Katsaus ajoneuvojen oheisjärjestelmien energiankulutukseen ja tuottamiseen

Aalto yliopiston Teknillinen korkeakoulu Espoo 2010 Katsaus ajoneuvojen oheisjärjestelmien energiankulutukseen ja tuottamiseen Matti Juhala, Johannes Kankare, Mikko Laamanen

2 Sisällysluettelo Sisällysluettelo... 2 1 Johdanto... 3 2 Energiaa kuluttavat järjestelmät... 3 2.1 Moottorin käyttämien laitteiden sähköistäminen... 5 2.2 Lämmön hallinta... 10 2.3 Lämmitys, ilmanvaihto, ilmastointi... 13 2.4 Voimalinjan öljypumppu... 17 2.5 Ohjaus... 19 2.6 Paineilman tuotto... 21 2.7 Alipaineen tuotto... 22 2.8 Venttiilinohjaus... 23 3 Sähköenergiaa tuottavat järjestelmät... 24 3.1 Voimalinjan pyörittämät generaattorit... 24 3.2 Polttokennot... 26 3.3 Diesel ja ottomoottorigeneraattorit... 28 3.4 Wankel generaattorit... 29 3.5 Mikroturbiinigeneraattorit... 30 4 Pakokaasujen lämpöenergian hyödyntäminen... 32 4.1 Työprosessit... 33 4.2 Turbiinit... 36 4.3 Termosähköiset... 39 5 Energianhallintajärjestelmät... 43 6 Johtopäätöksiä... 43 Kirjallisuutta... 44 Liite 1... 46

3 1 Johdanto Huoli ilmastonmuutoksesta ja energian hinnan nouseminen ovat saaneet koneiden ja laitteiden suunnittelijat ja käyttäjät kiinnittämään entistä enemmän huomiota ympäristöystävällisyyteen ja energiatehokkuuteen. Esimerkkinä tästä on innostus erilaisten hybridiajoneuvojen tai jopa täyssähköisten ajoneuvojen käyttöön. Tämän selvityksen tarkoituksena on kartoittaa erilaisten muuhun kuin ajoneuvon liikuttamiseen suoraan kohdistuvien energiaa kuluttavien järjestelmien ja näihin tarpeisiin soveltuvien energianmuunnosjärjestelmien nykyistä kehitystilannetta sekä vaatimuksia. Aihealueen laajuudesta johtuen aineistoa löytyy varsin runsaasti vaikkakin sen taso ja tarkoitusperät vaihtelevat. Työ on jaettu kahteen pääosaan eli energiaa kuluttaviin järjestelmiin ja energiantuottojärjestelmiin. Kansainvälisessä kielenkäytössä esiintyy termi Auxiliary Power Unit APU, jolla yleensä tarkoitetaan varsinaisen päävoimanlähteen lisäksi hyödynnettäviä energiantuottojärjestelmiä. Motivaatio erilaisten järjestelmien kehittämiseen vaihtelee. Esimerkiksi Yhdysvalloissa keskeisenä kehityskohteena näyttäisi olevan raskaiden ajoneuvojen joutokäynnin vähentämiseen tähtäävät järjestelmät. Hybriditekniikan yleistymisen myötä aiheeseen on tullut myös uusia näkökulmia pyrittäessä prosessin tehokkuuden ja hyötysuhteen parantamiseen. 2 Energiaa kuluttavat järjestelmät Ajoneuvon energiankulutus riippuu olennaisesti ajo ja työsyklistä eli toisin sanoen siitä, miten moottoria kuormitetaan. Polttomoottorin hyötysuhde heikkenee merkittävästi, kun siirrytään osakuormitusalueelle. Kuva 1. Nykyaikaisen raskaan ajoneuvon moottorin energiatase Oheinen kuva esittää nykyaikaisen raskaan ajoneuvon moottorin energiatasetta. Lukuarvot ovat kuormituksen ym. vaikutuksesta johtuen vain suuntaa antavia, mutta niiden perusteella voidaan päätellä, minkälaisia mahdollisuuksia hyötysuhteen parantamiselle voisi löytyä. Merkittävimmät häviökohteet on jäähdytys ja pakokaasut. Näiden energian talteenotto voisi tuoda merkittävää parannusta. Tähän on käytettävissä useita erilaisia menetelmiä kuten: mekaaninen turbiini, sähköinen turbiini,

4 Rankine syklin tai Brayton syklin hyödyntäminen sekä termosähköiset järjestelmät. Näitä tarkastellaan lähemmin vähän myöhemmin tässä selvityksessä. Moottorin toiminnan kannalta tarpeellisten apulaitteiden optimointi voisi myös tarjota parannusmahdollisuuksia häviöiden edustaessa noin 2,5 % osuutta ajoneuvon kokonaisenergiankulutuksesta. Erityisesti apulaitteiden toiminnan sähköistäminen ja säätöominaisuuksien parantaminen on viimeaikoina ollut tutkimuksen kohteena.

5 2.1 Moottorin käyttämien laitteiden sähköistäminen Monet tavanomaisesti hammas tai hihnavälityksellä moottorista käyttövoimansa saavat laitteet voidaan muuttaa sähkökäyttöisiksi erityisesti niissä sovellutuksissa, joissa sähköenergiaa on runsaasti käytettävissä. Tällaisia ovat hybridi tai sähkötoimiset ajoneuvot ja työkoneet. Esimerkkeinä tällaisista järjestelmistä voidaan mainita moottorin jäädytysnesteen kierrätys, ilmakompressori, ohjaustehostus tai hydraulisen tehostuksen pumppu, jäähdytyspuhaltimet ja ajoneuvon ilmastointi. Erityissovellutuksissa päällirakenteissa esiintyy myös monia erilaisia sähkökäyttöön soveltuvia järjestelmiä. Sähkökäyttöön siirtyminen vaikuttaa kahdella tavalla. Ensinnäkin on huomattava, että tällaisissa tapauksissa moottorista syntyvän mekaanisen energian muuntaminen sähköiseksi ja jälleen mekaaniseen tai hydrauliseen muotoon aiheuttaa muunnoshäviöitä. Tunnetustihan hammasvälityksen hyötysuhde on varsin korkea. Toisaalta sähköinen järjestelmä tarjoaa merkittävästi paremmat säätömahdollisuudet, erityisesti mahdollisuuden laitteen lepuuttamiseen energiaa kuluttamatta silloin, kun käyttötarvetta ei ole. Sovelluksesta riippuen näin saatava säästö voi olla hyvinkin huomattava. Sähköinen voimansiirto mahdollistaa myös laitteiden, kuten jäähdytys tai tuuletuspuhaltimien nopeuden säätämisen moottorin pyörintänopeudesta riippumattomalla tavalla. Näin jäähdytystehoa voidaan säätää syntyvän jäähdytystarpeen perusteella. Apulaitteiden käytön sähköistämisestä saatavat hyödyt korostuvat hybridiajoneuvojen yhteydessä. Niissä ajoneuvon liikuttamiseen tuotetaan runsaasti sähköä, jolloin sen tuottamisen hyötysuhde paranee. Hybridiajoneuvoissa käytetään myös yleisesti korkeampia jännitetasoja, kuin sähköistettäessä yksittäisiä apulaitteita. Myös tämä parantaa hyötysuhdetta ja samalla sähkön käyttöön liittyvät turvallisuustekijät ovat keskeisemmässä asemassa ja tulevat varmemmin huomioiduksi. Sähköistyksen merkitys on suurempi, kun ajoneuvoa käytetään vaihtelevissa olosuhteissa joihin sisältyy myös merkittäviä joutokäyntijaksoja. Pitkän matkan maantieliikenteessä, moottorin toimiessa melko tasaisesti ja suhteellisen korkealla kuormitusasteella, sähköistyksellä saavutettava säästö jää suhteessa vähäisemmäksi. On arvioitu, että hybridiajoneuvoissa moottorin apulaitteiden sähkökäytöllä voitaisiin saavuttaa noin 3 5 % suuruinen säästö energian kulutuksessa [TIAX]. Hybridiajoneuvossa yhdistyy vähintään kahden energiamuuntimen toiminta. Tällaisia ovat esimerkiksi polttomoottori, sähkömoottori ja hydraulinen käyttö. Hybridisoinnin tavoitteena on tuottaa vähintäänkin perinteisen polttomoottoriratkaisun tasoinen teho, toimintasäde sekä turvallisuus ja samanaikaisesti vähentää energiankulutusta ja pienentää syntyviä ympäristölle haitallisia päästöjä. Hybriditekniikka tarjoaa mm. seuraavia etuja: Jarrutusenergian talteenotto: Regeneroiva jarrujärjestelmä toimii ajoneuvon liike tai potentiaalienergiaa vähennettäessä niin, että osa energiasta voidaan varastoida käytettäväksi myöhemmin. Tavanomaisessa jarrujärjestelmässä energia muutetaan lämmöksi ja hävitetään ympäristöön. Talteen otettavan energian määrä riippuu luonnollisesti toteutustavasta ja ennen muuta ajoneuvon käyttösyklistä. Esimerkiksi yleisesti käytetyssä amerikkalaisessa

