Vaikka dieselmoottoria on kehitetty jatkuvasti viime vuosisadan aikana erittäin polttoainetehokkaaksi voimanlähteeksi, se on nyt uhattuna kuin koskaan ennen. Joten "mikä on dieselmoottorin tulevaisuus?" oli Volvo-konsernin voimansiirron teknologianeuvojan tohtori Staffan Lundgrenin kysymysten teema.
Miksi diesel on pysynyt niin suosittuna voimanlähteenä?
Diffuusiopoltto – jossa palaminen keskittyy sytytyskohdan ympärille ja happi hajaantuu palamisalueen ympärille – on erittäin tehokasta. Sillä on minimaaliset energiahäviöt moottorin seinämiin säteilyn tai konvektion kautta – paljon vähemmän kuin bensiinimoottorilla. Perusdieselmoottori on erittäin vahva ja kestää erittäin korkeita paineita.
Kuinka tehokas se on?
On tapahtunut suuria parannuksia – hyppäämällä noin 35 prosentin tehokkuudesta 1980-luvulla nykyiseen 50 prosentin hyötysuhteeseen. Tämä tarkoittaa, että puolet polttoaineesta käytetään nyt hyödylliseen mekaaniseen työhön. Vertailun vuoksi – bensiinimoottorin hyötysuhde on noin 35 %. Nämä edut ovat tulleet korkeapaineisista yhteispaineruiskutusjärjestelmistä, turboahtauksesta ja laskentatehon käyttöönotosta palamisen ja jälkikäsittelyn hallintajärjestelmien tarkkaan hallintaan.
Onko polttoainetehokkuuden lisääminen asiakkaiden ykkösvaatimus?
Kyllä, hyvä polttoainetehokkuus on tärkein tekijä, mutta asiakkaat vaativat myös hyvää moottorin suorituskykyä ja kestävyyttä. Sitten on pakko
ovat kestäviä ja täyttävät päästövaatimukset – ja ne kilpailevat joskus keskenään.
Ovatko moottorit myös entistä tehokkaampia?
Nouseva trendi – asiakkaat siirtävät suurempia kuormia ja se vaatii enemmän tehoa. Volvo-konsernin suurin teho on nyt 1,000 hv. Mutta verrattuna henkilöautoihin, kaikki raskaat sovellukset ovat edelleen (suhteellisen) alitehoisia.
Dieselmoottoria syytetään ympäristöystävällisyydestä. Voiko se puhdistaa tekonsa?
Dieselmoottoreiden tekeminen erittäin puhtaiksi on mahdollista, ja se on asia, jossa raskas teollisuus on edistynyt enemmän kuin kevyt teollisuus. Osasyynä tähän on se, että raskaan liikenteen asiakkaiden vaatima tehokkuus on paljon korkeampi.
Kuinka vaikeaa on ollut lisätä tehokkuutta ja samalla vähentää päästöjä?
On ollut haastetta kehittää termodynaamista prosessia kompensoimaan SCR-jälkikäsittelyjärjestelmän lisäämisestä aiheutuvaa taakkaa. Mutta nyt olemme palanneet raiteille lisätä tehokkuutta askel askeleelta.
Kuinka paljon pidemmälle voit mennä – nollapäästöjä?
Riippuu mitä tarkoitat päästöillä. Jos käytät moottoria polttoaineella, jossa ei ole hiiltä, ja yhdistät siihen tehokkaan palamisprosessin, joka ei tuota nokea, nollapäästöt ovat mahdollisia. Olemme työstäneet metaanin ja DME:n (dimetyylieetteri) käyttöä puhtaina vaihtoehtoina dieselille. Tämä ei ole uusi idea, vuonna 1900 dieselmoottoria käytettiin menestyksekkäästi maapähkinäöljyllä. Ongelma ei ole puhtaiden polttoaineiden toimivuuden teknologiassa, vaan niiden saatavuudessa. Mutta jos uusiutuvien polttoaineiden tarjontakysymys saadaan ratkaistua, niin dieselmoottorit voivat toimia 100 % CO2-vapaasti.
Eikö puhtailla polttoaineilla ole myös omat ympäristöhaasteensa?
