Sähkölämmitteinen katalysaattori tulossa 6.05.2021 Juha Kiiskinen

Pakokaasupäästöjä tulevaisuudessa säätelevä Euro 7-normi on vielä luonnostelu- ja lobbausvaiheessa. Kuitenkin jo nyt on tiedossa, että polttomoottorin kylmäkäynnistyksen jälkeisten päästöjen merkitys tulee korostumaan.  Päästömäärien suhteen tapahtunee tavanomaista normi-normilta kiristymistä, aivan kuten tähänkin saakka.

Ajoneuvojen valmistajille sekä niiden järjestelmä- ja tavarantoimittajille tämä tarkoittaa uutta pohdittavaa. Koska ilmaston huomioonottavilla ja ekologisilla arvoilla on aikaisempaa suurempi painoarvo, ovat valmistajat olleet hyvissä ajoin liikkeellä varmistamassa polttomoottoritekniikan hyväksyttävyyttä 2020-luvun jälkipuoliskollakin. Sähkölämmitteinen katalysaattori on yksi lähitulevaisuuden ratkaisuista.

Päästöt muodostuvat kylmässä

Moottorin ja pakoputkiston lämmettyä pakokaasujen haitallisia lähipäästöjä kehittyy sangen vähän, sillä tässä vaiheessa on päästöjenpuhdistuksen teho lähenee optimaalista.

Talvipakkasella tämän saavuttaminen saattaa kestää minuutteja. Ajoneuvo on voinut edetä useamman kilometrin, ennen kuin katalysaattorien puhdistustoiminnan kannalta tarvittava syttymislämpötila saavutetaan.

Lyhyesti ilmaistuna suurin osa WLTP-mittaussyklin pakokaasujen haitallisista lähipäästöistä muodostuu suhteellisen lyhyellä aikajänteellä moottorin käynnistyksen jälkeen. 

Typpioksideja ja pienhiukkasia

Dieselmoottoreiden tapauksessa ongelmallisten typpioksidipäästöjen (NOx) suhteen on kehitetty esimerkiksi urealisäaineen kaksoisruiskutus ja kaksi pelkistävää SCR-katalysaattoria. Tämän avulla päästöjenpuhdistuksen tehokkaan toiminnan lämpötilaikkunaa voidaan laventaa.

Tällaiseen urealisäaineen ”Twin-Dosing”-ratkaisuun on uusien tai uusittujen dieselmoottoreidensa tapauksessa päätynyt Volkswagen-konserni. Myös Scania – joka itse asiassa on osa VW-konsernia – on päivitetyssä V8-dieselmoottorissaan (Suomen Autolehti 5/2021) ottanut käyttöön kahden urearuiskutussuuttimen toteutuksen.

Suorasuihkutuksella varustetuissa bensiinimoottoreissa on päästötestien kiristäminen johtanut ottomoottoreille sovitettujen hiukkassuodattimien käyttöönottoon.

Nykyinen Euro 6d-päästötaso on vaatinut aiemaa vähäpäästöisempää tekniikkaa, mutta jatkossa tämäkään ei tule riittämään.

Huomattiin jo vuosia sitten

Jo vuosia sitten uusien autojen moottorielektroniikkaa diagnosoitaessa huomattiin, että näiden ajoneuvojen moottorinohjausjärjestelmän OBD-osiossa oli varaus sähkölämmitteiselle katalysaattorille, mutta missään sellaista ei ainakaan tuolloin tullut vastaan.

Maahantuojien ja vastaavien toimijoiden kouluttajapiireissä toki ymmärrettiin, että kyse oli tarpeesta pienentää kylmäpäästöjä – jos ei nyt niin jatkossa –, mutta samalla arvioitiin, että tavallisella 12 voltin sähköjärjestelmällä lämmitysvirran tarve nousisi varsin suureksi. Tämä puolestaan kasvattaisi polttoaineenkulutusta latausgeneraattorin rankasti lisääntyneen kuormituksen myötä. Tuohon aikaan rekuperaatio (ts. regenerointi) eli liike-energian talteenotto myöhempää käyttöä varten oli vielä täysin scifiä.

48 V kevythybriditekniikka avaa näkymiä

48 voltin jännitetasolla toimiva kevythybriditekniikka tarjoaa mielenkiintoisen katsantokulman myös pakokaasujen päästötaseen optimoinnin suhteen.

48 voltin käynnistingeneraattori tukee polttomoottoria ja keventää sen rasitusta, jolloin moottorilta lähtevät pakokaasujen puhdistamattomat raakapäästöt pienenevät yksinkertaisesti sen vuoksi, että polttoainetta on palanut vähemmän.

Lisäksi kevythybrideissä on 48 voltin akku, jota nopeasti purkautuvan ja latautuvan virtapufferin tavoin voitaisiin käyttää pakoputkiston tiettyjen puhdistuskomponenttien lämmittämiseen.

Tällä tavoin pakokaasujenpuhdistuksen kylmäkäyttövaihe jäisi lyhyemmäksi. Mikäli edellä kuvattu saataisiin toimimaan tehokkaalla hyötysuhteella, olisi ajoneuvotekniikan insinööritieteissä jälleen otettu pieni kehitysaskel eteenpäin.

Vitescon kompakti ratkaisu

Vitesco Technologies, mikä on vuonna 2019 perustettu ja Continental AG:n omistuksessa oleva hybridi- ja sähköajoneuvojen voimalaite- ja järjestelmätoimittaja, ilmoittaa kehittäneensä kompaktin katalysaattorilämmityksen 48 voltin kevythybridijärjestelmiin, joissa polttomoottorina käytetään dieselvoimalaitetta.

Vitescon mukaan sen kehittämä sähkölämmitteinen EMICAT® e-katalysaattori varmistaa päästöjenpuhdistuksen ripeän heräämisen ylläpitäen korkealuokkaista puhdistustehoa myös tilanteissa, joissa moottorin pakokaasuvirtaus ei ole riittävää ja/tai riittävän kuumaa pitääkseen katalysaattorivarustuksen tehokkaan toiminnan kannalta optimaalisessa lämpötilaikkunassa.

Vitescon 48 voltin e-katalysaattoritekniikka koostuu sähkölämmitteisestä katalysaattorikiekosta ja sen myötä sovitetusta päästöjenpuhdistuskokonaisuudesta.

Lähes 5 kilowatin lämmitysteho

Sähkölämmitteisen katalysaattorikiekon lämmitysteho voi nousta lähes viiteen kilowattiin, ja 48 voltin sähköjärjestelmän akkua ensisijaisesti ladataan hyödyntämällä auton liike-energiaa nopeuden hidastuessa.

WLTP-mittauksessa NOx-päästöjä on muodostunut 40 % vähemmän, kun CO₂-päästöt ovat nekin pudonneet 3 %. Erityisen hitaaksi mainitussa ”Traffic for London”-mittaussyklissä dieselmoottorin kehittämät NOx-päästöt ovat vähentyneet jopa 62 %.

Vitescon mukaan yhtiö aloittaa vuoden 2022 aikana merkittävät järjestelmätoimitukset eurooppalaiselle autovalmistajalle, joka tulee käyttämään Vitesco EMICAT® e-katalysaattoritekniikkaa kahdessa dieselmoottorilla ja 48 voltin kevythybriditekniikalla varustetussa kevyessä hyötyajoneuvossa.