Ilmastointijarjestelman vaikutus ajoneuvojen ... - TransEco
Ilmastointijarjestelman vaikutus ajoneuvojen ... - TransEco
Ilmastointijarjestelman vaikutus ajoneuvojen ... - TransEco
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
AALTOYLIOPISTON TEKNILLINEN KORKEAKOULU<br />
Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta<br />
Koneenrakennustekniikan laitos<br />
Mikko Laamanen<br />
Ilmastointijärjestelmän <strong>vaikutus</strong> <strong>ajoneuvojen</strong> energiankulutukseen<br />
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomiinsinöörin tutkintoa<br />
varten.<br />
Espoo 25.5.2010<br />
Työn valvoja<br />
Työn ohjaaja<br />
Professori Matti Juhala<br />
TkL Panu Sainio
2<br />
AALTOYLIOPISTON TEKNILLINEN KORKEAKOULU<br />
Tekijä: Mikko Laamanen<br />
Työn nimi: Ilmastointijärjestelmän <strong>vaikutus</strong> <strong>ajoneuvojen</strong> energiankulutukseen<br />
Päivämäärä: 25.5.2010<br />
Tiedekunta:<br />
Laitos:<br />
Professuuri:<br />
Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta<br />
Koneenrakennustekniikan laitos<br />
Kon16 Auto ja työkonetekniikka<br />
Työn valvoja: Professori Matti Juhala<br />
Työn ohjaaja:<br />
TkL Panu Sainio<br />
Diplomityön tiivistelmä<br />
Sivumäärä:<br />
161<br />
Ajoneuvon matkustamon lämmittäminen, jäähdyttäminen ja sen ilman vaihtaminen<br />
vaikuttavat huomattavasti ajoneuvon energiankulutukseen. Lisäksi järjestelmissä käytettävät<br />
kylmäaineet lisäävät ilmaston lämpenemistä. Ilmastointijärjestelmän polttoaineenkulutuksen<br />
mittaaminen on hankalaa siihen vaikuttavien lukuisten muuttujien<br />
vuoksi. Ympäristön, ajoneuvon konstruktion sekä sen käytön kautta vaikuttavat tekijät<br />
tulee ottaa huomioon. Perinteisissä henkilöautoissa ilmastointi lisää polttoaineenkulutusta<br />
5 –20 %. Hybridiajoneuvoissa ilmastoinnin polttoaineenkulutus ei merkittävästi<br />
eroa perinteisistä ajoneuvoista. Suhteellinen polttoaineenkulutus on kuitenkin huomattavan<br />
suuri. Elintarvikekuljetusten jäähdytyslaitteistojen keskimääräinen polttoaineenkulutus<br />
on 15 –25 % ajoneuvon polttoaineenkulutuksesta. Lisäksi kaupunkikuljetuksissa<br />
polttoaineenkulutus on keskimäärin 16 % korkeampi verrattuna pitkän matkan kuljetuksiin.<br />
Ilmastoinnin polttoaineenkulutuksen arvioiminen raskaissa ajoneuvoissa osoittautui<br />
vaikeaksi aiheesta löytyvän vähäisen julkisen tiedon vuoksi. Kulutuksen voidaan<br />
kuitenkin olettaa olevan hyvin merkittävä kevyiden <strong>ajoneuvojen</strong> tulosten perusteella.<br />
Kaupunkilinjaauton ilmastoinnin polttoaineenkulutusta arvioitiin suuntaaantavien laskelmien<br />
avulla. Niiden perusteella ilmastoinnin osuuden voidaan arvioida olevan noin<br />
20 –30 % ajoneuvon polttoaineenkulutuksesta. Myös polttoainekäyttöisten lisälämmittimien<br />
kulutusta selvitettiin. Polttoaineenkulutus on 0,12 –4,9 l/h käyttökohteesta riippuen.<br />
Ajoneuvon ilmastointijärjestelmän energiatehokkuutta voidaan parantaa järjestelmän<br />
ohjauksen ja kylmäainepiirin optimoinnilla sekä vähentämällä matkustamon<br />
lämpökuormaa. Vaihtoehtoisia järjestelmiä, joissa hyödynnetään hukkalämmön talteenottoa<br />
sekä termoelektrisiä sovelluksia tullaan käyttämään tulevaisuudessa laajasti.<br />
Avainsanat: Ilmastointijärjestelmä, energiankulutus, polttoaineenkulutus, kylmäaine,<br />
termoelektrinen, hukkalämmön talteenotto
3<br />
AALTO UNIVERSITY SCHOOL OF SCIENCE AND TECHNOLOGY<br />
Author: Mikko Laamanen<br />
Title of the Automotive HVAC System Energy Consumption<br />
Thesis:<br />
Date: 25 May 2010<br />
Faculty: Faculty of Engineering and Architecture<br />
Department: Department of Engineering Design and Production<br />
Professorship: Kon16 Automotive Engineering<br />
Supervisor:<br />
Instructors:<br />
Professor Matti Juhala<br />
Panu Sainio, Lic.Sc. (Tech.)<br />
Abstract of Master’s Thesis<br />
Number of pages:<br />
161<br />
The vehicle cabin heating, cooling and ventilation has a considerable impact on vehicle’s<br />
energy consumption. In addition the refrigerants used in the systems contribute to global<br />
warming. Measuring the HVAC system’s fuel consumption is difficult due to the significant<br />
number of variables affecting it. Environment, vehicle’s design and its use have to be taken<br />
into account. In a conventional passenger vehicle the air conditioning increases the fuel consumption<br />
by 5 –20 %. In hybrid vehicles the additional fuel consumption due to air conditioning<br />
isn’t significantly different compared to conventional vehicles. The relative fuel consumption,<br />
however, is considerable. The average fuel consumption of food transport refrigeration<br />
units is 15 –25 % of the vehicles’s fuel consumption. In addition, the urban cycle<br />
results in a 16 % higher fuel consumption than the long distance cycle. Estimating the air<br />
conditioning fuel consumption in heavy duty vehicles proved difficult due to lack of public<br />
information regarding the subject. However, the fuel consumption can be assumed to be significant<br />
on the basis of the light duty vehicle results. Air conditioning fuel consumption in a<br />
transit bus was estimated with suggestive calculations. Consequently, air conditioning contribution<br />
can be estimated to be about 20 –30 % to the vehicle’s fuel consumption. The fuel<br />
consumption of auxiliary fuel heaters was also studied. The fuel consumption is 0,12 –4,9<br />
l/h depending on the application. Vehicle HVAC system energy efficiency can be improved<br />
with optimisation of system’s control and refrigerant circuit, and also by reducing the cabin<br />
heat load. Alternative systems that utilise waste heat recovery and thermoelectric devices<br />
will be used extensively in the future.<br />
Keywords: HVAC, energy consumption, fuel consumption, refrigerant, thermoelectric,<br />
waste heat recovery
4<br />
Esipuhe<br />
Diplomityö tehtiin osana <strong>TransEco</strong>tutkimusohjelmaa, joka kehittää tieliikenteen energiankäyttöä<br />
ja päästöjä vähentävää teknologiaa.<br />
Haluan kiittää professori Matti Juhalaa työn kommentoinnista ja ohjeistuksesta sekä TkL<br />
Panu Sainiota työn ohjaamisesta ja hyvistä ideoista. Lisäksi haluan kiittää VTT:n Matti<br />
Ahtiaista mielenkiinnosta työtä kohtaan. Kiitokset myös hyvästä työilmapiiristä muille työtilassamme<br />
työskennelleille.<br />
Suuret kiitokset kuuluvat perheelleni kannustuksesta ja tuesta opinnoissani. Erityiskiitos<br />
Caroliinalle, joka on jaksanut tukea minua työn tekemisessä.<br />
Espoossa 25.5.2010<br />
_____________________________<br />
Mikko Laamanen
5<br />
Sisällysluettelo<br />
Lyhenteet......................................................................................................7<br />
1 Johdanto .......................................................................................................8<br />
2 Järjestelmien historiaa...................................................................................9<br />
3 Lämmitys ja ilmanvaihto ............................................................................11<br />
3.1 Ajoneuvo toimintaympäristönä ...........................................................11<br />
3.2 Lämmityksen periaate.........................................................................13<br />
3.3 Lämmitysjärjestelmä...........................................................................14<br />
3.4 Lisälämmittimet..................................................................................15<br />
3.4.1 Polttoainelämmittimet..................................................................15<br />
3.4.2 PTClämmittimet.........................................................................18<br />
3.5 Ilmastointi...........................................................................................20<br />
3.5.1 Jäähdytyksen periaate ..................................................................20<br />
3.5.2 Järjestelmän komponentit ............................................................23<br />
3.5.3 Kylmäaineet ................................................................................45<br />
3.5.4 Ilmastointijärjestelmän melu........................................................47<br />
3.6 Ilmanjakelu.........................................................................................47<br />
3.7 Hybridi<strong>ajoneuvojen</strong> terminen hallinta .................................................51<br />
3.8 Kuormatilat.........................................................................................53<br />
4 Järjestelmän säätö ja ohjaus ........................................................................56<br />
4.1 Ohjausyksikkö ja varojärjestelmä........................................................56<br />
4.2 Ilmanjaon ja lämpötilan säätö..............................................................59<br />
4.2.1 Manuaalinen järjestelmä ..............................................................62<br />
4.2.2 Puoliautomaattinen järjestelmä ....................................................63<br />
4.2.3 Automaattinen järjestelmä ...........................................................66<br />
5 Huolto ........................................................................................................72<br />
6 Järjestelmien energiatehokkuus...................................................................74<br />
6.1 Lakisääteiset vaatimukset....................................................................74<br />
6.2 Polttoaineenkulutukseen vaikuttavat tekijät.........................................76<br />
6.2.1 Ympäristö....................................................................................76<br />
6.2.2 Ajoneuvon käyttö ........................................................................79<br />
6.2.3 Ajoneuvon konstruktio ................................................................82<br />
6.3 Polttoaineenkulutuksen mittaaminen...................................................85<br />
6.3.1 Mittausmenetelmät ......................................................................85<br />
6.3.2 Mittausten havainnollisuus, toistettavuus ja tarkkuus ...................91<br />
6.4 Ilmastointijärjestelmän <strong>vaikutus</strong> polttoaineenkulutukseen ...................92<br />
6.4.1 Henkilöautot................................................................................93<br />
6.4.2 Raskaat ajoneuvot........................................................................99<br />
6.4.3 Kuormatilat ...............................................................................101<br />
6.4.4 Lisälämmittimet.........................................................................101<br />
7 Nykyisten järjestelmien parantaminen ......................................................103<br />
7.1 Järjestelmän ohjaus...........................................................................103<br />
7.1.1 Höyrystimen lämpötila ..............................................................103<br />
7.1.2 Entalpian hallinta.......................................................................103<br />
7.1.3 Järjestelmän päälläoloaika .........................................................105<br />
7.2 Lämpökuorman vähentäminen ..........................................................105<br />
7.2.1 Auringonsäteilyä heijastavat materiaalit.....................................105<br />
7.2.2 Eristys .......................................................................................106
7.2.3 Ilmanvaihdon häviöt ..................................................................106<br />
7.2.4 Taukotuuletus............................................................................107<br />
7.3 Sähkötehon kulutus...........................................................................108<br />
7.4 Kylmäainepiirin optimointi...............................................................109<br />
7.4.1 Sisäinen lämmönvaihdin............................................................109<br />
7.4.2 Optimoitu tulistuksen hallinta ....................................................111<br />
7.4.3 Ejektorisykli.............................................................................112<br />
7.4.4 Öljynerotin ................................................................................114<br />
7.4.5 Kompressorin optimointi ...........................................................114<br />
7.4.6 Lauhduttimen optimointi ...........................................................118<br />
7.4.7 Varastointihöyrystin ..................................................................119<br />
7.4.8 Hybridi<strong>ajoneuvojen</strong> lämmityksen optimointi .............................120<br />
7.5 Raskaiden <strong>ajoneuvojen</strong> tyhjäkäynnin vähentäminen..........................122<br />
8 Vaihtoehtoiset järjestelmät........................................................................124<br />
8.1 CO 2 järjestelmä ................................................................................124<br />
8.2 HFC152a toisiopiirijärjestelmä.......................................................125<br />
8.3 Termoelektrinen jäähdytys................................................................127<br />
8.4 Kineettisen energian käyttö kompressorissa ......................................130<br />
8.5 Hukkalämmön talteenotto .................................................................131<br />
8.5.1 Pakokaasulämmönvaihdin .........................................................132<br />
8.5.2 Absorptiojärjestelmät.................................................................133<br />
8.5.3 Adsorptiojärjestelmät.................................................................135<br />
8.5.4 Termoelektrinen sähköntuotto....................................................137<br />
8.5.5 Termoakustiikka........................................................................138<br />
8.5.6 Kuormatilojen jäähdytys............................................................139<br />
9 Yhteenveto ...............................................................................................142<br />
Liite 1: Kaupunkilinjaauton ilmastoinnin polttoaineenkulutus .....................144<br />
Lähdeluettelo................................................................................................145<br />
6
Lyhenteet<br />
7<br />
APU<br />
ASIC<br />
ATP<br />
CAN<br />
CFC<br />
CFD<br />
COP<br />
GWP<br />
HFC<br />
HFO<br />
HVAC<br />
LIN<br />
MFCV<br />
NEDC<br />
NTC<br />
OBD<br />
PAG<br />
PTC<br />
PWM<br />
Auxiliary Power Unit<br />
Application Specific Integrated Circuit<br />
Agreement Transports Perishables<br />
Controller Area Network<br />
Chlorofluorocarbon<br />
Computational Fluid Dynamics<br />
Coefficient of Performance<br />
Global Warming Potential<br />
Hydrofluorocarbon<br />
Hydrofluoroolefin<br />
Heating Ventilation Air Conditioning<br />
Local Interconnect Network<br />
Mass Flow Control Valve<br />
New European Driving Cycle<br />
Negative Temperature Coefficient<br />
OnBoard Diagnostics<br />
Polyalkylene Glycol<br />
Positive Temperature Coefficient<br />
Pulse Width Modulation
1 Johdanto<br />
8<br />
Nousevan elintason myötä ihmisten mukavuudenhalu lisääntyy, mikä asettaa kehittämispaineita<br />
myös <strong>ajoneuvojen</strong> mukavuuselektroniikalle. HVAC eli lämmitys, ilmanvaihto<br />
ja ilmastointijärjestelmän tehtävänä on luoda ajoneuvon sisälle matkustajien<br />
kannalta miellyttävä ilmasto. Se siirtää lämpöä ajoneuvon matkustamoon tai sieltä pois,<br />
säätää ilman kosteutta ja huolehtii ilman puhdistuksesta sekä kierrättämisestä ajoneuvossa.<br />
HVACjärjestelmä on oleellinen osa ajoneuvon turvallisuutta huolehtien kuljettajan<br />
vireydestä ja mahdollistaen hyvän näkyvyyden ulos ajoneuvosta.<br />
HVACjärjestelmän ylläpitäminen vaatii energiaa. Perinteisesti tämä energia on ilmastointia<br />
varten otettu suoraan ajoneuvon moottorista kompressorin kautta ja lämmitykseen<br />
moottorin hukkalämmöstä. Ilmastoinnilla on ajoneuvon lisävarusteista merkittävin<br />
polttoaineenkulutusta kasvattava <strong>vaikutus</strong> ja järjestelmissä käytettävät kylmäaineet<br />
kuormittavat ympäristöä. Ilmastointi on yleistynyt merkittävästi kaikissa ajoneuvotyypeissä<br />
ja <strong>ajoneuvojen</strong> kasvava koko vaatii tehokkaampia järjestelmiä. Ympäristötietoisuuden<br />
kasvaessa järjestelmien kehitystä kohtaan asetetaan kuitenkin entistä enemmän<br />
paineita. Lainsäädännölliset tekijät, globaali painostus ja korkeammat polttoaineen hinnat<br />
vaativat energiatehokkaampien järjestelmien kehittämistä. Ilmastoinnista on sen<br />
yleistymisen myötä tullut myös merkittävä huoltokohde. Hybridiajoneuvot, kehittyneet<br />
moottorit ja voimansiirto sekä niistä aiheutuva pienempi hukkalämmön tuotto vaativat<br />
lämmitysjärjestelmien kehittämistä. Lisäksi tulevaisuudessa sähkö<strong>ajoneuvojen</strong> matkustamon<br />
korkean mukavuustason ylläpitäminen tulee toteuttaa ajokantamaa lyhentämättä.<br />
Työn tarkoitus on luoda katsaus nykyisiin ja lähitulevaisuuden teknologioihin sekä<br />
mahdollistaa niiden vertailu energiankulutuksen kannalta. Tavoitteena on selvittää,<br />
kuinka paljon ja missä kohdin järjestelmää energiaa kuluu, kun ajoneuvon matkustamo<br />
jäähdytetään, lämmitetään ja sen ilmaa vaihdetaan. Lisäksi tarkoitus on tunnistaa teknisten<br />
ratkaisujen erot säädettävyyden ja energiatehokkuuden kannalta. Pääasiallisena<br />
tarkastelutapana on polttoaineenkulutus litraa tunnissa ja litraa sadalla kilometrillä ajonopeus<br />
huomioiden. Työn painopiste on pääasiallisesti matkustajaliikenteessä, mutta<br />
myös tavarakonttien ja ruokakuljetusten jäähdytys ja lämmityskysymyksiä käsitellään.<br />
Ilmastointijärjestelmää käsitellään työssä laajasti ja se sisältää ajoneuvon matkustamon<br />
lämmittämisen, jäähdyttämisen sekä sen ilman vaihtamisen.