6 kaupunkiajosyklissä likimain 60 % kokonaisenergiasta muodostuu ajoneuvon hitauden vaikutuksesta. On arvioitu että teoreettisesti jopa 50% tästä energiasta voitaisiin saada talteen ja käyttää uudelleen. Suuruusluokka riippuu ajoneuvon ilman ja vierinvastusominaisuuksista ja ajotavasta. Lisähyötyä energiaa talteen ottavalla jarrujärjestelmällä syntyy jarrukomponenttien vähäisemmän kulumisen ja siten myös partikkelituoton myötä. Korkeampi hyötysuhde: Polttomoottoriin verrattuna sähkömoottori on yksinkertaisempi ja hyötysuhteeltaan parempi. Sähkömoottorin liikkuvat osat muodostuvat pääsääntöisesti ankkurista tai roottorista ja sen laakeroinnista ja sähkömoottorilla ei ole polttomoottorille ominaista kaasunvaihtohäviöitä. On kuitenkin huomattava että sähkömoottorin ja sen ohjain (Inventteri, DC/DC muunnin tms) voi olla huomattavan mutkikas kokonaisuus. Paremmat vääntöominaisuudet: Polttomoottorin heikkouksiin kuuluu, että se kykenee tuottamaan vääntömomenttia vasta tietyllä pyörintänopeudella. Tästä syystä esimerkiksi liikkeelle lähdettäessä tarvitaan suurta välityssuhdetta ja jonkin tyyppinen kykin tai momentinmuunnin joka mahdollistaa välityssuhteen muuttamisen äärettömästä ykköseen. Sähkömoottori soveltuu ajoneuvokäyttöön hyvin, koska se tuottaa suuren vääntömomentin jo alhaisilla pyörintänopeuksilla. Sähkömoottorin pyörintänopeuden myötä alenevaa vääntöä voidaan tehostaa hyödyntämällä hybridisovelluksessa polttomoottorin tällöin parempaa vääntökykyä. Sähkömoottorinkin kohdalla tosin sen käynnistäminen on haasteellinen tapahtuma eli tilanne jossa moottorilta edellytetään pehmeää ja hallittua pienen momentin tuottoa lähellä nollapyörimisnopeutta. Päästöjen väheneminen: Merkittäviä päästövähennyksiä syntyy, kun voidaan eliminoida polttomoottorin käyttöä joutokäynnillä tai kevyesti kuormitettuna. Myös kuormituksen tasaaminen parantaa päästöjen hallintaa. Sähkömoottori ja sen säätöjärjestelmä tuottavat kuitenkin päästöiksi tai häiriötekijöiksi Toimiminen parhaalla hyötysuhteella: Ajoneuvojen moottorin kuormitusaste vaihtelee käyttötilanteen mukaan voimakkaasti. Tyypillisesti moottori joudutaan ylimitoittamaan hetkellisen hyvän kiihtyvyyden ja mäennousukyvyn vuoksi vaikka suurin osa käytöstä tapahtuisikin tasaisesti ja tasaisella. Hybriditoteutuksissa moottorin kuormitusta voidaan tasata ja näin optimoida moottorin toimintapiste lähelle hyvää hyötysuhdetta. Moottorin pienentäminen: Paitsi toimintapisteen siirtämiseen hyvän hyötysuhteen alueelle, hybriditoteutuksella voidaan mahdollistaa pienemmän moottorin käyttö. Tarvittaessa hetkellisesti tavanomaista suurempaa tehoa tai vääntömomenttia voidaan hyväksikäyttää sähköistä voimansiirto osuutta. Tällä voi olla heijastusvaikutusta myös voimansiirron kevenemisen kautta. Moottorin sammuttaminen: Moottorin sammuttamista käytetään tarpeettoman joutokäynnin vähentämiseen. Tämä voi tapahtua joko lyhytaikaisen liikennetilanteesta johtuvan pysähdyksen, yöpymisen tai työprosessiin kuuluvan tauon vuoksi. Moottorin sammuttaminen vähentää päästöjä, melua ja värähtelyitä. Sammutuksen edellytyksenä on moottorin vaivaton ja

7 luotettava uudelleen käynnistys. Pysäytyksen edellytyksenä voi myös olla tarvittavan energian varastointi tai tuottaminen muulla tavoin taikka työprosessin ylläpito sähköistetyllä käyttölaitteella. Erilaisten apu ja toimilaitteiden käytön sähköistäminen: Sähköistyksen avulla laitteiden toiminta voidaan rajoittaa ainoastaan tarpeelliseen käyttöaikaan. Erityisesti hihnakäyttöihin verrattuna sähköiset käytöt voivat olla myös hyötysuhteeltaan parempia. Parempi ajettavuus: Sähkömoottorille on ominaista polttomoottoria nopeampi reagointi. Käytettävyys: Erityisesti rinnakkaissovelluksissa laitteen käytettävyys saattaa parantua toisen järjestelmän toiminnan jatkuessa mahdollisessa vauriotilanteessa. Verkosta ladattavat hybridit: Mahdollisuus sähköenergiavaraston lataamiseen verkkovirralla tarjoaa monipuolisemman primäärienergian valikoiman. On myös visioitu mahdollisuutta älykkäästä sähköverkosta, jossa ajoneuvot voisivat toimia kuormituksen tasaajana. Hukkalämmön hyödyntäminen: Sähköenergian käyttö tarjoaa mahdollisuuksia häviöistä muodostuvan hukkalämmön talteenotolle ja varastoinnille. Hybridijärjestelmiin liittyy myös monia negatiivisia piirteitä: Voimalinjan ja sen ohjaamiseen tarvittavan elektronisen säätöjärjestelmän monimutkaistuminen. Ajoneuvon massan lisääntyminen ylimääräisten komponenttien, erityisesti energiavarastojen, myötä. Komponenttien ja monimutkaisuuden aiheuttamat lisääntyvät kustannukset. Myös suunnittelukustannukset lisääntyvät järjestelmän monimutkaistuessa. Lisäksi ainakin alkuvaiheessa lisäkustannusta syntyy suhteellisen pienistä valmistusmääristä. Lisääntyvä monimutkaisuus yleensä johtaa myös luotettavuuden alenemiseen mahdollisten vikakohteiden määrän kasvaessa. Ohjelmiston luotettavuuden testaaminen vaikeutuu. Mikäli järjestelmän käyttöprofiilia ei tunneta tai erilaisten käyttöprofiilien määrä on suuri, toimintaa ei välttämättä kyetä optimoimaan. Tämä saattaa johtaa jopa energiankulutuksen lisääntymiseen. Raskaissa ajoneuvoissa ja työkoneissa käytetään sekä sähköisiä että hydraulisia hybridejä. Sähköisessä ratkaisussa tarvitaan yksi tai useampia sähkökoneita (moottori/generaattori), energiavarasto (akku, superkondensaattori, vauhtipyörä) ja tehoelektroniikka joka ohjaa järjestelmää ja sen komponentteja. Hybridisoinnin asteen mukaan puhutaan mikro, mini (kevyt) ja täyshybrideistä, joista mikrohybridi on lähinnä pysäytys ja käynnistys järjestelmä. Rakenteellisesti hybridi voi olla joko rinnakkais, sarja tai yhdistelmähybridi. Rinnakkaisratkaisussa sähköinen ja polttomoottoriin perustuva järjestelmä toimivat rinnan. Sarjahybridi on lähinnä energiavarastolla varustettu sähköinen voimansiirto. Yhdistelmähybridistä esimerkkinä on vaikkapa

8 Toyota Prius, jossa polttomoottorin, kahden sähkömoottorin ja planeettapyörästön avulla säädellään energian ja tehon siirtoa. Hydraulihybridille on ominaista mekaanisen ja hydraulisen voimansiirron yhdistäminen. Pääkomponentit ovat hydraulineste, nestesäiliö, hydraulinen pumppu/moottori yhdistelmä ja paineakku. Energia varastoidaan paineakussa korkeapaineiseen typpikaasuun. Muuttuvatilavuuksinen pumppu toimii moottorina ajettaessa ja pumppuna otettaessa energiaa talteen jarrutettaessa. Hydraulisia hybridijärjestelmiä käytetään lähinnä raskaissa sovellutuksissa. Kuva 2. Esimerkki nykyaikaisen raskaan ajoneuvon energiataseesta. Taulukko 1. Amerikkalaisen luokkaan 8 kuuluvan kuorma auton energiatase ajettaessa tasaisella tiellä 65 mph nopeutta.

