Kitkahäviöt henkilöautoissa

Transkriptio

1 Kitkahäviöt henkilöautoissa energiankäytön ja CO 2 -päästöjen vähentämismahdollisuudet Holmberg, Andersson & Erdemir VTT ja Argonne National Laboratory (USA)

2 2 ESITYKSENI AIHEET 1. Kitka ja sen vaikutus yhteiskunnassamme 2. Kitkahäviöt henkilöautoissa, VTT:n ja ANL:n uusi selvitys 3. Uusin tutkimus kitkan vähentämiseen 4. Kitkan säästöt maailmanlaajuisesti

3 3 KITKA, KULUMINEN JA VOITELU = TRIBOLOGIA Tiede ja teknologia, joka tutkii kosketuksessa olevia liikkuvia pintoja

4 4 KONEET TOIMIVAT HIUSTAKIN OHUEMMAN KALVON VARASSA Paine SISÄÄN Nopeudet Kuormat Materiaalit Voiteluaine Lämpötila Geometria Ympäristö ULOS Kitka Kuluminen Sisääntulo alue Hertzin alue Ulostulo alue Voitelukalvon paksuus = 2 4 m Hiuksen halkaisija = 50 m

5 5 HANKAAVAT PINNAT OVAT HAASTE Autot Moottorit Lentokoneet Työkalut Energiateknologia Lääkintäteknologia Kulutustuotteet Lääketuotanto Moottoriurheilu Pakkaaminen Elintarvikkeet Kuvat verkosta: Baltzers, Savcor, Diarc, Teer

6 KITKA PYSÄYTTÄÄ ISOTKIN KONEET 6

7 7 SEISOKKIKUSTANNUKSET NOUSEVAT MILJOONIIN VIIKON SEISOKKIKUSTANNUKSET Rahtialus Öljyjalostamo Kemian tehdas Hiilivoimala Paperi- tai sellutehdas Ydinvoimalaitos

8 8 Energiaa kuluu kitkan voittamiseksi Hiili 27 % Energian tuotanto 2009 yhteensä Mtoe Öljy 33 % Raakaöljyn kulutus 2009 yhteensä 3460 Mtoe Henkilöautot 28 % Raakaaineena 17 % Kaasu 21 % Ydinvoima 6 % Vesivoima 2 % Uusiutuvat 11 % Kuljetus 62 % Kuormaautot 12 % Bussit 4 % Laivat 8 % Muu 12 % Teollisuus 9 % Junat 3 % Lentokoneet 7 % Mtoe = miljoona tonnia öljy ekvivalenttia

9 9 VTT:n ja Argonne National Laboratoryn henkilöauton kitkatutkimuksen lähtökohta Paljonko kuluu energiaa kitkaan autoissa? Paljonko voidaan säästää? Suomessa? Maailmassa? Mitä pitäisi tehdä?

10 10 Henkilöautojen kitkahäviöt eri ulottuvuustasoilla Tm Gm Mm Km m dm mm m nm Globaali taso Kansallinen taso Kehittyneet teollisuusmaat, teollisesti kehittyvät maat, maatalousmaat Yhteiskuntatoimintotaso Kuljetus, voimalaitokset, teollisuus, rakennukset ym. Yhteiskunnan alasektoritaso Esim. kuljetus: tie-, raide-, meri-, lentoliikenne Konetaso Esim. tieliikenne: moottori, vaihdelaatikko, pyörät, jarrut ym. Komponenttitaso Esim. moottori: laakerit, hammaspyörät, tiivisteet, männänrenkaat ym. Kitkalähdetaso Raja-, EHD-, HD-voitelu, vierintä, liukuminen, kyntäminen ym.

11 11 Energian kulutuksen kohteet auton käytön eri vaiheissa Nopeus Vakionopeus (a) Liike-energia (b) Moottorin ja voimansiirron kitka (c) Pyörien kitka ja ilmanvastus (d) Jarrutuskitka Kiihdytys Jarrutus Tyhjäkäynti b a+b+c b+c b+c+d-a Aika

12 12 Menetelmä kitkahäviöiden laskemiseksi henkilöautoille globaalitasolla 1. Globaali raakaöljyn käyttö henkilöautoissa 2009: 1083 Mtoe/v 2. Globaali polttoaine-energian käyttö autoissa 2009: TJ/v 12. Maailmanlaajuiset säästömahdollisuudet käyttäen parasta kaupallista ( M ), parasta laboratorio- ( M ) ja tulevaisuuden parasta ( M ) ratkaisua 3. Autoja maailmassa yhteensä: 612 milj. autoa 4. Energiankäyttö yhdessä keskivertoautossa: MJ/a 5. Energia kitkan voittamiseen yhdessä keskivertoautossa: MJ/v = 340 l/v 6. Kitkahäviöt auton alajärjestelmissä: renkaat, moottori, vaihdelaatikko, jarrut 13. Säästömahdollisuudet Euroopassa käyttäen parasta kaupallista( M ), parasta laboratorio- ( M ) ja tulevaisuuden parasta ( M ) ratkaisua 11. Energian säästöpotentiaali yhdelle keskivertoautolle käyttäen parasta kaupallista ( 37% ), parasta laboratorio- ( 61% ) ja tulevaisuuden parasta ( 70% ) ratkaisua 10. Kitkanvähennyksen potentiaali erilaisissa kitkalähteissä 9. Arvio kitkatehokkuudesta (= kitkakerroin) erilaisissa kitkalähteissä auto 2000:lle, auto 2010:lle, lab 2010:lle ja auto 2020:lle 7. Kitkahäviöt auton komponenteissa: hammaspyörät, laakerit, tiivisteet, männät, pumppaus ym. 8. Kitkahäviöt erilaisissa kitka- ja voitelukohdissa: HD, EHD, BL, ML, VL ym.

