Toyota DFE moottori

Sulta jäi huomaamatta kysymäsi compression ratio:

https://newsroom.toyota.co.jp/en/powertrain/engine/

Sama Camryn 2.5 -litranen esiteltiin jo aiemmin 40% hyötysuhteisena, tää parilitranen on vaan sen pikkuveli.

Eihän noilla hyötysuhteilla ja tehoilla ahdinta tartte ees?

Ei tämä maailmanennätys ole bensakoneille, Formulat menee 50% hyötysuhteella niiden tehokkaan energiankierrätysten takia, eittämättä tulevaisuuden Gorillan ja Cämrin konekkin on sitten joskus 50% hyötysuhteella kunhan nämä kehityspolut on kuljettu, näissäkin kun niin paljon vielä tutkittavaa.

Aha, 13 - 14 litistykset eli lähellä turbodieselin mekaanista puristusta ja Mazdan TaivasAktiivista.

Tuolla puristussuhteella imusarjaruiskutusta pitää käyttää TODELLA varovasti, ettei härveli ala nakuttaa. Kuulostaa siltä, että ensimmäiset suuttimet ovat lähinnä palotilanteen hallintaan varten?

Toivotaan pitkää ikää jakoketjulle. Rattaat hampaattomaksi hieroneen ketjun vaihdosta tulee kallis operaatio, joten olisi hyvä ellei sitä tapahtuisi kovin usein.

Hyötysuhteen sweet spot siirtyy suuremmalle käyntinopeudelle, joten ymmärrän variaattorin käytön, vaikka kuminauhalta se silti tuntuu.

Minä hommasin vuosi sitten ensimmäisen ahdetun pienen bensaturbon 1.0 TSI (85 kW) ja hämmästyin kuinka se on pieniruokainen myös käytännössä.

https://www.spritmonitor.de/en/detail/824720.html

Kyllä tuon täytyy olla moottorin hyötysuhteen huippuarvo.

Nyt täytyy kysyä, mikä on keskiarvo? Huippuarvo on selvästi määritelty; moottorin paras terminen hyötysuhde, joka saavutetaan millään väännön ja kierrosluvun yhdistelmällä.

Tässä Toyotan hyötysuhdekartta 2.0-litraiselle DFE:lle:

Tuo on aika vaikuttavan näköinen, koska hyvä hyötysuhde on saatavilla jo kohtuullisen pienillä väännöillä ja tehoilla. Esimerkiksi 1200 rpm ja 80 Nm (siis 10 kW) antaa jo 36 %.

Vaikka toki 40 %:n piste on todella vain piste, yli 38 % on saavutettavissa hyvinkin laajalla alueella. Maantieajossa kulutuksen pitäisi jäädä hyvinkin alas, vaikka toki nimenomaan auton aerodynamiikka vaikuttaa silloin paljon.

Moottorista on myös hybrideihin sovitettu versio, mutta yllä oleva hyötysuhdekartta on oletettavasti ei-hybridiversion kartta. Hybrideissä ei tarvita hyvää hyötysuhdetta laajalla vääntöalueella, laaja tehoalue riittää. Jo Priuksen lähemmäs kymmenen vuotta vanha Atkinson oli lähellä 40 %:n hyötysuhdetta laajahkolla tehoalueella (10..50 kW), mutta sen hyötysuhde oli paljon herkempi väärälle kierrosluvulle..

Nyt alkaa oikeasti näyttää, että bensiinimoottoreissa on tulossa uusi sukupolvi, joka on aidosti tehokkaampi kuin aikaisemmat. Edellinen suuri muutos tuli elektroniikan tulemisen ja turbojen myötä, nyt muutos näyttäisi olevan paljolti polttoaineen suihkutukseen liittyvissä innovaatioissa.

Mazdan Skyactiv X:n ("HCCI-tyyppinen") vastaava hyötysuhdekäyrä on vähemmän kvantitatiivisessa muodossa näkyvissä tässä dokumentissa:

Mazda Zoom Zoom

sivulla 35. Vaikka numerot puuttuvat, piirteet ovat hyvinkin tuttuja Toyotan moottorista.

Kehityssuunta on siinä mielessä mielenkiintoinen, että nyt bensiinimoottoreista näyttäisi tulevan vääntöalueeltaan laajempia ja vähemmän herkkiä kuormituspisteelle. Käsivaihteisella tämä tarkoittaa helpompaa ajettavuutta ja automaatissa taas ei välttämättä enää tarvita kymmentä pykälää hyvään hyötysuhteeseen ja kiihtyvyyteen.

Muutos on lisäksi aika suuri. Ominaiskulutuskäyriä katsomalla näyttäisi siltä, että kulutus putoaa käytännössä 10–20 % nyt kaupassa oleviin moottoreihin nähden.