9 Taulukko 2. Amerikkalaisen 40 jalan (12,2m) linja auton energiatase ajettaessa tunnin ajan toimistoalueella, istuimet puolilleen kuormattuna ja ilmastointi käytössä. Oheisessa kuvassa on esitetty kuorma auton apulaitteiden tehontarvetta moottorin pyöriessä 1400 rpm nopeudella. Ajoneuvoksi on valittu 12 litraisella 420 hevosvoiman moottorilla varustettu 40 tonninen ajoneuvoyhdistelmä. Palkit esittävät kunkin järjestelmän tehontarpeen vaihtelualuetta erilaisissa toimintatilanteissa vakiopyörintänopeudella. Moottorin öljypumpun ja jäähdytysnesteen kierrätyspumpun teho riippuu pelkästään pyörintänopeudesta ja on näin ollen kiinteä. Muilla tehontarve vaihtelee suuresti. Kuva 3. 12 litraisella 420 hevosvoiman moottorilla varustetun ajoneuvoyhdistelmän apulaitteiden tehontarvetta moottorin pyöriessä 1400 rpm nopeudella. Petterson on tarkastellut energian kulutusta mallintamalla käyttäen kahta erilaista ajosykliä. Toinen on mitattu reitiltä Södertälje Göteborg ja toinen on saksalainen reitiltä Köblenz Trier. Apulaitteiden energiankulutus on suuruusluokkaa 4.7.. 7.3 %. Tämä antaa käsityksen apulaitteiden uudelleen suunnittelun avulla mahdollisesti saavutettavasta energiansäästöstä. Käytännössähän ainoastaan osa tästä kulutuksesta voidaan säästää. Tarkasteluissa generaattorin tuottamaksi tehoksi on asetettu 1120 W, joka vastaa nykyaikaisen kuorma auton keskimääräistä sähköntarvetta. Hyötysuhteena on käytetty kiinteää 0.65 % hyötysuhdetta. Koska generaattorin häviöteho riippuu suoraan sen

10 hyötysuhteesta, generaattorin suunnittelun merkitys korostuu sähköisen tehontarpeen kasvaessa. Työkonepuolella apulaitteiden sähköistämistä on kokeiltu käytännössä. Syksyllä 2008 John Deere esitteli 7430 E ja 7530 E mallisarjat, joissa oli 26 kw sähkögeneraattori. Kaikki moottorin apulaitteet ja jäähdytysjärjestelmä saivat voimansa generaattorista ja lisäksi saatavilla oli 230 V ja 400 V sähköä. Polttoaineenkulutus oli testien mukaan 6 % pienempi. Lisätehoa oli käytettävissä tavallista enemmän ja pienemmillä kierroksilla. Syksyllä 2009 vakiomallien moottorien suoritusarvoihin tuli pientä parannusta. 2.2 Lämmön hallinta Lämmönhallinnalla voi olla merkittävä vaikutus energiankulutukseen, päästöihin, luotettavuuteen ja turvallisuuteen. Monet lämmönhallinnan perusvaikutukset ovat yhteisiä tämän päivän perinteisille ja tulevaisuuden kehittyneille ajoneuvoille. Esimerkkinä mainittakoon vaikkapa isojen kuorma autojen jäähdyttimien koko, jolla on merkittävä vaikutus ajoneuvon keulan muotoilulle ja siten ilmanvastukseen. Pakokaasujen takaisinkierrätyksen (EGR) arvioidaan olevan todennäköisin lähitulevaisuuden keino typen oksidien hallitsemiseksi. Sen arvioidaan lisäävän jäähdytysjärjestelmän lämpökuormaa 20.. 50 %. Valitettavasti monet perinteisen jäähdytysjärjestelmän komponentit kuten jäähdyttimet, öljynjäähdyttimet ja ilmastoinnin kennostot alkavat jo olla lähellä käytännön maksimikokoa ja toiminnallisuutta. Hybridi ja polttokennoajoneuvojen arvioidaan entisestään kasvattavan jäädytystarvetta. Esimerkkinä polttokennojen pakokaasujen sisältämän veden talteenotto ja kierrätys, jolla vähennetään mukana kuljetettavan veden tarvetta ja toisaalta vähennetään kylmissä olosuhteissa vedestä aiheutuvia jäätymisongelmia. Dieselhybridissä saatetaan tarvita jopa viisi erillistä jäähdytysjärjestelmää (moottori, akut, sähkömoottorit, elektroniikka ja ahtoilma), joiden kokonaisoptimointi on iso haaste. Tutkijat ovat tunnistaneet lukuisia osa alueita, joilla lämpötilanhallintaa tulisi edelleen tutkia ja kehittää: Älykkäät lämmönhallintajärjestelmät Korkeaan käyttöjännitteeseen perustuvat järjestelmät Vaihtuvanopeuksiset pumput ja puhaltimet Lapojen säätö Lämmönhallintajärjestelmän ja muun ajoneuvojärjestelmän integrointi Vaihtuva suuntaiset puhaltimet Kehittyneet lämmönvaihtimet ja lämmönsiirtoaineet Uudet ilmapuolen lämmönsiirtomenetelmät Uudet materiaalit Nanomateriaalit, joilla parannetaan nesteiden ja öljyjen lämmönsiirtoominaisuuksia Likaantumismekanismien ymmärtäminen ja likaantumisen estäminen

11 Uudet lämmönhallintakonseptit Lämpöputket Jäähdytys hallitulla ydinkiehutuksella Hukkalämmön talteenottomenetelmät Simulointi ja mallinnusmenettelyt Monipuolinen ja tarkka CFD mallinnus Kokeellinen tietokanta Antureiden ja säätökomponenttien kehitys Tarkkoja, luotettavia, kestäviä ja reaaliaikaisia NOx, moottorin lämpötilat, paine, nestevirtaukset, ilmavirtaukset Liittäminen tietokoneperustaiseen säätöjärjestelmään Termisen jäljen hallitseminen sotilassovellutuksissa Elektroniikan jäähdytys (tehoelektroniikka, säätöelektroniikka, tietoliikenneelektroniikka yms.) Jäähdytysjärjestelmä riippuu luonnollisesti sovelluksesta. Petterson tarkastelee oheisen kaavion mukaista järjestelmää, joka kuvaa tyypillistä nykyaikaisen kuorma auton jäähdytysjärjestelmää. Moottorin lämmön lisäksi järjestelmä jäähdyttää hydraulista hidastinta. Autossa on myös ahtoilman jäähdytys. Jäähdytysilman virtaus aikaansaadaan sekä ajoviimasta syntyvällä paineella että erillisellä puhaltimella. Jäähdytysjärjestelmän energiaa kuluttavia komponentteja ovat pumppu ja puhallin. Järjestelmässä jäähdytysnesteen virtausnopeus on likimain verrannollinen moottorin pyörintänopeuteen ja jäähdyttimen läpi menevää virtausta säädellään termostaatilla. Puhallin on liitetty moottorin kampiakselille viskoosikytkimellä, joka mahdollistaa passiivisen pyörintänopeuden säätelyn. Kytkimen luistoaste riippuu siinä olevan öljyn määrästä. Vanhemmissa moottoreissa sitä säädellään kaksoismetalliventtiilillä ja uudemmissa sähköisesti. Tällöin säätöparametreina ovat jäähdytysnesteen lämpötila, ahtoilman lämpötila, moottorin pyörintänopeus ja ajonopeus. Lisäksi hidastin voi käskyttää puhallinta, jolloin parametreina ovat jäähdytysnesteen lämpötila, hidastimen vääntömomentti, vetoakselin pyörintänopeus ja ulkoilman lämpötila. Kuva 4. Tyypillistä nykyaikaisen kuorma auton jäähdytysjärjestelmä.