Biopolttoaineiden tuotannon ei pitäisi kilpailla elintarviketuotannon kanssa – mutta on muita polttoaineita, joissa tämä ei ole ongelma. Sähköpolttoaineet (E-polttoaineet) käyttävät aurinko- tai tuulivoimaa veden "krakkaamiseen" ja yhdistämään sen metaanista peräisin olevaan hiilidioksidiin – ja näillä polttoaineilla on melko korkea hyötysuhde – väitetty jopa 80 %. Tämä voisi olla mielenkiintoinen lisä sähköistykseen.
Miten erilaiset polttoaineet vaikuttavat palamiseen?
Tehokkuuden kannalta moottorilla ei ole väliä, tuleeko polttoainemolekyyli fossiilisista vai uusiutuvista lähteistä. Joten kun investoidaan oikeantyyppisiin uusiutuviin polttoaineisiin, siirtymisen uusiutuviin energialähteisiin pitäisi olla yksinkertaista.
Joten miten voimme vähentää polttoaineen kulutusta entisestään?
Seuraava iso askel moottorin tehokkuuden lisäämisessä/polttoaineenkulutuksen vähentämisessä on sen yhdistäminen sähköliikkuvuuteen. Moottoreiden kysyntä ei tule olemaan niin vaihtelevaa kuin nykyään. On eroa siinä, kuinka tehokas moottori on "söpöllä paikallaan" ja kuinka tehokas koko todellisen toiminta-alueen välillä. Moottoreiden ja sähkömoottoreiden yhdistäminen, kuten rinnakkaishybrideissä, mahdollistaa moottorin toiminnan tehokkaimmalla tasollaan. Epäilemättä sähköistys tulee olemaan osa tulevaisuuden polttovoimansiirtoratkaisua.
Voiko muu tekniikka auttaa alentamaan polttoainelaskuja?
Esimerkkejä ovat stop/start-tekniikka ja 48 V:n sähköjärjestelmät, jotka syöttävät apulaitteita sähköisesti mekaanisen sijaan. Näitä kaikkia voidaan tulevaisuudessa käyttää raskaassa käytössä olevissa sovelluksissa, kun niiden kestävyys on todistettu. Mutta toinen tärkeä tehokkuuden lähde on lämmön talteenotto. Tämä ei ole helppo tehtävä raskaissa moottoreissa, koska ne käyttävät suhteellisen kylmiä pakokaasuja, mutta toivoa on silti saada se talteen ja tehdä siitä kaupallisesti kannattava.
Mikä on suurin hyötysuhde, jonka moottori voi saavuttaa?
Dieselmoottorin teoreettinen järjestelmän hyötysuhde on välillä 55-60 %. Parhaat voimalaitokset toimivat 50-55 % hyötysuhteella, ja polttokennot ovat myös yli 50 % tehokkaita – joten dieselmoottorit voivat olla uskomattoman tehokkaita. Tämä, lisättynä siihen, että sähköistettyjen moottoreiden tehontarve on usein pienempi, tarkoittaa, että polttoaineen kulutus laskee tulevaisuudessa.
Kuinka kauan dieselmoottori kestää?
Dieselpolttomoottori on edelleen erittäin kustannustehokas ratkaisu mekaanisen energian tuottamiseen. Varsinkin Euroopassa lainsäädäntö kuitenkin ajaa varsin voimakkaasti kohti sähköistämistä, mikä voi vaikuttaa suoraan polttomoottorin käyttöikään. Mielestämme sen käyttö tulee olemaan sovelluspohjaista ja että se jatkuu vielä pitkään pitkän matkan käytössä, kuten valtamerilaivoissa ja kaukoliikenteen kuorma-autoissa. Mutta täälläkin on luultavasti käytössä sekoitus teknologioita.
Onko diesel osa tulevaisuutta?
Dieselmoottori – muunnetussa muodossa – voi olla erittäin puhdas ja tehokas. Se pelaa hyvin myös sähköistyksen kanssa. Valmistajana meidän on löydettävä paras ratkaisu yhteiskunnan tekemien päätösten perusteella. Mitä tahansa ne ovatkin, meidän on oltava valmiita.
