TEHOTARVE KASVANUT HURJASTI

Transkriptio

1 Maatalouskoneiden Mauno Ylivakeri TEHOTARVE KASVANUT HURJASTI Traktorit ja työkoneet suurenevat jatkuvasti K aikilla merkittävillä traktoritehtailla on tarjolla noin 300 kw:n tehoiset perinteiset nelivetotraktorit. Fendt julkisti uusimman, ehkä markkinoitten tähän asti suurimman nelivetotraktorin, Fendt 1050 Varion. Siinä on 12,4 litran MAN-moottori 368 kw:n teholla. Painoa on 14 tonnia ja maksiminopeus jopa 60 km/h. Sen valmistus alkaa kuluvana vuonna. Maatalouteen tarkoitetuissa runko-ohjatuissa ja kumitelatraktoreissa tehoa on tarjolla parhaimmillaan lähes 500 kw. Syynä tehojen kasvuun on tilakoon suureneminen läntisessä maailmassa ja maatalouden voimakas mekanisoituminen sekä kustannuskilpailu. Nykyi- sin isoilla koneilla työt hoituvat pienelläkin työvoimalla nopeasti ja oletattavasti myös kustannustehokkaammin. Sama trendi on Itä-Euroopassakin, jossa kolhoosien yksityistämisen myötä on muodostunut suuria tiloja. Isompien tehojen hyödyntäminen perustuu moneen tekijään. Muun muassa ajonopeudet ovat kasvaneet, traktorin paino ja renkaat ovat suurentuneet samoin kuin traktorien työkoneet. Myös voimansiirto, varsinkin portaaton cvt-vaihteisto, on kehittynyt. Jousitukset pyörillä, ohjaamoissa ja istuimissa ovat yleistyneet ja kehittyneet. Elektroniikka koko traktorissa on yleistynyt ja kehittynyt muun muassa moottorissa, voimansiirrossa, hydrauliikassa, gps-navi kw 500 Traktorit Puimurit Trendi, traktorit Trendi, puimurit goinnissa ja työkoneiden ohjauksessa. Moottorin ns. moniteho-ominaisuus on yleistynyt elektroniikan tukemana. Tällöin eri voimansiirtolinjoja voidaan hyödyntää tehokkaasti niitä kuitenkaan ylikuormittamatta. Kaikkien osa-alueitten elektroniikat on kytketty can-väylällä yhteiseksi optimoiduksi ajoneuvon ohjausjärjestelmäksi. Moottoreiden tehotiheys on kasvanut Moottorien tehoja on voitu kasvattaa myös nostamalla moottorien tehotiheyttä. Nykyisten traktorimoottoreiden tehotiheys eli ns. litrateho voi yltää kilowattiin. Se on noin kolminkertainen vanhoihin luvun ahtamattomiin dieselmoottoreihin verrattuna, joissa se oli luokkaa 11 12,5 kw/litra (ks. kaavio seuraavalla aukeamalla). Tehotiheyden noston ovat mahdollistaneet muun muassa Traktoreiden ja puimureiden tehojen trendit 700 Euroopassa ja Yhdysvalloissakin luvun taitteessa hoidettiin isojenkin tilojen työt kw:n traktoreilla ja puimureilla. Nykyisin isoimpien perinteisten nelivetotraktoreiden vauhtipyörätehot ovat kw. Puimureissa tehot yltävät jo kilowattiin. Vajaan puolivuosisadan aikana traktoreiden ja puimureiden tehontarve markkinoilla on kasvanut 4 5-kertaiseksi ja osin jopa enemmänkin. On ilmeistä, että tehojen kasvu jatkuu myös tulevaisuudessa turboahtamisen, välijäähdytyksen ja elektronisesti ohjatun korkeapaineisen yhteispaineruiskutuksen sekä scr-tekniikan hyödyntäminen. Tehotiheyden kasvaessa mäntä joutuu lujille sekä mekaanisesti että lämpörasituksellisesti. Palamispaineet ovat sylinterissä nousseet maksimissaan jo yli 200 baarin, kun ne aikoinaan ahtamattomissa moottoreissa olivat reippaasti alle 100 baaria. Perinteisistä alumiiniseoksesta tehdyistä männistä ollaan siirtymässä, ja osin on jo siirryttykin, valurauta- tai teräsmäntiin. Tehotiheyden nostoa kutsutaan automaailmassa ns. downsizing -trendiksi (eli ns. koon pienentämistrendiksi). Työkoneissa haluaisin sitä kutsuttavan ns. rightsizing -trendiksi (eli ns. oikean koon trendiksi), koska niissä moottorit kuormittuvat tietyissä töissä pitkiäkin aikoja lähes 100-prosenttisesti. Traktoreiden ja puimureiden tehot ovat kasvaneet melkoisesti EU:ssa ja Pohjois-Amerikassa. Tehojen kasvutrendi näyttää edelleen jatkuvan.