Ei tämä maailmanennätys ole bensakoneille, Formulat menee 50% hyötysuhteella niiden tehokkaan energiankierrätysten takia, eittämättä tulevaisuuden Gorillan ja Cämrin konekkin on sitten joskus 50% hyötysuhteella kunhan nämä kehityspolut on kuljettu, näissäkin kun niin paljon vielä tutkittavaa.</pre>

<p>

Formuloiden koneista on valitettavan vähän julkista tietoa liikkeellä, joten M-B:n maailmanennätyksen tausta menee vähän arvaamisen puolelle. Sen verran kuitenkin on tietoa, että jotain selviä palasia löytyy.

Kone on ahdettu kone, jossa turbiinilta ahtimelle tulevalta akselilta voidaan ottaa pakokaasujen liike-energiaa (tosin liike-energian ja termisen energian erotteleminen on vähän vaikeaa) talteen silloin, kun virtaus on suuri mutta ahtamista ei tarvita vastaavaa määrää. Tämä energia voidaan työntää moottorin kampiakselille. Käytännössä prosessi tehdään generaattorilla ja moottorilla, ja sama systeemi on kaikilla käytössä F1:ssä.

Tuolla tempulla saadaan muutama prosenttiyksikkö lisää huippuhyötysuhdetta. Sen soveltuvuus henkilöautokoneisiin on kuitenkin iso kysymysmerkki. Asiaa on tutkittu vähän vaihtelevilla tuloksilla, mutta ilmeisesti käytännössä temppu on aika tehoton henkilöautoissa, koska sekä absoluuttiset tehot (ja sitä kautta pakokaasujen virtaama) että suhteelliset tehot (suhteessa moottorin maksimiin) ovat niin paljon alempia. Sen sijaan raskaassa liikenteessä tuossa voisi olla hyvinkin järkeä. (Sähköisellä ahtimella varustetuissa konstruktioissa etu tulee muiden hyötyjen kyljessä, joten näitä todennäköisesti tulee markkinoilla lähivuosina.)

Toinen iso uutuus F1-moottoreissa liittyy ruiskutukseen. Mahle-tyyppisessä ruiskutuksessa on vähän HCCI:n ideaa. Suurin osa seoksesta syötetään sylinteriin hyvissä ajoin ennen yläkuolokohtaa laihana seoksena. Sen lisäksi muutama prosentti polttoaineesta on syötetty rikkaana seoksena tietynlaiseen esikammioon, jossa se sytytetään vähän ennen yläkuolokohtaa. Rikas seos syttyy helposti ja varmasti, ja sen jälkeen kuumat palokaasut syöksyvät vauhdilla sylinteriin ja sytyttävät tasaisesti levinneen laihan seoksen.

Tämä kulkee esimerkiksi nimellä TJI (Turbulent Jet Injection), ja menetelmässä on termodynaamisesti paljon järkeä. Laihan seoksen saa palamaan tasaisesti matalammassa lämpötilassa. Formuloissa asialla ei ole niin paljon väliä, mutta normaaleissa autoissa tämä tarkoittaa hyvän hyötysuhteen lisäksi pieniä hengitysilmapäästöjä (NOx, PM, HC). Perinteisessä laihaseoksessahan ongelmana on ollut NOx-päästöjen kasvaminen, ja suorasuihkutuksessa taas hiukkaspäästöjen nousu.

TJI:n pääsemisessä tavallisiin henkilöautoihin on vielä monta mutkaa. Henkilöautojen pitäisi toimia aika hankalissa olosuhteissa hyvin erilaisilla kuormituksilla, eikä moottorien skaalaminen pienitehoisemmaksi ole oikein helppoa. Tuskin tulee 0,2 litran 100 kW:n V6-koneita kuitenkaan... Formuloissa esimerkiksi vesipumpun pyörittämiseen menevän energian suhteellinen osuus on paljon pienempi kuin henkilöautoista, ja tässäkin on skaalautumisongelma.

Siitä huolimatta juuri tämäntyyppiset (HCCI & kumpp.) kehitysaskeleet näyttävät olevan kovasti tapetilla. Itse pidän kovin merkittäviä maksimihyötysuhteen paranemisia lähivuosina epätodennäköisinä, mutta kun mukaan otetaan koko toiminta-alue ja päästöt, kehitystä on tiedossa paljonkin. Käytännön kulutukseen vaikuttaa paljon myös esimerkiksi moottorin lämpenemisnopeus, ja siihenkin on kiinnitetty viime aikoina paljon huomiota.

