Nykyisten työkonemoottoreiden
◼◼ Mauno Ylivakeri
polttonestetalous on historian paras
Työkonemoottoreiden polttonestetalous on
parantunut huolimatta tehotiheyden nostosta ja
matalista päästöistä.
H
uolimatta moottorien
tehotiheyden kolminkertaistumisesta ja
pakokaasupäästöjen
alenemisesta murto-osaan, on
polttonesteen kulutus moottoreilla vähentynyt merkittävästi.
Avaintekniikat parantuneeseen
polttonestetalouteen ovat olleet
turboahtaminen, välijäähdytys,
neliventtiilitekniikka, elektronisesti ohjattu korkeapaineinen
cr-ruiskutusjärjestelmä sekä scrtekniikka.
Näillä perustekniikoilla on
ollut mahdollista nostaa tehotiheyttä ja alentaa merkittävästi päästöjä. Samalla on voitu
parantaa polttonesteen ominaiskulutusta tuntuvasti. Tyypillisesti pienempi moottori
isommalla tehotiheydellä tarjoaa paremman polttonestetalouden kuin samantehoinen
isompi moottori. Kulutusero
pienemmän moottorin eduksi
kasvaa osatehoilla. Nykyisten
stage 3b/4 -moottoreitten polttonesteen minimiominaiskulutus lähenee 190 g/kWh. Se on
historian alhaisin merkiten noin
45 prosentin hyötysuhdetta.
Kaikilla moottorivalmistajilla
kehitys on ollut hyvin samanlaista varsinkin Euroopassa.
Amerikkalaisten strategia hyödyntää paljon egr-tekniikkaa ja
täten minimoida AdBluen kulutus, johtaa helposti huonompaan palamisen hyötysuhtee72
seen. Isolla egr-tasolla palamisen ilmakerroin on pienempi ja
egr:n vaatima tehokas hiukkasfiltteri dpf lisää pakolinjan vastapainetta. Egr lisää jäähdytystarvetta, joka kasvattaa tuulettimen tehohäviötä. Kaikki nämä
verottavat hieman polttonestetaloutta. Koska AdBluen kulutus
näin optimoiden on pienempi,
voi kokonaiskulutus polttonesteen ja AdBluen summana olla
käytännössä sama kuin eurooppalaisilla.
Näin optimoiden kokonaiskulutuksen kustannus on Euroopassa suurempi kalliimman
polttonesteen hinnan takia.
Amerikassa polttoneste on halvempaa, joten vertailutilanne
voi olla päinvastainen. Erot ovat
kuitenkin suhteellisen pieniä.
Polttonesteen kulutuksen
arviointi on epätarkkaa
Moottorin ominaispolttonesteen kulutusta on vaikea vertailla traktoreiden pto (power
take off eli voimanulosotto)tehomittausten perusteella,
koska traktoreiden pto-häviöt
vaihtelevat 15–20 prosentin
välillä. Muun muassa säätyvän
viskotuulettimen tehohäviö voi
vaihdella melko paljon riippuen
sen optimoinnista ja testausympäristön lämpötilasta.
Traktoreiden voimanotosta
mitattu polttonesteen kulutus
kertoo traktorin kulutuksesta,
muttei välttämättä kovinkaan
tarkasti moottorin omasta polttonesteen kulutuksesta. Suurehkot erot traktoreiden voimanulosoton kulutuksissa eivät
useinkaan johdu moottorista.
Moottorin ominaispolttonesteen kulutus voidaan määrittää
tarkasti vain testipenkissä vauhtipyörätehon perusteella.
Kolmisylinterisellä moottorilla
on kilpailukykyä
Tehotiheyden kasvun eli ”downsizing/right sizing” (koon alentaminen/oikeakokoisuus)-kehityksen myötä tarjolle on tullut
tehokkaita 3-sylinterisiä moottoreita. Agco Powerin 3-sylinteristä traktorin moottoria on
jopa yli 80 kW:n tehoilla ja 470
Nm:n vääntömomentilla. Aikaisemmin tähän teholuokkaan
tarvittiin 4-sylinterinen moottori ja joskus jopa 6-sylinterinen.
Pienen moottorin sisäinen
kitka on pienempi. Tämä tuo
hyötysuhde-etua varsinkin osakuormilla. Lyhyt moottori tarjoaa merkittävää etua kompaktin eli lyhyen ja matalan traktorin nokan suunnitteluun sekä
lyhyeen akseliväliin. Tämä mahdollistaa oivallisen etukuormaintraktorin suunnittelun.
Agco Powerin isotehoisten
3-sylinteristen traktorimoottoreitten käyttö on yleistynyt
Valtralla, Massey Fergusonilla
ja Fendtillä. Niitä valmistetaan
Euroopassa, Brasiliassa ja Kiinassa. Vain alakierrosten vääntö
kolmisylinterisellä moottorilla
verrattuna nelisylinteriseen
moottoriin on haasteellinen.
Kehittyneellä voimansiirrolla
ja elektroniikalla tätäkin ongelmaa voidaan kuitenkin hallita.
