Autotekniikan uudet tuulet ja niiden tuomat haasteet opetukselle

Transkriptio

1 Autoalan opettaja- ja kouluttajapäivät Rantasipi Aulanko Autotekniikan uudet tuulet ja niiden tuomat haasteet opetukselle Juhani Laurikko, TkT johtava tutkija, VTT

2 2 Sisältö Tulevaisuudesta ja ennakoinnista Miten autoista tulee sellaisia kuin ne ovat? Kehitysnäkymiä ja uusia haasteita eri autotekniikan sektoreilla Yhteenveto ICE-PHEV EREV ICE ICE-HEV BEV H 2 FCEV

3 3 Tulevaisuudesta ja sen ennustamisesta

4 4 Mikä on tulevaisuus? Tulevaisuus on lineaarisen aikakäsityksen mukaisen aikajanan se osa, joka ei vielä ole tapahtunut Tapahtunutta osaa kutsutaan menneisyydeksi Parhaillaan meneillään olevaa vaihetta kutsutaan nykyisyydeksi Nämä kolme liittyvät toisiinsa saumattomasti!

5 5 Miten tulevaisuutta voi ennustaa? Ennustaminen on tulevaisuutta koskevan arvion esittämistä Perustuu enteisiin, jotka viestittävät tulevaisuuden suunnista, ja niiden tulkintaan Tulevaisuutta voi ennakoida ja tutkia systemaattisin menetelmin, ja esittää vaihtoehtoisia tulevaisuuskuvia eli visioita Visiot syntyvät rakentamalla ajallisesti vaiheittain ja loogisesti eteneviä kehityspolkuja eli skenaarioita

6 6 Ennen...

7 7...Nyt!

8 8 Tulevaisuuden auto by Google Haku suoritettu klo 14:53

9 9 Tulevaisuuden auto by Google Haku suoritettu klo 14:29

10 10 Tulevaisuuden auto by Google Maserati Audi Ferrari Volkswagen BMW Haku suoritettu klo 21:37

11 11 Tulevaisuuden auto by Google Tuuliroottori, joka lataa akkuja Peugeot Peugeot Design Contest 2008 Haku suoritettu klo 21:37

12 12

13 13 Uusia konsepteja

14 14 GM EN-V

15 15 Honda 3-RC

16 16 IgluCruise

17 17 Ennustamista vaikeuttaa...

18 18 Etenkin polttoaine- ja voimalaiteteknologia elää voimakasta murrosvaihetta Monoteistisen, öljyyn perustuvan energiahuollon rinnalle kehitetään uusia vaihtoehtoja Teknisesti vaihtoehtojen lukumäärä on hyvin suuri, mutta kaikki eivät ole kilpailukykyisiä!

19 19 Technology Roadmaps

20 20 Toimintaympäristön päämuuttujia Autokalusto (yhteensopivuus, suorituskyky) Raaka-aineet (hinta, saatavuus) KUSTANNUKSET Lainsäädäntö (pakokaasut, polttoaineet, verot) Polttoaineen jakelu (yhteensopivuus)

21 21 Ennustamista helpottaa Ihmiset suunnittelevat autot, eivät Jumalat!

22 MITEN AUTOISTA TULEE SELLAISIA KUIN NE OVAT? Suunnitteluun vaikuttavia tekijöitä 1954 Ford Concept

23 23 Automaailman osapuolet SÄÄNTELY Autonvalmistajat Julkinen lainsäädäntövalta Auton ostajat ja käyttäjät

24 24 Autonsuunnittelun osapuolet Auton resepti Järjestelmätoimittajat Autonvalmistajat eli OEM Auton sisältö Auton konsepti Osatoimittajat Auton ostajat ja käyttäjät

25 25 Autonsuunnittelun ristipaineet Tukee markkinointia, kun NCAP testi ja luokitus on tunnettu! Valmistus Polttoainekulut Huollot ja ylläpito Ajostabilitetti ja ajodynamiikka Kolariturvallisuus Kuljetus- ja suorituskyky Varusteet Haluttavuus Melu Pakokaasupäästöt Energian kulutus Kierrätettävyys Aiemmin vain heikko argumentti, lähinnä kustannuslisä! Nykyisin positiivinen ja vahvempi asema auton valintakriteereissä

26 26 Moottoritekniikkaa

27 27 Kohtuullinen hinta Polttomoottori edelleen vahvoilla Koeteltu konsepti uskottava ja luotettava asiakkaiden keskuudessa helppo "myydä" Hyvä suorituskyky Mittavat investoinnit valmistukseen

28 28 Nykymoottorien tekniikkaa Polttoaineen korkeapaineruiskutus sylinteriin Sähköinen annostelu (lambda+ecu) Pakokaasun kierrätys (EGR) Muuttuvageometrinen ahdin Muuttuva venttiilien ajoitus ja nosto Tehokas pakokaasun puhdistus Start-stop -automatiikat

29 29 Uudet palamisprosessit Lähde: Volkswagen

30 30 Elektroniikka on tärkein moottorikehityksen mahdollistaja!

