Katsaus ajoneuvojen oheisjärjestelmien ... - TransEco

Aalto­yliopiston Teknillinen korkeakouluEspoo 2010Katsaus ajoneuvojen oheisjärjestelmienenergiankulutukseen ja ­tuottamiseenMatti Juhala, Johannes Kankare, Mikko Laamanen

2SisällysluetteloSisällysluettelo ..................................................................................................... 21 Johdanto........................................................................................................... 32 Energiaa kuluttavat järjestelmät....................................................................... 32.1 Moottorin käyttämien laitteiden sähköistäminen ....................................... 52.2 Lämmön hallinta..................................................................................... 102.3 Lämmitys, ilmanvaihto, ilmastointi......................................................... 132.4 Voimalinjan öljypumppu ........................................................................ 172.5 Ohjaus .................................................................................................... 192.6 Paineilman tuotto.................................................................................... 212.7 Alipaineen tuotto .................................................................................... 222.8 Venttiilinohjaus ...................................................................................... 233 Sähköenergiaa tuottavat järjestelmät.............................................................. 243.1 Voimalinjan pyörittämät generaattorit..................................................... 243.2 Polttokennot ........................................................................................... 263.3 Diesel­ ja ottomoottorigeneraattorit......................................................... 283.4 Wankel­generaattorit .............................................................................. 293.5 Mikroturbiinigeneraattorit....................................................................... 304 Pakokaasujen lämpöenergian hyödyntäminen................................................. 324.1 Työprosessit ........................................................................................... 334.2 Turbiinit ................................................................................................. 364.3 Termosähköiset....................................................................................... 395 Energianhallintajärjestelmät .......................................................................... 436 Johtopäätöksiä ............................................................................................... 43Kirjallisuutta.......................................................................................................... 44Liite 1..................................................................................................................... 46

31 JohdantoHuoli ilmastonmuutoksesta ja energian hinnan nouseminen ovat saaneet koneiden jalaitteiden suunnittelijat ja käyttäjät kiinnittämään entistä enemmän huomiota ympäristöystävällisyyteenja energiatehokkuuteen. Esimerkkinä tästä on innostus erilaistenhybridiajoneuvojen tai jopa täyssähköisten ajoneuvojen käyttöön.Tämän selvityksen tarkoituksena on kartoittaa erilaisten muuhun kuin ajoneuvon liikuttamiseensuoraan kohdistuvien energiaa kuluttavien järjestelmien ja näihin tarpeisiinsoveltuvien energianmuunnosjärjestelmien nykyistä kehitystilannetta sekä vaatimuksia.Aihealueen laajuudesta johtuen aineistoa löytyy varsin runsaasti vaikkakinsen taso ja tarkoitusperät vaihtelevat. Työ on jaettu kahteen pääosaan eli energiaakuluttaviin järjestelmiin ja energiantuottojärjestelmiin.Kansainvälisessä kielenkäytössä esiintyy termi Auxiliary Power Unit ­ APU, jollayleensä tarkoitetaan varsinaisen päävoimanlähteen lisäksi hyödynnettäviä energiantuottojärjestelmiä.Motivaatio erilaisten järjestelmien kehittämiseen vaihtelee. Esimerkiksi Yhdysvalloissakeskeisenä kehityskohteena näyttäisi olevan raskaiden ajoneuvojen joutokäynninvähentämiseen tähtäävät järjestelmät. Hybriditekniikan yleistymisen myötä aiheeseenon tullut myös uusia näkökulmia pyrittäessä prosessin tehokkuuden ja hyötysuhteenparantamiseen.2 Energiaa kuluttavat järjestelmätAjoneuvon energiankulutus riippuu olennaisesti ajo­ ja työsyklistä eli toisin sanoensiitä, miten moottoria kuormitetaan. Polttomoottorin hyötysuhde heikkenee merkittävästi,kun siirrytään osakuormitusalueelle.Kuva 1. Nykyaikaisen raskaan ajoneuvon moottorin energiataseOheinen kuva esittää nykyaikaisen raskaan ajoneuvon moottorin energiatasetta. Lukuarvotovat kuormituksen ym. vaikutuksesta johtuen vain suuntaa antavia, muttaniiden perusteella voidaan päätellä, minkälaisia mahdollisuuksia hyötysuhteen parantamisellevoisi löytyä. Merkittävimmät häviökohteet on jäähdytys ja pakokaasut.Näiden energian talteenotto voisi tuoda merkittävää parannusta. Tähän on käytettävissäuseita erilaisia menetelmiä kuten: mekaaninen turbiini, sähköinen turbiini,

4Rankine­syklin tai Brayton­syklin hyödyntäminen sekä termosähköiset järjestelmät.Näitä tarkastellaan lähemmin vähän myöhemmin tässä selvityksessä.Moottorin toiminnan kannalta tarpeellisten apulaitteiden optimointi voisi myös tarjotaparannusmahdollisuuksia häviöiden edustaessa noin 2,5 % osuutta ajoneuvon kokonaisenergiankulutuksesta.Erityisesti apulaitteiden toiminnan sähköistäminen jasäätöominaisuuksien parantaminen on viimeaikoina ollut tutkimuksen kohteena.

52.1 Moottorin käyttämien laitteiden sähköistäminenMonet tavanomaisesti hammas­ tai hihnavälityksellä moottorista käyttövoimansasaavat laitteet voidaan muuttaa sähkökäyttöisiksi erityisesti niissä sovellutuksissa,joissa sähköenergiaa on runsaasti käytettävissä. Tällaisia ovat hybridi­ tai sähkötoimisetajoneuvot ja työkoneet.Esimerkkeinä tällaisista järjestelmistä voidaan mainita moottorin jäädytysnesteenkierrätys, ilmakompressori, ohjaustehostus tai hydraulisen tehostuksen pumppu,jäähdytyspuhaltimet ja ajoneuvon ilmastointi.Erityissovellutuksissa päällirakenteissa esiintyy myös monia erilaisia sähkökäyttöönsoveltuvia järjestelmiä.Sähkökäyttöön siirtyminen vaikuttaa kahdella tavalla. Ensinnäkin on huomattava,että tällaisissa tapauksissa moottorista syntyvän mekaanisen energian muuntaminensähköiseksi ja jälleen mekaaniseen tai hydrauliseen muotoon aiheuttaa muunnoshäviöitä.Tunnetustihan hammasvälityksen hyötysuhde on varsin korkea. Toisaalta sähköinenjärjestelmä tarjoaa merkittävästi paremmat säätömahdollisuudet, erityisestimahdollisuuden laitteen lepuuttamiseen energiaa kuluttamatta silloin, kun käyttötarvettaei ole. Sovelluksesta riippuen näin saatava säästö voi olla hyvinkin huomattava.Sähköinen voimansiirto mahdollistaa myös laitteiden, kuten jäähdytys­ tai tuuletuspuhaltimiennopeuden säätämisen moottorin pyörintänopeudesta riippumattomallatavalla. Näin jäähdytystehoa voidaan säätää syntyvän jäähdytystarpeen perusteella.Apulaitteiden käytön sähköistämisestä saatavat hyödyt korostuvat hybridiajoneuvojenyhteydessä. Niissä ajoneuvon liikuttamiseen tuotetaan runsaasti sähköä, jolloinsen tuottamisen hyötysuhde paranee. Hybridiajoneuvoissa käytetään myös yleisestikorkeampia jännitetasoja, kuin sähköistettäessä yksittäisiä apulaitteita. Myös tämäparantaa hyötysuhdetta ja samalla sähkön käyttöön liittyvät turvallisuustekijät ovatkeskeisemmässä asemassa ja tulevat varmemmin huomioiduksi.Sähköistyksen merkitys on suurempi, kun ajoneuvoa käytetään vaihtelevissa olosuhteissajoihin 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 voitaisiinsaavuttaa noin 3… 5 % suuruinen säästö energian kulutuksessa [TIAX].Hybridiajoneuvossa yhdistyy vähintään kahden energiamuuntimen toiminta. Tällaisiaovat esimerkiksi polttomoottori, sähkömoottori ja hydraulinen käyttö. Hybridisoinnintavoitteena on tuottaa vähintäänkin perinteisen polttomoottoriratkaisun tasoinen teho,toimintasäde sekä turvallisuus ja samanaikaisesti vähentää energiankulutusta ja pienentääsyntyviä ympäristölle haitallisia päästöjä. Hybriditekniikka tarjoaa mm. seuraaviaetuja:Jarrutusenergian talteenotto:Regeneroiva jarrujärjestelmä toimii ajoneuvon liike­ tai potentiaalienergiaa vähennettäessäniin, että osa energiasta voidaan varastoida käytettäväksi myöhemmin. Tavanomaisessajarrujärjestelmässä energia muutetaan lämmöksi ja hävitetään ympäristöön.Talteen otettavan energian määrä riippuu luonnollisesti toteutustavasta ja ennenmuuta ajoneuvon käyttösyklistä. Esimerkiksi yleisesti käytetyssä amerikkalaisessa

6kaupunkiajosyklissä likimain 60 % kokonaisenergiasta muodostuu ajoneuvon hitaudenvaikutuksesta. On arvioitu että teoreettisesti jopa 50% tästä energiasta voitaisiinsaada talteen ja käyttää uudelleen. Suuruusluokka riippuu ajoneuvon ilman­ ja vierinvastusominaisuuksistaja ajotavasta. Lisähyötyä energiaa talteen ottavalla jarrujärjestelmälläsyntyy jarrukomponenttien vähäisemmän kulumisen ja siten myös partikkelituotonmyötä.Korkeampi hyötysuhde:Polttomoottoriin verrattuna sähkömoottori on yksinkertaisempi ja hyötysuhteeltaanparempi. Sähkömoottorin liikkuvat osat muodostuvat pääsääntöisesti ankkurista tairoottorista ja sen laakeroinnista ja sähkömoottorilla ei ole polttomoottorille ominaistakaasunvaihtohäviöitä. 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 vääntömomenttiavasta tietyllä pyörintänopeudella. Tästä syystä esimerkiksi liikkeelle lähdettäessä tarvitaansuurta välityssuhdetta ja jonkin tyyppinen kykin tai momentinmuunnin jokamahdollistaa välityssuhteen muuttamisen ”äärettömästä ykköseen”. Sähkömoottorisoveltuu ajoneuvokäyttöön hyvin, koska se tuottaa suuren vääntömomentin jo alhaisillapyörintänopeuksilla. Sähkömoottorin pyörintänopeuden myötä alenevaa vääntöävoidaan tehostaa hyödyntämällä hybridisovelluksessa polttomoottorin tällöin parempaavääntökykyä.Sähkömoottorinkin kohdalla tosin sen käynnistäminen on haasteellinen tapahtuma elitilanne jossa moottorilta edellytetään pehmeää ja hallittua pienen momentin tuottoalähellä nollapyörimisnopeutta.Päästöjen väheneminen:Merkittäviä päästövähennyksiä syntyy, kun voidaan eliminoida polttomoottorin käyttöäjoutokäynnillä tai kevyesti kuormitettuna. Myös kuormituksen tasaaminen parantaapäästöjen hallintaa. Sähkömoottori ja sen säätöjärjestelmä tuottavat kuitenkinpäästöiksi tai häiriötekijöiksiToimiminen parhaalla hyötysuhteella:Ajoneuvojen moottorin kuormitusaste vaihtelee käyttötilanteen mukaan voimakkaasti.Tyypillisesti moottori joudutaan ylimitoittamaan hetkellisen hyvän kiihtyvyydenja mäennousukyvyn vuoksi vaikka suurin osa käytöstä tapahtuisikin tasaisesti ja tasaisella.Hybriditoteutuksissa moottorin kuormitusta voidaan tasata ja näin optimoidamoottorin toimintapiste lähelle hyvää hyötysuhdetta.Moottorin pienentäminen:Paitsi toimintapisteen siirtämiseen hyvän hyötysuhteen alueelle, hybriditoteutuksellavoidaan mahdollistaa pienemmän moottorin käyttö. Tarvittaessa hetkellisesti tavanomaistasuurempaa tehoa tai vääntömomenttia voidaan hyväksikäyttää sähköistävoimansiirto­osuutta. Tällä voi olla heijastusvaikutusta myös voimansiirron kevenemisenkautta.Moottorin sammuttaminen:Moottorin sammuttamista käytetään tarpeettoman joutokäynnin vähentämiseen. Tämävoi tapahtua joko lyhytaikaisen liikennetilanteesta johtuvan pysähdyksen, yöpymisentai työprosessiin kuuluvan tauon vuoksi. Moottorin sammuttaminen vähentääpäästöjä, melua ja värähtelyitä. Sammutuksen edellytyksenä on moottorin vaivaton ja