2 Esimerkkejä isoista traktoreista: Valtra S374 ja MF8737 (alinna) käyttävät samaa Agco Power 8,4 litran moottoria, jonka suurin teho on 294 kw. JD 8370:ssä on JD:n oma 9,0 litran moottori 303,5 kw:n teholla. KUVA: TIMO MIKKOLA Fendt 1050 Vario on uusin ja suurin. Moottori on 12,4 litran MAN 368 kw:n teholla. 63

3 Työkonedieselmoottoreiden tehotiheyden kasvu on vahva trendi. Turboahtaminen lisäsi tehotiheyttä lukujen taitteessa. Välijäähdytin mahdollisti tehotiheyden lisäämisen 1980-luvulla. Common rail ja scr mahdollistivat tehotiheyden lisäyksen 2000-luvun jälkipuoliskolla. Tehotiheyden kasvutrendi voi taittua hitaammaksi tiukkojen päästörajojen vuoksi. Tehotiheyden trendi, kw/l CR + SCR 35 Työkoneissa ajonopeus ei auta jäähdytystä. Traktorit sekä puimurit toimivat erittäin pölyisissä olosuhteissa. Usein pellolla koneet toimivat näkymättöminä pölypilven keskellä. Tämä aiheuttaa isoja haasteita jäähdytysjärjestelmille. Näistä syistä työkoneissa moottoreiden tehotiheys ei voi olla luotettavasti yhtä suuri kuin tieliikenneajoneuvoissa. Välijäähdytys 30 kw/l Tieliikennekäytössä maksimitehoa tarvitaan vain lyhyitä aikoja kiihdytyksissä ja ylämäissä keskimääräisen kuormituksen jäädessä alle 50 prosentin. Lisäksi tieliikenteessä ajonopeus auttaa jäähdytystä ja tieolosuhteet ovat useimmiten hyvät eli pyörä ei luista eikä sillä ole pelto-olosuhteiden kaltaista vierimisvastusta. 2 stage turbo Kotimaassa tehdyt moottorit kasvavat Tehotiheyden nostaminen ei ole kokonaan riittänyt vastaamaan työkoneiden tehon kasvutarvetta. Isompia moottoreita on pitänyt kehittää sekä traktoreihin että puimureihin. Valmet aloitti traktoridieselmoottorivalmistuksen vuonna 1957 kolmisylinterisellä, 2,7 litran moottorilla Valmet 33 -traktoriin. Se oli käytössä myös 1960-luvulla Sampo-puimureissa. Nelosmoottori esiteltiin 1960-luvun puolivälissä. Ensimmäinen 6,6 litran, 6-sylinterinen työkonemoottori esiteltiin vuonna Samalla esiteltiin uusi moduloitu moottoriperhe, joka muodostui 1,1 litraa sylinteriltä olevista 3-, 4ja 6-sylinterisistä moottoreista. Isomman 7,4 litran kuutosmoottorin Valmet esitteli 1980-luvun puolivälissä. Sen teholuokka oli yli 150 kw. Yhtiö esitteli 1990luvun lopulla vielä isomman 8,4 litran kuutosmoottorin teholuokkaan kw. Ensimmäinen ja ainoa 7-sylinterinen Varsinkin puimureissa tehontarve lisääntyi edelleen. Siksi Agco Power esitteli vuonna sylinterisen 9,8 litran rivimoottorin teholuokkaan kw. Sen idea syntyi kirjoittajalle 2005 Agcon Yhdysvaltain puimuritehtaan tuotepalaverissa, kun yhtiön johto vaati lisää tehoa ensikädessä puimureihin. Moottorikonsepti on työkonekäytössä toistaiseksi ainoa maailmassa. Siinä lisättiin yksi sylinteri keskelle kuutos-moottoria (ks. viereiset kuvat). Tämä 7-sylinterinen moottori on hyvin standardoitu tehtaan muiden moottoreiden kanssa, koska se käyttää samoja standardisylinterikansia eli 3:n kantta edessä ja 4:n kantta takana. Siinä on kuutosmoottorin sylinteriputket, männät, kiertokanget ja osa sen laakereista sekä etu- että takapää. Uusina tarvittiin vain muutama pääosa, kuten sylinteriryhmä, kampi- ja nokka-akseli, imu- ja