Turboahdin vakioi ilmamäärän
vuoristossakin
On hyvä tiedostaa, että turboahdin eliminoi vuoristossa tehohäviötä, koska se kompensoi harventunutta ilman tiheyttä lisäämällä kierroksia. Täten teho
ei laske, polttonesteen kulutus
ei kasva eikä savutus lisäänny,
kuten tapahtuu ahtamattomalla
moottorilla palamisilman puutteen vuoksi.
On kuitenkin varottava, ettei
turboahtimen roottorin nopeus
kasva ylisuureksi ja aiheuta vauriota. Tyypillisesti ahtimet mitoitetaan siten, ettei ylikierrosvaaraa ole alle 1 800–2 000 metrin
korkeuksissa.
Uusissa elektronisissa moottoreissa on sisäänrakennettu,
ilmanpaineanturiin perustuva
tehonrajoitus ilmanpaineen
funktiona. Turboahtimen roottorin ylinopeus ja siitä johtuvat
vaurioriskit eliminoituvat automaattisesti.
Moottorin ohjauselektroniikka
on tärkeää myös työkoneissa
Moottorivalmistajien elektronisesti ohjattujen moottorien
ohjelmistot ovat perustuneet
pitkälti omaan tuotekehitykseen, vaikka valtosa valmistajista käyttää ulkopuolisten valmistajien, kuten Boschin polttoainejärjestelmiä ja elektroniikan
komponentteja.
Esimerkiksi Agco Powerilla
sovelletaan Boschin ns. ohjelmiston alustaa ja sen perustoimintoja pääasiassa suuttimien
KM 2/2015
ominaisuutta ovat matala, normien mukainen rikkipitoisuus (<15 ppm), hyvä normien
mukainen voitelukyky sekä kolmantena kohtana hyvä puhtaus
ja vedettömyys.
Rikkisulfaatti peittää ajan
kuluessa katalysaattoreiden
pinnat ja heikentää niiden toimintaa. Sama riski on dpf-tekniikkaa käyttävissä moottoreissa. Myös käytettävä egr-järjestelmä saattaa syöpyä korroosion
vuoksi, koska rikki ja vesihöyry
muodostavat erittäin syövyttävää
rikkihappoa. Näistä syistä rikin
määrä on minimoitu polttonesteessä.
Voitelukyky korkeapaineisissa
pumpuissa ja suuttimissa on
elintärkeää, koska koko polttonestejärjestelmä pienine, noin
parin tuhannesosamillimetrin
välyksineen ja korkeine noin
2 000 baarin paineineen on voideltu vain polttonesteellä.
Epäpuhtaudet ja vesikin jäävät normaalisti polttonestesuotimiin, mutta jos muutaman
tuhannesosamillin kokoisia
Polttonesteen ominaiskulutuksen ja hyötysuhteen kehitys
48 %
Turboahdin
46 %
230
Välijäähdytin
g/kWh
220
44 %
42 %
210
40 %
Common rail
scr-tekniikka
200
190
180
170
1950
38 %
36 %
34 %
Polttonesteen ominaiskulutus, g/kWh
Polttonesteen hyötysuhteen kehitys, %
1960
1970
1980
1990
2000
32 %
2010
2020
30 %
2030
Työkonemoottoreiden polttonesteen kulutuksen ja hyötysuhteen kehitys.
Kehityksen trendi näkyy vaaleammalla värillä. Polttonesteen ominaiskulutus on parantunut merkittävästi huolimatta kolminkertaisesta tehotiheydestä ja rajusti vähentyneistä päästöistä. Polttoainetalouden parantumiseen ovat eniten vaikuttaneet turboahdin-, välijäähdytys-, yhteispaineruiskutus- ja scr-tekniikan hyödyntäminen.
ohjauksessa, ruiskutuspaineen
säädössä ja perusdiagnostiikkassa. Agcon omaa SisuTronic
-ohjelmistoa sovelletaan nopeuden, tehon, päästöjen, scr:n
ruiskutuksen, can-väylän viestien, erikoistoimintojen ja muiden vastaavien ohjaukseen.
Polttonesteen hyvä laatu
tärkeää
Nykyisissä stage 3/4 -moottoreissa käytettävän polttonesteen on täytettävä Euroopassa
EN590:2009-normit ja PohjoisAmerikassa ASTM975-10b-normit. Kolme hyvin tärkeää pää-
Ajoneuvon energiavaraston koko on ongelma
Vaihtoehtoiset polttoaineet ja niiden tiheys
Työkoneen polttoainevaihtoehtojen ominaisuuksia. Nestemäinen hiilivety
on ylivoimaisesti paras liikkuviin työkoneisiin ja kuorma-autoihin sekä tilavuudeltaan että painoltaan.
Bensiini
(Wh/kg)
35MPa
(70MPa)
Korkeapaineinen
vety
Painoperusteinen energiatiheys (Wh/kg)
10 000
Biodiesel
(20Mpa)
Paineistettu maakaasu
Diesel
Nestemäiset
polttoaineet
Etanoli
LÄHDE: TOYOTA
240
hiukkasia on paljon, lyhentävät ne laitteiden elinikää tuntuvasti, koska suodattimetkaan
eivät pysty erottamaan kaikkia
pienimpiä hiukkasia.