13 13 Globaali keskivertohenkilöauto ja keskimääräiset ajo-olosuhteet Globaali keskivertohenkilöauto: valmistettu vuonna 2000 nelisylinterinen nelitahtimoottori: 75 kw moottorilla 1,7 dm 3 iskutilavuus paino 1500 kg 70 % bensiini- ja 30 % dieselkäyttöinen keskimääräinen kulutus 8 litraa/100 km Keskimääräiset globaalit ajo-olosuhteet: vuosittaiset ajokilometrit: km keskinopeus: 60 km/t ajo keskivertotiellä 300 g/kwh polttoainetehokkuus / 12 kw CO 2 -päästöjä 2,5 kg/ polttoainelitra

14 14 Polttoaine-energian muuttuminen henkilöautoissa 60 km/t ajonopeudella POLTTOAINE Potentiaalienergia (kemiallinen) Pakokaasut Jäähdytys Ilmanvastus Kitka 33 % => lämmön ja kaasujen siirtyminen 29 % => lämpöhukka ja johtuminen 5 % => kaasun leikkautuminen => lämpö 33 % => lämpö & materiaalin muunnos Muutos: - liike-energiaksi - lämpöenergiaksi - erilaiseen olomuotoon

15 15 Henkilöauton energiankäyttö POLTTO- AINEEN ENERGIA PAKO- KAASUT 33% JÄÄH- DYTYS 29% Hyödytön hukkaenergia Kokonaisenergiahäviöt 100% MEKAANI- NEN VOIMA 38% KITKA- HÄVIÖT 33% ILMANVAST. 5% MOOTTORI 11.5% VOIM.SIIRT 5% VIERINTÄ- VASTUS 11.5% JARRUT 5% ILMANVAST 5% ENERGIA AUTON SIIRTOON 21.5%

16 16 Kitkahäviöt auton eri komponenteissa Pyörät 35 % RF Moottori 35 % Vaihdelaatikko 15 % - hammasvälitys 55 % EHD - laakerit 20 % EHD - viskositeetti 20 % VL - tiivisteet ym. 5 % ML Jarrut 15 % - kampimekanismi 15 % ML - laakerit, tiivisteet 30 % HD - mäntä-sylinteri 45 % => - HD, purs. 40 % - EHD 40 % - ML 10 % - BL 10 % - pumppaus ja hydr. 10 % VL

17 17 Vuosittaiset kitkahäviöt keskivertohenkilöautossa kitka- ja voitelumekanismien mukaisesti jaoteltuna Kitkan voittamiseen käytetty MJ energiamäärä jakautuu: MJ (35 %) pyörien vierintävastukseen MJ (35 %) moottorijärjestelmään, joka jakautuu: MJ (45 %) mäntäjärjestelmään, joka jakautuu: MJ (40 %) HD voitelukontaktiin MJ (40 %) EHDS voitelukontaktiin MJ (10 %) ML voitelukontaktiin -187 MJ (10 %) BL voitelukontaktiin MJ (30 %) laakereihin, tiivisteisiin ym., pääasiallisesti HD MJ (15 %) kampijärjestelmään, pääasiallisesti HD MJ (10 %) pumppaukseen ja hydrauliikkahäviöihin MJ (15 %) vaihdelaatikkoon, joka jakautuu: MJ (20 %) viskoosihäviöihin MJ (55 %) hammaspyöriin, EHDS voitelukontakti MJ (20 %) laakereihin, EHDR voitelukontakti - 89 MJ (5 %) tiivisteisiin ym., ML voitelukontakti MJ (15 %) jarruhin jarrutusvoiman aikaansaamiseksi

18 Kitkan vähentämismahdollisuudet eri kitka- ja voitelumekanismien osalta 18

19 19 Uusia teknisiä ratkaisuja kitkan vähentämiseksi henkilöautoissa Uudet pinnoiterakenteet: DLC, TS, nanokomposiitit ym. (tyhjiössä superlubricity = 0.001; voideltuna % kitkan vähennys) Pinnan teksturointimenetelmät: laser-teksturointi (25-50 % kitkan vähennys; 4 % polttoainekulutuksen vähennys) Uudet rajavoitelulisäaineet ja nesteet: glyserolimono-oleaatti PAO vs DLC kosketuksessa (0.005 glyserolissa); nanomateriaalit lisäaineena kuten WS 2, MoS 2 and H 3 BO 3 Matalan viskositeetin voiteluaineet Ioniset nesteet: % kitkan vähennys Biomimetiikka: biomolekulaariset proteiinilisäaineet, sähkövaraus polyelektrolyyttiharjat, porcine gastric musiini, glykoproteiinimusiini = ) Matalakitkarenkaat: korkeampi paine, kapeammat renkaat jne.