31 31 Moottori & puhdistus - Integroitu kokonaisuus Kaasunvaihto imusarja venttiilikoneisto ahdin tai ahtimet EGR Pakokaasun puhdistus katalysaattori(t) hiukkaspuhdistimet ja regenerointi Mekaaninen Yhteispelillä se sujuu rakenne iskutilavuus palotila/puristussuhde Muut toiminnot OBD ja muu diagnostiikka limp home -toiminnot Polttoaineen syöttö tarkka annostelu muuttuva ruiskutuspaine adaptoituvuus minimi- ja maksimimäärille useita ruiskutuksia/työkierto Moottorin ohjaus joutokäynti momentin säätö hiukkasloukun regenerointi ajoituksen ja ruiskutusmäärän tarkka kontrolli

32 32 Moottoritekniikka Haasteet Rakenne monimutkaistuu lisää varaosanimikkeitä Lisää toimilaitteita, mutta toisaalta tiukempi integrointi, esim. EGR ja sen jäähdytin isompia kokonaisuuksia, kalliimpia vaihtaa Elektroniikan rooli ratkaiseva Kasvaako häiriöalttius? Diagnostiikka vaativaa, tarvitaan erikoislaitteita Investointeja korjaamojen varustukseen

33 33 MB - BLUETECH

34 34 Puhdistustekniikka Haasteet Rakenne monimutkaistuu lisää varaosanimikkeitä Lisää erityyppisiä puhdistimia: Hiukkassuodatin Lean-NOx tai SCR-katalysaattorit >> Enemmän huoltokohteita Toimintakyvyn säilyttäminen, jos ajaminen kovin vähäistä Miten ohjeistetaan asiakasta? Polttoaineiden vaikutus Miten neuvotaan asiakasta?

35 35 Uudet energianlähteet

36 36 AJONEUVOTEOLLISUUDEN YMPÄRISTÖHAASTEET Evolution of Environmental Aspects tavanomaiset pakokaasupäästöt kasvihuonekaasut energian saatavuus Energy Greenhouse Gases CO 2 Exhaust Emissions CO,NOx,HC,PM vaikeusaste >>> K-EFAM, 1778/1-drob-fr 08/01 VOLKSWAGEN AG Group Research

37 37 Wolfgang Hatz Audi AG

38 38 Tulevaisuuden liikennepolttoaine on Uusiutuva ja kestävästi valmistettu Vähähiilinen tai hiilineutraali Yhteensopiva kalustoon

39 39 Decarbonizing

40 40 Decarbonizing

41 41 Bionizing Recycling Electrifying

42 42

43 43 Energiaketju - lähteestä pyöriin Pathway analysis Well-to-Wheels (WTW) Raaka-ainetuotanto Raw Material Extraction Polttoainetuotanto Fuel production Polttoaine tankissa On-board fuel Primaarienergia Primary energy Sähkön tuotanto Electricity production Jakelu ja tankkaus & lataus Distribution, Refuelling, Recharging Sähkö akussa Electricity On-Board Energian muunto työksi Energy conversion

44 44 nestemäiset (+bio) maa- ja biokaasu vety (H 2 ) Energian kantaja määrää voimalaitevaihtoehdot! vety (H 2 ) sähkö

45 45 Industry Perspectives

46 46

47 47

48 48

49 49

50 50

51 51 Sähkökäytön ominaisuuksia H2 Etuja & hyötyjä: Hyvä hyötysuhde reversibiliteetti Hyvä vääntömomentti liikkeellelähdössä Vähän mekaanisia osia >> pieni huollontarve Pyöramoottorit mahdollistavat uusia, joustavia ja jopa radikaaleja rakennevaihtoehtoja Haittoja & haasteita: Teho-painosuhde vielä kaukana optimista Tehoyksikön hinta ei ole (vielä) kilpailu-kykyinen verrattuna polttomoottoriin Korkeiden jännitteiden turvallisuuskysymykset