12 Simuloinneilla todettiin, että viskokytkimen luisto aiheuttaa häviöitä, jotka voitaisiin eliminoida käyttämällä sähköistä puhallinta. Lisäksi pumpun sähköistäminen mahdollistaisi paremman jäähdytysnestekierron säätelyn. Kuva 5. Kuorma auton jäähdytysjärjestelmä, jossa pumppua ja puhallinta käytetään sähkömoottoreilla. Pettersonin mukaan jäähdytysjärjestelmällä saavutettavat säästöt mallinnuksen perusteella ovat: Kytkimen kaksoismetalliohjaus Kytkimen sähköinen ohjaus Sähköisen järjestelmän optimaalinen säätö Köblenz Trier P kw f l/100 km Södertälje Göteborg % P kw f l/100 km 4.62 0.43 2.45 4.62 0.43 2.45 2.85 0.20 1.13 2.85 0.20 1.13 3.40 0.01 0.07 3.40 0.01 0.07 %

13 Kuva 6. Erikokoisia 12 ja 24 voltin sähkökäyttöisiä jäähdytysjärjestelmän pumppuja tarjoavat mm. Pierburg (vasemmalla) ja EMP (oikealla). Hybridiajoneuvoissa, joissa polttomoottori voi olla ajon aikana pysäytettynä, on oltava sähkökäyttöinen jäähdytysnestepumppu, jotta jäähdytys ja jäähdytysnesteen kiertoon perustuva ohjaamolämmitys toimii myös moottorin ollessa pysäytettynä. Esimerkiksi Toyota Priuksessa on tavanomaisen mekaanisen pumpun lisäksi erillinen sähköinen pumppu, jolla kierrätetään nestettä lämmityslaitteen kennolle. Sähkömoottoriin liittyville laitteille on oma täysin erillinen jäähdytysjärjestelmänsä, jossa nesteen kierrättämisen hoitaa sähköinen pumppu. 2.3 Lämmitys, ilmanvaihto, ilmastointi Nousevan elintason myötä ihmisten mukavuudenhalu lisääntyy, mikä asettaa kehittämispaineita myös ajoneuvojen mukavuuselektroniikalle. HVAC eli lämmitys, ilmanvaihto ja ilmastointijärjestelmän tehtävänä on luoda ajoneuvon sisälle matkustajien kannalta miellyttävä ilmasto. Se siirtää lämpöä ajoneuvon matkustamoon tai sieltä pois, säätää ilman kosteutta ja huolehtii ilman puhdistuksesta sekä kierrättämisestä ajoneuvossa. HVAC järjestelmä on oleellinen osa ajoneuvon turvallisuutta huolehtien kuljettajan vireydestä ja mahdollistaen hyvän näkyvyyden ulos ajoneuvosta. Olosuhteet ajoneuvon ulkopuolella voivat vaihdella merkittävästi ja suuri ikkunapinta ala altistaa matkustamon erityisesti auringon säteilyn lämmittävälle vaikutukselle ja kylmemmällä ilmalla vedolle. Raskaiden ajoneuvojen suuret matkustamo tai kuljetustilat, suuri ikkunapinta ala ja mahdollinen huono eristys sekä kuljettajien pitkät ajoajat luovat haasteita tehokkaiden järjestelmien kehittämiselle. Lisäksi kaupunkiliikenteen linjaautoissa jatkuva ovien avaaminen vaikuttaa merkittävästi järjestelmän kuormaan, erityisesti ympäristön sekä matkustamon välisen lämpötilaeron ollessa suuri, ja alhaiset ajonopeudet vaikeuttavat ilmastointijärjestelmän kapasiteetin sovittamista jäähdytystarpeeseen. Hybridiajoneuvot, kehittyneet moottorit ja voimansiirto sekä niistä aiheutuva pienempi hukkalämmön tuotto vaativat lämmitysjärjestelmien kehittämistä. Lisäksi tulevaisuudessa sähköajoneuvojen matkustamon korkean mukavuustason ylläpitäminen tulee toteuttaa ajokantamaa lyhentämättä. Vaativasta toimintaympäristöstä huolimatta HVAC järjestelmän tulee vastata muuttuviin olosuhteisiin riittävän nopeasti ja tehokkaasti turvallisen ajotapahtuman ja matkustamon viihtyvyyden varmistamiseksi.

14 HVAC järjestelmän ylläpitäminen vaatii energiaa. Perinteisesti tämä energia on ilmastointia varten otettu suoraan ajoneuvon moottorista kompressorin kautta ja lämmitykseen moottorin hukkalämmöstä. Ilmastoinnilla on ajoneuvon lisävarusteista merkittävin polttoaineenkulutusta kasvattava vaikutus ja järjestelmissä käytettävät kylmäaineet kuormittavat ympäristöä. Ilmastointi on yleistynyt merkittävästi kaikissa ajoneuvotyypeissä ja ajoneuvojen kasvava koko vaatii tehokkaampia järjestelmiä. Ympäristötietoisuuden kasvaessa järjestelmien kehitystä kohtaan asetetaan kuitenkin entistä enemmän paineita. Lainsäädännölliset tekijät, globaali painostus ja korkeammat polttoaineen hinnat vaativat energiatehokkaampien järjestelmien kehittämistä. Ilmastoinnista on sen yleistymisen myötä tullut myös merkittävä huoltokohde. Ilmastointijärjestelmän polttoaineenkulutukseen vaikuttaa huomattava määrä sekä ajoneuvon sisäisiä että ulkoisia tekijöitä. Järjestelmän paineet, lämpötilat sekä höyrystimen ja lauhduttimen ilmavirrat ovat ajasta riippuvia tekijöitä. Niitä ohjaa vaihteleva kompressorin nopeus, kylmäaine ja ilmavirtojen nopeudet sekä ajoneuvon lämpökuormat. Ilma ja kylmäainevirtojen nopeudet riippuvat ajoneuvon nopeudesta ja kompressorin nopeudesta, joka perinteisissä järjestelmissä muuttuu moottorin pyörimisnopeuden mukana. Kokonaisvaltaisen käsityksen muodostaminen ilmastointijärjestelmän polttoaineenkulutuksesta ja kehityskohteista edellyttää ajoneuvon käytön ja konstruktion sekä ympäristön kautta vaikuttavien tekijöiden määrittämistä. Kuva 7. Polttoaineenkulutukseen vaikuttavat tekijät Taulukossa on esitetty eri henkilöautojen polttoaineenkulutus ilman ilmastointia, jäähdytettäessä lämmennyt matkustamo 22 24 ºC:een tavoitearvoon sekä ylläpidettäessä tavoitelämpötilaa tyypillisissä Keski Euroopan kesäolosuhteissa. Jäähdytysjakson aikana ilmastoinnin polttoaineenkulutus on ajoneuvosta riippuen 2,53 (Audi A4 TDI) 4,14 (Ford Fiesta) l/100km. Asetetun lämpötila arvon ylläpitämiseen kuluu kaupunkiajossa 0,76 2,11 l/100km ja maantieajossa 0,09 0,66 l/100km. Matkustamon viihtyisän ilmaston ylläpitäminen lisää ajoneuvon polttoaineenkulutusta siis enimmillään 19,9 %. Suurin kulutuksen kasvu on ajoneuvossa (Ford Fiesta), jonka ilmastointijärjestelmässä on käytetty vakiotilavuuksista kompressoria ja manuaalista säätöä, jolloin kompressori toimii aina maksimijäähdytyskapasiteetilla.