Seuraava askel on tehokkaampi energian talteenotto pakokaasuista. Teoriatasolla talteenotto turbolla on hyvinkin tehotonta verrattuna aitoon kombikoneeseen, jossa käytetään lämpövoimakonetta. Haasteena on kuitenkin lämmön absoluuttisen määrän pienuus ja tarvittavan teknologian monimutkaisuus. Esimerkiksi Rankine-tyyppinen lämpövoimakone voisi tuoda isonkin hyppäyksen hyötysuhteessa (sinne 50 %:n yli), mutta käytännön toteutus on toistaiseksi hakusessa. En pidättelisi hengitystäni, tähän menee vielä paljon aikaa.

Kaikkea toki tutkitaan, ainakin BMW ja Honda ovat virallisesti puhuneet puuhailevansa Rankine-tyyppisen talteenoton kanssa. Fysiikan tuntevat tietenkin kaikki alalla olevat, joten oletettavasti ainakin ruutupaperin reunassa on monenlaista tutkittu. Hinta voi kuitenkin tulla esteeksi, hybridisointi lienee tällä hetkellä edullisin tapa parantaa käytännön polttoainetaloudellisuutta.

Kaikkiaan pitää kuitenkin todeta, että F1:n rajoitus polttoaineenkulutukseen on yksi sen lajin parhaista sääntömuutoksista ikinä. Sillä on saatu alan tuotekehitystä suunnattua sellaiseen suuntaan, että se taas aidosti hyödyntää myös tavallisten autojen teknologiaa.

Hiilipäästö:

Formuloitten säännöt on julkisia, paljonko autoon voi tankata bensaa eli energiaa ja mikä oli ajettu GP-mitta. Noista arvoista pyöräyttämällä on hommat laskettu jo moneen kertaan.

Moottorin hyötysuhteen määrittämiseen ei ihan riitä vain kuljetun matkan ja siihen käytetyn polttoaineen määrä. Varsinkin kun F1-kisa ei ole mikään pisaralla pisimmälle -tyylinen kilpailu.

NHB: "Mikä siirtää taloudellisinta kierrosaluetta?"

En tiedä syytä, mutta Perussuomalaisen ja Hiilipäästön linkittämistä hyötysuhdekaavioista näen Toyota DFE:n hyötysuhdeoptimin osuvan yli 2500 kierroksen käyntinopeudelle.

Hyötysuhdeoptimi sijaitsee suurella kuormituksella ja se on suppea käyntinopeusalue, kuten tavallista, mutta hienoa on kohtuullisen hyvän hyötysuhteen alueen laajuus, mikä helpottaa taloudellisuuden saavuttamista myös käytännön ajossa, koska hyötysuhde ei romahda sweet spotin ulkopuolella.

Tuossa aiemmin tarkoitin keskimääräisellä siis vaihteiston ja moottorin yhteispeliä mutta yllättävän hyvinhän tuo hyötysuhde pysyy kuormituksen muuttuessa. Maksimi vääntö kyllä jää aikak pieneksi (140-150Nm) mutta tuo käyrästö varmaankin kuvaa Atkinson kierron aikaista tilannetta. Voisi kuvitella että Kone tuottaa kuitenkin enimmillään ainakni 100Nm/L mikä on aika tavallinen vapaastihönkivän enimmäisvääntö. Jos saavat palotapahtuman paljon parempaan jamaan myös kovilla täyssöasteilla niin joku 120Nm/L voisi varmaan olla mahdollinen koska puristussuhde on korkea ja niinpä tehollinen keskipaine voisi nousta paljon nykyisistä. Palorintaman hallinta on isoin este.
Tiedä sitten onko mahdollista sovittaa samaan palotilaan maksimaalista hyötysuhdetta laajalle alueelle ja maksimaalista tehollista keskipainetta mutta sitä vartenhan asioita tutkivat.

NHB:

"Vapaastihengittävän heikkous verrattuna downsizing-moottoriin tulee sitten osakuormilla, joilla pienempää ahdettua moottoria tarvitsee kuristaa vähemmän."

Oletko löytänyt jostain noiden downsizing-moottoreiden hyötysuhdekarttoja? Kehtaatko laittaa linkkiä?

Kiitoksia käppyröistä.

http://www.theicct.org/sites/default/files/publications/Downsized-boosted-gasoline-engines_working-paper_ICCT_27102016_1.pdf

Nyt kun sai hakusanoja vähän kohdalleen, niin tuommoisesta julkaisusta löytyi VWG:n ilmeisesti jo markkinoilla olevan 1,5l Miller-kiertoisen downsizing moottorin ominaiskulutuskäppyrä eri kuormitustilanteissa.

Nyt jos oikein tulkkasin, niin ko. moottorin maksimihyötysuhde on 36,9% ja silloin on pyydettynä 143 Nm 3500 rpm kierroksilla.

240 g/kWh ominaiskulutus on tulkattavissa 34% hyötysuhteeksi ja 300 g/kWh 27% hyötysuhteeksi.