Bensiinistä vetyyn – Polttoainejärjestelmän ja moottorinohjauksen suunnittelu
Bensiinimoottori voidaan muuttaa toimimaan myös vedyllä, mutta se vaatii muutoksia polttoainejärjestelmään ja moottorinohjaukseen. Vedyn erilaiset palamisominaisuudet on otettava huomioon erityisesti polttoaineen syötössä ja sytytyksen hallinnassa. Turun ammattikorkeakoulun 3D vetyMoottorit -hankkeessa kehitetään ratkaisuja, joiden avulla perinteistä polttomoottoria voidaan hyödyntää vetykäytössä.
Ilmastonmuutoksen hillitseminen lisää tarvetta kehittää polttomoottorijärjestelmiä, joissa bensiinin sijaan voidaan käyttää vaihtoehtoisia energialähteitä, kuten vetyä. Vety on yksi mahdollinen tulevaisuuden polttoaine, sillä sen palaessa polttoaineesta ei muodostu hiilidioksidia. Vedyn ominaisuudet asettavat kuitenkin moottorille uusia vaatimuksia, joten bensiinimoottorin muuttaminen vetykäyttöiseksi ei onnistu pelkästään polttoainetta vaihtamalla.
Muutoksen kohteena on Mosa-aggregaatti, jossa käytetään yksisylinteristä Honda GX390 -bensiinimoottoria. Suunnittelun lähtökohtana on säilyttää mahdollisimman paljon moottorin alkuperäistä rakennetta. Keskeisimmät muutokset kohdistuvat polttoaineen syöttöön ja moottorinohjaukseen.
Vety syötetään moottoriin sähköisesti ohjatulla ruiskutuksella
Vetyä voidaan syöttää moottoriin erilaisilla menetelmillä. Yksinkertaisissa mekaanisissa järjestelmissä polttoaineen määrää ei kuitenkaan pystytä säätämään kovin tarkasti. Tämän vuoksi järjestelmään valitaan sähköisesti ohjattu kaasunsyöttö. Sen avulla voidaan säätää sekä vedyn määrää että ruiskutusajankohtaa. Tässä työssä vedyn syöttötavaksi valitaan porttiruiskutus. Siinä vety ruiskutetaan moottorin sylinterikannen imukanavaan, josta se kulkeutuu ilman mukana sylinteriin. Ruiskutukseen käytetään Bosch NGI-2-K -kaasusuutinta, joka sijoitetaan imukanavaan.
Moottorin alkuperäinen kaasutin säilytetään ilmamäärää säätävänä kaasuläppänä. Näin järjestelmä pysyy yksinkertaisempana, eikä erillistä sähköistä kaasuläppää tarvita. Ratkaisu mahdollistaa myös moottorin käynnistämisen aluksi bensiinillä.
Moottorinohjaus huolehtii polttoaineen ja sytytyksen säädöstä
Vedyn palamisominaisuudet poikkeavat bensiinistä. Vety syttyy herkästi, minkä vuoksi moottorissa on huomioitava ennenaikaisen syttymisen ja imukanavassa tapahtuvan palamisen riskit. Niitä voidaan vähentää esimerkiksi käyttämällä laihaa polttoaineseosta eli seosta, jossa on tavallista enemmän ilmaa suhteessa polttoaineeseen (White ym. 2006). Moottorinohjauksella säädetään polttoaineen määrää ja sytytysajankohtaa moottorin toiminnan mukaan. Säätöä varten tarvitaan tietoa esimerkiksi moottorin pyörintänopeudesta ja kuormituksesta.
Ohjainlaitteeksi valitaan MoTeC M130, jossa käytetään GP Lite -ohjelmistoa. Sen etuna on oppilaitoksessa jo oleva kokemus kyseisestä järjestelmästä. Lisäksi ohjainlaite tarjoaa mahdollisuuksia järjestelmän myöhempään kehittämiseen. Moottorin kuormitusta mitataan imusarjan painetunnistimella ja polttoaineseoksen koostumusta seurataan laajakaistalambda-anturilla. Pyörintänopeuden mittaamiseen voidaan aluksi käyttää vauhtipyörälle sijoitettavaa Hall-anturia. Myöhemmin järjestelmään voidaan lisätä tarkempi kampi- ja nokka-akselin asennon tunnistus.
Vedyn syöttöpaineella ja ruiskutusajalla on suuri merkitys
Vedyn ruiskutuksessa on tärkeää, että moottori saa riittävästi polttoainetta oikeaan aikaan. Ruiskutukseen käytettävissä oleva aika lyhenee moottorin pyörintänopeuden kasvaessa. Laskelmien perusteella lyhyempi ruiskutusaika vaatii korkeamman syöttöpaineen, jotta moottoriin ehditään ruiskuttamaan tarvittava määrä vetyä. Sopivan ruiskutussuuttimen valinnassa onkin huomioitava sekä syöttöpaine että käytettävissä oleva ruiskutusaika. Laskelmat antavat suuntaa järjestelmän mitoitukselle. Valitun kaasusuuttimen soveltuvuus vetykäyttöön ja sen riittävä syöttökyky on kuitenkin varmistettava vielä käytännön testeillä.
Suunnitelma luo pohjan käytännön toteutukselle
Bensiinimoottorin muuttaminen vetykäyttöiseksi vaatii ennen kaikkea polttoaineen syötön, sytytyksen ja moottorinohjauksen yhteensovittamista. Sähköisesti ohjatulla ruiskutuksella voidaan hallita vedyn annostelua ja säätää moottorin toimintaa eri käyttötilanteissa.
Turun ammattikorkeakoulun 3D vetyMoottorit -hankkeessa laadittu suunnitelma tarjoaa lähtökohdan Mosa-aggregaatin muuttamiselle vetykäyttöiseksi. Seuraavassa vaiheessa voidaan testata valittuja komponentteja, varmistaa järjestelmän toimivuus ja kehittää moottorinohjauksen säätöjä käytännön mittausten avulla.
Artikkeli on osa Moottori- ja voimalinja -tutkimusryhmän julkaisuja.
Lähteet
White, C. M., Steeper, R. R. & Lutz, A. E. 2006. The hydrogen-fueled internal combustion engine: A technical review. International Journal of Hydrogen Energy, 31(10), 1292–1305. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2005.12.001
Maikola, V. 2026. Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyö.
Kuva: ChatGPT