pakosarja sekä öljypohja. Yhteispaineruiskutuskin voitiin ottaa kuutosmoottorista lisäämällä yksi suutin. Korkeapainepumpun tuotto riitti seitsemännellekin sylinterille. ECU (Engine Control Unit) ja osin SisuTronic EEM (Electronic Engine Management) -ohjelmisto modifioitiin yhteistyössä Bosch Corporationin kanssa palvelemaan myös seitsemättä sylinteriä. Agco Power 9,8 litran 7-sylinterinen 98 AWF, stage 4 -rivimoottori ulkoa ja sisältä. Kukin mäntä liikkuu omaa rataansa. Teholuokka on kw. Se on hyvin standardoitu tehtaan 6-sylinteristen moottoreiden kanssa. Se hyödyntää pientä cegr-määrää, hapettavaa doc-katalysaattoria ja tehokasta scr-tekniikkaa sekä kaksivaiheista ahtamista, joiden välissä on välijäähdytin. Yläkuvassa on puimurin moottori. Se on matala, mutta leveä. Alakuva on Challeger M700 -sarjan kumitelatraktorin moottori. Se on kapea, mutta korkea. 64

4 Agco Power V AWF Stage 4 -moottori on kahden kuutosen yhdistelmä. Iskutilavuus on 16,8 litraa. Teholuokka on kw. Sitä tarvitaan isoihin kumitela- ja runko-ohjattuihin suuriin traktoreihin sekä puimureihin. Se hyödyntää pientä cegr-määrää, hapettavaa doc-katalysaattoria ja tehokasta scr- tekniikkaa sekä kaksivaiheista ahtamista molemmille lohkoille erikseen. Ahtimien välissä on välijäähdytin. Uusin V12-moottori on tuotannossa Agco Powerin uusi isoin moottori on tuotannossa suuritehoisiin kumitelaisiin ja runko-ohjattuihin traktoreihin sekä puimureihin. Se on 16,8 litran V12-moottori teholuokkaan kw. Tähän moottoriin on hyödynnetty kahta 8,4 litran kuutosmoottoria kytkemällä ne samaan kampiakseliin V-kul malla. Siihen on kehitetty uusi sylinteriryhmä, kampiakseli ja jakopää hammaspyörineen. Käytössä ovat standardikuutosen männät, sylinteriputket ja neljä kappaletta standardikolmosen 4-venttiilisiä sylinterikansia sekä palamisprosessi. Moottori soveltaa kahden 6-sylinterisen moottorin yhteispaineruiskutusjärjestelmää. Kahta kuutosen SisuTronic:n ECU:a sovelletaan ohjaamaan moottorin puoliskoja ns. master and slave unit (pää- ja orjayksikkö) -periaatteella. V-moottori on rivimoottoreita leveämpi, mutta suuritehoisissa traktoreissa on käytössä telat tai runko-ohjaus. Tällöin moottorin kapeus ei ole yhtä tärkeää kuin perinteisissä nelivetotraktoreissa, koska ei tarvita kääntyviä, tilaa vaativia pyöriä. Tässä teholuokassa pääkilpailijat maailmassa tarjoavat joko rivikuutos- tai V8-moottoria. V12-moottori on näitä kompaktimpi ja 12-sylinterisen v-moottorin käynti kuulostaa monen korvaan nätimmältä kuin usein varsin räyhäkäs suora kuutonen tai V8-moottori. Moottoreitten kehitystrendejä Lähes kaikilta moottoritehtailta löytyy samansuuntaista, tarpeeseen perustuvaa moottorikehitystä. 65