15 Taulukko 3. Ilmastoinnin polttoaineenkulutus (NEDC sykli) Pienimpään ilmastoinnin polttoaineenkulutukseen päästään ajoneuvossa (Audi A4 1,8 T), jossa käytetään muuttuvatilavuuksista kompressoria ja ulkoista kompressorin ohjausta, jolloin järjestelmää voidaan säätää tarkasti jäähdytystarpeen mukaan. Tällöin ilmastointi lisää kulutusta 5,2 %. Diesel moottorisen vastaavalla ilmastointijärjestelmällä varustetun ajoneuvon (Audi A4 2,0 TDI) kulutuksen lisäys ei eroa merkittävästi bensiini mallista, kulutuksen lisäyksen ollessa 6,3 %. Ilmastoinnin kulutus tilavuusyksikössä ilmaistuna on diesel moottorisessa ajoneuvossa pienempi, mutta sen paremman polttoainetalouden vuoksi prosentuaalinen kulutuksen kasvu on bensiini moottorista ajoneuvoa suurempi. Ajoneuvossa (Mazda 6), jossa on käytetty älykästä sisäilmankierron ohjausta, voidaan vakiotilavuuksisen kompressorin tehottomuutta kompensoida, ja kulutus kasvaa kohtuullisesti 10,2 %. Sisäisesti ohjatulla muuttuvatilavuuksisella kompressorilla varustettu järjestelmä ei kykene säätämään jäähdytyskapasiteettia tarkasti jäähdytystarpeen mukaiseksi, joten ajoneuvon (Opel Vectra 2,2) polttoaineenkulutuksen kasvu on 16,4 %. Elintarvikekuljetusten jäädytyslaitteistojen keskimääräinen polttoaineenkulutus on 15 25 % ajoneuvon polttoaineenkulutuksesta. Lisäksi kaupunkikuljetuksissa polttoaineenkulutus on keskimäärin 16 % korkeampi verrattuna pitkän matkan kuljetuksiin. Kaupunkilinja autossa ilmastoinnin polttoaineenkulutus on noin 20 30 % ajoneuvon polttoaineenkulutuksesta. Polttoainekäyttöisten lisälämmittimien kulutus riippuu käyttökohteesta vaihdellen 0,12 4,9 l/h välillä. Ilmastointijärjestelmän energiatehokkuutta voidaan parantaa järjestelmän ohjauksen ja kylmäainepiirin optimoinnilla sekä vähentämällä matkustamon lämpökuormaa. Höyrystimen lämpötilaa ohjaamalla höyrystintä voidaan käyttää ylemmällä lämpötila alueella. Mitä korkeampi höyrystimen ulostulon lämpötila on, sitä pienempi on tarvittava jäähdytysteho. Sisäilmankiertoa käyttämällä voidaan päästä jopa 35 % pienempään polttoaineenkulutukseen verrattuna pelkkään raitisilmankäyttöön ulkoilman lämpötilan ollessa 28 C ja suhteellisen kosteuden 40 %. Vähentämällä matkustamon lämpökuormaa, ilmastointijärjestelmän kapasiteettia voidaan pienentää matkustusmukavuutta huonontamatta. Matkustamon lämpökuormaan vaikuttaa merkittävimmin lasien ja ilmanvaihdon kautta matkustamoon siirtyvä lämpö. Lämpökuormaa voidaan pienentää esimerkiksi käyttämällä auringon säteilyä heijastavia laseja ja

16 maaleja, tehokkaita eristysmateriaaleja, taukotuuletusta sekä lisäämällä sisäilmankiertoa. Suurin osa ilmastointijärjestelmän polttoaineenkulutuksesta aiheutuu kompressorin käyttämiseen tarvittavasta energiasta. Kompressorin ottotehon minimoiminen vaatii koko kylmäainepiirin optimointia, mikä käsittää piirin komponentit, voiteluöljyn määrän, höyrystimen tulistuksen hallinnan sekä koko piirin yhteensovittamisen. Vain ajoneuvon toimintaympäristön jatkuvasti huomioivalla dynaamisesti ja älykkäästi ohjatulla järjestelmällä, jonka suunnittelussa on lisäksi huomioitu toimintaan koko järjestelmätasolla vaikuttavat tekijät, on mahdollista saavuttaa optimaalinen järjestelmän tehokkuus muuttuvissa toimintaolosuhteissa. Ilmastointijärjestelmän tehokkuutta voidaan lisätä parantamalla sen yksittäisten komponenttien toimintaa optimoimalla niiden painehäviöitä ja tehokkuutta, mutta parhaaseen suorituskykyyn päästään vain, kun järjestelmää käsitellään kokonaisuutena. Järjestelmän eri komponentit ovat läheisesti yhteydessä toisiinsa ja yhden komponentin ominaisuuksien muuttaminen voi vaikuttaa merkittävästi järjestelmän muihin osiin ja siten koko järjestelmän suorituskykyyn. Vaihtoehtoisia järjestelmiä, joissa hyödynnetään esimerkiksi hukkalämmön talteenottoa sekä termoelektrisiä sovelluksia tullaan käyttämään tulevaisuudessa laajasti. Hybridiajoneuvoissa on jo otettu käyttöön sähkökäyttöisiä kompressoreita, jotta ilmastointi toimisi myös polttomoottorin ollessa pysäytettynä. Energian muuttamisessa sähköiseksi ja uudelleen mekaaniseksi syntyy häviöitä enemmän kuin tavallisessa hihnavälityksessä. Sähkökäyttöisellä kompressorilla voidaan silti päästä pienempään kulutukseen, sillä kompressoria voidaan käyttää aina optimipyörimisnopeudella riippumatta moottorin kierrosluvusta. Tätä voitaisiin hyödyntää myös perinteisessä polttomoottoriajoneuvossa, joskin tavallisen henkilöauton sähköjärjestelmän jännitetasolla kompressorin käyttämä sähkövirta nousee varsin korkeaksi. Sähkökäyttöisen kompressorin lisäetuna on se, että kompressorin pyörittämiseen käytettävää energiaa voidaan puskuroida akkuun, jolloin kompressorin käyttäminen ei pienennä moottorin akselilta saatavaa huipputehoa. Henkilöautokokoluokkaan sähkökäyttöisiä kompressoreita valmistavat ainakin Denso ja Sanden. Kuva 8. Sähkökäyttöinen ilmastointilaitteen kompressori (Toyota Prius/ Denso) on hyvin samankaltainen kuin tavallinen hihnakäyttöinen kompressori, mutta hihnapyörän tilalla on sähkömoottori. Webasto markkinoi linja auton katolle asennettavaa ilmastointilaitetta, jossa 24 V jännitteellä toimiva sähkömoottori pyörittää perinteistä kompressoria hihnavälityksellä. Näin ilmastoinnin toiminta on moottorista riippumatonta, eikä laitteelle tarvitse vetää putkistoa moottorin yhteydessä sijaitsevalta kompressorilta.

17 Kuva 9. Webaston sähkökäyttöinen ilmastointilaite linja autoon 2.4 Voimalinjan öljypumppu Polttoainepumppu on hyvä esimerkki nesteen siirtopumpuista, joissa on jo siirrytty mekaanisista sähköisiin. EE VERT projektin mukaan nykyaikaisen sähköisen polttoaineen siirtopumpun hyötysuhde on noin 20.. 40 % ja hinta <60. Perinteisesti moottoreissa on kampiakselin tai nokka akselin käyttämä hammaspyörä tai roottori tyyppinen öljypumppu. Pumpun tuotto on näin sidottu lähes lineaarisesti moottorin pyörintänopeuteen. Sähköinen öljypumppu tarjoaa mahdollisuuden öljykierron säätämiseen öljyntarpeen perusteella. Tällöin voidaan esimerkiksi toteuttaa öljyn kierrätys ennen moottorin käynnistämistä ja näin varmistaa voitelun toimivuus. EE_VERT antaa öljypumpun tyypilliseksi hyötysuhteeksi noin 80 %. Kuva 10. Pierburgin näkemys öljyn tuoton ja tarpeen välisestä suhteesta moottorin kierrosluvun funktiona.