20 20 Mahdolliset maailmanlaajuiset säästöt kitkan vähentämisestä henkilöautoissa Polttoaineen kulutus kitkan voittamiseksi Energian kulutus kitkan voittamiseksi milj. litraa/v 7.3 milj. TJ/v Säästöt parhaalla kaupallisella ratkaisulla Säästöt tämän päivän parhaalla ratkaisulla Säästöt tulevaisuuden (10 v.) parhaalla ratkaisulla M /v M /v M /v Tehotoimenpiteiden ja tuotekehityksen tuloksena (5 10 vuoden aikana): Realistiset polttoainesäästöt (18 % vähennys) Realistiset CO 2 -päästövähennykset Realistiset taloudelliset säästöt lyhyellä aikavälillä milj. litraa/v 290 milj. tonnia/v milj. /v

21 21 Mahdolliset säästöt kitkan vähentämisestä lyhyellä aikavälillä (5 10 vuotta; 18 %) eri maissa Energian säästö (TJ/v) Taloudelliset säästöt (10 6 Euro/v) Polttoainesäästöt (10 6 litraa/v) CO 2 -päästövähennykset (10 6 kg/v) Maailma Teollistuneet maat Teollisesti kehittyvät maat Maatalousmaat EU USA Kiina Japani Iso-Britannia Etelä-Afrikka Suomi

22 22 Keinoja vähentää autojen energiankulutusta Kitkan vähentämiseen liittyvät: - 10 % vierintävastuksen vähennys => 3 % energiansäästö - 10 % moottorin kitkavähennys => 3 % energiansäästö - 10 % vaihdelaatikon kitkavähennys => 1.5 % energiansäästö Painoon ja muotoiluun liittyvät: - 10 % painon vähennys => 8.3 % energiansäästö - 10 % auton etupinta-alan vähennys => 2.2 % energiansäästö Käyttäjään liittyvät: - 10 % nopeuden pudotus (110 >100 km/t) => 16 % energiansäästö - 2 bar > 2.5 bar renkaan ilmanpaine => 3 % energiansäästö

23 23 Yhteenveto henkilöauton kitkan tutkimuksesta 612 miljoonaa henkilöautoa käytössä maailmassa tänään kolmasosa polttoainekulutuksesta menee kitkaan globaali keskivertoauto ajaa km vuodessa ja käyttää 340 litraa polttoainetta, mikä maksaa 510, kitkan voittamiseksi uusi teknologia voi vähentää kitkaa % 18 % vähennys on saavutettavissa polttoaineen kulutuksessa ja CO 2 -päästöissä lyhyellä aikavälillä (5-10 v) ja 61 % pitkällä aikavälillä (15-25 v) uudella teknologialla sähköauton kitkahäviöt ovat ½ polttomoottoriauton häviöistä

24 24 Maailman energian tuotanto ja kulutus 2009 Hiili 27 % Energian tuotanto yhteensä Mtoe Öljy 33 % Raakaöljyn kulutus yhteensä 3460 Mtoe Henkilöautot 28 % Raakaaineena 17 % Kaasu 21 % Ydinvoima 6 % Vesivoima 2 % Uusiutuvat 11 % Kuljetus 62 % Kuormaautot 12 % Bussit 4 % Laivat 8 % Muu 12 % Teollisuus 9 % Junat 3 % Lentokoneet 7 % Mtoe = miljoona tonnia öljy ekvivalenttia

25 25 Arvio yhteiskunnan kaikkien kitkakohteiden säästöpotentiaalista Suomi Maailma Energiaa kitkan voittamiseen, 31% (TJ/v) milj. Energian säästömahdollisuudet, 18% (TJ/v) milj. CO2:n vähentämismahdollisuudet, 18% (milj.t/v) 7, Taloudelliset säästömahdollisuudet, 18% (milj. /v) Helsingin kaupungin energiankulutus 2010 (TJ/v) Ison ydinvoimalan (880MW) vuosituotanto (TJ/v) Suomen valtion budjetti (milj. )

26 26 Tutkimuksen rahoittajat FIMECC Oy Metallituotteet ja koneenrakennusalan strategisen huippuosaamisen keskittymän DEMAPP-tutkimusohjelma Tekes VTT Argonne National Laboratory, Department of Energy, Chicago, USA

27 27 VTT luo teknologiasta liiketoimintaa