7luotettava uudelleen käynnistys. Pysäytyksen edellytyksenä voi myös olla tarvittavanenergian varastointi tai tuottaminen muulla tavoin taikka työprosessin ylläpito sähköistetylläkäyttölaitteella.Erilaisten apu­ ja toimilaitteiden käytön sähköistäminen:Sähköistyksen avulla laitteiden toiminta voidaan rajoittaa ainoastaan tarpeelliseenkäyttöaikaan. Erityisesti hihnakäyttöihin verrattuna sähköiset käytöt voivat olla myöshyötysuhteeltaan parempia.Parempi ajettavuus:Sähkömoottorille on ominaista polttomoottoria nopeampi reagointi.Käytettävyys:Erityisesti rinnakkaissovelluksissa laitteen käytettävyys saattaa parantua toisen järjestelmäntoiminnan jatkuessa mahdollisessa vauriotilanteessa.Verkosta ladattavat hybridit:Mahdollisuus sähköenergiavaraston lataamiseen verkkovirralla tarjoaa monipuolisemmanprimäärienergian valikoiman. On myös visioitu mahdollisuutta älykkäästäsähköverkosta, jossa ajoneuvot voisivat toimia kuormituksen tasaajana.Hukkalämmön hyödyntäminen:Sähköenergian käyttö tarjoaa mahdollisuuksia häviöistä muodostuvan hukkalämmöntalteenotolle ja varastoinnille.Hybridijärjestelmiin liittyy myös monia negatiivisia piirteitä:• Voimalinjan ja sen ohjaamiseen tarvittavan elektronisen säätöjärjestelmänmonimutkaistuminen.• Ajoneuvon massan lisääntyminen ylimääräisten komponenttien, erityisestienergiavarastojen, myötä.• Komponenttien ja monimutkaisuuden aiheuttamat lisääntyvät kustannukset.Myös suunnittelukustannukset lisääntyvät järjestelmän monimutkaistuessa.Lisäksi ainakin alkuvaiheessa lisäkustannusta syntyy suhteellisenpienistä valmistusmääristä.• Lisääntyvä monimutkaisuus yleensä johtaa myös luotettavuuden alenemiseenmahdollisten vikakohteiden määrän kasvaessa. Ohjelmiston luotettavuudentestaaminen vaikeutuu.• Mikäli järjestelmän käyttöprofiilia ei tunneta tai erilaisten käyttöprofiilienmäärä on suuri, toimintaa ei välttämättä kyetä optimoimaan. Tämä saattaajohtaa 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 tehoelektroniikkajoka ohjaa järjestelmää ja sen komponentteja. Hybridisoinnin asteen mukaanpuhutaan mikro­, mini­ (kevyt) ja täyshybrideistä, joista mikrohybridi on lähinnäpysäytys ja käynnistys järjestelmä. Rakenteellisesti hybridi voi olla joko rinnakkais­,sarja­ tai yhdistelmähybridi. Rinnakkaisratkaisussa sähköinen ja polttomoottoriinperustuva järjestelmä toimivat rinnan. Sarjahybridi on lähinnä energiavarastollavarustettu sähköinen voimansiirto. Yhdistelmähybridistä esimerkkinä on vaikkapa

8Toyota Prius, jossa polttomoottorin, kahden sähkömoottorin ja planeettapyörästönavulla säädellään energian ja tehon siirtoa.Hydraulihybridille on ominaista mekaanisen ja hydraulisen voimansiirron yhdistäminen.Pääkomponentit ovat hydraulineste, nestesäiliö, hydraulinen pumppu/moottoriyhdistelmä ja paineakku. Energia varastoidaan paineakussa korkeapaineiseen typpikaasuun.Muuttuvatilavuuksinen pumppu toimii moottorina ajettaessa ja pumppunaotettaessa energiaa talteen jarrutettaessa. Hydraulisia hybridijärjestelmiä käytetäänlähinnä raskaissa sovellutuksissa.Kuva 2. Esimerkki nykyaikaisen raskaan ajoneuvon energiataseesta.Taulukko 1. Amerikkalaisen luokkaan 8 kuuluvan kuorma­auton energiatase ajettaessatasaisella tiellä 65 mph nopeutta.

9Taulukko 2. Amerikkalaisen 40­jalan (12,2m) linja­auton energiatase ajettaessa tunninajan toimistoalueella, istuimet puolilleen kuormattuna ja ilmastointi käytössä.Oheisessa kuvassa on esitetty kuorma­auton apulaitteiden tehontarvetta moottorinpyöriessä 1400 rpm nopeudella. Ajoneuvoksi on valittu 12­litraisella 420 hevosvoimanmoottorilla varustettu 40­tonninen ajoneuvoyhdistelmä. Palkit esittävät kunkinjärjestelmän tehontarpeen vaihtelualuetta erilaisissa toimintatilanteissa vakiopyörintänopeudella.Moottorin öljypumpun ja jäähdytysnesteen kierrätyspumpun teho riippuupelkästään pyörintänopeudesta ja on näin ollen kiinteä. Muilla tehontarve vaihteleesuuresti.Kuva 3. 12­litraisella 420 hevosvoiman moottorilla varustetun ajoneuvoyhdistelmänapulaitteiden tehontarvetta moottorin pyöriessä 1400 rpm nopeudella.Petterson on tarkastellut energian kulutusta mallintamalla käyttäen kahta erilaistaajosykliä. Toinen on mitattu reitiltä Södertälje­Göteborg ja toinen on saksalainen reitiltäKöblenz­Trier. Apulaitteiden energiankulutus on suuruusluokkaa 4.7 .. 7.3 %.Tämä antaa käsityksen apulaitteiden uudelleen suunnittelun avulla mahdollisesti saavutettavastaenergiansäästöstä. Käytännössähän ainoastaan osa tästä kulutuksestavoidaan säästää.Tarkasteluissa generaattorin tuottamaksi tehoksi on asetettu 1120 W, joka vastaa nykyaikaisenkuorma­auton keskimääräistä sähköntarvetta. Hyötysuhteena on käytettykiinteää 0.65 % hyötysuhdetta. Koska generaattorin häviöteho riippuu suoraan sen

10hyötysuhteesta, generaattorin suunnittelun merkitys korostuu sähköisen tehontarpeenkasvaessa.Työkonepuolella apulaitteiden sähköistämistä on kokeiltu käytännössä. Syksyllä2008 John Deere esitteli 7430 E ja 7530 E mallisarjat, joissa oli 26 kW sähkögeneraattori.Kaikki moottorin apulaitteet ja jäähdytysjärjestelmä saivat voimansageneraattorista ja lisäksi saatavilla oli 230 V ja 400 V sähköä. Polttoaineenkulutus olitestien mukaan 6 % pienempi. Lisätehoa oli käytettävissä tavallista enemmän ja pienemmilläkierroksilla. Syksyllä 2009 vakiomallien moottorien suoritusarvoihin tulipientä parannusta.2.2 Lämmön hallintaLämmönhallinnalla voi olla merkittävä vaikutus energiankulutukseen, päästöihin,luotettavuuteen ja turvallisuuteen. Monet lämmönhallinnan perusvaikutukset ovatyhteisiä tämän päivän perinteisille ja tulevaisuuden kehittyneille ajoneuvoille. Esimerkkinämainittakoon vaikkapa isojen kuorma­autojen jäähdyttimien koko, jolla onmerkittävä vaikutus ajoneuvon keulan muotoilulle ja siten ilmanvastukseen. Pakokaasujentakaisinkierrätyksen (EGR) arvioidaan olevan todennäköisin lähitulevaisuudenkeino typen oksidien hallitsemiseksi. Sen arvioidaan lisäävän jäähdytysjärjestelmänlämpökuormaa 20 .. 50 %. Valitettavasti monet perinteisen jäähdytysjärjestelmänkomponentit kuten jäähdyttimet, öljynjäähdyttimet ja ilmastoinnin kennostotalkavat 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 vähennetäänkylmissä olosuhteissa vedestä aiheutuvia jäätymisongelmia. Dieselhybridissä saatetaantarvita jopa viisi erillistä jäähdytysjärjestelmää (moottori, akut, sähkömoottorit,elektroniikka ja ahtoilma), joiden kokonaisoptimointi on iso haaste.Tutkijat ovat tunnistaneet lukuisia osa­alueita, joilla lämpötilanhallintaa tulisi edelleentutkia ja kehittää:Älykkäät lämmönhallintajärjestelmät• Korkeaan käyttöjännitteeseen perustuvat järjestelmät• Vaihtuvanopeuksiset pumput ja puhaltimet• Lapojen säätö• Lämmönhallintajärjestelmän ja muun ajoneuvojärjestelmän integrointi• Vaihtuva suuntaiset puhaltimetKehittyneet lämmönvaihtimet ja lämmönsiirtoaineet• Uudet ilmapuolen lämmönsiirtomenetelmät• Uudet materiaalit• Nanomateriaalit, joilla parannetaan nesteiden ja öljyjen lämmönsiirtoominaisuuksia• Likaantumismekanismien ymmärtäminen ja likaantumisen estäminen

11Uudet lämmönhallintakonseptit• Lämpöputket• Jäähdytys hallitulla ydinkiehutuksella• Hukkalämmön talteenottomenetelmätSimulointi ja mallinnusmenettelyt• Monipuolinen ja tarkka CFD mallinnus• Kokeellinen tietokantaAntureiden ja säätökomponenttien kehitys• Tarkkoja, luotettavia, kestäviä ja reaaliaikaisia• NOx, moottorin lämpötilat, paine, nestevirtaukset, ilmavirtaukset• Liittäminen tietokoneperustaiseen säätöjärjestelmäänTermisen jäljen hallitseminen sotilassovellutuksissaElektroniikan jäähdytys (tehoelektroniikka, säätöelektroniikka, tietoliikenneelektroniikkayms.)Jäähdytysjärjestelmä riippuu luonnollisesti sovelluksesta. Petterson tarkastelee oheisenkaavion mukaista järjestelmää, joka kuvaa tyypillistä nykyaikaisen kuorma­autonjäähdytysjärjestelmää. Moottorin lämmön lisäksi järjestelmä jäähdyttää hydraulistahidastinta. Autossa on myös ahtoilman jäähdytys. Jäähdytysilman virtaus aikaansaadaansekä ajoviimasta syntyvällä paineella että erillisellä puhaltimella. Jäähdytysjärjestelmänenergiaa kuluttavia komponentteja ovat pumppu ja puhallin. Järjestelmässäjäähdytysnesteen virtausnopeus on likimain verrannollinen moottorin pyörintänopeuteenja jäähdyttimen läpi menevää virtausta säädellään termostaatilla. Puhallin onliitetty moottorin kampiakselille viskoosikytkimellä, joka mahdollistaa passiivisenpyörintänopeuden säätelyn. Kytkimen luistoaste riippuu siinä olevan öljyn määrästä.Vanhemmissa moottoreissa sitä säädellään kaksoismetalliventtiilillä ja uudemmissasähköisesti. Tällöin säätöparametreina ovat jäähdytysnesteen lämpötila, ahtoilmanlämpötila, 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 kuorma­auton jäähdytysjärjestelmä.

