meas. Tech., In Press , doi:10.5194/amt-2023-77.