2 Järjestelmien historiaa<br />
9<br />
Monet entisajan ajoneuvot olivat ilmajäähdytteisiä, jolloin matkustamon lämmittämiseen<br />
käytettiin erilaisia pakokaasulämmittimiä. Myöhemmin nestejäähdytteisten moottoreiden<br />
yleistyessä alettiin lämmittimissä käyttää jäähdytysnestettä lämmönlähteenä. Ajoneuvon<br />
ilmastoinnin nopea kehitys alkoi vuonna 1930, kun General Motorsin tutkimuslaboratorio<br />
kehitti kylmäaine R12 paineistamiseen perustuvan järjestelmän. Ilmastointilaite asennettiin<br />
ajoneuvon takakonttiin. Samoihin aikoihin Packard Motor Car kehitti järjestelmän, jolla<br />
voitiin sekä jäähdyttää että lämmittää matkustamoa. Järjestelmän ohjaus muodostui pelkästä<br />
puhaltimen kytkimestä ja järjestelmän sammuttamiseksi täytyi kompressorin hihna<br />
irrottaa käsin. Ongelmia tuotti lisäksi ilman epätasainen jakautuminen matkustamossa.<br />
1930luvulla kehitettiin myös ensimmäinen polttoainelämmitin, joka ei kuitenkaan suunnitteluongelmien<br />
ja korkeiden käyttökustannusten takia saanut suurta suosiota. Ennen toista<br />
maailmansotaa Yhdysvalloissa oli noin 3000 ilmastoinnilla varustettua ajoneuvoa. Sodan<br />
jälkeen ilmastointilaitteita alettiin asentaa kaikenmerkkisiin ajoneuvoihin, aiemmin<br />
järjestelmiä oli pelkästään luksusmerkeillä. 1950luku oli ilmastointien kehityksen kannalta<br />
merkittävää aikaa ja 1960luvulla ilmastointilaitteiden määrä nousi huimasti. Ilmastointia<br />
alettiin vaatia yhä enemmän myös kuormaautoihin. Vuonna 1969 ilmastointi asennettiin<br />
Yhdysvalloissa jo yli 54 %:iin uusista henkilöautoista, mikä tarkoitti 785 % nousua<br />
vuodesta 1959 [1].<br />
1970luvulla tutkimukset CFCyhdisteiden vaikutuksesta otsonikatoon sekä ilmastointilaitteiden<br />
määrän huomattava kasvu saivat aikaan paljon keskustelua kylmäaineen R12 tulevaisuudesta.<br />
Uusia korvaavia kylmäaineita alettiin tutkia ja vuonna 1976 kylmäaine R<br />
134a valittiin kylmäaineen R12 todennäköiseksi korvaajaksi. Ilmastointijärjestelmään tehtiin<br />
jatkuvasti parannuksia ja järjestelmistä tuli tehokkaampia, kompakteja ja huomattavasti<br />
kevyempiä. Esimerkiksi 1950luvulla osa kompressoreista painoi lähes 27 kg, mutta huomattavilla<br />
parannuksilla massaa voitiin pienentää 80 %. 1970luvun lopulla uusia kylmäaineeseen<br />
R134a sopivia järjestelmiä alettiin kehittää. Vuonna 1980 72 % uusista Yhdysvalloissa<br />
myydyistä henkilöautoista oli varustettu ilmastoinnilla ja vuoteen 1990 mennessä<br />
osuus oli jo 94 %. Lisäksi 66 % kaikista käytössä olevista henkilöautoista ja rekoista oli<br />
varustettu ilmastointilaitteella. 1990luvulla uuden kylmäaineen R134a vaatimia muutoksia<br />
alettiin toteuttaa. Siirtymävaihe osoittautui kuitenkin haasteelliseksi, koska uusi kylmäaine<br />
edellytti myös voitelu sekä kuivateaineiden korvaamista uusilla aineilla. Lisäksi
10<br />
lauhduttimeen, kompressoriin ja ohjauskytkimiin oli tarpeen tehdä muutoksia. Uuden<br />
kylmäaineen avulla ilmastoinnin lämmitys<strong>vaikutus</strong> kuitenkin pieneni merkittävästi [1].<br />
Ilmastointijärjestelmien kehitys ja yleistyminen on ollut erittäin nopeaa. Nykyaikaisissa<br />
järjestelmissä kinnitetään entistä enemmän huomiota energiatehokkuuteen, matkustamon<br />
mukavuustason parantamiseen sekä matkustajien turvallisuuteen. Järjestelmien ympäristöystävällisyys<br />
on pysynyt hyvin merkittävänä kriteerinä järjestelmien kehityksessä.<br />
Vuonna 2008 kehittyneissä maissa keskimäärin 95 % ja kehitysmaissa 80 % henkilöautoista<br />
oli varustettu ilmastoinnilla. On arvioitu, että vuoteen 2020 mennessä ilmastointi on<br />
maailmanlaajuisesti vakiovarusteena 95 % henkilöautoista [1, 2].
3 Lämmitys ja ilmanvaihto<br />
11<br />
3.1 Ajoneuvo toimintaympäristönä<br />
HVACjärjestelmän on kyettävä luomaan matkustajien kannalta miellyttävä ilmasto ajoneuvon<br />
sisälle vaativasta toimintaympäristöstä huolimatta. Olosuhteet ajoneuvon ulkopuolella<br />
voivat vaihdella merkittävästi ja suuri ikkunapintaala altistaa matkustamon erityisesti<br />
auringon säteilyn lämmittävälle vaikutukselle ja kylmemmällä ilmalla vedolle. Järjestelmän<br />
tulee vastata muuttuviin olosuhteisiin riittävän nopeasti ja tehokkaasti turvallisen ajotapahtuman<br />
varmistamiseksi.<br />
Kylmällä ilmalla HVACjärjestelmän tulee lämmittää matkustamo nopeasti sekä varmistaa<br />
hyvä näkyvyys ajoneuvosta ulos. Nykyaikaisten energiatehokkaiden moottoreiden myötä<br />
perinteisesti käytettyä moottorin hukkalämpöä ei ole yhtä paljon saatavilla. Järjestelmävalmistajat<br />
tarjoavat erilaisia esi ja lisälämmitinratkaisuja matkustajien viihtyvyyden parantamiseksi.<br />
Raskaiden <strong>ajoneuvojen</strong> suuret matkustamo tai kuljetustilat, suuri ikkunapintaala<br />
ja mahdollinen huono eristys sekä kuljettajien pitkät ajoajat luovat haasteita tehokkaiden<br />
järjestelmien kehittämiselle. Kaupunkiliikenteen linjaautoissa jatkuva ovien avaaminen<br />
vaikuttaa merkittävästi järjestelmän kuormaan erityisesti ympäristön sekä matkustamon<br />
välisen lämpötilaeron ollessa suuri, ja alhaiset ajonopeudet vaikeuttavat ilmastointijärjestelmän<br />
kapasiteetin sovittamista jäähdytystarpeeseen.<br />
Vaadittu jäähdytysteho tilavuusyksikköä kohden on varsinkin kuumalla ilmalla merkittävä,<br />
koska lämmönsiirtymiskertoimet ajoneuvon ulkopintojen ja kuuman ulkoilman välillä ovat<br />
suuria ajoneuvon liikkeen takia. Ajoneuvon pitkäkestoinen paikallaanolo auringossa nostaa<br />
matkustamon lämpötilaa ja lisää lämpökuormaa huomattavasti [3].<br />
Sisäilman lämpötila ja kosteus<br />
Matkustajien viihtyvyyteen ajoneuvossa vaikuttaa monia tekijöitä, joihin ilmastointijärjestelmän<br />
huolellisella toteutuksella voidaan vaikuttaa. Kuvassa 1 on havainnollistettu ilmastoinnin<br />
merkitystä keskikokoisen henkilöauton sisäilman lämpötilan kannalta. Ilmastoinnilla<br />
matkustamon lämpötilaa saadaan laskettua huomattavasti ja lämpötilaeroja tasoitettua<br />
matkustajien eri kehonosien välillä.
12<br />
Kuva 1. Ilmastoinnin <strong>vaikutus</strong> matkustamon lämpötilaan [4]<br />
Miellyttävä sisäilman lämpötila riippuu ulkoilman lämpötilasta sekä ilmavirrasta kuvan 2<br />
mukaisesti. Nähdään, että sisäilman lämpötila ei saisi alittaa noin 21 asteen rajaa missään<br />
olosuhteissa. Matalilla ulkoilman lämpötiloilla vaaditaan korkeampaa sisäilman lämpötilaa<br />
ja ilmavirran nopeutta, jotta säteily kylmistä pinnoista matkustajiin saadaan kompensoitua.<br />
Kun ulkoilma lämpenee, laskee vaadittu sisäilman lämpötila ja ilmavirran nopeus rajaarvoon<br />
saakka [5]. Liian lämpimässä ihmisen suorityskyky heikkenee ja tutkimuksen mukaan<br />
lämpötilan nousu ajoneuvossa 21 °C:sta 27 °C:een pidentää reaktioaikaa 22 %:lla.<br />
Lisäksi riski olla huomaamatta tärkeää liikennetapahtumaa kasvaa 50 % [6]. Ulkoilman<br />
lämpötilan ollessa erittäin korkea, vaaditaan jälleen korkeampaa ilmavirran nopeutta mutta<br />
myös hieman korkeampaa sisäilman lämpötilaa, jotta lämpötilaero matkustamon ja jäähdyttävän<br />
ilman välillä ei olisi liian suuri [5]. Ulkoilman kosteus on merkittävä mukavuuteen<br />
vaikuttava tekijä. Kun ilma on kuivaa eli sen suhteellinen kosteus on pieni, hiki haihtuu<br />
ihon pinnalta nopeasti poistaen kehosta lämpöä ja ilman kosteuspitoisuuden ollessa<br />
suuri, jo matalammat lämpötilat voivat tuntua epämiellyttäviltä.<br />
Kuva 2. Miellyttävä sisätilan lämpötila ja ilman läpimeno ulkolämpötilan funktiona [7]
13<br />
Lämpötilan kerroksellisuus ja jakautuminen<br />
Matkustajien kannalta on miellyttävää, että yläkehon alueella lämpötila on jonkin verran<br />
matalampi kuin jalkatilassa [8]. Lisäksi ajoneuvon matkustajilla saattaa olla keskenään erilaiset<br />
vaatimukset ajoneuvossa vallitsevasta ilmastosta. Tällöin kehittyneen lämmitys ja<br />
ilmastointiautomatiikan mahdollistava vyöhykkeinen järjestelmä saatetaan kokea miellyttäväksi<br />
[5].<br />
3.2 Lämmityksen periaate<br />
Ajoneuvon lämmitysjärjestelmän tulee mahdollistaa matkustajien mukavuus ja vireys sopivan<br />
sisäilman lämpötilan ja kosteuden kautta, mutta myös hyvä näkyvyys ulos, pitämällä<br />
ajoneuvon ikkunat ja peilit puhtaina jäästä sekä huurusta.<br />
Moottorista riippuvissa lämmityslaitteissa sisätilojen lämmittämiseen käytetään moottorin<br />
palamisprosessissa syntyvää hukkalämpöä. Nestejäähdytteisissä, välillisen jäähdytyksen,<br />
moottoreissa lämpö siirtyy pois polttokammiosta moottorissa kiertävän jäähdytysnesteen<br />
välityksellä. Tätä nesteeseen sitoutunutta lämpöä siirretään matkustamoon johdettavaan<br />
ilmaan lämmönvaihtimen avulla (kuva 3) [8]. Lämmönvaihdin siirtää energiaa nesteiden ja<br />
kaasujen välillä perustuen lämpötilaeroon. Lämpöä siirtävät väliaineet eivät ole keskenään<br />
kosketuksissa, vaan lämmön siirtyminen tapahtuu konduktion ja konvektion kautta moottorista<br />
jäähdytysnesteeseen, lämmönvaihtimessa kiertävästä nesteestä lämmönvaihtimen ripoihin<br />
ja lopulta ilmavirran mukana sähköisen puhallinjärjestelmän avustamana matkustamoon<br />
[10].<br />
Kuva 3. Lämmityksen periaate [9]
14<br />
Moottorin jäähdyttäminen voidaan toteuttaa myös ilmajäähdytyksellä johtamalla ilmaa<br />
patopaineen tai puhaltimen avulla moottorin sylinterin pintaan. Tällöin sisätilojen lämmitys<br />
aikaansaadaan johtamalla lämpöä moottorin ulkopinnasta, pakokaasuista tai voitelujärjestelmästä<br />
matkustamoon. Tässä työssä keskitytään kuitenkin nestejäähdytteisiin moottoreihin,<br />
koska kyseistä jäähdytystapaa käytetään pääasiassa nykyisissä henkilöautoissa sekä<br />
hyötyajoneuvoissa [8, 10].<br />
3.3 Lämmitysjärjestelmä<br />
Lämmitysjärjestelmän lämmönvaihdin (kuva 4) vastaa periaatteeltaan jäähdytysjärjestelmän<br />
jäähdytintä. Se koostuu putkista, joissa jäähdytysneste kulkee sekä pintaalaa kasvattavista<br />
rivoista. Mitä suurempi pintaala on, sitä voimakkaampaa on konvektio rivoista<br />
lämmönvaihtimen yli kulkevaan ilmaan. Putkissa olevat kolot edistävät lämmön siirtymistä<br />
[10]. Lämmönvaihtimen koon kasvattaminen parantaa matkustamon lämmitystehoa, mutta<br />
sen suunnittelussa on huomioitava mahdolliset tilankäytön rajoitukset.<br />
Kuva 4. Lämmönvaihdin [10]<br />
Linjaautoissa käytetään matkustamon lämmittämiseen lämpöpattereita eli konvektoreita,<br />
jotka asennetaan matkustamon molemmin puolin jalkatilan läheisyyteen. Patterit toimivat<br />
henkilöauton lämmönvaihtimen tavoin ja niissä voidaan käyttää sisäänrakennettua puhallinjärjestelmää<br />
(kuva 5). Usein linjaautoissa käytetään lisäksi kattoon, sisäänkäyntien yhteyteen<br />
sekä ilmanvaihtokanaviin asennettavia lämmittimiä.