12Simuloinneilla todettiin, että viskokytkimen luisto aiheuttaa häviöitä, jotka voitaisiineliminoida käyttämällä sähköistä puhallinta. Lisäksi pumpun sähköistäminen mahdollistaisiparemman jäähdytysnestekierron säätelyn.Kuva 5. Kuorma­auton jäähdytysjärjestelmä, jossa pumppua ja puhallinta käytetäänsähkömoottoreilla.Pettersonin mukaan jäähdytysjärjestelmällä saavutettavat säästöt mallinnuksen perusteellaovat:Kytkimen kaksoismetalliohjausKytkimen sähköinenohjausSähköisen järjestelmänoptimaalinen säätöKöblenz­TrierP kWf l/100kmSödertälje­Göteborg% P kWf l/100km4.62 0.43 2.45 4.62 0.43 2.452.85 0.20 1.13 2.85 0.20 1.133.40 0.01 0.07 3.40 0.01 0.07%

13Kuva 6. Erikokoisia 12 ja 24 voltin sähkökäyttöisiä jäähdytysjärjestelmän pumppujatarjoavat mm. Pierburg (vasemmalla) ja EMP (oikealla).Hybridiajoneuvoissa, joissa polttomoottori voi olla ajon aikana pysäytettynä, on oltavasähkökäyttöinen jäähdytysnestepumppu, jotta jäähdytys ja jäähdytysnesteen kiertoonperustuva ohjaamolämmitys toimii myös moottorin ollessa pysäytettynä. EsimerkiksiToyota Priuksessa on tavanomaisen mekaanisen pumpun lisäksi erillinensähköinen pumppu, jolla kierrätetään nestettä lämmityslaitteen kennolle. Sähkömoottoriinliittyville laitteille on oma täysin erillinen jäähdytysjärjestelmänsä, jossa nesteenkierrättämisen hoitaa sähköinen pumppu.2.3 Lämmitys, ilmanvaihto, ilmastointiNousevan elintason myötä ihmisten mukavuudenhalu lisääntyy, mikä asettaa kehittämispaineitamyös ajoneuvojen mukavuuselektroniikalle. HVAC­ eli lämmitys­, ilmanvaihto­ja ilmastointijärjestelmän tehtävänä on luoda ajoneuvon sisälle matkustajienkannalta miellyttävä ilmasto. Se siirtää lämpöä ajoneuvon matkustamoon tai sieltäpois, säätää ilman kosteutta ja huolehtii ilman puhdistuksesta sekä kierrättämisestäajoneuvossa.HVAC­järjestelmä on oleellinen osa ajoneuvon turvallisuutta huolehtien kuljettajanvireydestä ja mahdollistaen hyvän näkyvyyden ulos ajoneuvosta. Olosuhteet ajoneuvonulkopuolella voivat vaihdella merkittävästi ja suuri ikkunapinta­ala altistaa matkustamonerityisesti auringon säteilyn lämmittävälle vaikutukselle ja kylmemmälläilmalla vedolle. Raskaiden ajoneuvojen suuret matkustamo­ tai kuljetustilat, suuriikkunapinta­ala ja mahdollinen huono eristys sekä kuljettajien pitkät ajoajat luovathaasteita tehokkaiden järjestelmien kehittämiselle. Lisäksi kaupunkiliikenteen linjaautoissajatkuva ovien avaaminen vaikuttaa merkittävästi järjestelmän kuormaan, erityisestiympäristön sekä matkustamon välisen lämpötilaeron ollessa suuri, ja alhaisetajonopeudet vaikeuttavat ilmastointijärjestelmän kapasiteetin sovittamista jäähdytystarpeeseen.Hybridiajoneuvot, kehittyneet moottorit ja voimansiirto sekä niistä aiheutuva pienempihukkalämmön tuotto vaativat lämmitysjärjestelmien kehittämistä. Lisäksi tulevaisuudessasähköajoneuvojen matkustamon korkean mukavuustason ylläpitäminentulee toteuttaa ajokantamaa lyhentämättä. Vaativasta toimintaympäristöstä huolimattaHVAC­järjestelmän tulee vastata muuttuviin olosuhteisiin riittävän nopeastija tehokkaasti turvallisen ajotapahtuman ja matkustamon viihtyvyyden varmistamiseksi.

14HVAC­järjestelmän ylläpitäminen vaatii energiaa. Perinteisesti tämä energia on ilmastointiavarten otettu suoraan ajoneuvon moottorista kompressorin kautta ja lämmitykseenmoottorin hukkalämmöstä. Ilmastoinnilla on ajoneuvon lisävarusteistamerkittävin polttoaineenkulutusta kasvattava vaikutus ja järjestelmissä käytettävätkylmäaineet kuormittavat ympäristöä. Ilmastointi on yleistynyt merkittävästi kaikissaajoneuvotyypeissä ja ajoneuvojen kasvava koko vaatii tehokkaampia järjestelmiä.Ympäristötietoisuuden kasvaessa järjestelmien kehitystä kohtaan asetetaan kuitenkinentistä enemmän paineita. Lainsäädännölliset tekijät, globaali painostus ja korkeammatpolttoaineen hinnat vaativat energiatehokkaampien järjestelmien kehittämistä.Ilmastoinnista on sen yleistymisen myötä tullut myös merkittävä huoltokohde.Ilmastointijärjestelmän polttoaineenkulutukseen vaikuttaa huomattava määrä sekäajoneuvon sisäisiä että ulkoisia tekijöitä. Järjestelmän paineet, lämpötilat sekä höyrystimenja lauhduttimen ilmavirrat ovat ajasta riippuvia tekijöitä. Niitä ohjaa vaihtelevakompressorin nopeus, kylmäaine­ ja ilmavirtojen nopeudet sekä ajoneuvon lämpökuormat.Ilma­ ja kylmäainevirtojen nopeudet riippuvat ajoneuvon nopeudesta jakompressorin nopeudesta, joka perinteisissä järjestelmissä muuttuu moottorin pyörimisnopeudenmukana. Kokonaisvaltaisen käsityksen muodostaminen ilmastointijärjestelmänpolttoaineenkulutuksesta ja kehityskohteista edellyttää ajoneuvon käytön jakonstruktion sekä ympäristön kautta vaikuttavien tekijöiden määrittämistä.Kuva 7. Polttoaineenkulutukseen vaikuttavat tekijätTaulukossa on esitetty eri henkilöautojen polttoaineenkulutus ilman ilmastointia,jäähdytettäessä lämmennyt matkustamo 22 –24 ºC:een tavoitearvoon sekä ylläpidettäessätavoitelämpötilaa tyypillisissä Keski­Euroopan kesäolosuhteissa. Jäähdytysjaksonaikana ilmastoinnin polttoaineenkulutus on ajoneuvosta riippuen 2,53 (AudiA4 TDI) –4,14 (Ford Fiesta) l/100km. Asetetun lämpötila­arvon ylläpitämiseen kuluukaupunkiajossa 0,76 –2,11 l/100km ja maantieajossa 0,09 –0,66 l/100km. Matkustamonviihtyisän ilmaston ylläpitäminen lisää ajoneuvon polttoaineenkulutustasiis enimmillään 19,9 %. Suurin kulutuksen kasvu on ajoneuvossa (Ford Fiesta), jonkailmastointijärjestelmässä on käytetty vakiotilavuuksista kompressoria ja manuaalistasäätöä, jolloin kompressori toimii aina maksimijäähdytyskapasiteetilla.

15Taulukko 3. Ilmastoinnin polttoaineenkulutus (NEDC­sykli)Pienimpään ilmastoinnin polttoaineenkulutukseen päästään ajoneuvossa (Audi A41,8 T), jossa käytetään muuttuvatilavuuksista kompressoria ja ulkoista kompressorinohjausta, jolloin järjestelmää voidaan säätää tarkasti jäähdytystarpeen mukaan. Tällöinilmastointi lisää kulutusta 5,2 %. Diesel­moottorisen vastaavalla ilmastointijärjestelmällävarustetun ajoneuvon (Audi A4 2,0 TDI) kulutuksen lisäys ei eroa merkittävästibensiini­mallista, kulutuksen lisäyksen ollessa 6,3 %. Ilmastoinnin kulutustilavuusyksikössä ilmaistuna on diesel­moottorisessa ajoneuvossa pienempi, muttasen paremman polttoainetalouden vuoksi prosentuaalinen kulutuksen kasvu on bensiini­moottoristaajoneuvoa suurempi. Ajoneuvossa (Mazda 6), jossa on käytetty älykästäsisäilmankierron ohjausta, voidaan vakiotilavuuksisen kompressorin tehottomuuttakompensoida, ja kulutus kasvaa kohtuullisesti 10,2 %. Sisäisesti ohjatullamuuttuvatilavuuksisella kompressorilla varustettu järjestelmä ei kykene säätämäänjäähdytyskapasiteettia tarkasti jäähdytystarpeen mukaiseksi, joten ajoneuvon (OpelVectra 2,2) polttoaineenkulutuksen kasvu on 16,4 %.Elintarvikekuljetusten jäädytyslaitteistojen keskimääräinen polttoaineenkulutus on 15–25 % ajoneuvon polttoaineenkulutuksesta. Lisäksi kaupunkikuljetuksissa polttoaineenkulutuson keskimäärin 16 % korkeampi verrattuna pitkän matkan kuljetuksiin.Kaupunkilinja­autossa ilmastoinnin polttoaineenkulutus on noin 20 –30 % ajoneuvonpolttoaineenkulutuksesta. Polttoainekäyttöisten lisälämmittimien kulutus riippuukäyttökohteesta vaihdellen 0,12 –4,9 l/h välillä.Ilmastointijärjestelmän energiatehokkuutta voidaan parantaa järjestelmän ohjauksenja kylmäainepiirin optimoinnilla sekä vähentämällä matkustamon lämpökuormaa.Höyrystimen lämpötilaa ohjaamalla höyrystintä voidaan käyttää ylemmällä lämpötila­alueella.Mitä korkeampi höyrystimen ulostulon lämpötila on, sitä pienempi ontarvittava jäähdytysteho. Sisäilmankiertoa käyttämällä voidaan päästä jopa 35 % pienempäänpolttoaineenkulutukseen verrattuna pelkkään raitisilmankäyttöön ulkoilmanlämpötilan ollessa 28 °C ja suhteellisen kosteuden 40 %. Vähentämällä matkustamonlämpökuormaa, ilmastointijärjestelmän kapasiteettia voidaan pienentää matkustusmukavuuttahuonontamatta. Matkustamon lämpökuormaan vaikuttaa merkittävimminlasien ja ilmanvaihdon kautta matkustamoon siirtyvä lämpö. Lämpökuormaavoidaan pienentää esimerkiksi käyttämällä auringon säteilyä heijastavia laseja ja