18 Yllä on esitetty öljyn tuoton ja tarpeen välistä suhdetta. Öljypumpun tuotto riippuu lähes lineaarisesti moottorin kierrosluvusta, mutta öljyn tarve kasvaa aluksi jyrkemmin ja suuremmilla kierroksilla vain vähän. Jotta tuotto riittäisi tyhjäkäynnillä, joudutaan pumppu yleensä mitoittamaan niin, että se tuhlaa energiaa merkittävästi yläkierroksilla. Yksi tapa ratkaista ongelma on käyttää niin kutsuttua hybridivoitelujärjestelmää. Järjestelmässä mekaanisen pumpun tuotto on mitoitettu pienemmäksi ja alakierroksilla voitelua tehostetaan erillisellä sähkökäyttöisellä pumpulla. Kuva 11. Öljynpumppauksesta johtuvia tehohäviöitä voidaan vähentää käyttämällä hybridivoitelujärjestelmää. Öljyn käyttö automaatti ja CVT vaihteistossa Kehitteillä olevissa hybridivaihteistoissa käytetään paineistettua öljyä vaihteensiirron toteuttamiseen, kytkinten aktivointiin ja jäähdytykseen. Perinteisessä automaattivaihteistossa käytetään polttomoottorilta käyttövoimansa saavaa pumppua öljynpaineen tuottamiseen. Hybridivaihteistossa painetta tarvitaan myös silloin, kun moottori on sammuksissa. Tällöin paineentuottoon tarvitaan sähkökäyttöistä ratkaisua. Pumpun toimintavaatimuksia määritettäessä tulee ottaa huomioon paineen lisäksi ympäristön lämpötila, tehokkuus ja käytettävissä oleva tila. Tällöin kyseeseen tulee sähkömoottorin käyttämä yksivaiheinen hammaspyöräpumppu. Pienehkö noin 5 cm 3 tilavuusvirta kierrokselta yhdessä pyörintänopeuden säätömahdollisuuden kanssa mahdollistaa virtauksen sovittamisen tarkalleen tarpeiden mukaiseksi. Perinteiseen vaihteiston öljypumppuun verrattuna tällä toteutuksella voidaan tasaisessa maantieajossa saavuttaa jopa 46 % säästö, joka vastaa noin 1.8 % säästöä kokonaisenergiankulutuksessa.

19 Kuva 12. Esimerkiksi AISIN valmistaa sähkökäyttöisiä hammaspyöräöljypumppuja. 2.5 Ohjaus Sähköinen ohjaustehostus Henkilöautoissa käytetään jo yleisesti sähköistä ohjaustehostusta, kun taas raskaissa ajoneuvoissa tehostus edelleen on pääsääntöisesti hydraulisesti toteutettu. Sähköisiä ohjaustehostimia henkilö ja pakettiautoihin on tarjolla useilla valmistajilla, kuten esimerkiksi ZF, ThyssenGrupp ja Nexteer Automotive. Kuva 13. Maantieajossa ohjaustehostuksen paine kuorma autolla on kuvan mukaista suuruusluokkaa [Petterson] Sähköinen ohjaustehostus voi tulla kyseeseen myös raskaissa ajoneuvoissa. Toimittaessa kuorma autolle tyypillisellä 24/28 V jännitetasolla tarvittavan tehostuksen aikaansaamiseksi joudutaan käyttämään isoja (>130A) virtoja, jotka edellyttävät paksuja kaapeleita häviöiden pitämiseksi kurissa. Noin matalalla jännitteellä myös moottorin toteuttaminen on vaikeaa tarpeellisen käämityksen koosta johtuen. Hybridisoin

20 nin myötä raskaissa ajoneuvoissa tulee käytettäväksi korkeampia jännitetasoja, joita voidaan hyödyntää myös ohjaustehostuksen komponenttien koon pienentämisessä. Sähköisen ohjaustehostuksen toteuttamiseen todennäköisimmin käytettävä moottorityyppi on kestomagneettimoottori. Synkroninen kestomagneettimoottori on suosittu ja sillä on harjatonta tasavirtamoottoria korkeampi vääntötiheys. Tasavirtamoottorin esteenä on lähinnä mekaaninen kommutointi. Suuritehoisissa matalajännitemoottoreissa joudutaan kommutoinnissa katkomaan suuria indusoituneita virtoja ja tästä on seurauksena kipinöintiä, joka puolestaan aiheuttaa EMI ongelmia. Synkronisista kestomagneettimoottoreista on olemassa kasi pääasiallista alatyyppiä. Synkroninen vaihtovirtamoottori, jonka indusoitunut jännite (emf) on sinimuotoista ja harjaton tasavirtamoottori (BLDC), jonka jännite on trapetsimuotoista. Sovellutuksen kannalta erona on lähinnä niiden säätö. AC tyyppi edellyttää kalliimpaa asentoanturia, kun taas BLDC vaatii ainoastaan yksinkertaisen Hall anturin. Vaihtovirtamoottorin etuna on parempi tarkkuus ja vähäisempi momentin vaihtelu. Koska ohjaustehostuksessa säädetään pääasiallisesti momenttia, ei tarkkaa asentoanturia välttämättä tarvita. Kuva 14. Hahmotelma tyypillisestä sähköisestä ohjaustehostinjärjestelmästä Ohjausjärjestelmälle asetettavat korkeat turvallisuus ja luotettavuusvaatimukset edellyttävät, että moottori ja vaihde mitoitetaan jatkuvaa käyttöä silmälläpitäen ja riittävin varmuuskertoimin. Tehostuksen toteutuksessa kuljettajan saama palaute renkaan ja tienpinnan välisestä pidosta on yksi keskeinen elementti. Suuri välitys korostaa välysten vaikutusta ja lisäksi kasvattaa moottorin inertian vaikutusta ohjauspyörää nopeasti käännettäessä. Myös mahdollisen sähkövian yhteydessä moottorin inertia vaikeuttaa ohjaamista. Ympäristön lämpötila saattaa johtaa tehostimen aktiiviseen jäähdytystarpeeseen tai edellyttää isompikokoisten komponenttien käyttöä, mikä liikkuvissa sovellutuksissa on yleensä huono asia. Ohjaustehostuksessa voidaan hyödyntää sähkömoottoria myös perinteisen hydraulisen tehostuksen yhteydessä pumpun käyttölaitteena. Tätä kautta voidaan saavuttaa

21 parempi säätötarkkuus ja ennen kaikkea vältytään tehostimen energiankulutus silloin, kun tehostukselle ei ole tarvetta. 2.6 Paineilman tuotto Raskaiden ajoneuvojen jarrujärjestelmien, ilmajousituksen ja monien muiden toimilaitteiden pääasiallinen energia on paineistettu ilma. Sen tuottamisessa keskeisin komponentti on kompressori, joka pääsääntöisesti saa käyttötehonsa suoraan moottorista joko hammaspyörän tai hihnan välityksellä. Kompressorin energiankulutusta voidaan vähentää käyttämällä suljettua puristustilaa silloin, kun ilman tuottotarvetta ei ole. Lisäsäästöä voidaan saavuttaa varustamalla kompressori kytkimellä, joka irrottaa sen voimansiirron tarvittaessa. Kevyemmissä ajoneuvoissa, joissa paineilman tarve on vähäisempää, voidaan käyttää sähkökäyttöisiä kompressoreita. Paitsi kytkimellä varustettua kompressoria, tarvitaan älykästä paineilman ohjainlaitetta, joka ajoneuvon väylältä saatavan kuormitustiedon ja paineantureiden perusteella tunnistaa käyttötilanteen. Säiliöiden täyttö voidaan ajoittaa esimerkiksi moottorijarrutus tilanteen ajalle, jolloin paineilmaa kyetään tuottamaan hukkaenergialla. Järjestelmä myös säätelee säiliöiden täyttöjaksoa ja pyrkii optimoimaan energiankulutuksen. Paineentuottolinjassa olevalla paineella voidaan ohjata kompressorin joutokäyntivaihetta (ESS) eikä linjaa jouduta uudelleen täyttämään täyttövaiheen alussa, jolloin reagointi on nopeampaa. Kuva 15. Knorrin arvio elektronisen paineensäätelyn vaikutuksesta energian kulutukseen Paineilmaa voidaan myös käyttää moottorin ilmansaannin tehostamisessa. Tästä esimerkkinä on Knorrin kehittämä PBS järjestelmä. Ricardo arvioi, että tällaisella järjestelmällä olisi mahdollista saavuttaa 1,5.. 2 % säästö, mutta säästön suuruus riippuu voimakkaasti ajosyklistä. Lisäsäästöä syntyy, jos vaihtamisautomatiikka pystyy