15<br />
Kuva 5. Linjaauton konvektori [11]<br />
3.4 Lisälämmittimet<br />
Lisälämmittimiä käytetään ajoneuvoissa, joiden suuren matkustamo tai kuormatilan lämittämiseen<br />
ajoneuvon oma lämmitysjärjestelmä ei sovellu tai ole riittävän tehokas. Energiatehokkaissa<br />
moottoreissa, sähköhybridien ollessa joutokäynnillä tai rullatessa vapaalla, sekä<br />
pistokehybridien toimiessa täysin sähkömoottorin voimin, ei polttomoottorin tuottamaa<br />
hukkalämpöä ole saatavilla tarpeeksi tai ollenkaan matkustamon mukavuustason ylläpitämiseen.<br />
Lisälämmittimien avulla varmistetaan riittävä lämmöntuotto matkustamoon erityisesti<br />
kylmäkäynnistyksissä ja vaikeissa olosuhteissa. Moottorin toimintalämpötila saavutetaan<br />
nopeammin ja sitä voidaan ylläpitää samansuuruisena koko käytön ajan. Näkyvyys<br />
ajoneuvosta paranee tehokkaan huurteenpoiston ansiosta ja kylmäkäynnistysjaksoja voidaan<br />
lyhentää parantaen katalysaattorin tehokkuutta sekä vähentäen moottorin kulumista<br />
[12].<br />
Lisälämmitin lisää lämpöä jäähdytysnesteeseen tai ilmanjakeluun joko polttoaineen tai<br />
sähkön avulla [10]. Monissa nykyajan korkean hyötysuhteen dieselmoottorilla varustetuissa<br />
autoissa on lisälämmitin asennettu jo tehtaalla ja siitä saadaan lisälämpöä käyttöön<br />
esimerkiksi hitaassa ruuhkaajossa pakkasella. Tehdasasennettu lisälämmitin voidaan<br />
myöhemmin täydentää esi ja taukolämmitystoiminnoilla [12].<br />
3.4.1 Polttoainelämmittimet<br />
Bensiini tai dieselkäyttöisiä polttoainelämmittimiä käytetään erityisesti energiatehokkaissa<br />
dieselajoneuvoissa sekä ajoneuvoissa, joissa on suuri lämmitystä vaativa sisätila. Lämpö<br />
siirretään matkustamoon joko jäähdytysnesteen tai ilman välityksellä [10].
16<br />
Nestelämmittimet<br />
Nestelämmittimet hyödyntävät ajoneuvon moottorin jäähdytysnestekiertoa. Niiden tuottamaa<br />
lämpöä voidaan käyttää matkustamon esilämmittämiseen, ajonaikaiseen lämmitykseen<br />
esimerkiksi ruuhkaajoissa sekä moottorin esilämmittämiseen. Kuvassa 6 on havainnollistettu<br />
nestelämmittimen rakennetta. Järjestelmästä voidaan erottaa lämmönvaihdin, polttokammio,<br />
puhallinyksikkö sekä ohjainlaite, joka ohjaa lämmittimen toimintaa. Lämmityskennon<br />
sisäpuolella on polttokammio, jossa on hehkutulppa ja liekkianturi. Lämmitin ottaa<br />
paloilman ympäristöstä sekä polttoainetta ajoneuvosta, tuuletin huolehtii polttokammion<br />
riittävästä ilmansaannista ja ylikuumenemis sekä lämpötunnistimet toimivat varolaitteina.<br />
Hehkutulppa sytyttää palopesässä olevan polttoaineilmaseoksen ja syntyvä lämpöenergia<br />
välittyy lämmönvaihtimen kautta ajoneuvon jäähdytysjärjestelmään, josta se siirtyy matkustamoon.<br />
Tarvittava lämmitysteho riippuu jäähdytysnesteen lämpötilasta, joten lämpötilaanturi<br />
mittaa tulevan ja lähtevän jäähdytysnesteen lämpötilaa ja tietoa käytetään lämpötilan<br />
säätämiseen lämmittimen sisällä [10, 13].<br />
Kuva 6. Eberspächer hydronicnestelämmitin [12]
17<br />
Kuvassa 7 on havainnollistettu nestekäyttöisen lisälämmittimen integrointia jäähdytysjärjestelmään.<br />
Järjestelmässä on kaksi jäähdytyssykliä. Kun termostaatti on kiinni, jäähdytysneste<br />
kulkee moottorin läpi ja kuumenee. Jäähdytysesteen kuumentuessa termostaatti<br />
alkaa avautua ja lopulta jäähdytysneste pääsee lisälämmittimeen, jossa se edelleen lämpenee.<br />
Jäähdytysneste kulkeutuu lämmönvaihtimeen, jossa lämmin ilma tuotetaan.<br />
Kuva 7. Lisälämmittimen integrointi jäähdytysjärjestelmään [9]<br />
Ilmalämmittimet<br />
Ilmalämmittimet lämmittävät viileää sisä tai ulkoilmaa ja johtavat lämmenneen ilman ajoneuvon<br />
matkustamoon. Ilmalämmittimiä käytetään paljon erilaisissa hyötyajoneuvoissa<br />
lämmittimien hyvien asennusmahdollisuuksien vuoksi. Ilmalämmitin voidaan asentaa ohjaamoon,<br />
tavaratilaan tai lattian alle ja se on riippumaton sekä moottorin että ajoneuvon<br />
omasta lämpötasapainosta. Ilmalämmitimestä saadaan lisäksi nopeasti lämpöä pienellä virrankulutuksella<br />
ja polttoaineenkulutuksella, joten se sopii hyvin tilanteisiin, joissa ajoneuvo<br />
on pitkään paikallaan. Ilmalämmittimissä voi olla myös tuuletusmahdollisuus, jolloin<br />
niitä voidaan käyttää kesällä ajoneuvon matkustamon ilmanvaihtoon [12, 14].<br />
Ilmalämmittimen rakennetta on havainnollistettu kuvassa 8. Ilmalämmitin imee paloilmaa<br />
ympäristöstä ja polttoainetta ajoneuvon tankista. Seos palaa palopesässä, jolloin lämmönvaihtimen<br />
läpi kulkeva ilma lämpenee ja lämmennyt ilma johdetaan matkustamoon tai tavaratilaan.
18<br />
Kuva 8. Eberspächer airtronicilmalämmitin [12]<br />
3.4.2 PTClämmittimet<br />
PTClämmittimiä käytetään ajoneuvon matkustamon nopeaan lämmittämiseen heti moottorin<br />
käynnistämisen jälkeen. Lämmitin on tehokas, kompakti, kevyt ja huoltovapaa. Ne ovat<br />
itsesäätyviä, eivätkä tarvitse ohjaus ja säätökomponentteja, tai ylikuumenemissuojia.<br />
PTClämmittimillä päästään noin 2000 W:n lämmitystehoon ja käyttöenergia otetaan ajoneuvon<br />
akusta. Suuren tehontarpeen vuoksi niitä voidaan käyttää vain moottorin käydessä<br />
ja matalalla vaihtovirtageneraattorin kuormalla. Usein niiden käyttö vaatii ajoneuvoon suuremman<br />
vaihtovirtageneraattorin [9, 10].<br />
Kuva 9. PTClämmitin [9]<br />
Kuvassa 9 on havainnollistettu PTClämmittimen rakennetta. Lämmitin muodostuu muovisesta<br />
levystä (1), sähköliittimestä (2) ja lämpöelementeistä (3), jotka koostuvat pienistä<br />
metalloiduista keraamisista levyistä. Keraamiset levyt on asennettu kerroksittain lämpöelementtiin<br />
yhdessä lämmönsiirron ja sähkökontaktin mahdollistavien alumiinielementtien<br />
kanssa. Lämpöelementti on jaettu eri lämpöpiireihin, jolloin lämmitystehoa voidaan säätää<br />
tarpeen mukaan. Lämmitin koostuu 3 –6 pienestä lämpöelementistä (200 W, 300W tai 400
19<br />
W), joita ohjataan erikseen releillä. Tällä voidaan estää korkeiden virtojen vaihtovirtageneraattorille<br />
aiheuttama kuorman äkillinen kasvu ja saavuttaa joustavampi ohjaus [9].<br />
Uusimmissa järjestelmissä releet on korvattu puolijohdekytkimillä [15]. PTClämmittimet<br />
asennetaan yleensä HVACjärjestelmän sisälle lämmönvaihtimen jälkeen.<br />
Lämpöelementit ovat positiivisen lämpötilakertoimen vastuksia eli niiden resistanssi kasvaa<br />
lämpötilan kasvaessa. Kun kylmään PTCelementtiin johdetaan jännite, korkea virta<br />
kulkee elementin läpi ja se lämpenee. Kun lämpötila kasvaa, myös resistanssi kasvaa, jolloin<br />
elementin läpi kulkeva virta pienenee. PTClämmittimen lämpötila riippuu lämmönsiirtonopeudesta<br />
ympäröivään tilaan. Lämmönsiirron ollessa nopeaa resistanssi pysyy pienenä.<br />
Ilman lämmettyä ja lämmönsiirron hidastuessa PTCelementin lämpötila alkaa nousta,<br />
koska se ei enää kykene luovuttamaan lämpöä. Tällöin resistanssi alkaa kasvaa ja elementin<br />
läpi kulkeva virta pienentyä. PTCelementti siis säätää itseään riippuen ympäröivän<br />
ilman lämpötilasta, eikä se voi ominaisuuksiensa vuoksi myöskään ylikuumentua [10].<br />
Perinteisen lämmitysjärjestelmän ja lisälämmittimien lisäksi ajoneuvoissa käytetään hajautettuja<br />
lämmitystoimintoja, joilla matkustamon mukavuustaso voidaan saavuttaa nopeammin.<br />
Niillä voidaan myös luoda erillisiä itsenäisesti lämmitettyjä alueita matkustamossa<br />
ja kohdistaa lämmitys tarkasti haluttuun paikkaan. Tällöin lämmitykseen kuluva energia<br />
voidaan käyttää tehokkaammin hyödyksi. Esimerkiksi PTClämmittimiä on alettu käyttää<br />
yhä enemmän HVACmoduulin ulkopuolella istuimissa, niskatuissa (kuva 10) sekä jalkatilan<br />
ilmanjakokanavissa [16]. Tulevaisuudessa perinteinen lämmitys on mahdollista korvata<br />
käyttämällä PTCvastuksia, lasien sähkölämmitystä sekä lisäämällä sisäilmankiertoa. PTClämmittimien<br />
tehokkaampaa käyttöä rajoittaa nykyisten <strong>ajoneuvojen</strong> vaihtovirtageneraattorien<br />
kapasiteetti, mutta sähkö ja polttokennoajoneuvoissa niillä on mahdollista saavuttaa<br />
12 kW:n lämmitysteho [17].
