Holmberg, Andersson & Erdemir VTT

Esitys aiheesta: "Holmberg, Andersson & Erdemir VTT"— Esityksen transkriptio:

1 Holmberg, Andersson & Erdemir VTT 12.1.2012
Kitkahäviöt henkilöautoissa – energiankäytön ja CO2-päästöjen vähentämismahdollisuudet Holmberg, Andersson & Erdemir VTT

2 Lähtökohta Paljonko kuluu energiaa kitkaan autoissa? Paljonko voidaan säästää? Suomessa? Maailmassa? Mitä pitäisi tehdä?

3 Henkilöautojen kitkahäviöt eri ulottuvuustasoilla
12 10 Tm Globaali taso 9 10 Gm Kansallinen taso 10 6 Mm Kehittyneet teollisuusmaat, teollisesti kehittyvät maat, maatalousmaat Yhteiskuntatoimintotaso 10 3 Km Kuljetus, voimalaitokset, teollisuus, rakennukset ym. Yhteiskunnan alasektoritaso 1 m Esim. kuljetus: tie-, raide-, meri-, lentoliikenne Konetaso 10 -1 dm Esim. tieliikenne: moottori, vaihdelaatikko, pyörät, jarrut ym. Komponenttitaso 10 -3 mm Esim. moottori: laakerit, hammaspyörät, tiivisteet, männänrenkaat ym. Kitkalähdetaso 10 -6 m m Raja-, EHD-, HD-voitelu, vierintä, liukuminen, kyntäminen ym. 10 -9 nm

4 Energian kulutuksen kohteet auton käytön eri vaiheissa
Nopeus (a) Liike-energia (b) Moottorin ja voiman- siirron kitka (c) Pyörien kitka ja ilman- vastus (d) Jarrutuskitka Vakionopeus Kiihdytys Jarrutus Tyhjäkäynti b a+b+c b+c b+c+d-a Aika

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

6 Globaali keskivertohenkilöauto ja keskimääräiset ajo-olosuhteet
valmistettu vuonna 2000 nelisylinterinen nelitahtimoottori: 75 kW moottorilla 1,7 dm3 iskutilavuus paino 1500 kg 70 % bensiini- ja 30 % dieselkäyttöinen keskimääräinen kulutus 8 litraa/100 km Keskimääräiset globaalit ajo-olosuhteet: vuosittaiset ajokilometrit: km keskinopeus: 60 km/t ajo keskivertotiellä 300 g/kWh polttoainetehokkuus / 12 kW CO2-päästöjä 2,5 kg/ polttoainelitra

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

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

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

10 Vuosittaiset kitkahäviöt keskivertohenkilöautossa kitka- ja voitelumekanismien mukaisesti jaoteltuna
Kitkan voittamiseen käytetty MJ energiamäärä jakautuu: MJ (35 %) pyörien vierintävastukseen MJ (35 %) moottorijärjestelmään, joka jakautuu: MJ (45 %) mäntäjärjestelmään, joka jakautuu: - 747 MJ (40 %) HD voitelukontaktiin - 747 MJ (40 %) EHDS voitelukontaktiin - 187 MJ (10 %) ML voitelukontaktiin 187 MJ (10 %) BL voitelukontaktiin MJ (30 %) laakereihin, tiivisteisiin ym., pääasiallisesti HD - 623 MJ (15 %) kampijärjestelmään, pääasiallisesti HD - 415 MJ (10 %) pumppaukseen ja hydrauliikkahäviöihin MJ (15 %) vaihdelaatikkoon, joka jakautuu: - 356 MJ (20 %) viskoosihäviöihin - 979 MJ (55 %) hammaspyöriin, EHDS voitelukontakti - 356 MJ (20 %) laakereihin, EHDR voitelukontakti - 89 MJ (5 %) tiivisteisiin ym., ML voitelukontakti MJ (15 %) jarruhin jarrutusvoiman aikaansaamiseksi