16maaleja, tehokkaita eristysmateriaaleja, taukotuuletusta sekä lisäämällä sisäilmankiertoa.Suurin osa ilmastointijärjestelmän polttoaineenkulutuksesta aiheutuu kompressorinkäyttämiseen tarvittavasta energiasta. Kompressorin ottotehon minimoiminen vaatiikoko kylmäainepiirin optimointia, mikä käsittää piirin komponentit, voiteluöljynmäärän, höyrystimen tulistuksen hallinnan sekä koko piirin yhteensovittamisen. Vainajoneuvon toimintaympäristön jatkuvasti huomioivalla dynaamisesti ja älykkäästiohjatulla järjestelmällä, jonka suunnittelussa on lisäksi huomioitu toimintaan kokojärjestelmätasolla vaikuttavat tekijät, on mahdollista saavuttaa optimaalinen järjestelmäntehokkuus muuttuvissa toimintaolosuhteissa. Ilmastointijärjestelmän tehokkuuttavoidaan lisätä parantamalla sen yksittäisten komponenttien toimintaa optimoimallaniiden painehäviöitä ja tehokkuutta, mutta parhaaseen suorituskykyynpäästään vain, kun järjestelmää käsitellään kokonaisuutena. Järjestelmän eri komponentitovat läheisesti yhteydessä toisiinsa ja yhden komponentin ominaisuuksienmuuttaminen voi vaikuttaa merkittävästi järjestelmän muihin osiin ja siten koko järjestelmänsuorituskykyyn. Vaihtoehtoisia järjestelmiä, joissa hyödynnetään esimerkiksihukkalämmön talteenottoa sekä termoelektrisiä sovelluksia tullaan käyttämääntulevaisuudessa laajasti.Hybridiajoneuvoissa on jo otettu käyttöön sähkökäyttöisiä kompressoreita, jotta ilmastointitoimisi myös polttomoottorin ollessa pysäytettynä. Energian muuttamisessasähköiseksi ja uudelleen mekaaniseksi syntyy häviöitä enemmän kuin tavallisessahihnavälityksessä. Sähkökäyttöisellä kompressorilla voidaan silti päästä pienempäänkulutukseen, sillä kompressoria voidaan käyttää aina optimipyörimisnopeudella riippumattamoottorin kierrosluvusta. Tätä voitaisiin hyödyntää myös perinteisessä polttomoottoriajoneuvossa,joskin tavallisen henkilöauton sähköjärjestelmän jännitetasollakompressorin käyttämä sähkövirta nousee varsin korkeaksi. Sähkökäyttöisenkompressorin lisäetuna on se, että kompressorin pyörittämiseen käytettävää energiaavoidaan puskuroida akkuun, jolloin kompressorin käyttäminen ei pienennä moottorinakselilta saatavaa huipputehoa. Henkilöautokokoluokkaan sähkökäyttöisiä kompressoreitavalmistavat ainakin Denso ja Sanden.Kuva 8. Sähkökäyttöinen ilmastointilaitteenkompressori (Toyota Prius/ Denso) on hyvinsamankaltainen kuin tavallinen hihnakäyttöinenkompressori, mutta hihnapyörän tilalla onsähkömoottori.Webasto markkinoi linja­auton katolle asennettavaa ilmastointilaitetta, jossa 24 Vjännitteellä toimiva sähkömoottori pyörittää perinteistä kompressoria hihnavälityksellä.Näin ilmastoinnin toiminta on moottorista riippumatonta, eikä laitteelle tarvitsevetää putkistoa moottorin yhteydessä sijaitsevalta kompressorilta.

17Kuva 9. Webaston sähkökäyttöinen ilmastointilaite linja­autoon2.4 Voimalinjan öljypumppuPolttoainepumppu on hyvä esimerkki nesteen siirtopumpuista, joissa on jo siirryttymekaanisista sähköisiin. EE­VERT projektin mukaan nykyaikaisen sähköisen polttoaineensiirtopumpun hyötysuhde on noin 20 .. 40 % ja hinta

18Yllä on esitetty öljyn tuoton ja tarpeen välistä suhdetta. Öljypumpun tuotto riippuulähes lineaarisesti moottorin kierrosluvusta, mutta öljyn tarve kasvaa aluksi jyrkemminja suuremmilla kierroksilla vain vähän. Jotta tuotto riittäisi tyhjäkäynnillä, joudutaanpumppu yleensä mitoittamaan niin, että se tuhlaa energiaa merkittävästi yläkierroksilla.Yksi tapa ratkaista ongelma on käyttää niin kutsuttuahybridivoitelujärjestelmää. Järjestelmässä mekaanisen pumpun tuotto on mitoitettupienemmäksi ja alakierroksilla voitelua tehostetaan erillisellä sähkökäyttöiselläpumpulla.Kuva 11. Öljynpumppauksesta johtuvia tehohäviöitä voidaan vähentää käyttämällähybridivoitelujärjestelmää.Öljyn käyttö automaatti­ ja CVT­vaihteistossaKehitteillä olevissa hybridivaihteistoissa käytetään paineistettua öljyä vaihteensiirrontoteuttamiseen, kytkinten aktivointiin ja jäähdytykseen. Perinteisessä automaattivaihteistossakäytetään polttomoottorilta käyttövoimansa saavaa pumppua öljynpaineentuottamiseen. Hybridivaihteistossa painetta tarvitaan myös silloin, kun moottori onsammuksissa. Tällöin paineentuottoon tarvitaan sähkökäyttöistä ratkaisua. Pumpuntoimintavaatimuksia määritettäessä tulee ottaa huomioon paineen lisäksi ympäristönlämpötila, tehokkuus ja käytettävissä oleva tila. Tällöin kyseeseen tulee sähkömoottorinkäyttämä yksivaiheinen hammaspyöräpumppu. Pienehkö noin 5 cm 3 tilavuusvirtakierrokselta yhdessä pyörintänopeuden säätömahdollisuuden kanssa mahdollistaavirtauksen sovittamisen tarkalleen tarpeiden mukaiseksi. Perinteiseen vaihteistonöljypumppuun verrattuna tällä toteutuksella voidaan tasaisessa maantieajossa saavuttaajopa 46 % säästö, joka vastaa noin 1.8 % säästöä kokonaisenergiankulutuksessa.

19Kuva 12. Esimerkiksi AISIN valmistaa sähkökäyttöisiä hammaspyöräöljypumppuja.2.5 OhjausSähköinen ohjaustehostusHenkilöautoissa käytetään jo yleisesti sähköistä ohjaustehostusta, kun taas raskaissaajoneuvoissa tehostus edelleen on pääsääntöisesti hydraulisesti toteutettu. Sähköisiäohjaustehostimia henkilö­ ja pakettiautoihin on tarjolla useilla valmistajilla, kutenesimerkiksi ZF, ThyssenGrupp ja Nexteer Automotive.Kuva 13. Maantieajossa ohjaustehostuksen paine kuorma­autolla on kuvan mukaistasuuruusluokkaa [Petterson]Sähköinen ohjaustehostus voi tulla kyseeseen myös raskaissa ajoneuvoissa. Toimittaessakuorma­autolle tyypillisellä 24/28 V jännitetasolla tarvittavan tehostuksen aikaansaamiseksijoudutaan käyttämään isoja (>130A) virtoja, jotka edellyttävät paksujakaapeleita häviöiden pitämiseksi kurissa. Noin matalalla jännitteellä myös moottorintoteuttaminen on vaikeaa tarpeellisen käämityksen koosta johtuen. Hybridisoin­

20nin myötä raskaissa ajoneuvoissa tulee käytettäväksi korkeampia jännitetasoja, joitavoidaan hyödyntää myös ohjaustehostuksen komponenttien koon pienentämisessä.Sähköisen ohjaustehostuksen toteuttamiseen todennäköisimmin käytettävä moottorityyppion kestomagneettimoottori. Synkroninen kestomagneettimoottori on suosittuja sillä on harjatonta tasavirtamoottoria korkeampi vääntötiheys. Tasavirtamoottorinesteenä on lähinnä mekaaninen kommutointi. Suuritehoisissa matalajännitemoottoreissajoudutaan kommutoinnissa katkomaan suuria indusoituneita virtoja ja tästä onseurauksena kipinöintiä, joka puolestaan aiheuttaa EMI­ongelmia.Synkronisista kestomagneettimoottoreista on olemassa kasi pääasiallista alatyyppiä.Synkroninen vaihtovirtamoottori, jonka indusoitunut jännite (emf) on sinimuotoistaja harjaton tasavirtamoottori (BLDC), jonka jännite on trapetsimuotoista. Sovellutuksenkannalta erona on lähinnä niiden säätö. AC­tyyppi edellyttää kalliimpaa asentoanturia,kun taas BLDC vaatii ainoastaan yksinkertaisen Hall­anturin.Vaihtovirtamoottorin etuna on parempi tarkkuus ja vähäisempi momentin vaihtelu.Koska ohjaustehostuksessa säädetään pääasiallisesti momenttia, ei tarkkaa asentoanturiavälttämättä tarvita.Kuva 14. Hahmotelma tyypillisestä sähköisestä ohjaustehostinjärjestelmästäOhjausjärjestelmälle asetettavat korkeat turvallisuus­ ja luotettavuusvaatimuksetedellyttävät, että moottori ja vaihde mitoitetaan jatkuvaa käyttöä silmälläpitäen jariittävin varmuuskertoimin.Tehostuksen toteutuksessa kuljettajan saama palaute renkaan ja tienpinnan välisestäpidosta on yksi keskeinen elementti. Suuri välitys korostaa välysten vaikutusta ja lisäksikasvattaa moottorin inertian vaikutusta ohjauspyörää nopeasti käännettäessä.Myös mahdollisen sähkövian yhteydessä moottorin inertia vaikeuttaa ohjaamista.Ympäristön lämpötila saattaa johtaa tehostimen aktiiviseen jäähdytystarpeeseen taiedellyttää isompikokoisten komponenttien käyttöä, mikä liikkuvissa sovellutuksissaon yleensä huono asia.Ohjaustehostuksessa voidaan hyödyntää sähkömoottoria myös perinteisen hydraulisentehostuksen yhteydessä pumpun käyttölaitteena. Tätä kautta voidaan saavuttaa