20<br />
Kuva 10. PTCvastukseen perustuva Airscarfniskalämmitys [18]<br />
3.5 Ilmastointi<br />
3.5.1 Jäähdytyksen periaate<br />
Ajoneuvon jäähdytys on lämmitykselle vastakkainen tapahtuma ja sen tehtävänä on poistaa<br />
lämpöä matkustamosta pitäen sen lämpötila turvallisella ja miellyttävällä tasolla. Jäähdytyksestä<br />
vastaava ilmastointijärjestelmä myös puhdistaa ilmaa ja poistaa siitä kosteutta.<br />
Termodynamiikan toisen pääsäännön perusteella lämpö ei siirry itsestään kylmästä kappaleesta<br />
lämpimään. Ilmastoinnin tulee kuitenkin kyetä siirtämään lämpöä ulkoilmaan matkustamosta,<br />
jossa on sen ympäristöä alhaisempi lämpötila.<br />
Nesteen höyrystyminen sitoo paljon energiaa ja tätä ilmiötä hyödynnetään ilmastoinnin<br />
toiminnassa. Järjestelmän painetta alentamalla järjestelmässä kiertävä nestemäinen kylmäaine<br />
saatetaan tilaan, jossa se on valmis vaihtamaan olomuotoaan höyryksi. Kylmäaineen<br />
kiehumispisteen tulee olla alhaisempi kuin jäähdytettävän sisäilman lämpötila, jotta lämpöä<br />
siirtyisi matkustamosta kylmäaineeseen. Kylmäaineeseen sitoutunut lämpö siirretään<br />
ulkoilmaan ja höyrystynyt kylmäaine vaihtaa olomuotoaan takaisin nestemäiseksi [10].
21<br />
Kylmäainekierto<br />
Kuvassa 11 on havainnollistettu perinteistä henkilöauton ilmastointijärjestelmää, sen komponentteja<br />
ja keskimääräisiä kylmäaineen paineen ja lämpötilan arvoja järjestelmän eri<br />
kohdissa. Kuvassa 12 on esitetty R134akylmäaineen kiertoprosessi paineentalpiakuvaajan<br />
avulla. Kylmäainekierto alkaa, kun kylmäaine kulkeutuu ilmastointijärjestelmän<br />
kompressoriin tulistettuna höyrynä matalassa paineessa ja lämpötilassa (piste A kuvassa<br />
12). Kompressori puristaa höyryä, jolloin sen paine, lämpötila sekä entalpia kasvavat (B).<br />
Matala ja korkeapaineisen höyryn entalpioiden erotus kertoo kompressorityön tai höyryn<br />
sisältämän lämpöenergian määrän. Mitä pienempi korkea ja matalapaineisen höyryn paineero<br />
on, sitä parempi on järjestelmän jäähdytystehokkuus. Korkeapaineinen tulistettu<br />
höyry siirtyy lauhduttimeen, jossa se ulkoilmaa lämpimämpänä alkaa luovuttaa lämpöä<br />
ympäristöön. Kylmäaineen lämpötilan laskiessa se muuttuu jälleen saturoituneeksi höyryksi.<br />
Lämpötilan ja paineen pysyessä vakioina lämpöä poistuu edelleen kylmäaineesta ja entalpia<br />
pienenee, jolloin kylmäainehöyry kondensoituu ja muuttuu saturoituneeksi nesteeksi.<br />
Kylmäainetta alijäähdytetään ja se poistuu lauhduttimesta alijäähtyneenä nesteenä (C). Saturoituneen<br />
höyryn ja alijäähdyneen nesteen entalpioiden erotus kuvaa ulkoilmaan vapautettua<br />
lämpömäärää. Kylmäaine kulkeutuu järjestelmästä riippuen joko paisuntaventtiiliin<br />
tai kuristimeen, jolloin kylmäaineen lämpötila ja paine pienenevät merkittävästi entalpian<br />
pysyessä vakiona (D). Nestemäisen ja höyrymäisen kylmäaineen sekoitus siirtyy höyrystimeen,<br />
jossa se sitoo itseensä lämpöä höyrystimen yli kulkevasta lämpimämmästä ilmasta,<br />
joka on otettu matkustamosta tai ulkoilmasta. Viilentynyt ilma johdetaan matkustamoon.<br />
Kylmäaineen entalpia kasvaa lämpötilan ja paineen pysyessä vakioina ja neste höyrystyy<br />
muuttuen lopulta jälleen tulistetuksi höyryksi (A). Nestemäisen ja höyrymäisen<br />
kylmäaineen entalpioiden erotus kuvaa ilmasta poistettua lämpömäärää ja höyrystimen kapasiteettia.<br />
Kriittinen piste kuvaa korkeinta lämpötilaa, jossa kylmäainehöyry voi tiivistyä<br />
ja nestemäinen kylmäaine höyrystyä painetta kasvattamalla [10].
22<br />
Kuva 11. Ilmastointijärjestelmä paisuntaventtiilillä [4]<br />
Kuva 12. R134akylmäaineen tila kiertoprosessin aikana [7]
23<br />
3.5.2 Järjestelmän komponentit<br />
Ilmastointilaite on nykyisissä henkilöautoissa lähes vakiovaruste. Usein myös kuormaautojen<br />
hytit ovat ilmastoituja ja erillisiä höyrystimiä käyttämällä kuljettajan nukkumatilakin<br />
voidaan ilmastoida. Yleensä järjestelmissä käytetään erillistä hytin katolle asennettavaa<br />
lauhdutinta, jolloin ajoneuvon jäähdyttimen tehokkuus paranee. Linjaautoissa käytetään<br />
erillisiä kuljettajan ja matkustamon ilmastointiyksiköitä. Kuljettajan ilmastointi on työturvallisuusasia<br />
ja mukavuustason parantamiseksi erityisesti pitkien matkojen linjaautoissa<br />
myös matkustamo on ilmastoitu. Kasvavien mukavuusvaatimusten myötä ilmastointilaitteet<br />
ovat lisääntyneet kaupunkilinjaautoissa, myös maissa, joissa ilmastointia ei ole ennen<br />
koettu kylmemmän ilmaston vuoksi tarpeelliseksi. Matalalattialinjaautojen myötä ilmastointiyksiköitä<br />
on alettu asentaa ajoneuvon katolle. Kattoyksiköt mahdollistavat huomattavasti<br />
vähäisemmän johdotuksen ja letkujen tarpeen, koska järjestelmän komponentit on<br />
asennettu läheisesti samaan yksikköön. Yksiköt ovat yleensä kevyempiä ja parantavat sijainnillaan<br />
ajoneuvon painojakaumaa. Kattoyksiköiden käyttöä on lisännyt myös tiukentuneiden<br />
päästövaatimusten takia raskaan kaluston ajoneuvoihin asennetut dieselpartikkelisuodattimet,<br />
jotka sijoitetaan ajoneuvon taakse, paikkaan, johon on perinteisesti asennettu<br />
ilmastointiyksikkö [19]. Kuvassa 13 on havainnollistettu linjaauton ilmastointijärjestelmää.<br />
Kuva 13. Linjaauton ilmastointijärjestelmä [20]
24<br />
Kompressori<br />
Kompressori kierrättää kylmäainetta järjestelmässä ja puristaa sitä nostaen sen painetta ja<br />
lämpötilaa, mikä mahdollistaa kylmäainehöyryn kondensoitumisen lauhduttimella ja siihen<br />
sitoutuneen lämmön siirtymisen ulkoilmaan. Kylmäainetta on henkilöautojen järjestelmissä<br />
yleensä 0,7 –0,8 kg ja tyypillisissä kattoyksiköllisissä linjaautoissa noin 6 kg [21]. Henkilöautoissa<br />
ja kevyissä kuormaautoissa kompressori ottaa käyttövoimansa yleensä suoraan<br />
ajoneuvon moottorista hihnapyörästön välityksellä (kuva 14). Elintarvikkeiden kylmäkuljetuksissa<br />
kompressoria käytetään yleensä erillisellä dieselmoottorilla, jolla saavutetaan järjestelmän<br />
tasainen toiminta. Linjaautoissa erillisten moottorien käyttö on yleistä mutta<br />
myös perinteisiä ajoneuvon moottorista käyttöenergiansa ottavia järjestelmiä käytetään.<br />
Kuva 14. Kompressorin voimansiirto [10]<br />
Kylmäainehöyry kulkeutuu kompressoriin sen imupuolelta, joka on paisuntaventtiilijärjestelmässä<br />
höyrystimen ja kuristinventtiilijärjestelmässä kuivaimen poistopuoli [10]. Kompressori<br />
nostaa kylmäaineen paineen noin 725 bariin järjestelmästä riippuen [4]. Kompressori<br />
voi puristaa vain kylmäainehöyryä ja mahdollinen neste tai lika on kompressorin toiminnalle<br />
vahingollista [10]. Kompressori tarvitsee voitelua, minkä vuoksi järjestelmässä<br />
käytetään öljyä. Noin puolet kokonaisöljymäärästä sijaitsee kompressorissa ja loput kiertää<br />
järjestelmässä kylmäaineen mukana [10].<br />
Kompressori voi käyttää jopa 80 % ilmastointijärjestelmän toimintaan tarvittavasta energiasta,<br />
joten sen valinnalla on hyvin suuri merkitys polttoaineenkulutuksen kannalta. Kompressorin<br />
tulee kyetä toimimaan tehokkaasti hyvin laajalla nopeusalueella ja vaihtelevissa
25<br />
ulkoisissa olosuhteissa. Sen tulee täyttää nykyajoneuvoissa vaaditut melun synnyn rajoitukset<br />
ja kestävyysvaatimukset sekä koko, paino ja kustannusrajoitukset. [3].<br />
Kompressorityypit<br />
Perinteisiä <strong>ajoneuvojen</strong> ilmastointijärjestelmissä käytettäviä kompressoreja ovat aksiaalimäntäkompressorit<br />
vakio tai muuttuvalla tilavuudella, siipikompressorit ja spiraalikompressorit<br />
sekä erityisesti suuremmissa ajoneuvoissa käytetyt mäntäkompressorit. Kuvassa<br />
15 on esitetty yleisimmät kompressorityypit [10].<br />
Kuva 15. Vinolevymäntä, siipi ja spiraalikompressori [4]<br />
Aksiaalimäntäkompressorit<br />
Vakiotilavuuksisia aksiaalimäntäkompressoreita käytetään hyvin erikokoisissa ajoneuvoissa<br />
pienistä henkilöautoista raskaaseen kalustoon. Kun ilmastointilaite alkoi yleistyä pienimoottorisissa<br />
ajoneuvoissa, ongelmaksi muodostui kompressorin kytkemisen aiheuttama<br />
huomattava ja yhtäkkinen moottorin kuorman lisäys ja sitä seurannut ajettavuuden huonontuminen.<br />
Muuttuvatilavuuksisen kompressorin myötä järjestelmän syklittämistä voitiin vähentää<br />
huomattavasti.<br />
Aksiaalimäntäkompressoreissa männät on sijoitettu käyttöakselin ympärille yhdensuuntaisesti<br />
akselin kanssa. Mäntiä liikutetaan ohjauslevyn avulla, joita on vinolevy ja tärinälevytyyppisiä<br />
[28]. Vinolevymäntäkompressori on sen tehokkuuden, hyvän ohjattavuuden sekä<br />
alhaisen melu ja värinätason ansiosta yleisimpiä nykyajoneuvoissa käytettäviä kompressoreita<br />
[3]. Muuttuvatilavuuksisen vinolevymäntäkompressorin rakennetta on havainnollistettu<br />
kuvassa 16. Pääakseliin kiinnitetty käyttöroottori ohjaa pääakselin mukana pyörivää<br />
vinolevyä, joka muuttaa pyörimisliikkeen mäntien edestakaiseksi liikkeeksi mäntien sisällä<br />
olevien liukukenkien välityksellä. Kompressorin ohjausmekanismi muodostuu kuris
26<br />
tusaukosta ja massavirran ohjausventtiilistä (MFCV). Kylmäainehöyry kulkeutuu puristuskammiosta<br />
kuristusaukon kautta vinolevykammioon ja sitten ohjausventtiilin kautta<br />
imukammioon. Ilmastointijärjestelmän kuorman pienentyessä imupuolen paine laskee, jolloin<br />
ohjausventtiilin avautuma pienenee ja vinolevykammion paine kasvaa. Imupuolen<br />
paineen lasku ja vinolevykammion paineen nousu aiheuttavat ohjauslevyn kulman pienentymisen,<br />
jolloin iskutilavuus pienenee järjestelmän kuormaa vastaavaksi. Vastaavasti iskunpituus<br />
ja iskutilavuus kasvavat, kun järjestelmän kuorma kasvaa [31]. Elektronisesti<br />
ohjatuissa kompressoreissa mekaaninen venttiili on korvattu solenoidiventtiilillä ja järjestelmään<br />
on lisäksi asennettu lämpötila ja paineanturit [28]. Aksiaalimäntäkompressoreiden<br />
mäntien lukumäärä ja iskutilavuus vaihtelevat käyttökohteesta riippuen. Muuttuvatilavuuksisten<br />
kompressoreiden maksimi iskutilavuudet vaihtelevat tyypillisesti 120 – 185<br />
cm3/rev ja vakiotilavuuksisten 80 –650 cm3/rev välillä [3, 22].<br />
Kuva 16. Muuttuvatilavuuksinen vinolevymäntäkompressori [31]<br />
Siipikompressorit<br />
Siipikompressorissa (kuva 17) kylmäaineen virtausta kasvatetaan pyörivien siipien avulla.<br />
Siivet on asennettu keskenään tiettyyn kulmaan ja roottorin pyöriessä siivet liukuvat säteittäin<br />
toisiinsa nähden muodostaen kolme puristusaluetta. Kun kylmäainetta purkautuu<br />
kompressorista, imupuolelta vapautuvaan tilaan siirtyy uutta kylmäainetta ja samanaikaisesti<br />
puristustilassa oleva kylmäaine paineistuu. Jokaisella täydellä kierroksella esiintyy<br />
siis kylmäaineen imu, puristus, ja poistotahti kuvan 18 mukaisesti [10]. Siipikompressori<br />
on kompaktin kokoinen, hiljainen, siinä on vähän liikkuvia osia ja pienet kitkahäviöt. Se on
27<br />
kuitenkin hyötysuhteeltaan huono korkeilla toimintapaineilla [3]. Siipikompressorien<br />
iskutilavuudet ovat tyypillisesti 50 –140 cm3/rev ja niitä käytetään henkilöautoissa sekä<br />
kevyissä hyötyajoneuvoissa [22].<br />
Kuva 17. Siipikompressori [10]<br />
Kuva 18. Siipikompressorin tahdit [10]
28<br />
Siipikompressori voi olla myös epäkeskotyyppinen, jolloin siivet ovat erillään toisistaan,<br />
eivätkä tietyssä kulmassa toisiinsa nähden. Kompressorin tilavuutta säädetään epäkeskeisesti<br />
pyörivän roottorin avulla (kuva 19) [10].<br />
Kuva 19. Epäkeskeinen siipikompressori [10]<br />
Spiraalikompressorit<br />
Spiraalikompressori muodostuu kahdesta kierukasta, joista toinen on kiinteä ja toinen kiinnitetty<br />
käyttöakseliin (kuva 20). Akseliin kiinnitetty kierukka kiertää kiinteää kierukkaa<br />
tämän sisällä, jolloin kierukoiden kosketuspisteet muodostavat puolikuun muotoiset puristustilat.<br />
Spiraalikompressorissa ei tarvita varsinaista imuventtiiliä, koska liikkuvan kierukan<br />
muoto ja liike mahdollistavat kompressoritilavuuden kasvun ja kylmäaineen pääsyn<br />
puristustilaan. Kylmäaineen puristus tapahtuu sulkemalla kylmäainetta kierukan keskelle ja<br />
pienentämällä tilavuutta, jolloin kylmäaineen paine ja lämpötila kasvavat. Purkautuminen<br />
tapahtuu kierukan keskellä, johon on asennettu venttiili estämään kylmäaineen takaisinvirtausta<br />
kompressoriin sen ollessa pysähdyksissä [10].<br />
Spiraalikompressorit ovat erittäin tehokkaita ja hiljaisia sekä vähäisten liikkuvien osien<br />
ansiosta kulumista ei juuri esiinny. Niiden valmistus on kuitenkin hankalaa ja siten kustannukset<br />
nousevat suuriksi. Lisäksi muuttuvatilavuuksisessa mallissa niiden tehokkuus huononee<br />
[3, 10]. Spiraalikompressorien iskutilavuus on tyypillisesti 50 –120 cm3/rev ja niitä<br />
käytetään esimerkiksi linjaauton kuljettajan ilmastointilaitteissa [23].