52 52 Sähkö energianlähteenä H2 Etuja & hyötyjä: hyvin monipuolinen tuotantorakenne mahdollisuus käyttää uusiutuvaa ja kotoperäistä energiaa voimakas CO 2 vähenemä mahdollinen (riippuu sähkön tuotantotavasta) jakeluverkko olemassa Haittoja & haasteita: vaikea varastoida hyvät (ja kohtuuhintaiset) akut vasta kehitteillä

53 53... muutamia aitoja sähköautoja on jo sarjatuotannossa Citroën C-ZERO Peugeot ion Mitsubishi imiev Nissan Leaf Renault Fluence

54 54... mutta sarjat jäävät vielä aika pieniksi! Worldwide production Year C-ZERO ion i-miev total 2009 N/A N/A Suomi n kpl TBA 3600 Nissan Leaf sales by top national markets 2013 N/A N/A N/A N/A between 2010 and 2013 total Citroën C-ZERO Country Total Japan United States Nissan Leaf Norway UK France Suomi kpl Netherlands Canada Germany Spain Italy Total top markets Mitsubishi imiev Suomi kpl kpl Renault Fluence Z.E.

55 55 uutta pukkaa

56 56 Ford Focus Electric Nyt myös Suomessa!

57 BMW i3 electric car makes its worldwide debut!

58 58 Volkswagen e-up! e-golf Tuotantoon 2015

59 59 Show-stopper N o 1 Battery Technology Sucks! Insufficent Capacity + High Costs + High Risks (lifetime?) = Stay Away From It!

60 60 Lataushybridit

61 61 Hybridiauton idea Sähköinen ajovoimansiirto eristää moottorin kuormitusten vaihtelulta moottorin toiminta helpompi optimoida voidaan käyttää erilaista työkiertoa (esim. Atkinson) mahdollistaa regeneratiivisen jarrutuksen, jolloin hyötysuhde paranee

62 62 Hybridiautoja markkinoilla... Tarjonta kasvaa koko ajan

63 63 Plug-In -hybridi + Plug-in HEV eli lataushybridi yhdistää perinteiseen hybridiautoon latausmahdollisuuden sähköverkosta Toimintamatkaa sähköllä muutama kymmenen km Polttomoottori jatkaa toimintamatkaa normaaliksi

64 64 Toyota Prius PHEV Ajomatka sähköllä 25 km Suorituskyky ja toimintamatka kuten normaalilla hybridiautolla Hinta alkaen (normaali HEV-malli )

65 65 Volvo V60 PHEV 2012 > Etuveto: 2.4 L diesel (176 kw/440 Nm) Takaveto: sähkömoottori (52 kw/200 Nm) Sähköinen etu-taka -synkronointi km/h 6,9 sek 12/8 kwh Li-ion akku Latausaika 3 h (230V/16A) 50 km sähköllä

66 66 VW Golf GTE plug-in hybrid Geneve Auto Salon 2014

67 67 VW Golf GTE plug-in hybrid 8.8 kwh liquid-cooled lithium-ion battery pack

68 68 EREV-SÄHKÖAUTO: OPEL AMPERA/CHEVY VOLT Production by model year (MY) 16 kwh:n litium-akusto toimintamatka sähköllä 60 km polttomoottorin iskutilavuus 1,4 l yhteisteho 150 hv Model Total MY 2013 MY 2012 MY 2011 vääntömomentti 370 Nm Chevrolet Volt 51,662 25,875 21,299 4,488 huippunopeus 161 km/h Opel Ampera 9,629 2,492 7,137 - Total production kiihtyvyys km/h 9 s 61,291 28,367 28,436 4,488 ilmoitettu bensiinin kulutus ECE testissä 1,6 l/100 km CO 2 päästö alle 40 g/km Chevy Volt vs. Nissan Leaf: US Sales 2013: vs

69 69 Sähköauto ja hybriditekniikka Haasteet Rakenne monimutkaistuu, useita uusia alajärjestelmiä Lisättävä asentajien koulutusta Korkeajännitesähköä, jolla tiukat turvavaatimukset Hengenvaaraa ei voi nähdä, haistaa tai tunnustella! Tutkintovaatimukset, koulutusta Diagnostiikka vaativaa, tarvitaan erikoislaitteita ja -osaamista Investointeja korjaamoihin ja henkilöstöön