21parempi säätötarkkuus ja ennen kaikkea vältytään tehostimen energiankulutus silloin,kun tehostukselle ei ole tarvetta.2.6 Paineilman tuottoRaskaiden ajoneuvojen jarrujärjestelmien, ilmajousituksen ja monien muiden toimilaitteidenpääasiallinen energia on paineistettu ilma. Sen tuottamisessa keskeisinkomponentti on kompressori, joka pääsääntöisesti saa käyttötehonsa suoraan moottoristajoko hammaspyörän tai hihnan välityksellä.Kompressorin energiankulutusta voidaan vähentää käyttämällä suljettua puristustilaasilloin, kun ilman tuottotarvetta ei ole. Lisäsäästöä voidaan saavuttaa varustamallakompressori kytkimellä, joka irrottaa sen voimansiirron tarvittaessa.Kevyemmissä ajoneuvoissa, joissa paineilman tarve on vähäisempää, voidaan käyttääsähkökäyttöisiä kompressoreita.Paitsi kytkimellä varustettua kompressoria, tarvitaan älykästä paineilman ohjainlaitetta,joka ajoneuvon väylältä saatavan kuormitustiedon ja paineantureiden perusteellatunnistaa käyttötilanteen. Säiliöiden täyttö voidaan ajoittaa esimerkiksi moottorijarrutustilanteen ajalle, jolloin paineilmaa kyetään tuottamaan hukkaenergialla. Järjestelmämyös 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 kulutukseenPaineilmaa voidaan myös käyttää moottorin ilmansaannin tehostamisessa. Tästä esimerkkinäon Knorrin kehittämä PBS järjestelmä. Ricardo arvioi, että tällaisella järjestelmälläolisi mahdollista saavuttaa 1,5 .. 2 % säästö, mutta säästön suuruus riippuuvoimakkaasti ajosyklistä. Lisäsäästöä syntyy, jos vaihtamisautomatiikka pystyy

22hyödyntämään paineilman syötöllä saavutettavan moottorin nopeamman reagoinnintuomat edut. Järeämmän paineen tuotto­ ja varastointijärjestelmän aiheuttamaksi lisäkustannukseksiRicardo arvioi 0,6 .. 1,1 %.Kuva 16. Knorrin kehittämä PBS järjestelmä2.7 Alipaineen tuottoHenkilöautoissa käytetään yleisesti jarrujen tehostusjärjestelmää, joka hyödyntää alipainetta.Perinteisesti alipainetta saatiin imusarjaan syntyneestä paineen alenemisesta.Dieselmoottoreiden yhteydessä imuvirtausta ei enää kuristeta vaan päinvastoinpainetasoa nostetaan ahtamalla. Tällöin on jouduttu miettimään uusia keinoja ja onotettu käyttöön alipainepumput. Ne voivat toimia joko mekaanisella välityksellä taisähköisesti.Kuva 17. Mekaanisesti ja sähköisesti toimivia alipainepumppuja

23Tyypillisiä teknisiä arvoja löytyy oheisesta taulukostaElectricalMechanicalEvacuation time5s/10s (5litre)3s/5,5s (3,8litre)(pamb=1000hPa)500hPa/300hPaMax. vacuum [% amb. pressure]>85% >85%Power consumption [W] 150 180Lubrication no yes, motor oilMass [g] ca. 1100 750Cost w/o connectors [€]

24häviöt etenkin osatehoilla pienenevät. Osatehoilla voidaan myös lepuuttaa osaa sylintereistä,eli pitää sylintereiden kaikki venttiilit suljettuina koko kierroksen ajan. Tällöinkäytössä olevat sylinterit toimivat paremman hyötysuhteen alueella ja vältetään”turhien” sylintereiden pumppaushäviöt. Sähköinen venttiiliohjaus lisää moottorinsuorituskykyä myös sen takia, että venttiilinohjauksen käyttämää energiaa voidaanpuskuroida akkuun, jolloin sen ei tarvitse kuormittaa moottoria silloin kun tarvitaanmaksimaalista akselitehoa tai vääntöä. Moottorin voitelujärjestelmäkin kevenee, kunmonimutkainen ja paljon voitelua tarvitseva nokkamekanismi jää pois. Sähkömekaanisessaventtiilinohjauksessa syntyy häviöitä muutettaessa energiaa mekaanisestasähköiseksi ja taas sähköisestä mekaaniseksi, mutta toisaalta säästetään merkittävästinokkamekanismin kitkahäviöissä.Valeo, yksi sähkömekaanista venttiilinohjausta kehitelleistä yrityksistä, esittää sekäsuorituskyvyn että polttoainetalouden parantuvan 15 –20 % perinteiseen nokkamekanismiinnähden. Valeon mukaan heidän järjestelmänsä on nyt kehitetty ja testattusiihen pisteeseen, että se olisi valmis massatuotantoon. Järjestelmä on mitoitettu henkilöautomoottorilleja siihen kuuluu konvertteri, joka nostaa jännitteen 42 volttiin.Ongelmina sähkömekaanisessa venttiilinohjauksessa ovat olleet luotettavuus sekäventtiilinohjauksen tarkkuus ja vasteaika suurilla kierrosnopeuksilla. Itse toimilaitteitahankalampaa on näiden asioiden suhteen ollut riittävän hyvien antureiden kehittäminen.3 Sähköenergiaa tuottavat järjestelmät3.1 Voimalinjan pyörittämät generaattoritAutoissa käytetään joko ilma­ tai nestejäähdytteisiä generaattoreita. Yleisin rakenneratkaisuon sakaranapageneraattori. Raskaissa ajoneuvoissa käytetään myös erillisnapageneraattoreita.Kuva 18. Bosch sakaranapageneraattori

253.1.1 KäynnistingeneraattoriSähköntarpeen lisääntymisen ja käynnistys/pysäytys toimintojen myötä perinteisestäkäynnistimestä ollaan enenevässä määrin luopumassa. Se korvataan järjestelyllä, jossasama moottori toimii sekä käynnistimenä että generaattorina.Nykyaikainen käynnistin on tyypiltään joko kestomagneettimoottori tai sarjaan / sarjaan– rinnan käämitty tasavirtamoottori, joka on varustettu solenoidikäyttöiselläkytkentäelimellä. Käynnistysvirran kytkemisen alussa solenoidi työntää käynnistinmoottorinhammaspyörää moottorin vauhtipyörällä olevan hammaskehän kanssa kosketukseen.Kuva 19. Käynnistin.Oheisessa taulukossa on esitetty tyypillisiä käynnistimen ominaisuuksia. Sinälläänkäynnistimen hyötysuhde lyhyestä käynnistysajasta johtuen ei ole merkittävä. Se onsuuruusluokkaa 60 %.Taulukko 4. Tyypillisiä käynnistimen ominaisuuksiaEnsimmäiset käynnistingeneraattorit olivat tasavirtamoottoriin perustuvia, muttahybriditekniikan kehittyessä vaihtovirta on noussut kiinnostuksen kohteeksi. Samallamyös käytetyt jännitteet ovat nousseet merkittävästi.Vaihtoehtoisia rakenneratkaisuja ovat induktiomoottorit, käämityllä roottorilla varustetutsynkronimoottorit ja kestomagneeteilla toteutetut synkronimoottorit (PermanentMagnet Synchronous Machines PMSM).

26Kuva 20. ZF:n käynnistingeneraattori, joka asennetaanmoottorin ja vaihteiston väliin. Käynnistingeneraattorillavoidaan myös ottaa jarrutusenergiaatalteen sekä tarvittaessa antaa lisävääntöävoimalinjaan.Kuva 21. Käynnistingeneraattoriin perustuva mikrohybridijärjestelmä3.2 PolttokennotViime aikoina polttokennot ovat saaneet varsin paljon julkisuutta. Kymmenkuntavuotta sitten niiden ennustettiin hyvin nopealla aikajänteellä korvaavan polttomoottoritautojen voimalähteenä. Hyvistä laboratorioissa saaduista tutkimustuloksista huolimattajärjestelmien kaupallistaminen on kohdannut monia ongelmia. Niinpä polttokennojenkäyttökohteet ovat siirtyneet niin, että niiden käyttö apuvoimanlähteenäon noussut vahvemmin mielenkiinnon kohteeksi. Tällöin vältytään liikkumiskäyttöönliittyviltä suurilta kuormanvaihteluilta ja käynnistyminenkin voidaan tehdä hitaammin.Erityisesti yhdysvalloissa joutokäynnin rajoittaminen ja tyypilliset pitkät ajo­ ja toimintaetäisyydetlisäävät mielenkiintoa tämänkaltaisten järjestelmien kehittämiseen.

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

28Moniin tutkimuksen ja kehitystyön alaisina oleviin polttokennojärjestelmiin kuuluupolttoaineen paikalliseen tuottamiseen soveltuva reformointilaitteisto, jonka toteutukseenvoidaan käyttää eri tekniikoita.Amerikan Transportation Research Institutin tekemän selvityksen mukaan keskimääräinenmakuuohjaamollinen ajoneuvo yhdysvalloissa joutokäyttää moottoria 28 tuntiaviikossa eli 1456 tuntia vuodessa. Vastaavasti päiväohjaamollisen ajoneuvon viikoittainenlukema on 6 tuntia ja vuositasolla 312 tuntia, jotka nekin ovat merkittävänsuuria ajatellen ympäristölle syntyvää kuormitusta.Taulukko 5. Yhdysvaltojen Energiaviraston apuvoimalähteille asettamat ja Delphinpolttokennoapuvoimalähteelle asettamat tavoitteet sekä Delphin tämänhetkisen prototyypintilanne (3­5 kW nimellisteho, 5­10 kW huipputeho).Taulukko 6. Apuvoimalaitteiden kehitystavoitteet ja toteutunut kehitys3.3 Diesel­ ja ottomoottorigeneraattoritPyrkimys joutokäynnin vähentämiseen on johtanut myös perinteiseen diesel­ tai ottomoottoriinperustuvien järjestelmien käyttöön. Oheisessa kuvassa on esitelty esimerkkidieselmoottoriin perustuvasta apuvoimalähteestä.

29Kuva 23. Diesel­moottoriin perustuva järjestelmä3.4 Wankel­generaattoritPerinteisen polttomoottorin edestakaisin liikkuvat massat aiheuttavat suuria voimienvaihteluita, jotka heijastuvat moottorin toimintaan värähtelyinä. Lineaarisen edestakaisenliikkeen muuntaminen pyörinnäksi edellyttää kampikoneiston käyttöä. Näidenongelmien vähentämiseksi on kehitetty erilaisia kiertomäntämoottoreita, joista tunnetuinlienee Felix Wankelin 1950­luvun alkuvuosina tuotantoon kehittämä moottori.Moottorissa reuleauxin kolmion muotoinen mäntä kiertää kahdeksikon muotoisessakammiossa.Lähinnä tiivistyksen toteutusvaikeuksista ja palamisprosessin hallinnassa ilmenneidenongelmien vuoksi moottori ei saavuttanut varsinaista läpimurtoa. Autokäytössämoottoria on soveltanut lähinnä Mazda.Tärinätön käynti ja kompakti koko ovat tehneet kiertomäntämoottorista kuitenkinkiinnostavan APU yksiköiden moottorina. Materiaali­ ja valmistustekniikan kehittyminenon ratkaissut tiivistykseen liittyvät ongelmat ja sovelluksesta johtuen palamisprosessinhallinta on vaihtelevaa ajomoottorikäyttöä helpommin hallittavissa.FEV on vertaillut yksi­ ja kaksisylinteristä polttomoottoria, Wankelia ja polttokennoatoimintasäteen laajennussovellutuksia ajatellen.