29<br />
Kuva 20. Spiraalikompressori [10]<br />
Mäntäkompressori<br />
Vakiotilavuuksista mäntäkompressoria (kuva 21) on perinteisesti käytetty raskaan kaluston<br />
sovelluksissa, joissa kompressorilta on vaadittu erityisen hyvää kestävyyttä. Hihnapyörästö<br />
pyörittää kompressorin sisällä olevaa kampiakselia, joka on liitetty mäntään kiertokangen<br />
avulla. Männän yläpuolella on venttiilistö, jolla kylmäainevirtaa ohjataan.<br />
Kuva 21. Mäntäkompressori [10]
30<br />
Sähkökäyttöinen kompressori<br />
Sähkökäyttöinen kompressori mahdollistaa kompressorin nopeuden itsenäisen säädön, mikä<br />
on erityisen tärkeää hybridiajoneuvoissa sekä perinteisissä startstopteknologiaa hyödyntävissä<br />
ajoneuvoissa. Ilmastointijärjestelmän kapasiteetin sovittaminen jäähdytystarpeeseen<br />
kompressorin nopeutta muuttamalla, iskutilavuuden sijaan, parantaa järjestelmän<br />
volumetrista hyötysuhdetta. Koska järjestelmän suorituskyky on riippumaton ajoneuvon<br />
nopeudesta, komponentteja voidaan pienentää tehokkuutta huonontamatta. Sähkökäyttöisten<br />
kompressorien suorituskykyä rajoittaa niiden perinteistä hihnakäyttöistä kompressoria<br />
huonompi voimansiirron hyötysuhde. Tyypillisesti sähkökäytön hyötysuhde on luokkaa 65<br />
% verrattuna hihnakäytön yli 95 % hyötysuhteeseen. Sähkökäyttöisten kompressorien suuren<br />
tehontarpeen vuoksi ne soveltuvat hybridi ja sähköajoneuvoihin sekä ajoneuvoihin,<br />
joissa käytetään erillistä APUvoimalähdettä. Ajoneuvoteollisuuden siirtyminen kohti 42<br />
voltin järjestelmiä ja polttokennojen kehittyminen luovat mahdollisuuksia täysin sähköistetylle<br />
ilmastoinnille. Raskaita ajoneuvoja käytetään perinteisesti pitkiä aikoja tyhjäkäynnillä<br />
mukavuustason ylläpitämiseksi. Ilmastointijärjestelmän sähköistämisen kautta tyhjäkäyntiaikaa<br />
voidaan vähentää huomattavasti erottamalla ilmastointijärjestelmä ajoneuvon moottorista.<br />
Sähkökäyttöinen järjestelmä aiheuttaa moottorille myös erittäin vähäisen passiivisen<br />
kuorman ollessaan pois päältä. Koska sähkökäyttöinen kompressori voidaan erottaa<br />
ajoneuvon moottorista, jäähdytyskapasiteetti voidaan tarkasti säätää tarpeen mukaan. Tämä<br />
tuo huomattavia energiasäästöjä verrattuna perinteiseen mekaaniseen kompressoriin, joka<br />
mitoitetaan suurimman kuorman mukaan [27].<br />
Kuvassa 22 on havainnollistettu Toyota Priushenkilöautossa käytettävän sähkökäyttöisen<br />
kompressorin rakennetta. Kompressori muodostuu spiraalikompressorista ja sitä käyttävästä<br />
vaihtosuuntaajakäyttöisestä sähkömoottorista. Kuva 23 havainnollistaa kompressorikäyttöä<br />
hybridiajoneuvossa.
31<br />
Kuva 22. Sähkökäyttöinen kompressori [24]<br />
Kuva 23. Hybridivoimansiirto sähkökäyttöisellä kompressorilla [25]<br />
Magneettikytkin<br />
Perinteisten kompressorien kytkemiseen käytetään magneettikytkintä (kuva 24). Moottorin<br />
käydessä hihnapyörä pyörii ja kompressori pysyy paikallaan, kunnes ilmastointilaite kytketään<br />
päälle. Tällöin sähkövirta kulkee magneettikytkimen kenttäkäämin läpi synnyttäen<br />
sähkömagneettisen kentän, joka kytkee kompressorin käyttöakseliin kiinnitetyn jousilevyn<br />
ja hihnapyörän kiinni toisiinsa. Tällöin kompressorin pyörimisnopeus vastaa moottorin<br />
pyörimisnopeutta. Kun ilmastointijärjestelmää ei enää tarvita tai, kun sitä syklitetään, virta<br />
katkaistaan ja magneettikenttä kenttäkäämissä häviää. Jousilevy irtoaa palautusjousien<br />
avulla ja kompressori pysähtyy [10].
32<br />
Kuva 24. Magneettikytkin [4]<br />
Kompressorin syöttö<br />
Ajoneuvon moottorista käyttövoimansa ottavien kompressorien toiminta riippuu moottorin<br />
pyörimisnopeudesta, joten niiden nopeuden itsenäinen säätö on mahdotonta. Tämä tuo<br />
haasteita erityisesti tilanteissa, joissa vaaditaan suurta jäähdytystehoa kompressorin nopeuden<br />
ollessa hyvin pieni. Sähkökäyttöinen kompressori poistaisi riippuvuuden ajoneuvon<br />
moottorista, mutta haasteena on niiden vaatima sähköteho, jota ei perinteisissä ajoneuvoissa<br />
ole riittävästi saatavilla.<br />
Moottorin pyörimisnopeudesta riippuen kompressorin kierrosnopeus vaihtelee laajalla alueella,<br />
mikä vaikuttaa höyrystimen täytökseen ja ilmastoinnin jäähdytystehoon. Vakiotilavuuksisissa<br />
kompressoreissa syöttö säädetään vastaamaan jäähdytystarvetta syklittämällä<br />
kompressoria päälle ja pois magneettikytkintä käyttämällä. Kompressorin kytkeminen aiheuttaa<br />
kuitenkin huomattavan suuria ja äkillisiä moottorin kuorman lisäyksiä, jotka etenkin<br />
pienimoottorisissa ajoneuvoissa huonontavat ajettavuutta. Linjaauton ilmastointijärjestelmän<br />
kompressorin iskutilavuus on suuri verrattuna pienten <strong>ajoneuvojen</strong> kompressoreihin<br />
ja kompressorin käynnistyksissä vaikuttaa suuri hitausmomentti, mikä voi pahimmillaan<br />
aiheuttaa kompressorin hajoamisen. Linjaautojen ilmastointijärjestelmiä on perinteisesti<br />
käytetty jatkuvatoimisesti maksimikapasiteetilla huomioimatta energiankulutusta tai liiallista<br />
jäähdytystä osakuormatilanteissa. Muuttuvatilavuuksisissa kompressoreissa jäähdytyskapasiteetti<br />
on lähes riippumaton kompressorin nopeudesta, koska kapasiteettia voidaan<br />
säätää iskutilavuutta muuttamalla. Järjestelmä vastaa jäähdytystarpeeseen kaikissa toimintaolosuhteissa<br />
huomattavasti vähemmällä syklittämisellä, jolloin kompressori toimii tasai
33<br />
semmin ja matkustamon terminen viihtyvyys paranee. Lisäksi polttoaineenkulutus pienenee<br />
ja magneettikytkimen kuluminen sekä sen pitämä ääni vähenevät [3, 10, 26]. Muuttuvatilavuuksiset<br />
kompressorit ovat yleistyneet henkilöautoissa erityisesti Euroopassa ja<br />
Japanissa, missä <strong>ajoneuvojen</strong> moottoreiden tilavuudet ovat keskimäärin pieniä ja ilmastointijärjestelmän<br />
<strong>vaikutus</strong> ajettavuuteen merkittävä [27].<br />
Sisäinen ja ulkoinen ohjaus<br />
Muuttuvatilavuuksisissa kompressoreissa kylmäaineen määrää muutetaan ohjausventtiilin<br />
avulla, jolloin kompressorin syöttö saadaan vastaamaan moottorin eri kierrosnopeuksia,<br />
ulkoilman lämpötiloja tai kuljettajan valitsemia sisäilman lämpötiloja [7]. Ohjaus voidaan<br />
toteuttaa sisäisesti tai ulkoisesti. Sisäisesti ohjatussa järjestelmässä kompressorin iskutilavuutta<br />
säädetään järjestelmän sisäisten tekijöiden perusteella, kuten painepuolen paineen,<br />
imupaineen tai höyrystimen ulostulon lämpötilan perusteella. Tällöin järjestelmän jäähdytystuotto<br />
voi ylittää tarpeen, jolloin jäähdytettyä ilmaa joudutaan lämmittämään uudelleen<br />
halutun lämpötilan saavuttamiseksi. Tämä huonontaa ilmastointijärjestelmän hyötysuhdetta.<br />
Ulkoisesti ohjatussa järjestelmässä kompressorin iskutilavuutta säädetään elektronisesti<br />
PWMohjatulla venttiilillä matkustamosta säädetyn lämpötilaarvon perusteella. Kompressorin<br />
kuorma voidaan säätää tarkasti matkustamon jäähdytystarvetta vastaavaksi ja iskutilavuus<br />
tarvittaessa hyvin lähelle nollaa, jolloin magneettikytkintä ei välttämättä tarvita. Ulkoisen<br />
ohjauksen avulla jäähdytetyn ilman uudelleenlämmittämisen tarve vähenee, jolloin<br />
myös järjestelmän tehokkuus paranee. Vaikka mekaaninen ohjaus on ratkaisuna halpa ja<br />
luotettava, elektronisesti ohjattujen muuttuvatilavuuksisten kompressorien ansiosta järjestelmä<br />
kevenee, sen moottorille aiheuttama kuorma pienenee ja tarkan säädön ansiosta päästään<br />
pienempään polttoaineenkulutukseen. Matkustamon kosteuspitoisuutta voidaan myös<br />
säätää tarkemmin, eikä kompressorin toiminta aiheuta sysäyksiä antoasteen kasvaessa [10,<br />
28, 29].<br />
Kompressorin hyötysuhteet<br />
Kompressorin tehokkuutta voidaan arvioida volumetrisen, isentrooppisen ja mekaanisen<br />
hyötysuhteen avulla (kuva 25). Hyötysuhteet riippuvat kompressorin puristussuhteesta ja<br />
pyörimisnopeudesta. Riippumatta kompressorityypistä, volumetriset ja mekaaniset hyötysuhteet<br />
ovat melko huonoja, joten kompressoreiden kehittämisessä on huomattavaa potentiaalia<br />
ilmastointijärjestelmän tehokkuuden parantamiseksi [30].
34<br />
Kuva 25. Kompressorin hyötysuhteet [3]<br />
Volumetrinen hyötysuhde<br />
Volumetrinen hyötysuhde määritellään kompressorin tuottaman todellisen tilavuuden ja<br />
iskutilavuuden suhteena. Se kuvaa, kuinka tehokkaasti kompressori kierrättää kylmäainevirtaa<br />
ilmastointijärjestelmän läpi. Volumetriseen hyötysuhteeseen vaikuttavat sylinterin<br />
puristustilavuus, imu ja poistoventtiilien virtausvastukset, kylmäainehöyryn lämpötilan<br />
nousu imutahdin aikana sekä kylmäainevuodot. Tämän vuoksi kompressorin puristussuhteen<br />
kasvaessa volumetrinen hyötysuhde huononee. Iskunpituuden kasvattaminen sen sijaan<br />
parantaa volumetrista hyötysuhdetta. Kompressorin pyörimisnopeuden kasvu parantaa<br />
volumetrista hyötysuhdetta alhaisilla nopeuksilla mutta huonontaa sitä suurilla nopeuksilla.<br />
Kun iskunpituus ja puristussuhde pysyvät muuttumattomina ja pyörimisnopeus kasvaa, virtausvastukset<br />
kasvavat, jolloin volumetrinen hyötysuhde huononee. Samaan aikaan imuhöyryn<br />
lämpötilan nousu ja vuodot pienentyvät, jolloin volumetrinen hyötysuhde paranee.<br />
Kompressorin pyörimisnopeuden <strong>vaikutus</strong> volumetriseen hyötysuhteeseen riippuu siis näiden<br />
kolmen tekijän yhteisvaikutuksesta [31]. Toisaalta kompressorivalmistajat saattavat<br />
myös rajoittaa volumetrista hyötysuhdetta suurilla pyörimisnopeuksilla, jotta vältytään liian<br />
suurelta jäähdytyskapasiteetilta [30]. Kuvassa 26 on havainnollistettu volumetrisen hyötysuhteen<br />
riippuvuutta kompressorin pyörimisnopeudesta ja puristussuhteesta.