70 70 Let s Take the Half-way House Best Battery Technologies

71 71 Take A Detour Instead

72 72

73 73 H2 Vaihtoehto: Vety Etuja & hyötyjä: erittäin monipuolinen tuotantorakenne mahdollisuus käyttää uusiutuvaa ja kotoperäistä energiaa voimakas CO 2 vähenemä - vedyn tuotantotavasta riippuen Haittoja & haasteita: pieni energiasisältö (kaasuna) käyttöturvallisuus? (painesäiliöt) vaatii uuden kaluston (=polttokenno)

74 74

75 75 LoU Vetyauto markkinoille 2015 Vahva sitoutuminen, kaikki suuret valmistajat* mukana Valmistusmäärät merkittäviä, yli 100,000 vuonna 2015 Infrastruktuuri rakentuu aluksi keskuksiin, EU/Saksa, USA/Kalifornia, JPN/Tokio-Yokohama *Daimler, Ford, GM/Opel, Honda, Hyundai, Kia, Renault/Nissan, Toyota Lähde:

76 76 We Are Ready to Roll-Out Production > 100k by 2015

77 77 And We Support our Partners & & & &

78 78 Recent Newswire on FCEV Launch November 21, 2013

79 79 Recent Newswire on FCEV Launch January 7, 2014

80 80 Honda FCEV Concept Honda Clarity FCEV 2006

81 81 Point of No Return Has Been Passed

82 82 FUEL OF CHOICE by the Auto Industry CHEERS: Even Higher Potential for Use of Renewable Energy Resources Decent Range with One Fill, and Fill-up Time Like with Petroleum Fuels High Efficiency of the Electric Drivetrain Fossil H 2 (Methane Reformate) Option Offers Nearly-decent Entry-level Fuel Cost per MJ JEERS: Must Find Capital & Partners to Create Distribution Infrastructure

83 83 Polttokennosähköautot polttoaine & jakelu

84 84 Vetytankkauksen globaali kuva Skandinavia Pohjois-Amerikka Japani-Korea-Taiwan 200 Keski-Eurooppa

85 85 Vetytankkaus Mittava investointitarve!

86 86 Vedyn jakelu ja tankkaus tarjonta=asemat käyttöaste kasvaa hitaasti kysyntä=autot

87 87 Vetyautoilu on alkanut jo Suomessakin!

88 88 BEV Akkusähköauto ja polttokennosähköauto ovat molemmat sähköautoja! FCEV

89 89 Yhteinen DNA BEV FCEV

90 90 Yhteinen DNA BEV Sähköinen voimalinja FCEV

91 91 Yhteinen DNA BEV Erilaiset enegiavarastot Vetysäiliö Akku Sähköinen voimalinja Polttokenno FCEV

92 92

93 93 Uusinta kori- ja turvatekniikkaa

94 94 Kolaritestit ohjaavat koritekniikan kehitystä

95 95 Uusinta koritekniikkaa Törmäysvoimat otetaan vastaan hallitusti, ja sidotaan rakenteiden muodonmuutoksiin Korjaaminen vaikeata, jos rakenne on toiminut Miten voidaan todeta vaurioaste?

96 96 Kolaritestit ohjaavat koriturvallisuuden kehitystä Turvarakenteet lisänneet auton painoa jopa 500 kg!!!

97 97 Painot ovat kasvaneet mallisukupolvien myötä

98 98 Uusinta koritekniikkaa Uusimmissa koreissa yhdistyvät monenlaiset materiaalit, kuten suurlujuusteräs ja alumiini Liitokset hitsaamalla, liimaamalla tai pultti/niittiliitoksilla Liitosten pitää välittää voimaa oikealla tavalla tai antaa periksi Audi Q5 = 355 kg

99 99 Uusinta koritekniikkaa Osat voivat olla: prässättyjä, pursotettuja valssattuja tai valettuja Audi TT: 140 kg Al + 66 kg Fe = 206 kg

100 100 Hydroformed extrusion Extrusions High pressure DC Deep Drawn sheets Uusinta koritekniikkaa Steel Aluminium

101 101

102 102 Aktiiviset törmäysturvallisuusvarusteet Turvatyynyjärjestelmissä nykyään 6-8 tyynyä

103 103 Kori- ja turvatekniikka - Uudet haasteet Moderni turvakori on vaikea korjata oikein, on lähes kertakäyttötavaraa Miten tunnistaa korjaukset ja valvoa laatua, kun monia asioita ei voi mitata tai testata Vastuukysymykset, jos turvarakenteet tai turvalaitteet eivät toimi oikein korjausten jälkeen