30Kuva 24. Eri ratkaisujen hyviä ja huonoja puoliaKeväällä 2010 Audi esitteli uuden A1 mallin, jossa on käytetty FEVn kehittämääWankeliin perustuvaa toimintasäteen laajentajaa. Moottorina on pienikokoinen 254cm 3 kiertomäntämoottori, joka toimii parhaan hyötysuhteen vuoksi tasaisella 5000RPM nopeudella. Generaattorin suurin ulostuloteho on 15 kW. Audin mukaan moottori­generaattoripaketin paino 12­litraisen polttoainesäiliön ja tehoelektroniikankanssa on ainoastaan 70 kg.Kuva 25. Wankeliin perustuva range­extender3.5 MikroturbiinigeneraattoritVarsin uusi tulokas APU­järjestelmänä on pieneen kaasuturbiiniin perustuva generaattori.Niiden ajoneuvosovellukset ovat vielä kokeiluja. Pääasiallisena käyttökohteenaovat hajautetun lämmön ja sähkön tuoton sovellukset. Niiden arvioidaan kuitenkinyleistyvän myös hybridiajoneuvojen toimintasäteen laajennussovelluksissa.

31Verkkosovelluksissa tehoelektroniikan kehittyminen on mahdollistanut elektronisestiohjattujen tehonsäätöjärjestelmien käyttöönottamisen. Tämän myötä tarve synkronoidageneraattorin (turbiinin) pyörintänopeus verkon taajuuteen on poistunut.Mikroturbiinien etuna on hyvä tehopainosuhde, alhaiset päästöt ja liikkuvien osienvähäisyys. Huonona puolena on reagoinnin hitaus tehontarpeen vaihdellessa. Myöshyötysuhde on vielä alhainen. Merkittävä etu ajoneuvokäyttöä ajatellen on mahdollisuushyvin erilaisten polttoaineiden käyttämiseen.Mikroturbiinijärjestelmä koostuu tavallisesti yksivaiheisesta keskipakoahtimesta, yksivaiheisestaturbiinista ja lämmön regeneraattorista. Näiden suunnittelu ja valmistaminenon haasteellista koska ne joutuvat toimimaan suurten paine ja lämpötilaerojenvaikutuksen alaisena. Pakokaasujen lämmön hyödyntämisen kannalta turbiinin etunaon muun jäähdytyksen puuttuminen, jolloin lämpöenergiaa voidaan kerätä keskitetymmin.Mikroturbiinin hyötysuhteet ovat luokkaa 25 .. 35 %. Yhdistetyssä lämmön ja sähköntuotossa on päästy yli 80 % hyötysuhteeseen. Amerikkalaisen MITn tutkijat väittävätpääsevänsä kehittyneellä mikroturbiinilla energiatiheyteen luokkaa 500 ..700 Wh/kg.Kuva 26. Mikroturbiinin toimintaperiaate

32Kuva 27. Mikroturbiinin rakenne4 Pakokaasujen lämpöenergian hyödyntäminenKuva 28. Hukkalämmön hyödyntäminenEnergiamuodonmuutoksiin liittyy aina enemmän tai vähemmän häviöitä. Ajoneuvoissanämä häviöt ilmenevät yleensä lämpönä. Tunnettuahan on, että esimerkiksipolttomoottorin energiasta suurin osa häviää pakokaasujen ja jäähdytysjärjestelmänkautta. Parhaimmillaan polttomoottorin hyötysuhde voi olla jopa yli 50 %, muttakäytännössä hyötysuhde kevyellä kuormituksella toimittaessa on vain muutamia prosentteja.Tästä johtuu mielenkiinto pakokaasujen ja jäähdytysjärjestelmän sisältämänenergian hyödyntämiseen.Perinteinen tapa lämmön hyödyntämiseen on ajoneuvon matkustamon ja tavaratilanlämmittäminen eli lämpöenergian suora hyödyntäminen.Takavuosinen meillä Suomessa tutkittiin monia eri vaihtoehtoja moottorin lämpöenergianhyödyntämiseen ns. taukolämmittimissä. Erityisesti ympäristönäkökulmistaaiheutunut joutokäynnin rajoittaminen kasvatti tätä mielenkiintoa.

33Yksinkertaisimmat varastointimenetelmät hyödynsivät moottorin suurehkoa massaa,johon varastoitunutta lämpöä käytettiin joko tilojen lämmitykseen tauon aikana taiuudelleen käynnistyksen helpottamiseen.Tutkimuksen kohteena olivat myös erilaiset tyhjiöön ja suolojen faasimuutokseenperustuvat varastointitekniikat. Niille asetettiin varsin suuria vaatimuksia pitkänlämmönvarastointiajan muodossa, eivätkä ne koskaan saavuttaneet läpimurtoa lähinnähinnan, painon ja tilantarpeen vuoksi.Hybriditeknologian myötä tarve moottorin lämmön lyhytaikaiseen varastointiin onnoussut uudestaan esille. Hybridijärjestelmille on ominaista, että polttomoottorisammutetaan usein varsin lyhyeksi ajaksi joko sähköllä ajettaessa tai liikennetilanteenaiheuttaman seisahduksen ajaksi. Tällöin moottorin uudelleen käynnistämisenvarmistaminen ja päästöjen hallitseminen hyötyisivät lämpöenergian lyhytaikaisestavarastoinnista. Toyota Priuksen joissain malleissa on eristetty lämminvesivaraaja,joka varastoi lämpöä, sekä pakoputkeen liitetty lämmönvaihdin, jonka ansiosta jäähdytysnestelämpiää nopeasti moottorin käynnistyttyä.Kuva 29. Ringler et all vertailu hukkalämmön vaihtoehtoisten hyödyntämistapojentehokkuudesta ja monimutkaisuudesta.4.1 TyöprosessitVoimalaitoksissa käytetään yleisesti useamman eri termodynaamisen työprosessinyhdistäviä järjestelmiä. Samoja menetelmiä voidaan käyttää myös ajoneuvosovelluksissa.Polttomoottorin Carnot­prosessin ohella hyödynnetään mm. Brayton­sykliä,Rankine­sykliä, Stirling­sykliä tai uusimpana Kalina­sykliä.

34Rankine­sykli muuntaa lämmön työksi. Lämpöä tuotetaan ulkoisesti suljettuun kiertoon,jossa väliaineena on tavallisesti vesi. Maailman sähkön tuotannosta noin 80 %on tuotettu tämän prosessin avulla.Pääero Rankine ja Carnot prosessien välillä on se, että lämmön lisäys ja poisto Rankinesyklissä tapahtuvat isobaarisesti ja Carnot syklissä isotermisesti. Rankine kuvaahöyryturbiinin työprosessia.Pumpulla paineistetaan työneste, joka tulee lauhduttimelta kaasun sijasta nestemuodossa.Kaikki pumppaamiseen käytettävä energia hukataan kiertosyklin aikana samoinkuin työnesteen höyrystämiseen boilerissa käytetty energia. Tämä häviäminenjohtuu siitä, että turbiinissa ei tapahdu lauhtumista vaan kaikki höyrystämisenergiapoistuu lauhduttimessa. Pumppaamiseen tarvittava energia on kuitenkin vain murtoosa kaasumaisen työnesteen paineistamiseen tarvittavasta energiasta.Rankine prosessin hyötysuhdetta rajoittaa tavallisesti työneste. Nesteen toimintalämpötila­alueon varsin pieni. Tämän johdosta teoreettinen hyötysuhde on noin 63 %.Turbiinin matalasta sisääntulolämpötilasta johtuen Rankine prosessia käytetäänkinyleisesti hukkalämmön talteenottoon voimalaitossovelluksissa.Rankine prosessin yksi perus eduista on paineistusvaiheessa tarvittavan työn vähäisyysmuihin prosesseihin verrattuna. Käytännössä tämä osuus on alle 3 % turbiinintuottamasta tehosta. Osa näin saavutetusta edusta menetetään alhaisen toimintalämpötilanvuoksi.Orgaaninen Rankinen sykli (Organic Rankine Cycle ORC) käyttää väliaineena orgaanisianesteitä kuten n­pentaania tai tolueenia veden ja höyryn asemesta. Tämämahdollistaa matalampilämpöisten lämmönlähteiden käyttämisen. Näissä järjestelmissähyötysuhde on merkittävästi alempi, mutta toisaalta matalamman lämmön talteenottoon kustannusten kannalta edullisempaa. Muitakin väliaineita, joiden kiehumapisteon vettä korkeammalla, voidaan käyttää ja näin voidaan saavuttaa termodynaamisiaetuja. On hyvä huomata, että Rankine­sykli sinällään ei rajoita väliainetta.Orgaaninen Rankine­sykli onkin lähinnä kaupallinen ilmaisu.Kalina­sykli on yksi Rankine­syklin kehitelmä, jossa työnesteenä käytetään ammoniakinja veden seosta. Seossuhde prosessin eri vaiheissa vaihtelee. Näin pyritään parantamaanhyötysuhdetta.Brayton­sykli puolestaan kuvaa kaasuturbiinin työprosessia. Braytonvoimalaitteeseeneli kaasuturbiiniin kuulu kolme komponenttia: kaasukompressori,palokammio ja paisuntaturbiini.

35Kuva 30. Brayton­sykliKuva 31. Rankine­sykliIdeaalisessa Brayton­prosessissa ulkoilmaa imetään kompressoriin, jossa se paineistetaanisentrooppisesti. Puristettu ilma kulkee polttokammion läpi, jossa palaminennostaa ilman lämpötilaa vakiopaineisessa prosessissa. Kuumennettu paineistettu ilmaluovuttaa energiansa paisuen turbiinissa isentrooppisesti. Osa saatavasta työstä hyödynnetäänkompressorin käyttämiseen. Loppu lämmöstä vapautetaan ympäröiväänilmaan isobaarisena prosessina.

36Kuva 32. Ideaalinen Brayton­sykliStirling­sykli kuvaa yleisesti Stirling­laitteistoja, joita on esimerkiksi Stirlingmoottori.Stirling­sykli on käänteinen, mikä merkitsee sitä, että käytettäessä moottoria mekaanisellatyöllä, se voi toimia lämpöpumppuna jäähdytyksessä tai lämmityksessä. Sykliäon kuvattu suljettuna regeneratiivisena prosessina, joka käyttää kaasumaista työnestettä.Laitteisto on näin ollen ulkoisella lämmöllä toimiva.Stirling­sykli koostuu neljästä termodynaamisesta prosessista, jotka vaikuttavat työnesteeseen.Isoterminen paisunta tapahtuu tilassa, jota kuumennetaan ulkopuolelta jakaasussa tapahtuu lähes isoterminen paisunta. Kaasu kulkee läpi regeneraattorikammion,jossa se jäähtyy ja siirtää lämpöä regeneraattoriin käytettäväksi seuraavassasyklissä. Tämä tapahtuu vakiotilavuudessa. Puristustila on jäähdytetty, jolloin kaasussatapahtuu lähes isoterminen puristus. Puristettu kaasu virtaa takaisin regeneraattorinläpi saaden siitä lämpöä matkallaan kuumennettuun paisuntatilaan. Tämä tapahtuuvakiotilavuudessa.Stirling­prosessi on hyvin kehittynyt ja sitä on tutkittu perusteellisesti jo yli 190 vuodenajan. Stirling­moottorin lämmönvaihtimen analyyttinen tarkastelu on yksi vaikeimmistatermodynaamisista insinööritehtävistä.Ricardon arvion mukaan Brayton­prosessilla voitaisiin saavuttaa 1,5… 4 % säästö jaRankine­prosesilla 3… 6 % riippuen pakokaasujen takaisinkierrätysasteesta. Arviokustannuksista raskaan ajoneuvon kohdalla on noin 36,3 % koko voimalinjan kustannuksista.4.2 Turbiinit4.2.1 Mekaaninen tehoturbiiniKäytettäessä mekaanista tehoturbiinia ahdettu moottori sinällään säilyy muuttumattomana.Pakojärjestelmään lisätään imuilmaa ahtavan turbiinin jälkeen toinen turbiini,joka hyödyntää pakokaasuissa jäljellä olevaa energiaa. Turbiini on hammasvälitykselläkytketty auton voimansiirtoakselille. Tyypillisesti tähän kytkökseen kuuluunestekytkin, joka mahdollistaa portaattoman välityksen ja nopeusvaihtelun sekä suojaaturbiinia moottorin vääntövärähtelyiltä. Lisäksi kytkökseen kuuluu hammaspyörästö,jolla turbiinin ja moottorin pyörintänopeudet sovitetaan keskenään. Kirjallisuudestalöytyvät tiedot tehoturbiinin tuottamasta energiankulutuksen pienenemisestävaihtelevat suuruusluokassa 2,5 .. 5 %. Järjestelmän edut ovat suurimmillaan mootto­