11 Kitkan vähentämismahdollisuudet eri kitka- ja voitelumekanismien osalta

12 Uusia teknisiä ratkaisuja kitkan vähentämiseksi henkilöautoissa
Uudet pinnoiterakenteet: DLC, TS, nanokomposiitit ym. (tyhjiössä superlubricity μ= 0.001; voideltuna % kitkan vähennys) Pinnan teksturointimenetelmät: laser-teksturointi ( % kitkan vähennys; 4 % polttoainekulutuksen vähennys) Uudet rajavoitelulisäaineet ja nesteet: glyserolimono-oleaatti PAO vs DLC kosketuksessa (0.005 glyserolissa); nanomateriaalit lisäaineena kuten WS2, MoS2 and H3BO3 Matalan viskositeetin voiteluaineet Ioniset nesteet: % kitkan vähennys Biomimetiikka: biomolekulaariset proteiinilisäaineet, sähkövaraus polyelektrolyyttiharjat, porcine gastric musiini, glykoproteiinimusiini (μ= ) Matalakitkarenkaat: korkeampi paine, kapeammat renkaat jne.

13 Mahdolliset maailmanlaajuiset säästöt kitkan vähentämisestä henkilöautoissa
Polttoaineen kulutus kitkan voittamiseksi milj. litraa/v Energian kulutus kitkan voittamiseksi 7.3 milj. TJ/v Säästöt parhaalla kaupallisella ratkaisulla M€/v Säästöt tämän päivän parhaalla ratkaisulla M€/v Säästöt tulevaisuuden (10 v.) parhaalla ratkaisulla M€/v Tehotoimenpiteiden ja tuotekehityksen tuloksena (5–10 vuoden aikana): Realistiset polttoainesäästöt (18 % vähennys) milj. litraa/v Realistiset CO2-päästövähennykset 290 milj. tonnia/v Realistiset taloudelliset säästöt lyhyellä aikavälillä milj. €/v

14 Mahdolliset säästöt kitkan vähentämisestä lyhyellä aikavälillä (5–10 vuotta; 18 %) eri maissa
Energian säästö (TJ/v) Taloudelliset säästöt (106 Euro/v) Polttoaine- (106 litraa/v) CO2-päästö- vähennykset (106 kg/v) Maailma 4  Teollistuneet maat 2  70 200 Teollisesti kehittyvät maat 1  61 000 41 000 Maatalousmaat 8 700 5 900 14 600 EU 30 100 20 200 50 400 USA 37 800 25 400 63 300 Kiina 18 100 12 200 29 300 Japani Iso-Britannia 81 000 3 500 2 300 5 800 Etelä-Afrikka 25 600 1 100 740 1 800 Suomi 10 200 430 300 700

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

16 Yhteenveto 612 miljoonaa henkilöautoa käytössä maailmassa tänään
kolmasosa polttoainekulutuksesta menee kitkaan globaali keskivertoauto ajaa km vuodessa ja käyttää 340 litraa polttoainetta, mikä maksaa 510 €, kitkan voittamiseksi uusi teknologia voi vähentää kitkaa % 18 % vähennys on saavutettavissa polttoaineen kulutuksessa ja CO2-päästöissä lyhyellä aikavälillä ( v) ja 61 % pitkällä aikavälillä ( v) uudella teknologialla sähköauton kitkahäviöt ovat ½ polttomoottoriauton häviöistä

17 Maailman energian tuotanto ja kulutus 2009
yhteensä Mtoe Raakaöljyn kulutus yhteensä 3460 Mtoe Raaka- aineena 17 % Henkilöautot 28 % Öljy 33 % Hiili 27 % Muu 12 % Kuljetus 62 % Ydin- voima 6 % Teollisuus 9 % Kuorma- autot 12 % Vesivoima 2 % Kaasu 21 % Junat 3 % Uusiutuvat 11 % Bussit 4 % Laivat 8 % Lentokoneet 7 % Mtoe = miljoona tonnia öljy ekvivalenttia

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

19 VTT luo teknologiasta liiketoimintaa