Kategoriat
Polttomoottorin hyötysuhde riippuu kuormituksesta, pyörintänopeudesta ja käyttöolosuhteista. Miten polttomoottori pärjää hyötysuhdevertailussa sähkömoottoria vastaan?
Hyötysuhteen määritelmä
Bensiini- eli ottomoottoriin syötettävä nestemäinen polttoaine sisältää lämpöenergiaa 42–43 MJ/kg. 95-oktaanisen normibensiinin energiasisältö on jonkin verran alle 9 kWh/litra.
Hyötysuhde kuvaa, kuinka suuri osa otetusta energiasta saadaan kampiakselilta ulos mekaanisena työnä.
Tyypillinen huippuhyötysuhde nykyaikaisessa ottoprosessilla toimivassa bensiinimoottorissa on luokkaa 35–40 %, parhaimmissa tapauksissa 42 %. Yleensä huippuarvot on mitattu muualla kuin arkikäytössä, sillä käytännön ajossa keskimääräinen hyötysuhde jää aika tavalla alemmaksi ollen varsin usein luokkaa 20–25 %.
Kuormituksen vaikutus
Kevyt kuormitus, esimerkiksi tasainen ajo kevyellä kaasunkäytöllä. Kuristimena toimiva kaasuläppä tehokkaasti rajoittaa ilman virtausta. Tämä saa aikaan suuret pumppaushäviöt. Moottori toimii epätaloudellisesti, ja hyötysuhde voi pudota alle 20 %.
Keskiraskaalla kuormituksella, noin 30–70 % rasitusasteella, ottomoottori toimii kokonaistaloudellisesti tehokkaimmalla alueellaan. Hyötysuhde nousee lähelle tieliikennekäytön huippua ollen luokkaa 30–35 %.
Täysi kuormitus, jolloin ollaan lähellä moottorin nimellistehoa. Moottorin polttoaineensyöttö joutuu rikastamaan seosta (lambda < 1) estääkseen nakuttavan palamisen sekä viilentääkseen palotilaa ja samalla pakokaasuja. Seoksen rikastaminen lisää polttoaineenkulutusta heikentäen hyötysuhdetta.
Pyörintänopeuden vaikutus
Jokaisella moottorilla on pyörintänopeusalue, jossa hyötysuhde on parhaimmillaan. Melko usein tämä ilmenee matalilla pyörintänopeuksilla ollen tavallisilla käyttömoottoreilla luokkaa 1500–2500 rpm.
Liian alhainen pyörintänopeus ei ole hyväksi, sillä sytytyshetki joudutaan ajoittamaan myöhäisemälle. Tällöin palaminen ei ole optimaalista eikä kovin stabiilia.
Suurilla pyörintänopeuksilla kitka- ja myös lämpöhäviöt kasvavat, ja hyötysuhde alkaa heiketä.
Käyttötilanteiden vaikutus
Kaupunkiajo, pysähtely ja kiihdytykset saavat aikaan sen, että hyötysuhde jää vähäiseksi ollen keskimäärin usein vaivaiset 15–20 %.
Maantieajossa tasaisella nopeudella hyötysuhde on korkeampi, tyypillisesti luokkaa 25–30 %.
Suuret nopeudet ja raskas kuormitus sangen saavat aikaan sen, että moottori voi käydä lähellä suurinta hyötysuhdetta, mutta esimerkiksi ilmanvastuksen voimakas kasvu ja sen myötä suurempi energiantarve nostavat ajoneuvon polttoaineen kulutusta. Moottori toimii varsin hyvällä hyötysuhteella, mutta ajoneuvon liikuttamiseen tarvitaan runsaasti energiaa.
Moottorin ominaiskulutuskäyrästö
Tämä niin sanottu simpukkadiagrammi (BSFC, lyhenne sanoista Brake Specific Fuel Consumption) ilmaisee moottorin polttoaineen ominaiskulutuksen periaatteella g/kWh eri kuormitus- ja pyörintänopeusalueilla. Kyse on siitä, montako grammaa polttoainetta tarvitaan yhden kilowattitunnin tuottamiseen. Kyse on moottorin ominaiskulutuksesta, joka ei lineaarisesti suinkaan tarkoita samaa kuin auton tai ajoneuvon polttoaineenkulutus.
