Energian talteenotto liikkuvassa raskaassa työkoneessa 20.01.2010 Heinikainen Olli
Esityksen sisältö Yleistä Olemassa olevat sovellukset Kineettisen energian palauttaminen Potentiaalienergian palauttaminen
Hybridiajoneuvon määritteleminen Hybridi avoneuvo on tavanomaisesti polttoaineistettu ja toimiva ajoneuvo joka on varustettu voima linjalla joka kykenee toteuttamaan ainakin kolme ensimmäistä seuraavista neljästä hybridi toiminnoista: 1) Moottorin sammuttaminen kun tehon tarve on nolla tai negatiivinen 2) Moottorin koon pienentäminen 3) Jarrutusenergian palauttaminen ja sen uudelleen käyttö 4) Moottorin pois kytkeminen matalilla tehoilla (kun moottori toimii huonolla hyötysuhde alueella) Käyttövoimajärjestelmä joka täyttää nämä ehdot voidaan nimittää hybridiksi.
Työkoneiden energian säästö mahdollisuudet perustuvat epäedullisten käyttöolosuhteiden vähentämiseen. Huolimatta monenlaisista vaihtoehtoisista suunnittelukonsepteista, hybridi ajoneuvot noudattavat perusperiaatteita: 1. mahdollisuus sammuttaa moottori joutokäynnin aikana 2. jarrutusenergian talteenotto 3. polttomoottorin hyötysuhteen nostaminen, pyörittämällä moottoria paremman hyötysuhteen alueella. 4. tietenkin hybriditekniikasta voi aiheutua haittaakin, kuten kohonnut paino tai monimutkaisempi vaihteisto.
Energian lähteet Polttokenno Yleensä polttokennossa käytetään vetyä energia varastona Tutkimustyö keskittyy voimakkaasti metanolin käyttöön energian lähteenä. Polttokenno tuottaa suoraan sähköenergiaa, joten energiaa ei tarvitse muuttaa välillä mekaaniseksi niin kuin polttomoottori/generaattori sovelluksissa Polttokennon hyötysuhde on noin 60%, mutta jos järjestelmään lisätään vesipumppu ja kompressori niin tippuu kokonaishyötysuhde noin 30%. Tällöin polttokenno menettää hyötysuhde etunsa dieselmoottoriin ja generaattoriin. Vedyn tuotannon päästöjen täytyy olla myös alhaisella tasolla, jotta vedystä voi tulla kiinnostava energianlähde. Lisäksi polttokennot ovat tällä hetkellä liian kalliita verrattu polttomoottoreihin.
Polttokenno, /- ei energian muunnoksia ei päästöjä pelkän kennon hyötysuhde - energian varastointi liikkuvassa koneessa - energian jakelu/tankkaaminen - energian tuotannon ongelmat (maakaasu) - kun lisälaitteiden vaikutus, joita polttokenno tarvitsee lisätään -> hyötysuhde huononee -> etu polttomoottoreihin menetetään
Diesel- ja Ottomoottorit Diesel ja Otto-moottorit ovat monin paikoin samanlaisia. Ehkä tärkein yhteinen ominaisuus on ilma/polttoaine seoksen voimakas vaikutus päästöihin -> lambda-arvoksi Ilma/polttoaine suhdetta muutettaessa moottorin vääntömomentti nousee. Polttoaineen kulutuksen minimoimiseksi on moottoria ajettava korkealla väännöllä ja hitaahkolla pyörimisnopeudella. Näin saavutetaan korkea terminen ja mekaaninen hyötysuhde. Päästöjen kannalta sopivan pyörimisnopeuden ja väännön valinta on vaikeampaa.