37rin toimiessa kuormitettuna ja suurilla nopeuksilla. Kevyellä kuormituksella ja alhaisillanopeuksilla hyödyt ovat olemattomia.Ricardon arvion mukaan muutamat valmistajat kuten Volvo ja Detroit diesel tarjoavatmekaanista tehoturbiinia, mutta he eivät usko järjestelmän tarjoamiin etuihin todellisissakevyissä tai keskiraskaissa työsykleissä, joissa hyöty jää luokkaan 1,5%.Mekaanisen tehoturbiinin kustannus on suuruusluokkaa 5 .. 10 % voimansiirron kokonaiskustannuksesta.Järjestelmä alentaa pakokaasujen lämpötilaa ja vaikuttaa siten pakokaasujen jälkikäsittelyntehokkuuteen. Toisaalta kasvavalla pakokaasujen vastapaineella voi ollaedullinen vaikutus typenoksidipäästöihin. On myös huomattava, että kehittyneet pakokaasujentakaisinkierrätysjärjestelmät vähentävät pakokaasujen käytettävissä olevaaenergiaa.Kuva 33. Esimerkki mekaanisesta tehoturbiinista4.2.2 Sähköinen tehoturbiiniTämä järjestelmä muistuttaa mekaanista tehoturbiinia lukuun ottamatta sitä, että turbiinikäyttää sähköä tuottavaa generaattoria. Näin tuotettua sähköenergiaa voidaanhyödyntää moottorin ulostuloa tukevalla sähkömoottorilla tai sitä voidaan käyttäämuiden sähkölaitteiden käyttöenergiana tai hybridijärjestelmän akkujen lataamiseen.Kuva 34. John Deere sähköinen tehoturbiiniSähköinen tehoturbiini soveltuu erityisen hyvin pitkänmatkan kuorma­autojen hybridivoimansiirronyhteyteen, jolloin moottori toimii kuormitettuna ja isoilla kierroksil­

38la ja toisaalta energiaa talteen ottava jarrujärjestelmä tuottaa vain vähän hyötyjä. Tällöinturbiinin ja hybridisoinnin hyödyt summautuvat.Järjestelmällä väitetään saavutettavan jopa 10 % energiasäästöä. Ricardon arvionmukaan todelliset säästöt olisivat luokkaa 3 %. Heidän näkemyksensä mukaan sähköinentehoturbiini soveltuisi parhaiten työkoneisiin, joissa työsykliin kuuluu useintoimintaa isolla teholla pitkiä aikoja. Esimerkkinä mainitaan maataloustraktori kyntötyössä.Kuva 35. Bowman­tehoturbiinijärjestelmäKoska sähköisen tehoturbiinin kuormitusta voidaan säädellä, turbiinia voidaan käyttääpakokaasujen vastapaineen säätelyyn ja siten parantaa pakokaasujen takaisinkierrätystäja alentaa typpioksidi päästöjä. Turbiini vaikuttaa pakokaasujen lämpötilaanja siten myös pakokaasujen jälkikäsittelyyn.Sähköisen tehoturbiinin kustannuksista Ricardo arvioi niiden olevan suuruusluokkaa22 .. 42 % voimansiirron kustannuksista. Tämä johtuu osittain pakokaasupäästöjensäätelyn monimutkaistumisesta.Kuva 36. John Deere sähköisen tehoturbiinin energiankulutusmittaus

394.3 Termosähköiset4.3.1 TermosähköilmiöPakokaasujen jäännösenergiasta suuri osa on lämpöenergian muodossa. Tämä onkohdistanut tutkijoiden mielenkiinnon erilaisiin termosähköisiin ratkaisuihin, joillapyritään tuottamaan sähköenergiaa suoraan lämmöstä.Fyysikko Thomas Johann Seebeck havaitsi ensimmäisenä jo vuonna 1821 termosähköilmiön.Kun kahteen eri materiaaliin kohdistuu lämpötilaero, syntyy termojännite.Tätä ilmiötä on sittemmin hyödynnetty yleisesti lämpötilan mittaamisessa termoparinmuodossa.Vuonna 1834 fyysikko Jean Peltier havaitsi, että on olemassa myös käänteinen ilmiö.Sähkövirta aikaansaa materiaalien välille lämpötilaeron. Tätä voidaan hyödyntääjäähdytyksessä ja lämmityksessä.Lämpösähköilmiöitä täydensi vielä skotlantilainen tiedemies William Thomsonhuomatessaan vuonna 1854, että virtaa kuljettavassa johtimessa lämpötilaero kahdeneri pisteen välillä aikaansaa, että lämpöä joko vapautuu tai sitoutuu riippuen johtimenmateriaalista.Lämpösähköilmiön voimakkuuteen vaikuttaa aineen sähkön­ ja lämmönjohtavuus,joita on perinteisesti voitu pitää lähes suoraan keskenään verrannollisina. Valitettavastilämpösähköilmiöiden kannalta olisi edullisinta, että materiaalilla olisi mahdollisimmanhyvä sähkönjohtavuus yhdessä mahdollisimman huonon lämmönjohtavuudenkanssa.Seebeck­ilmiössä on kyse lämpöenergian suorasta muutoksesta sähköenergiaksi.Asiaa voidaan hahmottaa kahdella eri materiaalista valmistetulla toisiinsa päistäänliitetyllä johtimella. Johtimet muodostavat piirin, jota kutsutaan termopariksi. Lämmittämällätoista liitoskohtaa muodostuu päiden välille lämpötilagradientti. Lämpötilagradienttisaa varauksenkuljettajat liikkumaan gradientin suuntaisesti kuumastakylmään diffuusion mukaisesti. Kuumalle alueelle jää varauksenkuljettajien jättämätpäinvastaisesti varautuneet ytimet.Lämpötilagradientti luo piiriin sähkömotorisen voiman V, jonka suuruus määräytyyjohtimien Seebeck­kertoimien mukaan:= 2 1SA ja SB ovat johtimien A ja B Seebeck­kertoimia ja T2 ja T1 liitoskohtien lämpötiloja.Jos lämpötilaerot ovat pieniä, voidaan Seebeck­kerrointa approksimoida kaavalla= jossa V on muodostunut lämpösähköinen jännite ja T lämpötilaero.

40Kuva 37. Termosähköilmiö termosähköisessä moduulissaJos varauksenkuljettajina on yhtä suuri määrä elektroneja ja aukkoja, ei jännitettäsynny niiden kumotessa toistensa vaikutukset. Metalleilla on pieni Seebeck­kerroin.Puolijohteita voidaan seostaa vahvasti ylimääräisillä elektroneilla tai aukoilla ja näinsaadaan aikaan suuri Seebeck­kerroin. Seebeck­kertoimeen vaikuttaa myös aineenlämpötila.Peltier­ilmiö on Seebeck­ilmiölle käänteinen. Johtamalla termopariin sähkövirtaa,saadaan liitoskohdat toinen lämpenemään ja toinen jäähtymään virran suunnasta riippuen.Lämpenevän liitoskohdan lämpövirta q voidaan määrittää yhtälöstä:= 12·I=( 1)·I ,jossa I on virta, 12 on systeemin kokonais­Peltier­kerroin ja 1 sekä 2 eri materiaalienPeltier­kertoimia. Peltier­kertoimen yksikkö on J/C ja se ilmaisee, kuinka paljonlämpöenergiaa yksi varauksenkuljettaja kuljettaa materiaalin läpi. Kokonais­Peltier­kerroin kertoo, kuinka paljon lämpöenergiaa varauksenkuljettaja siirtää materiaalienliitoskohdan yli ja sen etumerkistä voidaan päätellä, lämpeneekö vai jäähtyyköliitoskohta.Elementin lämpösähköistä tehokkuutta kuvataan laatuluvulla Z.Se on määritelty Seebeckin kertoimen, lämmön­ sekä sähkönjohtavuuden avulla seuraavasti:= · 2Laatuluvun yksiköksi saadaan 1/K. Kuitenkin yleisesti on käytössä yksikötön laatuluvunsuure ZT, joka saadaan, kun yhtälö kerrotaan keskilämpötilalla (T2 + T1)/2:

41= · 2· ·Mitä suurempi laatuluvun ZT arvo on, sitä parempi lämpösähköinen tehokkuus elementilläon. Laatulukua voidaan parantaa joko pienentämällä lämmönjohtavuutta k,tai kasvattamalla niin kutsuttua sähkötehokerrointa ·S².Kuva 38. Termosähköiset ominaisuudet varauksenkuljettajakonsentraation funktionaNormaalissa huoneenlämpötilassa parhaisiin laatuluvun arvoihin päästään vismuttijatelluridipohjaisilla aineilla (Bi2Te3), jotka saavat arvon noin 1. Laboratorioolosuhteissaon päästy jo ainakin arvoihin 2.4 rakentamalla vismuttitelluridi ohuistananofilmeistä. Jotta materiaaleja voidaan pitää kannattavina, pitäisi laatuluvun ollahuoneenlämpötilassa yli 1.5 elektroniikan sovelluksien ja yli 2 jäähdytyksen ja energiantuotannonkannalta.Keskilämpötila­alueella 200 °C .. 600 °C materiaalina on PbTe. Piin ja germaniuminseokset SiGe soveltuvat toimittaessa korkeissa lämpötiloissa. Niiden ZT luku on 0,7... 0,9 joka mahdollistaa 100 °C ... 600 °C lämpötilaerolla hyötysuhde on suuruusluokkaa3 .. 12 %.