Simpukkadiagrammin on usein melko keskellä kuormitusaluetta ja suhteellisen alhaisella pyörintänopeusalueella. Tätä aluetta pyritään tehokkaasti hyödyntämään muun muassa hybridivoimalinjojen ja automaattivaihteistojen yhteydessä.
Dieselmoottorin ominaiskulutus
Energiatehokkaammalla dieselprosessilla toimivan dieselmoottorin hyötysuhde on parempi kuin ottomoottorilla. Lisäksi paremman hyötysuhteen alue on laajempi ollen sitä erityisesti keskisuurilla pyörintänopeuksilla (1500–2500 rpm) sekä keskiraskailla että raskaallakin kuormituksella.
Kuristimen eli kaasuläpän tarpeettomuus onkin yksi tärkeimmistä syistä, miksi dieselit kuluttavat vähemmän polttoainetta etenkin maantieajossa ja raskaammalla käytöllä. Olisikin vaikea kuvitella suurikokoista, ahdettua ottomoottoria rekkaveturin voimalaitteeksi!
Toisaalta dieselöljyn tiheys on suurempi kuin bensiinin, joten tilavuusperustaisessa kulutusvertailussa diesel ainakin näennäisesti nauttii tavallaan ei-kovinkaan-ansaittua etua.
Kevyellä kuormituksella dieselmoottori ei yhtä pahasti kärsi pumppaushäviöistä, sillä dieselin ilmanottoa harvemmin kuristetaan. Toisaalta nykyisten pakokaasunormien johdosta dieselmoottorit joudutaan varustamaan säätyvällä ilmanohjauksella regeneroivan puhdistuspolton tehostamiseksi. Hyötysuhde heikkenee energian muuttuessa ylimääräiseksi lämmöksi, mutta tätä tapahtuu vain tietyin syklein ja määrätyin väliajoin.
Dieselmoottorin hiukkaskertymän regenerointi
Dieselmoottorin hiukkassuodatin (DPF) tarvitsee ajoittain regenerointia eli jälkipolttoa, jossa palamislämpötiloja nostetaan eri keinojen yhdistelmillä suodattimen nokihiukkaskertymän polttamiseksi. Tällä on hetkellinen, mutta havaittava vaikutus moottorin hyötysuhteeseen.
Pakokaasujen lämpötilan nostamiseksi tehokkain keino on lisäpolttoaineen syöttö. Se tapahtuu jälkiruiskutuksilla, jolloin pieni määrä polttoainetta ruiskutetaan sylintereihin poistotahdin aikana. Energiankulutus kasvaa, mutta puhdistuspolton vuoksi se ei tuota lisää akselitehoa, jolloin termien hyötysuhde heikkenee.
Toinen keino on ilmavirran kuristaminen, joka tapahtuu joko yhden keskusläpän tai sylinterikohtaisten läppien avulla. Dieselmoottorin ilmanottoa kuristetaan keinotekoisesti bensiinimoottorin tapaan. Tämän seurauksena imuilman määrä vähenee, ilma/polttoaineseos rikastuu pakokaasujen lämpötilan noustessa. Tämä lisää hetkellisesti pumppaushäviöitä heikentäen hyötysuhdetta.
Pakokaasujen jälkikäsittely esimerkiksi sähkökäyttöisillä lämmittimillä heikentää sekin moottorin hyötysuhdetta vaatiessaan merkittävän määrän lisäenergian tuottamista ajoneuvon generaattorin avulla tai purkamalla virtaa esim. hybridijärjestelmän korkeajänniteakusta.
Dieselhiukkassuodattimen regenerointia tarvitaan yleensä vasta satojen kilometrien välein riippuen ajosta, ajoneuvosta, käyttötarkoituksesta ja moottoriapplikaatiosta.