Diesel- ja Ottomoottorit, /- edullisuus pitkä kehitystyö toiminta varmuus polttoaineen yksinkertainen jakelu ja varastointi - päästöt - polttoaineen hinta - useat energian muunnokset - hidas reagointi kuorman muutoksiin - hyötysuhde
Sähkömoottori Hybridi ajoneuvoissa voidaan käyttää AC- tai DC-moottoreita. Vaihtovirtamoottoreista yleisimpiä ovat induktio- ja synkronimoottorit joista nykyisillä ohjausjärjestelmillä saadaan korkea teho ja hyvä ohjattavuus. Aikaisemmin tasavirtakäytöt olivat suosiossa suoraviivaisemman ohjaus elektroniikan takia, mutta nykyään ovat menettäneet suosiotaan lyhyemmän käyttöajan takia. Induktiomoottorissa on vain muutama liikkuva osa mikä tekee mekaanisesta rakenteesta yksinkertaisen ja moottorista helpon huoltaa. Kestomagneetti synkronimoottorit sopivat myös hyvin ajoneuvokäyttöön. Hyvin suunnitellulla sähkökäytöllä saavutetaan yli 90% hyötysuhde suuressa osassa toiminta avaruutta. Parhaissa toiminta pisteissä hyötysuhde voi nousta 97%:n.
Sähkömoottori, /- erittäin hyvä hyötysuhde ohjattavuus vaste kuoman muuttuessa - pieni tehotiheys - energian varastointi
Jaottelu tehon mukaan Mikrohybridi Kevythybridi Täyshybridi, rinnakkais Täyshybridi, sarja Sähköteho 3-5 kw 4-20 kw 30-120 kw 60-400 kw Akuston jännite 12-42 V > 42 V 144-600 V 144-600 V Polttoiaineen vähentyminen kulutuksen 3-5 % noin. 15 % 15-30% 15-30% Käynnistin ja generaattori Energian talteenotto Osittain Lisäteho toiminto Sähköinen liikkeellelähtö Sähköajo
Jaottelu toteutustavan mukaan sähköinen sarjahybridi
sähköinen rinnakkaishybridi sähköinen jaetun tehon hybridi
hydraulinen rinnakkaishybridi hydraulinen sarjahybridi
hydraulinen jaetun tehon hybridi
Potentiaalienergian talteenotto Energian talletus tapahtuu erillisellä piirillä hydrauliakustoon. Talletuspiirin paineen täytyy olla korkeampi kuin käyttöpaineen.
Sylinteriltä takaisin tankkiin palaava öljy johdetaan generaattoriin, jolla ladataan sähköistä akustoa. Hydraulipumppua käytetään sähkömoottorina kuormaa nostettaessa. Kuormaa laskettaessa pumppu toimii moottorina ja sähkömoottori generaattorina. Generaattorilla ladataan akustoa.
Energiavarastot Aikaisemmin esitetyissä hybridi järjestelmän ratkaisuvaihtoehdoissa on kaikissa tarvittu jonkinlainen energiavarasto. Varastoon voidaan tallettaa joko moottorin tuottamaa energiaa, palautettua energiaa tai koneen ulkopuolelta ladattua energiaa. Kuvassa esitetään erilaisten energialähteiden energia ja teho ominaisuuksia. Energiasisällön lisääntyminen kasvattaa toiminta-aikaa, joka yleensä tarkoittaa samalla toiminta matkan kasvua. Tehon kasvaminen tarkoittaa kiihtyvyyden kasvamista tai mahdollisuutta käyttää suurta tehoa vaativia liikkeitä.
Energiavarastot Akut ja kondensaattorit Erilaisten kemiallisien akkujen energia sisältö on kondensaattoreita huomattavasti suurempi. Akkujen virran luovutuskyky ei ole yhtä suuri kuin kondensaattoreilla. Joissain sovelluksissa voi myös tilan tarve olla merkittävä suunnittelua ohjaava tekijä. Hydrauliset Paine-energian tallentaminen voidaan toteuttaa: painon jousen paineistetun kaasun tai elastomeerin avulla Muita varastoja Vauhtipyörä paineilma