35<br />
Kuva 26. Volumetrinen hyötysuhde pyörimisnopeuden funktiona eri puristussuhteilla [32]<br />
Isentrooppinen hyötysuhde<br />
Isentrooppinen hyötysuhde määritellään kaasun puristamiseen imupaineesta poistumispaineeseen<br />
tarvittavan teoreettisen minimityön ja todellisuudessa tehdyn työn suhteena. Teoreettinen<br />
minimityö perustuu ideaaliseen isentrooppiseen prosessiin, jossa ei ilmene turbulenssia<br />
eikä sisäistä kitkaa. Kun kompressorin isentrooppinen hyötysuhde on huono, kompressori<br />
toimii tehottomasti ja käyttää paljon energiaa kylmäaineen paineistamiseen. Kuvassa<br />
27 on havainnollistettu isentrooppisen hyötysuhteen riippuvuutta kompressorin pyörimisnopeudesta<br />
ja puristussuhteesta. Nähdään, että alhaisella puristussuhteella, parhaimpaan<br />
isentrooppiseen hyötysuhteeseen (0,95) päästään matalalla, noin 400 rpm, kierrosnopeudella.<br />
Korkeammilla puristussuhteilla parhaimpaan hyötysuhteeseen päästään suuremmilla<br />
pyörimisnopeuksilla. Kun puristussuhde on esimerkiksi 12, paras hyötysuhde (0,55)<br />
saavutetaan kompressorin pyörimisnopeuden ollessa noin 1400 rpm. Hyötysuhde pysyy<br />
lähes vakiona (0,5) aina 4000 rpm asti.
36<br />
Kuva 27. Isentrooppinen hyötysuhde pyörimisnopeuden funktiona eri puristussuhteilla [32]<br />
Mekaaninen hyötysuhde<br />
Kompressorin mekaaninen hyötysuhde huomioi mekaaniset häviöt, jotka syntyvät kompressorin<br />
liikkuvien osien kitkasta. Mekaaninen hyötysuhde määritellään kylmäainehöyryyn<br />
tehdyn todellisen työn ja kompressorin akselitehon suhteena.<br />
COP<br />
Ilmastoinnin tehokkuutta arvioidaan myös COParvon avulla, joka määritellään höyrystimen<br />
jäähdytyskapasiteetin ja kompressorin tehonkulutuksen suhteena (kuva 28). Matalaja<br />
korkeapaineisen kylmäainehöyryn välinen paineero vaikuttaa COParvoon, ja mitä pienempi<br />
paineero on, sitä parempi on järjestelmän jäähdytysteho.
37<br />
Kuva 28. Ulkoisesti ohjatun muuttuvatilavuuksisen vinolevymäntäkompressorin suoritusarvokäyrät<br />
[33]<br />
Lauhdutin<br />
Lauhdutin (kuva 29) on lämmönvaihdin, joka siirtää kylmäaineeseen sitoutununeen lämpöenergian<br />
ympäristöön. Kompressorin paineistaman kylmäaineen lämpötilaa täytyy laskea,<br />
jotta kylmäaine saadaan takaisin nestemäiseksi eli muotoon, jossa siihen voidaan jälleen<br />
varastoida lämpöä. Kuuma kylmäainehöyry kulkeutuu lauhduttimeen sen yläosasta luovuttaen<br />
lämpöä seinämien läpi jäähdytysripoihin sekä viimein ympäröivään ilmaan ja poistuu<br />
alijäähtyneenä nesteenä lauhduttimen alaosasta. Lauhduttimet on suunniteltu alijäähdyttämään<br />
kylmäainetta, jotta lauhduttimesta paisunta tai kuristinventtiiliin kulkeutuva kylmäaine<br />
on varmasti nestemäistä. Tällä varmistetaan edes kohtalainen suorituskyky kaikissa<br />
toimintaolosuhteissa. Jos paisuntalaitteeseen tulee höyryä, kylmäaineen virtaus heikkenee<br />
huomattavasti. Tuuletinyksikkö lisää ilmavirtaa lauhduttimen läpi, jolloin lämmönsiirto<br />
kylmäaineesta tehostuu. Henkilöautoissa lauhdutin sijoitetaan yleensä jäähdyttimen ja<br />
mahdollisen välijäähdyttimen eteen hyötysuhteen parantamiseksi [10]. Hyötyajoneuvoissa<br />
lauhdutin on jäähdyttimen yhteydessä tai ajoneuvon katolla.
38<br />
Kuva 29. Lauhdutin [4]<br />
Lauhdutin koostuu yksinkertaisimmillaan putkesta, jossa kylmäaine kulkee sekä rivoista,<br />
jotka lisäävät jäähdyttävää pintaalaa. Lauhduttimien suunnittelussa pyritään tehokkuuteen<br />
mutta myös mahdollisimman kompaktiin rakenteeseen. Yksinkertaisin putkiripamalli,<br />
joka oli yleisesti käytössä R12kylmäainejärjestelmissä, on korvattu kehittyneemmillä<br />
lauhdutintyypeillä. Kompaktimpaa ja tehokkaampaa serpentiinimäistä lauhdutinrakennetta<br />
on käytetty erityisesti pienemmissä etuvetoisissa ajoneuvoissa niiden ahtaan moottoritilan<br />
takia. Piccolotyyppinen lauhdutin kehitettiin korvaamaan serpentiini ja putkiripatyyppiset<br />
lauhduttimet. Se hyödyntää useampaa putkea tehokkuuden parantamiseksi. Nykyaikaisissa<br />
järjestelmissä käytetään yleensä rinnakkaisvirtaustyyppisiä lauhduttimia, joissa<br />
kylmäaine pääsee virtaamaan lauhduttimessa sekä vaaka että pystysuuntaisesti, jolloin<br />
virtaus jakaantuu pienempiin osiin ja lämmönsiirto tehostuu [10, 34]. Kuvassa 30 on havainnollistettu<br />
eri lauhdutintyyppejä.
39<br />
Kuva 30. Lauhdutintyypit [34]<br />
Kuivain<br />
Kuivaimella on useita eri tehtäviä järjestelmässä ja sen rakenne sekä sijainti riippuvaat siitä,<br />
käytetäänkö sitä paisuntaventtiili vai kuristinventtiilijärjestelmässä. Nykyjärjestelmissä<br />
kuivain voi myös olla integroituna lauhduttimeen.<br />
Höyrystimen vaatima kylmäainemäärä riippuu järjestelmän kuormitustilasta, joten paisuntaventtiilin<br />
yhteydessä kuivainta käytetään nestemäisen kylmäaineen väliaikaisena varastoja<br />
tasaussäiliönä. Kuivain myös suojelee järjestelmää tukkeumilta ja korroosiolta poistaen<br />
siitä kosteutta sekä estää kulumista ja komponenttien toimintahäiriöitä pitämällä järjestelmän<br />
puhtaana. Kuivain toimii lisäksi paineentasaajana. Paisuntaventtiilijärjestelmissä kuivain<br />
on korkeapainepuolella lauhduttimen ja paisuntaventtiilin välissä. Se koostuu rungosta,<br />
suodattimesta, kuivausaineesta ja vastaanotinputkesta sekä mahdollisesta tarkastuslasista,<br />
jonka kautta järjestelmän toimintaa voidaan seurata [10].
40<br />
Kun järjestelmän kuormitustila on korkea, lauhdutin ei välttämättä kykene kondensoimaan<br />
kaikkea kylmäainetta nestemäiseksi. Höyrymäinen ja nestemäinen kylmäaine erottuvat<br />
kuivaimessa nesteen pudotessa kuivaimen pohjalle ja höyryn noustessa sen yläosaan.<br />
Kuivaimen ulostulo on liitetty putkeen, joka on suodattimen sisällä. Kylmäaine kulkeutuu<br />
kuivausaineen ja suodattimen läpi ennen pääsyä kuivaimen ulostuloon, jolla varmistetaan,<br />
että vain nestemäistä kylmäainetta pääsee paisuntaventtiiliin [10]. Paisuntaventtiilijärjestelmässä<br />
käytettävän kuivaintyypin rakenne on esitetty kuvassa 31.<br />
Kuva 31. Paisuntaventtiilijärjestelmän kuivain [4]<br />
Myös kuristinventtiilijärjestelmässä kuivain poistaa likaa ja kosteutta sekä toimii kylmäainevarastona.<br />
Lisäksi kuivaimella varmistetaan, että kylmäaine on höyrymäisessä muodossa<br />
ennen kompressoria. Kuivain myös mahdollistaa voiteluöljyn lisäämisen järjestelmän<br />
komponentteihin, kuten kompressoriin. Kuristinventtiilijärjestelmässä kuivain on matalapainepuolella<br />
höyrystimen ja kompressorin välissä. Kylmäaine kulkeutuu höyrystimestä<br />
kuivaimeen nesteen ja kaasun yhdistelmänä. Kuivausaine ja suodatin poistavat kylmäaineesta<br />
lian ja kosteuden. Kylmäainehöyry siirretään uputkeen kuivaimen yläosasta, jolla<br />
varmistetaan, että kylmäaine on kokonaan kaasumaista. Uputkessa kylmäainehöyryyn sekoittuu<br />
pienen vuodatusaukon kautta voiteluöljyä. Jotta öljy saadaan kulkeutumaan kompressorille,<br />
annetaan pienen määrän nestemäistä kylmäainetta sekoittua voiteluöljyn kanssa<br />
[10]. Kuvassa 32 on havainnollistettu kuristinjärjestelmän kuivaimen rakennetta.
41<br />
Kuva 32. Kuristinventtiilijärjestelmän kuivain [4]<br />
Paisunta ja kuristinventtiili<br />
Ilmastointijärjestelmissä käytetään höyrystimelle menevän kylmäaineen määrän säätämiseen<br />
paisunta tai kuristinventtiiliä. Järjestelmästä riippuen komponenttien rakenne ja sijainti<br />
kylmäainepiirissä ovat hieman erilaisia. Ajoneuvoissa, joissa on suurempi matkustamotila,<br />
voidaan käyttää myös näiden kahden venttiilin yhdistelmää. Tällöin järjestelmän<br />
toiminta vastaa perinteistä kuristinventtiilijärjestelmää, mutta lisäjäähdytystä varten järjestelmässä<br />
on ylimääräinen höyrystin sekä paisuntaventtiili. Lisäjäähdytysyksikkö on usein<br />
sijoitettu ajoneuvon takaosaan, mikä mahdollistaa kaksivyöhykkeisen lämpötilansäädön<br />
[10].<br />
Venttiili mittaa kylmäaineen määrää ja siten höyrystimen jäähdytyskapasiteettia sekä säätää<br />
kylmäaineen virtausta höyrystimeen riippuen kylmäainehöyryn paineesta ja lämpötilasta<br />
höyrystimen ulostulossa. Lisäksi venttiili erottaa matala ja korkeapainepuolet toisistaan<br />
sekä varmistaa, että höyrystimeltä lähtevä kylmäaine on täysin höyrystynyttä [10, 4]. Paisuntaventtiili<br />
mahdollistaa kuristinventtiiliä laajemman järjestelmän ohjauksen mutta sen<br />
käyttämisessä on myös huomattavia haittoja. Paisuntaventtilijärjestelmässä höyrystimet on<br />
yleensä suunniteltu tulistamaan kylmäainehöyryä, jotta kompressoriin menevä kylmäaine<br />
on varmasti höyrymäistä. Kuristinventtiilijärjestelmässä sen sijaan tätä höyryn tulistamista<br />
ei tapahdu, mikä on merkittävä etu verrattuna paisuntaventtiilijärjestelmään. Koko höyrystimen<br />
pintaa voidaan käyttää ilman jäähdyttämiseen, eikä osaa jäähdyttävästä pinnasta tarvitse<br />
käyttää kylmäainehöyryn tulistamiseen. Lisäksi konstruktio on halvempi mutta se ei<br />
tarjoa samanlaisia säätömahdollisuuksia kuin paisuntaventtiilijärjestelmä [35].
42<br />
Paisuntaventtiili<br />
Paisuntaventtiili on järjestelmässä kuivaimen ja höyrystimen välissä ja se on yleensä liitetty<br />
höyrystimen yhteyteen. Paisuntaventtiileitä on sisäisellä ja ulkoisella paineentasauksella<br />
sekä Hventtiilityyppisiä. Paisuntaventtiili reagoi järjestelmän lämpökuorman muutoksiin<br />
riippuen tulistuneen kylmäainehöyryn tilasta. Kuvassa 33 on havainnollistettu Hventtiilityyppistä<br />
paisuntaventtiiliä. Nestemäinen kylmäaine kuivaimelta kulkeutuu paisuntaventtiilin<br />
venttiilikammioon. Pienen virtausaukon takia kylmäaineen paine laskee huomattavasti<br />
kuulaventtiilin toisella puolella. Nestemäinen kylmäaine ja pieni määrä höyrymäistä<br />
kylmäainetta kulkeutuu höyrystimeen ja höyrystyy paineenlaskun takia. Saturoitunut kylmäaine<br />
muuttuu höyrystimessä kulkiessaan tulistetuksi höyryksi ja siirtyy takaisin paisuntaventtiiliin.<br />
Venttiilin asento ja höyrystimelle kulkeutuvan kylmäaineen määrä riippuvat<br />
kylmäainehöyryn lämpötilasta ja paineesta. Järjestelmän kuorman ja kylmäaineen lämpötilan<br />
ollessa korkeita, ylimääräinen lämpö siirtyy termostaattiin ja membraanin päälliosaan.<br />
Termostaatissa oleva neste laajenee ja muodostaa paineen kuulaventtiiliin painaen sen yhteydessä<br />
olevaa jousta alaspäin. Tällöin kasvava virtausaukko mahdollistaa suuremman<br />
kylmäainemäärän pääsyn höyrystimelle ja sitä kautta suuremman jäähdytystehon. Höyrystimeltä<br />
venttiiliin tulevan kylmäaineen lämpötila laskee ja kuulaventtiiliin sekä jouseen<br />
kohdistuva paine pienenee. Paineherkkää membraania käytetään tulistetun höyryn paineen<br />
aistimiseen. Kun paine on korkea, membraani taipuu ylöspäin, jolloin kuulaventtiiliin ja<br />
jouseen kohdistuva paine laskee. Tällöin virtausaukko pienenee ja höyrystimeen virtaavan<br />
kylmäaineen paine ja määrä pienenevät. Membraaniin kohdistuvan paineen ollessa alhainen,<br />
membraani taipuu alaspäin kasvattaen kuulaventtiiliin ja jouseen kohdistuvaa painetta.<br />
Virtausaukko kasvaa ja enemmän korkeapaineista kylmäainetta pääsee virtaamaan höyrystimen<br />
läpi [10].