5 Deutz on nostanut ison traktorimoottorinsa iskutilavuuden 7,05 litrasta 7,65 litraan. New Holland nosti ison traktorin moottorinsa iskutilavuuden 7,5 litrasta 8,7 litraan. Muista poiketen Agco Power on standardisointia tukien lisännyt myös sylintereiden lukumäärää. Standardisointi kattaa nyt 3-, 4-, 6-, 7- ja 12-sylinteriset moottorit. Tämä mallisto on maailman laajin hyvin moduloitu ja standardisoitu moottorisarja. Agco Power Oy:n työkonemoottoritarjonta on kattava teholuokassa kw. Se on mahdollistanut Agco Power -työkonemoottoreiden aseman vakiinnuttamisen melkeinpä kaikkialle maailmassa. Valmet päätti jo 1990-luvun alussa optimoida moottorinsa traktorikäyttöön ja työkoneisiin, koska Euroopassa käytännöllisesti katsoen kaikki kuorma- autotehtaat tekivät ja tekevät moottorinsa itse. JD on toinen merkittävä, puhtaasti työkoneisiin keskittynyt moottorivalmistaja. Näiden ei tarvitse tehdä kompromisseja traktori- ja autokäytön suhteen. Monilla muilla traktorimoottorinvalmistajilla on myös autonmoottorivalmistusta. Aikaisemmasta poiketen, nykyisten stage 4 -päästötason työkonemoottoreiden päästöt ovat yhtä alhaisia kuin autoissakin. Erittäin tiukoista päästörajoista johtuen traktoreissakin tarvitaan päästöjen jälkikäsittelyä pakolinjassa. Moottoritehtaiden on visioitava moottoritarve viiden kuuden vuoden aikajänteellä sekä tekniikan että tehojen suhteen, koska uuden moottorin kehitys testeineen vaatii aikaa. Tämä on haastavaa, koska useitten moottorikomponenttien kehitys on myöhässä. Ts. niitä kehitetään vain moottoritehtaitten tarpeiden mukaan ja aina vähän viiveellä. Myös turboahtimien kehitys ja saatavuus on ollut iso ongelma. Niiden käyttö on yleistynyt rajusti, koska turboahdin on nykyisin useissa bensiinimoottoreissakin ja kaikissa stage 4 -dieselmoottoreissa. Isoilla tehotiheyksillä ahtaminen on kaksivaiheista eli käytetään kahta erillistä ahdinta. Agco Powerin V12-moottorissa on käytössä neljä ahdinta. Myös uuden moottorin tuotantokapasiteetin investointi vaatii aikaa. Kilpailukyvyn ylläpitämiseksi pitää moottorikehittäjillä olla hyvä visiointikyky pidemmälläkin aikajänteellä. Kirjoittaja toimi pitkään Linnavuoren moottoritehtaan tuotekehityksessä. Eläkkeellä hän jatkaa dieselmoottorialan konsultointia. KUVA: TIMO MIKKOLA Kaikki moottorivalmistajat hyödyntävät turboahdinta, välijäähdytystä ja yhteispaineruiskutusta sekä scr- eli ns. ureatekniikkaa. Tiukat päästörajat vaativat tätä stage 4 -moottoreille yli 56 kw:n tehoilla. Kaikki käyttävät isoissa tehotiheyksissä myös kaksivaiheahtamista. Isoilla tehotiheyksillä useimmat käyttävät pakokaasujen takaisinkierrätystä. Pakokaasujen takaisinkierrätystä käytetään vaihtelevasti raakatyppioksidin määrän rajoittamiseen. Amerikassa sen käyttö on runsaampaa, mutta Euroopassa kaikki eivät sitä sovella varsinkaan pienemmillä tehotiheyksillä. Monet moottorivalmistajat ovat suurentaneet iskutilavuutta tehontarpeen kasvaessa. Esimerkkinä ison teholuokan moottorista on John Deeren 9,0 litran moottori. Sitä edeltävän version iskutilavuus oli 8,3 litraa. New Holland T mallissa on FPT:n 8,7 litran stage 4 -moottori. Suurin teho on 312 kw. Moottorissa on kaksivaiheinen ahdintekniikka ja niiden välissä välijäähdytin. Egr ei ole käytössä. Moottori perustuu ns. scr only -tekniikkaan. Konehuone on melko tiukkaan pakattu, että konepeitto on saatu kapeaksi ja matalaksi. Scr-tekniikan hyötysuhde pitää olla todella hyvä, jotta typpioksidi eliminoituu riittävästi. Sen pitää myös säilyä hyvänä päästölain vaatiman käyttötunnin ajan. 66