104 104 Viihde ym. elektroniikka

105 105 Lähde: Thomas R. Kurfess: The Growing Role of Electronics in Automobiles - A Timeline of Electronics in Cars

106 106 KEHITYSTRENDI Viihde- ym. laitteiden vahva integrointi kojelautaan ja auton omiin järjestelmiin

107 107 KEHITYSTRENDI Jälkiasennettaville laitteille ei juuri paikkoja Sähkökytkennät auton järjestelmiin voivat tuottaa ongelmia

108 108 Mobiililaitteiden liittäminen autoon Mobiililaitteet (matkapuhelin, audiosoitin jne.) liittyvät langattomasti auton audiojärjestelmään Bluetooth-tekniikalla Auton ajotietokoneesta voi ladata tietoja USB-muistitikulle tai älypuhelimeen

109 109 Next Step: In-Car Internet

110 110

111 111 Ford SYNC Tuki USB-modemille + WiFi HotSpot

112 112 Trendsetter: Tesla S 17 IPS näyttö

113 113 Trendsetter: Tesla S

114 114 Trendsetter: Tesla S

115 115 Viihde- ja muu elektroniikka Haasteet Tehdasasenteisten järjestelmien ylläpito ja päivitykset? Vahva integraatio auton omiin järjestelmiin miten 3. osapuolen laitteet liitetään? Järjestelmien laajuus kasvaa, kun mobiililaitteet tulevat mukaan langattoman yhteyden kautta uusia tuotteita tarjolle! Virusvaara ja hakkerointi onko aihetta huoleen? Vaikutukset turvallisuuteen, jos ajaja käyttää?

116 116 Alustan elektroniikkaa

117 117 ABS oli ensimmäinen sovellus

118 118 Nykyisin vakiovaruste kaikissa uusissa autoissa

119 119 ESP on tulossa kovaa vauhtia perässä!

120 120 Sovellukset laajenevat aktiivisiin turvalaitteisiin!

121 122 Automatisoitu Auto - Hätäjarrutus

122 123 Automatisoitu Auto - Pysäköintiavustus

123 124 Automatisoitu Auto Ajajan valvonta

124 125 Alustan elektroniikka Haasteita ABS+ESP ovat jo ruisleipää miten varmistetaan, että ne toimivat auton vanhetessa? Uudet järjestelmät integroituvat kokonaiskontrollin alaisuuteen Säätötekniikan osaamisesta tulee entistä tärkeämpää Uusia nopeita dataväyliä Koulutusta, koulutusta Ethernet/IP+ mobiili-internet tulossa! Uusia tuotteita tarjolle!

125 126 Autonomiset autot

126 127 Tulevaisuuden auto by Google Google Self-Driving Car

127 128 Toyota s Self-Driving Car

128 129

129 130 Audi s Self-Driving Car Self-Driving AUDI TTS by Stanford University

130 131 Volvo s Self-Driving Car Project Launced 100 self-driving cars on public roads in Sweden by

131 132 Autonomiset autot Haasteita Tekniikka jo varsin kypsää, mutta lainsäädäntö ei ole valmis laeissa ja asetuksissa (ainakin Suomessa) lukuisia viittauksia kuljettajaan ja hänen velvollisuuksiinsa miten varmistetaan, että auto pysyy hallinnassa? Nevadan osavaltio sallii jo autonomiset autot yleisillä teillä Kalifornia aloittanut tarpeelliset toimet lakien ja asetusten muuttamiseksi

132 133 Yhteenveto ja johtopäätöksiä Conclusions

133 134 Yhteenveto ja johtopäätöksiä Henkilöautojen tekniikka kehittyy jatkuvasti Uusia polttoaine- ja energiavaihtoehtoja, jotka edellyttävät uusia voimalaiteratkaisuja Elektroniikan (ja sähkövoimatekniikan) osuus kasvaa huimaa vauhtia Sovellukset laajenevat uusiin turvaominaisuuksiin ja vähitellen itsekseen ajaviin autoihin Uusi tekniikka edellyttää aivan uusia taitoja autojen huollon ja korjaamisen parissa työskenteleviltä nörttiyden tarve lisääntyy Korkeajännitekomponenttien sähköturvallisuudesta on huolehdittava

134 Loppu Kysymyksiä? Kiitos mielenkiinnostanne!