43<br />
Kuva 33. Hventtiilityyppinen paisuntaventtiili [4]<br />
Perinteinen termostaattinen paisuntaventtiili säätelee kylmäainevirtausta mekaanisesti. Ilmastointijärjestelmän<br />
suorituskyvyn parantamiseksi voidaan käyttää myös elektronista paisuntaventtiiliä,<br />
jonka avulla kylmäaineen määrää voidaan säätää elektronisesti pulssinleveysmodulaatiota<br />
tai askelmoottoria käyttämällä. Elektroninen paisuntaventtiili on kuitenkin<br />
perinteistä venttiiliä kalliimpi ja epäluotettavampi [35].<br />
Kuristinventtiili<br />
Kuristinventtiili (kuva 34) on järjestelmässä lauhduttimen ja höyrystimen välissä korkeapainelinjan<br />
sisällä. Kylmäaineen paine ja kuristusaukon koko määräävät kuristinventtiilin<br />
läpi kulkevan kylmäaineen määrän. Määrää voidaan säädellä ainoastaan kylmäaineen painetta<br />
muuttamalla kuristimen ollessa kiinteä.<br />
Nestemäinen kylmäaine kulkeutuu korkeapaineisena lauhduttimesta kuristinventtiilin tuloaukkoon.<br />
Sihti suodattaa kylmäaineesta mahdolliset epäpuhtaudet ja hajottaa kylmäaineen<br />
hienommaksi sumuksi. Kuristin laskee kylmäaineen painetta ja pieni määrä kylmäainetta<br />
pääsee höyrystimeen, jossa se alkaa höyrystyä. Kuristimen koko on säädetty vastaamaan<br />
maksimi jäähdytysteholla vaadittavaa kylmäainemäärää, jonka takia kevyillä kuormilla<br />
höyrystin saattaa tulvia, koska lämpöä ei ole riittävästi kaiken kylmäaineen höyrystämiseen.<br />
Mahdollinen nestemäisen kylmäaineen pääsy kompressorille on estetty asentamalla<br />
kuivain höyrystimen ja kompressorin väliin [4, 10].
44<br />
Kuva 34. Kuristinventtiili [4]<br />
Kuristinventtiilijärjestelmässä kompressoria joudutaan syklittämään matalapainekytkintä<br />
käyttämällä, jotta kylmäaineen painetta ja määrää saadaan muutettua vastaamaan järjestelmän<br />
kuormaa. Tämä johtaa usein huonoon suorituskykyyn ja liialliseen kompressorin syklittämiseen,<br />
mikä voidaan estää käyttämällä muuttuvatilavuuksista kompressoria tai kuristinventtiiliä,<br />
jonka kuristusta voidaan muuttaa kylmäaineen paineen mukaan. Muuttuvakuristuksisen<br />
venttiilin hyödyt sen kustannuksiin nähden eivät kuitenkaan ole huomattavat<br />
[10].<br />
Höyrystin<br />
Kylmäaine kulkeutuu paisunta tai kuristinventtiilistä höyrystimeen (kuva 35), jossa se laajenee<br />
ja muuttuu kaasumaiseksi. Höyrystymiseen tarvittava energia otetaan höyrystimen<br />
läpi virtaavasta ilmasta, joka jäähdyttyään johdetaan matkustamoon. Tulistettu höyry siirtyy<br />
paisuntaventtiilijärjestelmässä kompressoriin ja kuristinventtiilijärjestelmän tapauksessa<br />
kuivaimeen. Höyrystimen voimakkaan kylmenemisen takia sen läpi virtaavassa ilmassa<br />
oleva mahdollinen kosteus sitoutuu höyrystimen pintaan, mikä auttaa puhdistamaan läpivirtaavaa<br />
ilmaa epäpuhtauksista. Matkustamoon kulkeutuva ilma on myös kuivempaa ja<br />
tehostaa matkustamon viihtyvyyttä sekä huurteenpoistoa ikkunoista etenkin kosteissa olosuhteissa<br />
[10,4]. Höyrystin on rakenteeltaan hyvin samanlainen kuin lauhdutin tai lämmittimen<br />
lämmönvaihdin.
45<br />
Kuva 35. Höyrystin [4]<br />
Höyrystimen tulee mahdollistaa tasainen kylmäainevirta kaikissa toimintaolosuhteissa.<br />
Riittävä jäähdytyskapasiteetti tarvitaan matkustamon nopeaan jäähdyttämiseen. Höyrystimen<br />
suorituskyky on sitä parempi, mitä lähempänä ideaalista höyryprosessisykliä sen<br />
toiminta on. Tämä tarkoittaa kylmäaineen paineen ja lämpötilan pysymistä mahdollisimman<br />
vakioina höyrystymisen aikana. Lisäksi kylmäaineen kierto tulisi suunnitella niin, että<br />
höyrystimen pintalämpötila olisi mahdollisimman yhdenmukainen. Höyrystimen kapasiteettiin<br />
vaikuttavat sen kaikkien pintojen ala, höyrystimen läpi kulkevan kylmäaineen ja<br />
ilman lämpötilaerot, höyrystimen materiaalin lämmönjohtokyky sekä lämmönsiirto höyrystimen,<br />
kylmäaineen ja höyrystimen läpi kulkevan ilman välillä. Merkittävin kapasiteettiin<br />
vaikuttava tekijä on höyrystimen koko, jonka suhteen on kuitenkin huomioitava tilankäytön<br />
rajoitukset. Käytettävissä olevan tilan ollessa rajoittava tekijä, lämmönsiirtoon höyrystimen<br />
ja ilman välillä voidaan vaikuttaa höyrystimen materiaalivalinnalla [35]. Lauhduttimien<br />
tapaan myös höyrystimissä on alettu käyttää rinnakkaisvirtaustyyppistä rakennetta,<br />
jolla saavutetaan perinteistä rakennetta parempi jäähdytyskapasiteetti [36].<br />
3.5.3 Kylmäaineet<br />
Nykyisissä <strong>ajoneuvojen</strong> ilmastointijärjestelmissä käytetään pääasiallisesti kylmäainetta R<br />
134a, joka korvasi 90luvun puoliväliin asti käytetyn CFCyhdiste R12:n. Kylmäaineen R<br />
12 käyttö kiellettiin sen otsonikatoa ja ilmaston lämpenemistä lisäävän vaikutuksen takia.<br />
R134a on HFCyhdiste, joka ei sisällä klooria, eikä siten tuhoa otsonikerrosta. Lisäksi se<br />
on myrkytön sekä syövyttämätön kylmäaine. R134a ei sekoitu mineraaliöljyjen kanssa,<br />
jonka vuoksi järjestelmissä käytetään synteettistä PAGöljyä. R12 kylmäaineeseen verrattuna<br />
R134a ei ole yhtä tehokas korkealla paine ja lämpötilaalueella [10].
46<br />
Kylmäaine R134a on kasvihuonekaasu, joka kiihdyttää ilmaston lämpenemistä ja kasvavan<br />
ympäristötietoisuuden myötä myös R134a ollaan kieltämässä. Se poistuu vaiheittain<br />
käytöstä EUmaissa vuoden 2011 alusta. Vuoden 2017 jälkeen ilmastointijärjestelmiä,<br />
joiden sisältämien fluorattujen kasvihuonekaasujen lämmitys<strong>vaikutus</strong> on yli 150, ei saa<br />
asentaa mihinkään ajoneuvoihin. Yhdysvalloissa vastaavaa päivämäärää ei ole asetettu,<br />
mutta todennäköisesti R134a pyritään poistamaan vaiheittain käytöstä jo ennen vuotta<br />
2017. Tavoitteena on löytää yksi uusi yhteinen kylmäaine maailmanmarkkinoiden yhdenmukaistamiseksi<br />
[37].<br />
Lämmitys<strong>vaikutus</strong> kuvaa kasvihuonekaasun <strong>vaikutus</strong>ta ilmaston lämpenemiseen hiilidioksidiin<br />
verrattuna. GWParvo saadaan laskemalla yhden kilogramman kaasumäärän lämmitys<strong>vaikutus</strong><br />
suhteessa yhden kilogramman hiilidioksidimäärän lämmitysvaikutukseen 100<br />
vuoden ajanjaksolla. Kylmäaineen R134a GWParvo on 1430. Korvaavan kylmäaineen<br />
löytämiseksi on tehty huomattavan paljon tutkimustyötä ja sen valitsemisessa tulee ottaa<br />
huomioon ympäristövaikutukset, kehityskustannukset, turvallisuus, yritysten investointihalukkuus<br />
sekä järjestelmän suorituskyky. Kylmäaineen lämmitysvaikutuksen lisäksi tulee<br />
kuitenkin huomioida myös kylmäaineen suorat päästöt järjestelmän vuotojen sekä epäsuora<br />
<strong>vaikutus</strong> ilmastoinnin käyttämiseen kuluvan energian kautta. Todennäköisimpänä vaihtoehtona<br />
uudeksi kylmäaineeksi pidettiin pitkään hiilidioksidia eli kylmäainetta R744 sen<br />
vähäisen ilmastoa lämmittävän vaikutuksen takia. Se on myös myrkytön ja syttymätön<br />
kylmäaine. R744järjestelmä toimii jäähdyttämisen lisäksi lämpöpumppuna, mikä poistaa<br />
lisälämmittimen tarpeen [2]. Hiilidioksidin käyttämisessä on kuitenkin huomattavia ongelmia.<br />
R744järjestelmän paineet ovat erittäin korkeat, joten järjestelmä vaatii kestävämpien<br />
komponenttien käyttöä. Tekniikka ei myöskään ole riittävän kehittynyt tehokkaaseen<br />
käyttöön etenkin pienissä ajoneuvoissa, ja suorituskyky huononee korkeilla ulkoilman<br />
lämpötiloilla. R744 vaatii myös uuden ohjausrajapinnan ajoneuvon muiden järjestelmien<br />
kanssa, ja järjestelmässä käytettävät komponentit ovat kalliita sekä painavia. Myös uusi<br />
huoltokalusto sekä menetelmät ovat korkeampien paineiden takia tarpeen. Lisäksi järjestelmän<br />
vuotojen etsintä on hankalaa ilmassa olevan hiilidioksidin vuoksi [38].<br />
Järjestelmissä pääasiallisesti käytettävä uusi kylmäaine tulee olemaan HFO1234yf. Sen<br />
GWParvo on 4, eikä se tuhoa otsonikerrosta, joten se on erittäin ympäristöystävällinen<br />
kylmäaine. Vaikka sen lämmitysarvo on hiilidioksidia suurempi, sen koko elinkaaren aikainen<br />
ympäristö<strong>vaikutus</strong> on kuitenkin hiilidioksidia parempi. HFO1234yf on ominaisuuksiltaan<br />
hyvin samanlainen kuin R134a ja tarvittavat muutokset järjestelmän kom
47<br />
ponenteissa ovat vähäisiä, joten se voidaan ottaa nopeasti käyttöön. Sillä päästään myös<br />
yhtä hyvään suorituskykyyn. Vaikka HFO1234yf on luokiteltu lievästi syttyväksi aineeksi,<br />
useat testit ovat osoittaneet, että sen käytöstä ei aiheudu vaaraa. Kylmäaineen myrkyllisyyttä<br />
on myös testattu ja sen käyttö on todettu turvalliseksi ajoneuvon ilmastointijärjestelmissä<br />
[39, 40]. Haasteita aiheuttavat kuitenkin kylmäaineen toimittajien rajoitettu määrä<br />
ja korkeat kustannukset kasvavien kylmäaineen, järjestelmän, tuotannon sekä huoltotoiminnan<br />
kustannusten vuoksi. Lievän syttyvyyden vuoksi huomiota täytyy kiinnittää myös<br />
kylmäaineen käyttöön hybridi ja sähköajoneuvoissa, joissa esiintyy korkeita jännitteitä.<br />
3.5.4 Ilmastointijärjestelmän melu<br />
Ajoneuvon melutaso vaikuttaa huomattavasti laatuvaikutelmaan. Moottorin, pakokaasujärjestelmän<br />
sekä muiden ajoneuvon järjestelmien kehittyessä hiljaisemmiksi, ilmastointijärjestelmän<br />
aiheuttaman melun merkitys kasvaa. Lisäksi hybridi ja sähköajoneuvoissa, joissa<br />
melutaso on jo perustasoltaan alhaisempi, ilmastointijärjestelmän akustisiin ominaisuuksiin<br />
joudutaan kiinnittämään enemmän huomiota. Järjestelmän aiheuttamaa melua voidaan vähentää<br />
ilmanjakokanaviston virtausominaisuuksien optimoinnilla, lisäämällä äänieristystä<br />
sekä käyttämällä hiljaisempia komponentteja, kuten harjattomia moottoreita sekä spiraalija<br />
vinolevymäntäkompressoreita [41].<br />
3.6 Ilmanjakelu<br />
Ajoneuvon ilmanjakelussa on kyse ilman siirtämisestä sisätilan ja ympäristön välillä sekä<br />
ilmanjaosta ajoneuvon matkustamon sisällä. Ilmanvaihdossa matkustamon ilmasta poistuu<br />
hiilidioksidia, ylimääräistä kosteutta, hajuja ja epäpuhtauksia, joten se on välttämätöntä<br />
ajoneuvon sisäilman hyvän laadun ylläpitämiseksi. Ilmanvaihto voidaan jakaa luonnolliseen<br />
ja pakotettuun ilmanvaihtoon.<br />
Luonnollinen ilmanvaihto<br />
Ajoneuvon liikkuessa eteenpäin sen pintaan muodostuu erisuuruisia staattisen paineen alueita.<br />
Ilman imuaukot sijoitetaan yleensä korkeamman paineen alueille, kuten tuulilasin alapuolelle<br />
ja poistoaukot matalamman paineen alueille ajoneuvon taakse. Ilma kulkeutuu<br />
ajoneuvon sisälle näiden välisen paineeron avulla. Tällöin suunnittelussa joudutaan ottamaan<br />
huomioon moottoritilan riittävä eristys hajuhaittoja vastaan sekä ilmavirran riippu
48<br />
vuus ajoneuvon nopeudesta. Tämän vuoksi paineero pyritään yleensä pitämään mahdollisimman<br />
pienenä [10].<br />
Pakotettu ilmanvaihto<br />
Ajoneuvojen mukavuusvaatimukset ovat kasvaneet ja riittävä ilmavirta jäähdytystä, lämmitystä<br />
ja huurteenpoistoa varten voidaan saavuttaa vain käyttämällä sähköistä puhallinta.<br />
Tällöin ilmavirta on suurelta osin riippumaton ajonopeudesta, jolloin pienilläkin nopeuksilla<br />
päästään riittävän suuriin tilavuusvirtoihin. Puhaltimia käytetään sähköisten moottoreiden<br />
avulla ja niiden nopeutta voidaan säätää riippuen sähkömoottoriin johdetun virran suuruudesta.<br />
Puhaltimena käytetään yleensä aksiaali tai keskipakotyyppistä puhallinta ja<br />
moottorina esimerkiksi harjatonta tasasähkömoottoria. Puhaltimien suunnittelussa pyritään<br />
virtauksen maksimointiin ja mahdollisimman pieneen kokoon sekä meluun. Virtauksen<br />
optimoimiseksi hyödynnetään simulointityökaluja, joiden avulla voidaan analysoida virtauskuvioita<br />
ja painealueita järjestelmässä ja säätää komponenttien kokoa, muotoa sekä<br />
paikkaa aerodynaamisesti ja melutasoltaan mahdollisimman tehokkaan järjestelmän kehittämiseksi<br />
[10].<br />
Ilmanjakeluyksikkö<br />
Kojelaudan alapuolella oleva ilmanjakeluyksikkö (kuva 36) käsittää ilmanjakokanavat ja –<br />
läpät, joiden lisäksi yksikössä on puhallin, lämmönvaihdin sekä höyrystin. Ilmaa johdetaan<br />
suodattimen kautta puhallinyksikön avustamana ilmanjakeluyksikön läpi. Ilman lämpötilaa<br />
säädetään sekoittamalla lämmintä ja kylmää ilmaa, jonka jälkeen ilma johdetaan ilmanjakokanavien<br />
ja läppien avulla eri puolille matkustamoa. Tuloilmana voidaan käyttää raitisilmaa<br />
ajoneuvon ulkopuolelta tai kierrätettyä matkustamon ilmaa. Kun sisäilmankierto<br />
kytketään päälle, raitisilmanotto sulkeutuu ja sisäilmankiertoläppä avautuu, millä voidaan<br />
estää epämiellyttävien hajujen pääsy matkustamoon sekä tehostaa lämmitystä tai jäähdytystä<br />
[10].