Polttonestetankin huohotus
pitää johtaa puhtaaseen paikkaan ja varustaa suodattimella,
koska senkin kautta voi polttonesteen sekaan joutua isokin
määrä epäpuhtautta, kun lämpötilan vaihtelut, polttonesteen
vajeneminen ja koneen kallistelut aiheuttavat sen kautta tankin
hengitystä. Pienikin vesipisara
korkeapainepumpussa tai suuttimessa saattaa aiheuttaa vakavan leikkautumisen. Siksi vedenerotin pitää huoltaa ajoissa.
Muun muassa Itä-Eurooppaan ja Etelä-Amerikkaan vietäviin koneisiin suositellaan lisäksi
lisäesisuodinta ja vedenerotinta
tankin ja moottorin väliin, koska
näissä maissa polttoneste ja sen
käsittely on usein kehittymätöntä.
Lisäsuodin olisi eduksi myös
Euroopassa ja Yhdysvalloissa,
sillä se parantaisi polttoneste-
Kaasumaiset
polttoaineet
PI
M
RE
1000
PA
Metalliseokseen
imeytetty vety
Nestemäiset polttoaineet ovat ylivoimaisia
sekä tilavuuden että painon suhteen traktoreissa
ja puimureissa.
Akut
Litium-ioni akut ja
nikkeli-metallihybridiakut
100
Lyijyakut
10
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10 000
Tilavuusperusteinen energiatiheys (Wh/L)
KM 2/2015
73
laitteiden käyttöikää. Koska se
ei mahdu moottoriin, pitäisi työkoneen valmistajan lisätä lisäesisuodin ajoneuvoon tankilta
moottorille tulevaan polttonesteputkeen. Toki useat työkonevalmistajat tekevätkin jo näin.
On tärkeää, ettei dieselpolttonestettä ja AdBlueta käsitellä
samoilla kanistereilla tai täyttöjärjestelmillä. Dieselpolttoneste
AdBluen joukossa tai AdBlue
dieselin joukossa aiheuttaa vakavia vaurioita. Kummallakin on
siis oltava omat puhtaat täyttölaitteensa.
Useimmat korkeapaineisen
cr-järjestelmien sekä scr-järjestelmien ongelmat kentällä ovat
johtuneet epäpuhtauksista dieselpolttonesteessä tai AdBluessa
tai sitten nesteiden huonosta
laadusta. Takuu ei korvaa dieselin tai AdBluen epäpuhtauksien tai huonon laadun aiheuttamia vaurioita.
Nestemäinen hiilivety on
paras
Maataloustraktoreihin ja puimureihin sekä muihin raskaisiin työkoneisiin ovat toistaiseksi vain nestemäiset hiilivedyt
taloudellisesti järkeviä polttoaineita. Niiden tiheys sekä volyymin että massan suhteen on ylivoimainen verrattuna esimerkiksi kaasuihin tai akkuihin (ks.
kaavio edellisellä sivulla).
Kaasuja voi käyttää traktorissa vain lyhyinä käyttöjaksoina,
koska niiden tilavuus on liian
suuri jopa paineistettuna. Akut
eivät sovellu jatkuvaan suuren
tehon käyttöön lainkaan, ainakaan toistaiseksi.
Dieselmoottori ja dieselpolttoneste on selkeästi paras
vaihtoehto. Dieselpolttoneste
voi olla joko fossiilista tai biolähtöistä. Vain ns. toisen sukupolven biodiesel sopii nykyisiin matalapäästödieseleihin ja
etenkin niiden jälkikäsittelylaitteisiin.
scr-jälkikäsittelyjärjestelmällä
varustettu dieselmoottori tulee
olemaan vaativien maatalousja muidenkin vaativien työkoneiden sekä raskaiden kuormaautojen voiman lähteenä useita
vuosikymmeniä.
Vaihtoehtoista voimanlähdettä dieselmoottorin korvaajaksi ei ole näköpiirissä. Toisaalta koskaan ei pidä sanoa ei
koskaan.
Dieselmoottori kuitenkin
kehittyy edelleen. Sen tehotiheys kasvaa ja polttonesteen
ominaiskulutus alenee jatkuvasti, varsinkin jos pakokaasujen
häviöenergiaa opitaan hyödyntämään tavalla tai toisella. Polttoaineen luovuttamasta energiasta pakokaasuhäviön osuus
on toiseksi suurin vauhtipyörän
energiaosuuden jälkeen. Jos
pakokaasuhäviöstä saataisiin
edes kolmannes hyödyksi, dieselmoottorin hyötysuhde nousisi yli 50 prosentin. Pakokaasupäästöt sinänsä ovat nykyisin
jo niin pienet, ettei niihin liene
odotettavissa enää merkittävää
vähennystä. ◻
Tulevaisuuden voimanlähde
Suoraruiskutteinen, nestejäähdytteinen, nelitahtinen, neliventtiilinen, turboahdettu, välijäähdytetty ja korkeapaineisella
cr-ruiskutusjärjestelmällä sekä
KM 2/2015