42Kuva 39. Laatuluvun ZT aikajana ja Laatuluvun ZT lämpötilariippuvuus4.3.2 Thermosähköinen pakokaasun energian talteenottoKuva 40. Termosähköinen moduuliRicardo arvioi Seebeck­ilmiöön perustuvien termosähköisten muuntimien energiansäästömahdollisuudeksi2 %. Järjestelmät ovat edelleen tutkimuksen alkuvaiheessa janiiden menestyminen riippuu voimakkaasti materiaalien kehittymisestä.Seebeck ilmiön lisäksi tutkimuksen kohteena ovat Litium­hydridikennot, lämpövalosähköinenilmiö (termal emitter + valokenno) ja terminen tunnelointi / lämpöioninenemissio.Ennen laitteiden käyttöön saamista on vielä ratkaistava monia ongelmia. Tällaisiaovat muun muassa kylmän ja kuuman lämpötilan optimaalinen hyödyntäminen lämmönvaihdossa,lämmönsiirto lämpösähköisessä liitoksessa, lämpörasitusten ja laminoinninirtoamisen vaikutukset kestävyyteen sekä syntyvän sähköenergian hallinta.Järjestelmän hinnasta ei vielä ole mahdollisuutta tehdä arvioita, mutta oletettavastimateriaali­ ja valmistuskustannukset tulevat olemaan melko korkeita.Autovalmistajista ainakin BMW ja Volkswagen ovat kehitelleet Seebeck­ilmiöönperustuvia termosähköisiä muuntimia pakokaasujen energian talteen ottamiseksi.BMW:n prototyypin kerrotaan tuottavan 200 W ja Volkswagenin 600 W moottoritieajossa.BMW on arvellut, että ensimmäisetlaitteella varustetut ajoneuvot saattaisivattulla markkinoille vuonna 2014.Kuva 40. Termosähköisen muuntimenprototyyppi

43Paitsi lämpöenergian talteenottoalämpösähköisiä ilmiöitä ja stirlingprosessiavoidaan hyödyntää myösvaikkapa lämmityksessä ja jäähdytyksessä.Esimerkkinä termosähköinenlämpöpumppu penkinjäähdytyksessä.Kuva 41. Termosähköinen penkinjäähdytys5 EnergianhallintajärjestelmätEnergiankäytön kannalta kehittynyt säätötekniikka tarjoaa mahdollisuuksia energiankulutuksenja tehon optimointiin. Tällä alueella kehitystyö on vasta aluillaan vaikkamarkkinoilta löytyy jo sovelluksia, joissa energiaa säännöstellään kokonaisuuttasilmälläpitäen. Alkuvaiheen järjestelmät olivat yksinkertaisia. Niissä moottorinkuormittuessa tilapäisesti tavanomaista enemmän pienennettiin hetkellisesti sähköistäkuormaa kytkemällä vaikkapa penkin tai takalasin lämmitys pois toiminnasta.Hybridiajoneuvojen myötä ja sähköisen kuormituksen lisääntyessä järjestelmienmerkitys on kasvanut. Energiavirtojen hallinta ja sääntely tarjoaa merkittäviä mahdollisuuksia,mutta toisaalta järjestelmien, olosuhteiden ja käyttötapojen kompleksisuusasettaa suuria haasteita energianhallintajärjestelmien suunnittelulle. Erityisestisilloin, kun pyritään säätelemään samanaikaisesti mekaanista­, kemiallista­, sähköistä­ja lämpöenergiaa.6 JohtopäätöksiäTehdyn selvityksen mukaan on nähtävissä, että tutkimusaktiviteetti oheisjärjestelmienenergian kulutuksen ja tuoton alueella on kasvanut. Monia tuotteita ja ratkaisujaon jo kaupallisesti saatavilla, vaikkakin niiden kehitystyö jatkuu.Erityinen mielenkiinto kohdistuu hukkalämmön toisaalta vähentämiseen hyötysuhteitaparantamalla ja toisaalta hyödyntämiseen lämmityksen ohella myös erilaisissa toisiojärjestelmissä.Arvioiden mukaan näiden järjestelmien kehittäminen tarjoa useiden kymmenien prosenttiensäästöpotentiaalin, vaikkakin järjestelmien monimutkaistumisen myötä kohoavatvalmistus ja huoltokustannukset syövät osan saavutettavista hyödyistä.

44KirjallisuuttaLew Fulton, Peter Taylor, Tom Kerr, Jake Ward; Technology Roadmap: Electric andplug­in hybrid electric vehicles, International Energy Agency; 2009K. Smith, M. Thornton; Feasibility of Thermoelectrics for Waste Heat Recovery inConventional Vehicles; Technical Report NREL/TP­540­44247, 2009K. Smith, M. Thornton; Feasibility of Thermoelectrics for Waste Heat Recovery inHybrid Vehicles; Technical Report NREL/CP­540­42256, 2007D. Jänch, M. Laudien, J. Kitte; Thermoelektrische Abwärmenutzung inKraftfahrzeugen; Der Antrieb von Morgen ATZ/TUV SUD Konferenz –Motor;2009J Yang; Opportunities & Challenges of Thermoelectric Waste Heat Recovery in theAutomotive Industry; 2005 Diesel Engine Emissions Reduction (DEER) Conference;2005M. Lunanova; Optimierung von Nebenaggregateb, Vieweg, 200921 st Century Truck Partnership; Roadmap and Technical White Papers, 21CTP­003;2006M. Contestabile; Analysis of the market for diesel PEM fuel cell auxiliary powerunits onboard long­haul trucks and of its implementations for the large­scale adoptionof PEM FCs; Elsevier Energy Policy; 2009S Juin, H­Y Chen, J Schwank; Techno­economic analysis of fuel cell auxiliarypower units as alternative to idling; Elsevier Journal of Power Sources 160 (2006)474­484; 2006S. Raming, V. Schindler; Power Supply for Vehicle Auxiliaries; F2008­09­030, AT­ZOnline; 2008N. Pettersson; Modelling and Control of Auxiliary Loads in Heavy Vehicles;TRITA­S3­REG­0402; Licentiate thesis KTH; 2004E. Lust, R. Rademacher; System­level analysis and comparison of long­haul truckidle­reduction technologies; Masters thesis University of Maryland, 2008M. Andersson; Introduction to PEMFC Auxiliary Power Units (APUs) for Vehicles;Project Report TRRF05 Fuel Cell Technology; Lund University; 2008W. Hnatczuk, M. Lasecki, J­ Bishop, J. Goodell; Parasitic Loss Reduction for 21 stCentury Trucks; SAE Paper 2000­01­3423; 2000H. Baker, R. Cornwell, E. Koehler, J. Patterson; Review of Low Carbon Technologiesfor Heavy Goods Vehicles; RD.09/182601.7; Ricardo; 2010Technologies and Approaches to Reducing the Fuel Consumption of Medium­ andHeavy­Duty Vehicles; Prepublication copy; National Academies press; 2010M. Oravala; Lämpösähköilmiö ja sen sovellukset; Kanditaatintyö TUT; 2010J. Tervo, A. Manninen, R. Ilola, H. Hänninen; State­of­the­art of thermoelectric materialsprocessing, VTT Working Papers 124; 2009

45P. Agnolucci; Prospects of fuel cell auxiliary power units in the civil markets; InternationalJournal of Hydrogen Energy 32 (2007) 4306 –4318; Elsevier 2007N. Pettersson; K. H. Johansson; Modelling and control of auxiliary loads in heavyvehicles; International Journal of Control, 79: 5, 479 — 495, Taylor & Francis 2006F. Roos; Design and Theoretical Evaluation of Electric Power Steering in Heavy Vehicles;Technical Report TRITA­MMK 2005:29; KTH 2005H. Baker, R. Cornwell, E. Koehler, J. Patterson; Review of Low Carbon Technologiesfor Heavy Goods Vehicles Annex 1; RD.09/182601.7; Ricardo 2009Energy Efficient Vehicles for Road Transport Deliverable D1.1.1; 2009Energy Efficient Vehicles for Road Transport Deliverable D2.1.1; 2009Energy Efficient Vehicles for Road Transport Deliverable D2.2.1; 2009V. T. Vuk; Electric Turbo Compounding; John Deere 2006V. K. Chakravarthy, C. S.Daw, J.A. Pihl, J.C. Conklin; Study of the Theoretical Potentialof Thermochemical Exhaust Heat Recuperation for Internal Combustion Engines;Energy Fuels 2010, 24, 1529–1537, 2010J. Ringler, M. Seifert, V. Guyotot and W. Hübner; Rankine Cycle for WasteHeat Recovery of IC Engines (SAE 2009­01­0174)J. Conover, H. Husted, J. MacBain, H. McKee; Logistics and Capability Implicationsof a Bradley Fighting Vehicle with a Fuel Cell Auxiliary Power Unit; SAE2004­01­1586; 2004A. Henry, P.E. Mlcak; An Introduction to the Kalina Cycle; PWR­ Vol. 30, Proceedingsof the International Joint Power Generation Conference ASME 1996B. Brzezinski, M. Marcel, J. Murphree; System Considerations in the Operation andControl of an Integrated / Starter Generator; Proceedings of the 2009 Ground VehicleSystems Engineering and Technology Symposium (GVSETS); 2009S. Niu, K.T. Chau, J.Z. Jiang; A Permanent­magnet Double­stator Integratedstartergeneratorfor Hybrid Electric Vehicles; IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference(VPPC), September 3­5, 2008, Harbin, China; 2008K. Hahn; High Voltage Electric Tractor­Implement Interface; SAE 2008­01­2660K.V. Schaller; Commercial Vehicles for the Future; ATZautotechnology; N 4 vol 10;2010

46Liite 1Direct Emissions and Energy­Use for Cab Comfort OptionsTechnologySettingPM10(g/h) NOx (g/h)Diesel Fuel Usee(gal/h)2001 Truck idlinga, b, c heating 3.74 156 0.77cooling 2.08 146 0.982007 Truck idlinga, b, d, f heating 0.14 133 0.53cooling 0.14 133 0.72APUd heating 0.72 9.1 0.23cooling 0.72 9.0 0.18APU with diesel particulate filterd,f heating 0.07 9.6 0.24cooling 0.10 9.5 0.19Direct­fired heatera heating 0.06 0.20 0.055Battery electric coolingg9.5(2001),cooling 0.054.8 (2007)0.10Electrified parking spaceh heating 1.6 1.6 NAElectrified parking spaceh cooling 0.86 0.86 NAa Storey et al. (2003) data were used, because they reported on the widest range of pollutants. Resultswere reported for engine operation at 600 RPM and 1200 RPM.b Fuel consumption is strongly dependent on accessory load and engine speed. Energy use was adjustedto 750 RPM for heating and 900 RPM for cooling to better represent real­world operation.Linear interpolation was based on an estimate developed in TMC RP1108 of fuel consumption as afunction of idling speed and load (TMC 1995a). The adjusted estimates were verified with Storey(2007).c Assumes 100% conventional diesel fuel (CD) containing 500­ppm sulfur.d Assumes 100% ultra­low sulfur diesel (ULSD) containing 15­ppm sulfur.e Fuel use in grams per hour was converted to gallons per hour by using GREET default values: (1)density 3167 g/gal and 3206 g/gal and (2) energy content 128,450 Btu/gal and 129,488 Btu/gal forCD and ULSD, respectively.f Preliminary data (Storey 2007)g Both battery electric cooling and storage cooling report total energy use of under 1 kWh to chargethe storage medium for the night’s cooling. Assuming efficiencies of 42% for the diesel engine, 60%for the alternator (Plummer 2008), and 75% for the battery and using the GREET default lower heatingvalue of 129,488 Btu per gallon of ULSD, we found effective fuel consumption to be under 0.10gallons per hour of air­conditioner operation. This is consistent with manufacturer estimates. Theemissions are generated during normal truck operation and are assumed compliant with current EPAHDDE emission standards (EPA 2006b). The NOx emissions dropped by a factor of 2 in 2007 and willbe required to drop by a factor of 10 from 2001 levels by 2010. NOx emissions for SC on 2001 and2007 trucks are shown.h Upstream emissions. Electric loads may vary widely, depending on equipment type and operatingconditions. Estimates range up to 6 kW (DOE 2000; TMC 1995b; Brodrick et al. 2001; Venturi andMartin 2001). For this analysis, an average load of 1.6 kW for electric heating and 0.85 kW for electriccooling are used (Everhart 2004