Suurin haitta näkyykin lyhyillä ajosuoritteilla, joissa regenerointi voi käynnistyä, mutta ei läheskään aina ehdi päätökseen. Tämän seurauksena moottorin ohjausjärjestelmä saattaa joutua käynnistämään puhdistuspolton uudestaan, jolloin polttoaineenkulutusta kertyy vielä enemmän suhteessa ajomatkaan.
Summattuna voi todeta, että kuristusläpän tai -läppien käyttö ja jälkiruiskutus toki heikentävät hetkellisesti dieselmoottorin hyötysuhdetta, mutta koska regenerointi tapahtuu suht harvakseltaan, kokonaisvaikutus on melko pieni normaalissa käytössä. Näin dieselmoottorin hyötysuhde-etu verrattuna ottomoottoriin säilyy.
Laivadieselmoottorit
Suurissa, hidaskäyntisissä laivadieseleissä päästään polttomoottoritekniikan kannalta varsin korkeaan hyötysuhteeseen.
Modernit voimalaiteyksiköt, esimerkkeinä Wärtsilän ja MAN:in valtavat konttialusmoottorit, yltävät jopa yli 50 % hyötysuhteeseen, ja tämän myös normikäytössä.
Lukema edustaa maailman huipputasoa kaikissa jatkuvakäyttöisissä lämpövoimakoneissa ollen parempi kuin tyypillisissä kaasuturbiineissa tai tavanomaisissa voimalakäyttöisissä dieselmoottoreissa.
Korkean hyötysuhteen mahdollistavat matalat pyörintänopeudet, jolloin palamiselle jää paljon aikaa. Tämä vähentää lämpöhävikkiä. Huomion arvoista on sekin, että suurissa moottoreissa suhteelliset kitkahäviöt ovat vähäisempiä, mikä sekin kohentaa hyötysuhdetta.
Lisäetua saavutetaan suurilla sylinterihalkaisijoilla ja pitkällä iskulla. Lisäksi palotilan geometria ja sen suhteen mahdollisimman tehokkaasti mukautettu polttoaineenruiskutus mahdollistaa tehokkaan palamisen ja korkean termisen hyötysuhteen. Usein näissä moottoreissa voi olla korkeahko puristussuhde.
Kookkaat turboahdinjärjestelmät on pyritty optimoimaan mahdollisimman tehokkaasti hyödyntämään pakokaasujen sisältämää energiaa.
Laivadieselmoottoreilla voidaan saavuttaa 50–55 % hyötysuhde, mikä on maailman korkeimpia käytännössä mitattuja lämpövoimakoneiden hyötysuhdelukemia. Hyvän hyötysuhteen saavuttamisessa auttaa suuren moottorin tai suurien moottoreiden ennakoitu käyttö lähes kaiken aikaa optimaalisessa tilassa.
Polttoaineena on perinteisesti ollut raskas polttoöljy, mutta ympäristösyistä johtuen käyttö on siirtymässä yhä enemmän vähärikkiseen laivadieselöljyyn tai vaihtoehtoisiin polttoaineisiin, esimerkkinä LNG eli nesteytetty metaani.
Johtopäätelmät
Ajoneuvokäytössä polttomoottorit ovat rajoittuneita hyötysuhteessa, sillä tieliikennekäytössä ne joutuvat toimimaan muuttuvissa oloissa vaihtelevilla kuormituksilla ja pyörintänopeuksilla.
Suuret ja hidaskäyntiset laivadieselit voivat saavuttaa yli 50 % hyötysuhteen, mikä tekeekin niistä lämpövoimakoneina huipputehokkaita.
Lopulta kuitenkin sähkömoottori kykenee hyödyntämään tarvitsemansa energian sangen vähäisillä häviöillä, ja sen hyötysuhde pysyy vakaan korkeana (jopa yli 90 %) laajoillakin kuormitus- ja pyörimisnopeusalueilla.
Tällä tavoin tarkasteltuna sähkömoottori selviää energian muuntamisen tehokkuudessa selvänä voittajana.
Juha Kiiskinen JK- Textservice
Kirjoittajan arkisto- juha@textservice.fi