22 hyödyntämään paineilman syötöllä saavutettavan moottorin nopeamman reagoinnin tuomat edut. Järeämmän paineen tuotto ja varastointijärjestelmän aiheuttamaksi lisäkustannukseksi Ricardo arvioi 0,6.. 1,1 %. Kuva 16. Knorrin kehittämä PBS järjestelmä 2.7 Alipaineen tuotto Henkilöautoissa käytetään yleisesti jarrujen tehostusjärjestelmää, joka hyödyntää alipainetta. Perinteisesti alipainetta saatiin imusarjaan syntyneestä paineen alenemisesta. Dieselmoottoreiden yhteydessä imuvirtausta ei enää kuristeta vaan päinvastoin painetasoa nostetaan ahtamalla. Tällöin on jouduttu miettimään uusia keinoja ja on otettu käyttöön alipainepumput. Ne voivat toimia joko mekaanisella välityksellä tai sähköisesti. Kuva 17. Mekaanisesti ja sähköisesti toimivia alipainepumppuja

23 Tyypillisiä teknisiä arvoja löytyy oheisesta taulukosta Electrical Mechanical Evacuation time 5s/10s (5litre) 3s/5,5s (3,8litre) (pamb=1000hpa) 500hPa/300hPa Max. vacuum [% amb. pressure] >85% >85% Power consumption [W] 150 180 Lubrication no yes, motor oil Mass [g] ca. 1100 750 Cost w/o connectors [ ] <50 <30 2.8 Venttiilinohjaus Nelitahtimoottorin venttiilejä on perinteisesti ohjattu nokkamekanismilla, jota käytetään kampiakselilta hihna tai ketjuvälityksellä otettavalla energialla. Nokan muoto määrää toteutuvan venttiilin ajoituksen ja aukeaman. Optimaalinen venttiilien ajoitus ja aukeama kuitenkin riippuvat moottorin pyörimisnopeudesta ja kuormasta, joten mekaanisella venttiilinohjauksella joudutaan aina tyytymään kompromissiin. On otettu käyttöön erilaisia menetelmiä ajoituksen ja aukeaman säätöön, mutta säätömahdollisuudet ovat hyvin rajalliset. Sähkömekaaninen venttiilinohjaus (Valeo) Sähkömekaanisella venttiilinohjauksella venttiilin ajoitusta ja aukeamaa voidaan säätää täysin portaattomasti, jolloin ohjauksessa päästään lähemmäksi optimia moottorin koko toiminta alueella. Sylinterien täytösaste saadaan suuremmaksi ja moottorin hengityksessä syntyy vähemmän häviöitä. Moottorin tehoa voidaan säätää suoraan imuventtiilien ajoituksella virtausta kuristavan kaasuläpän sijasta, jolloin pumppaus

24 häviöt etenkin osatehoilla pienenevät. Osatehoilla voidaan myös lepuuttaa osaa sylintereistä, eli pitää sylintereiden kaikki venttiilit suljettuina koko kierroksen ajan. Tällöin käytössä olevat sylinterit toimivat paremman hyötysuhteen alueella ja vältetään turhien sylintereiden pumppaushäviöt. Sähköinen venttiiliohjaus lisää moottorin suorituskykyä myös sen takia, että venttiilinohjauksen käyttämää energiaa voidaan puskuroida akkuun, jolloin sen ei tarvitse kuormittaa moottoria silloin kun tarvitaan maksimaalista akselitehoa tai vääntöä. Moottorin voitelujärjestelmäkin kevenee, kun monimutkainen ja paljon voitelua tarvitseva nokkamekanismi jää pois. Sähkömekaanisessa venttiilinohjauksessa syntyy häviöitä muutettaessa energiaa mekaanisesta sähköiseksi ja taas sähköisestä mekaaniseksi, mutta toisaalta säästetään merkittävästi nokkamekanismin kitkahäviöissä. Valeo, yksi sähkömekaanista venttiilinohjausta kehitelleistä yrityksistä, esittää sekä suorituskyvyn että polttoainetalouden parantuvan 15 20 % perinteiseen nokkamekanismiin nähden. Valeon mukaan heidän järjestelmänsä on nyt kehitetty ja testattu siihen pisteeseen, että se olisi valmis massatuotantoon. Järjestelmä on mitoitettu henkilöautomoottorille ja siihen kuuluu konvertteri, joka nostaa jännitteen 42 volttiin. Ongelmina sähkömekaanisessa venttiilinohjauksessa ovat olleet luotettavuus sekä venttiilinohjauksen tarkkuus ja vasteaika suurilla kierrosnopeuksilla. Itse toimilaitteita hankalampaa on näiden asioiden suhteen ollut riittävän hyvien antureiden kehittäminen. 3 Sähköenergiaa tuottavat järjestelmät 3.1 Voimalinjan pyörittämät generaattorit Autoissa käytetään joko ilma tai nestejäähdytteisiä generaattoreita. Yleisin rakenneratkaisu on sakaranapageneraattori. Raskaissa ajoneuvoissa käytetään myös erillisnapageneraattoreita. Kuva 18. Bosch sakaranapageneraattori

25 3.1.1 Käynnistingeneraattori Sähköntarpeen lisääntymisen ja käynnistys/pysäytys toimintojen myötä perinteisestä käynnistimestä ollaan enenevässä määrin luopumassa. Se korvataan järjestelyllä, jossa sama moottori toimii sekä käynnistimenä että generaattorina. Nykyaikainen käynnistin on tyypiltään joko kestomagneettimoottori tai sarjaan / sarjaan rinnan käämitty tasavirtamoottori, joka on varustettu solenoidikäyttöisellä kytkentäelimellä. Käynnistysvirran kytkemisen alussa solenoidi työntää käynnistinmoottorin hammaspyörää moottorin vauhtipyörällä olevan hammaskehän kanssa kosketukseen. Kuva 19. Käynnistin. Oheisessa taulukossa on esitetty tyypillisiä käynnistimen ominaisuuksia. Sinällään käynnistimen hyötysuhde lyhyestä käynnistysajasta johtuen ei ole merkittävä. Se on suuruusluokkaa 60 %. Taulukko 4. Tyypillisiä käynnistimen ominaisuuksia Ensimmäiset käynnistingeneraattorit olivat tasavirtamoottoriin perustuvia, mutta hybriditekniikan kehittyessä vaihtovirta on noussut kiinnostuksen kohteeksi. Samalla myös käytetyt jännitteet ovat nousseet merkittävästi. Vaihtoehtoisia rakenneratkaisuja ovat induktiomoottorit, käämityllä roottorilla varustetut synkronimoottorit ja kestomagneeteilla toteutetut synkronimoottorit (Permanent Magnet Synchronous Machines PMSM).

26 Kuva 20. ZF:n käynnistingeneraattori, joka asennetaan moottorin ja vaihteiston väliin. Käynnistingeneraattorilla voidaan myös ottaa jarrutusenergiaa talteen sekä tarvittaessa antaa lisävääntöä voimalinjaan. Kuva 21. Käynnistingeneraattoriin perustuva mikrohybridijärjestelmä 3.2 Polttokennot Viime aikoina polttokennot ovat saaneet varsin paljon julkisuutta. Kymmenkunta vuotta sitten niiden ennustettiin hyvin nopealla aikajänteellä korvaavan polttomoottorit autojen voimalähteenä. Hyvistä laboratorioissa saaduista tutkimustuloksista huolimatta järjestelmien kaupallistaminen on kohdannut monia ongelmia. Niinpä polttokennojen käyttökohteet ovat siirtyneet niin, että niiden käyttö apuvoimanlähteenä on noussut vahvemmin mielenkiinnon kohteeksi. Tällöin vältytään liikkumiskäyttöön liittyviltä suurilta kuormanvaihteluilta ja käynnistyminenkin voidaan tehdä hitaammin. Erityisesti yhdysvalloissa joutokäynnin rajoittaminen ja tyypilliset pitkät ajo ja toimintaetäisyydet lisäävät mielenkiintoa tämänkaltaisten järjestelmien kehittämiseen.

27 Kuva 22. Delphi Next Generation SOFC APU Agnoluccin mukaan kiinnostavimpia polttokennotyyppejä ovat kiinteäoksidikenno (solid oxide fuel cell SOFC), protoninvaihtokenno (proton exchange membrane PEM FC) sekä suorametanolikenno (direct methanol fuel cell DMFC). Hänen selvityksensä arvio polttokennoon perustuvien lisäenergiajärjestelmien (APU) markkinoista yhdysvalloissa on seuraava: Jakeluautot / kevyet kuorma autot 300 000 kpl Vapaa ajan ajoneuvot 190 000 kpl Erikoisajoneuvot 70 000 kpl Jäähdytetyt kuorma autot/perävaunut 60 000 kpl Ylemmän luokan henkilöautot 1 500 000 kpl Poliisiautot 80 000 kpl Pitkänmatkan kuorma autot 100 000 kpl Varhaisesta kehitysvaiheestaan johtuen polttokennot kehittyvät edelleen nopeasti ja niiden valmistuskustannusten odotetaan alenevan merkittävästi tuotantomäärien kasvaessa. Edellä oleva arvio antaisi viitteitä siitä, että markkinat olisivat varsin isot. BMW on esitellyt PEMFC järjestelmän vetykäyttöisten polttomoottoriautojensa yhteydessä. Polttokenno saa energiansa polttomoottorin kanssa samasta vetyvarastosta. Raskaiden ajoneuvojen puolella Volvo tekee yhteistyötä amerikkalaisen GM:n kanssa tutkien PEMFC perustaisten järjestelmien soveltuvuutta sekä Delphin ja Paccarin kanssa dieselpolttoaineella toimivan SOFC järjestelmän vaatimusten määrittelemisessä. Myös Cummins yhdessä yhteistyökumppaniensa kanssa on tutkinut SOFCmahdollisuutta. Sotilaskäyttöön tarkoitettujen Hymer ajoneuvojen ratkaisuna on DMFC. Ricardo arvioi, että polttokennotekniikalla voidaan saavuttaa säästöjä joutokäynnin vähentämisen kautta, mutta tekniikan kehittymättömyyden vuoksi ei vielä ole mahdollista arvioida niiden todellista suuruutta. Järjestelmän takaisinmaksuajaksi arvioidaan alle kahta vuotta.

28 Moniin tutkimuksen ja kehitystyön alaisina oleviin polttokennojärjestelmiin kuuluu polttoaineen paikalliseen tuottamiseen soveltuva reformointilaitteisto, jonka toteutukseen voidaan käyttää eri tekniikoita. Amerikan Transportation Research Institutin tekemän selvityksen mukaan keskimääräinen makuuohjaamollinen ajoneuvo yhdysvalloissa joutokäyttää moottoria 28 tuntia viikossa eli 1456 tuntia vuodessa. Vastaavasti päiväohjaamollisen ajoneuvon viikoittainen lukema on 6 tuntia ja vuositasolla 312 tuntia, jotka nekin ovat merkittävän suuria ajatellen ympäristölle syntyvää kuormitusta. Taulukko 5. Yhdysvaltojen Energiaviraston apuvoimalähteille asettamat ja Delphin polttokennoapuvoimalähteelle asettamat tavoitteet sekä Delphin tämänhetkisen prototyypin tilanne (3 5 kw nimellisteho, 5 10 kw huipputeho). Taulukko 6. Apuvoimalaitteiden kehitystavoitteet ja toteutunut kehitys 3.3 Diesel ja ottomoottorigeneraattorit Pyrkimys joutokäynnin vähentämiseen on johtanut myös perinteiseen diesel tai ottomoottoriin perustuvien järjestelmien käyttöön. Oheisessa kuvassa on esitelty esimerkki dieselmoottoriin perustuvasta apuvoimalähteestä.

29 Kuva 23. Diesel moottoriin perustuva järjestelmä 3.4 Wankel generaattorit Perinteisen polttomoottorin edestakaisin liikkuvat massat aiheuttavat suuria voimien vaihteluita, jotka heijastuvat moottorin toimintaan värähtelyinä. Lineaarisen edestakaisen liikkeen muuntaminen pyörinnäksi edellyttää kampikoneiston käyttöä. Näiden ongelmien vähentämiseksi on kehitetty erilaisia kiertomäntämoottoreita, joista tunnetuin lienee Felix Wankelin 1950 luvun alkuvuosina tuotantoon kehittämä moottori. Moottorissa reuleauxin kolmion muotoinen mäntä kiertää kahdeksikon muotoisessa kammiossa. Lähinnä tiivistyksen toteutusvaikeuksista ja palamisprosessin hallinnassa ilmenneiden ongelmien vuoksi moottori ei saavuttanut varsinaista läpimurtoa. Autokäytössä moottoria on soveltanut lähinnä Mazda. Tärinätön käynti ja kompakti koko ovat tehneet kiertomäntämoottorista kuitenkin kiinnostavan APU yksiköiden moottorina. Materiaali ja valmistustekniikan kehittyminen on ratkaissut tiivistykseen liittyvät ongelmat ja sovelluksesta johtuen palamisprosessin hallinta on vaihtelevaa ajomoottorikäyttöä helpommin hallittavissa. FEV on vertaillut yksi ja kaksisylinteristä polttomoottoria, Wankelia ja polttokennoa toimintasäteen laajennussovellutuksia ajatellen.

30 Kuva 24. Eri ratkaisujen hyviä ja huonoja puolia Keväällä 2010 Audi esitteli uuden A1 mallin, jossa on käytetty FEVn kehittämää Wankeliin perustuvaa toimintasäteen laajentajaa. Moottorina on pienikokoinen 254 cm 3 kiertomäntämoottori, joka toimii parhaan hyötysuhteen vuoksi tasaisella 5000 RPM nopeudella. Generaattorin suurin ulostuloteho on 15 kw. Audin mukaan moottori generaattori paketin paino 12 litraisen polttoainesäiliön ja tehoelektroniikan kanssa on ainoastaan 70 kg. Kuva 25. Wankeliin perustuva range extender 3.5 Mikroturbiinigeneraattorit Varsin uusi tulokas APU järjestelmänä on pieneen kaasuturbiiniin perustuva generaattori. Niiden ajoneuvosovellukset ovat vielä kokeiluja. Pääasiallisena käyttökohteena ovat hajautetun lämmön ja sähkön tuoton sovellukset. Niiden arvioidaan kuitenkin yleistyvän myös hybridiajoneuvojen toimintasäteen laajennussovelluksissa.

31 Verkkosovelluksissa tehoelektroniikan kehittyminen on mahdollistanut elektronisesti ohjattujen tehonsäätöjärjestelmien käyttöönottamisen. Tämän myötä tarve synkronoida generaattorin (turbiinin) pyörintänopeus verkon taajuuteen on poistunut. Mikroturbiinien etuna on hyvä tehopainosuhde, alhaiset päästöt ja liikkuvien osien vähäisyys. Huonona puolena on reagoinnin hitaus tehontarpeen vaihdellessa. Myös hyötysuhde on vielä alhainen. Merkittävä etu ajoneuvokäyttöä ajatellen on mahdollisuus hyvin erilaisten polttoaineiden käyttämiseen. Mikroturbiinijärjestelmä koostuu tavallisesti yksivaiheisesta keskipakoahtimesta, yksivaiheisesta turbiinista ja lämmön regeneraattorista. Näiden suunnittelu ja valmistaminen on haasteellista koska ne joutuvat toimimaan suurten paine ja lämpötilaerojen vaikutuksen alaisena. Pakokaasujen lämmön hyödyntämisen kannalta turbiinin etuna on muun jäähdytyksen puuttuminen, jolloin lämpöenergiaa voidaan kerätä keskitetymmin. Mikroturbiinin hyötysuhteet ovat luokkaa 25.. 35 %. Yhdistetyssä lämmön ja sähkön tuotossa on päästy yli 80 % hyötysuhteeseen. Amerikkalaisen MITn tutkijat väittävät pääsevänsä kehittyneellä mikroturbiinilla energiatiheyteen luokkaa 500..700 Wh/kg. Kuva 26. Mikroturbiinin toimintaperiaate