49<br />
Kuva 36. Ilmanjakeluyksikkö [48]<br />
Tuloilman puhdistamiseen käytetään raitisilmasuodatinta, joka estää esimerkiksi pölyn,<br />
tien pinnasta irtoavien hiukkasten ja siitepölyn pääsyn järjestelmään. Usein käytetään yhdistelmäsuodatinta,<br />
joka sisältää partikkeli ja aktiivihiilisuodattimet. Aktiivihiili neutralisoi<br />
epämiellyttäviä hajuja ja poistaa ilmasta otsonia sekä vähentää matkustamoon kulkeutuvia<br />
pakokaasuja. Myös bakteerintuholamppua voidaan käyttää järjestelmään kulkeutuvien<br />
tai siellä syntyvien bakteerien tappamiseen ja hajuhaittojen estämiseen. Fotokatalyyttisen<br />
suodattimen avulla voidaa estää lähes täysin saasteiden ja mikrobien pääsy matkustamoon<br />
ja se on perinteisiä aktiivihiilisuodattimia huomattavasti tehokkaampi [10].<br />
Linjaautojen suuren matkustamon ja matkustajamäärän takia ilmanjakelun toteuttaminen<br />
on henkilöautoja haastavampaa. Ilman tulo ja poistoaukot on yleensä sijoitettu linjaauton<br />
katolle sekä mahdollisesti takaosaan tai sivuille. Tehokkaan luonnollisen ilmanvaihdon<br />
saavuttaminen edellyttää optimaalista tulo ja poistoaukkojen sijoittelua. Esimerkiksi liian<br />
lähekkäin olevat poisto ja tuloaukot voivat aiheuttaa raitisilman epätasaisen jakautumisen<br />
matkustamossa sekä ilman epäpuhtauksien riittämättömän poiston. Kesällä kuuman ja talvella<br />
kylmän ulkoilman jäähdyttämiseen tai lämmittämiseen kuluu huomattavan paljon<br />
energiaa, minkä vuoksi sisäilman uudelleenkierrättämistä voidaan lisätä energiatehokkuuden<br />
parantamiseksi. Linjaautoissa käytetään erilaisia ilmanvaihtomenetelmiä ja niiden yhdistelmiä,<br />
kuten itsenäisiä manuaalisesti tai sähköisesti ohjattuja tuuletusventtiileitä, ilmaläppiä,<br />
jatkuvasti avoinna olevia tuuletusaukkoja ja kattoluukkuja (kuva 38) sekä mahdollisesti<br />
ilmastointia, joka myös vaihtaa matkustamon ilmaa. Raitisilmanotto tulee sijoittaa<br />
kauas saasteista ja melusta. Ilma johdetaan matkustamoon ilmanjakokanavistoa pitkin eri
50<br />
puolille matkustamoa sijoitettavien aukkojen kautta ja poistoilma matkustamon etu ja<br />
takaosissa olevien poistoaukkojen kautta matkustamon ulkopuolelle. Ajoneuvon katolla on<br />
usein puhaltimilla varustettuja tuuletusventtiilejä tulo ja poistoilmalle [42]. Kuvassa 37 on<br />
havainnollistettu linjaauton ilmanvaihtoa.<br />
Kuva 37. Linjaauton ilmanvaihto [43]<br />
Kuva 38. Kattoluukkujen asennot ilmavirran optimoimiseksi [44]
51<br />
3.7 Hybridi<strong>ajoneuvojen</strong> terminen hallinta<br />
Hybridi<strong>ajoneuvojen</strong> sähköisen voimansiirron vähäisen hukkalämmöntuoton takia jäähdytysnesteen<br />
lämpövirtoja täytyy hallita paremmin ja käyttää mahdollisesti pakokaasussa<br />
olevaa energiaa lisävoimanlähteenä. Lisäksi tulevaisuuden ilmastointijärjestelmät tulee<br />
suunnitella huomattavasti tehokkaammin, jotta matkustamon korkea mukavuustaso voidaan<br />
ylläpitää huonontamatta ajoneuvon ajokantamaa [41].<br />
Start/stopautomatiikkaa hyödyntävissä hybridiajoneuvoissa moottori sammuu pysähdyksissä<br />
polttoaineenkulutuksen ja hiilidioksidipäästöjen pienentämiseksi. Mikro ja kevythybrideihin<br />
sähkökäyttöinen kompressori ei sen suuren tehontarpeen vuoksi sovellu, vaan ilmastointijärjestelmässä<br />
käytetään perinteistä polttomoottorista käyttövoimansa ottavaa<br />
kompressoria. Start/stopominaisuuden takia kompressori ei ole pysähdyksissä käytettävissä,<br />
joten matkustusmukavuutta voidaan ylläpitää esimerkiksi kylmäakkuna toimivan varastointihöyrystimen<br />
avulla. Lämmitys toteutetaan moottorin hukkalämmön sekä PTClämmittimien<br />
avulla. Täyshybrideissä matkustamon jäähdytystä voidaan pysähdyksissä<br />
ylläpitää sähkökäyttöisen kompressorin avulla. Matkustamon esijäähdytys ennen liikkeellelähtöä<br />
on myös mahdollista. Lämmitys toteutetaan moottorin hukkalämmön avulla, mutta<br />
ajettaessa pelkästään sähkön avulla, on sähköisen lämmityksen, kuten korkeajännite PTClämmittimen,<br />
käyttö välttämätöntä. Pistokehybrideissä ajoneuvon matkustamo voidaan esijäähdyttää<br />
tai lämmittää, joten nopeaa ja paljon energiaa kuluttavaa matkustamon lämmitystä<br />
tai jäähdytystä ei ole enää tarpeen käyttää. Myös sähköajoneuvoissa matkustamon<br />
jäähdytys voidaan toteuttaa sähkökäyttöisellä kompressorilla ja matkustamoa voidaan tulevaisuudessa<br />
esijäähdyttää esimerkiksi pysäköintialueilla olevien latausasemien kautta.<br />
Lämmitys voi perustua ilman käyttöön, jolloin käytetään korkeajännite PTClämmitintä tai<br />
veden käyttöön, jolloin ajoneuvoon asennetaan pieni sähköisesti lämmitettävä vesikierto<br />
[41].<br />
Akun jäähdytys<br />
Hybridiajoneuvoissa nikkelimetallihydridiakut korvataan yhä useammin litiumioniakuilla.<br />
Lämpötilaherkkiä Liionakkuja voidaan käyttää tehokkaasti vain tietyllä lämpötilaalueella.<br />
Toimintalämpötilan ylittäessä 40 ºC akun elinikä lyhenee. Toisaalta hyvin matalissa,<br />
alle 10 ºC, lämpötiloissa akun suorituskyky ja hyötysuhde huononevat. Akut lämpenevät<br />
sisäisen resistanssin vuoksi merkittävästi lyhytaikaisissa kuormitustilanteissa, ku
52<br />
ten jarrutusenergian talteenotossa tai avustetussa kiihdytyksessä niissä aiheutuvien suurten<br />
sähkövirtojen takia. Kun lisäksi huomioidaan korkean ulkoilman lämpötilan <strong>vaikutus</strong>,<br />
on selvää, että akkujen jäähdytys on niiden toiminnan kannalta välttämätöntä. Perinteinen<br />
moottorin jäähdytys ei kuitenkaan riitä Liionakkujen jäähdytystarpeisiin, joten jäähdytys<br />
tulee toteuttaa integroimalla akku osaksi ajoneuvon ilmastointijärjestelmää (kuva 39) [41].<br />
Kuva 39. Liionakun jähdytys [41]<br />
Akkujen jäähdytys voidaan toteuttaa käyttämällä suoraan matkustamosta otettua kylmempää<br />
ilmaa tai asentamalla akun yhteyteen erillinen pieni ilmastointiyksikkö. Akulle johtavien<br />
ilmanjakokanavien tilantarve sekä puhaltimen tai lisäilmastointiyksikön paino ovat<br />
kuitenkin huomattavia. Lisäksi mahdollinen puhaltimen melu sekä turvallisuusnäkökohdat<br />
liittyen matkustamon ja akun suoraan yhteyteen tulee ottaa huomioon [41]<br />
Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää kylmäainetta suoraan hyödyntävää jäähdytystä. Lisähöyrystintä<br />
käytetään jäähdytyslevynä akun yhteydessä, jolloin akun tuottama hukkalämpö<br />
siirtyy höyrystyvään kylmäaineeseen. Ratkaisu on kompakti ja vain kaksi lisäkylmäainelinjaa,<br />
imu ja painelinjat, tarvitaan. Toisaalta piirin ohjaus on monimutkaista, koska samalla<br />
kylmäainepiirillä tulee jäähdyttää sekä matkustamoa että akkua. Lisäksi menetelmällä ei<br />
voida mahdollistaa akun lämmittämistä talvella, minkä takia se ei sovellu täysin sähköisiin<br />
ajoneuvoihin. Sen sijaan kevythybrideissä jäähdytystapaa voidaan käyttää, vaikkakin kylmä<br />
akku on tehottomampi ja ääriolosuhteissa hybridin toiminnallisuus on vain rajallisesti<br />
hyödynnettävissä [41].<br />
Pistokehybrideissä ja täysin sähköisissä ajoneuvoissa, joissa käytetään suurempia akkuja,<br />
jäähdytykseen tarvittava energia voi vaikuttaa suoraan ajokantamaan. Lisäksi sähköenergian<br />
saanti riippuu äärimmäisen kylmissä olosuhteissa akun lämmittämisestä. Tällöin akun
53<br />
jäähdytys voidaan toteuttaa toisiopiiriä käyttämällä (kuva 40). Jäähdytys tapahtuu toisiopiirin<br />
avulla 15 –30 ºC lämpötiloissa. Moottorin jäähdytintä muistuttava ilmajäähdytin<br />
kykenee ylläpitämään tämän lämpötilaalueen, kun ulkoilman lämpötila on matala. Lämpimämmällä<br />
ilmalla toisiopiiriä lisäjäähdytetään ilmastointijärjestelmän kylmäainepiirin<br />
avulla. Tällöin käytetään lämmönvaihdinta, joka siirtää toisiopiirin hukkalämmön höyrystyvään<br />
kylmäaineeseen. Menetelmä on energiatehokas, koska se käyttää ensisijassa kylmäainepiiriä<br />
vähemmän energiaa kuluttavaa jäähdytysnestepiiriä. Lisäksi jäähdytysnestettä ja<br />
sen myötä akkua voidaan myös lämmittää. Jäähdytys toisiopiiriä käyttäen vaatii kuitenkin<br />
paljon tilaa, se tuo lisämassaa ja tekee järjestelmästä monimutkaisemman sekä kalliimman<br />
[41].<br />
Kuva 40. Akun jäähdytys toisiopiiriä käyttämällä [41]<br />
3.8 Kuormatilat<br />
Elintarvikekuljetuksissa käytettävän kuormatilan lämmitys ja jäähdytyslaitteiston on toimittava<br />
luotettavasti ja tehokkaasti voimakkaasti vaihtelevissa toimintaolosuhteissa. Kasvava<br />
ympäristötietoisuus ja kuljetusten määrän jatkuva kasvu asettavat paineita laitteistojen<br />
energiankulutuksen pienentämiseksi. Parempi energiatehokkuus ei kuitenkaan saa riskeerata<br />
kuljetettavien tuotteiden lämpötilanhallintaa.<br />
EU:n lainsäädäntö kattaa helposti pilaantuvien elintarvikkeiden varastoinnin ja kuljetuksen<br />
aikaisen lämpötilanhallinnan vaatimukset. Valmistajilla tulee olla tarkoituksenmukaiset<br />
käsittely ja varastointilaitteet, joiden avulla elintarvikkeiden lämpötilaa voidaan ylläpitää<br />
haluttuna ja lämpötiloja tarkkailla, ohjata sekä rekisteröidä. Helposti pilaantuvien elintarvikkeiden<br />
kuljetuksesta on olemassa myös kansainvälinen ATPsopimus, joka määrittää<br />
yleiset kansainvälisesti tunnustetut standardit lämpötilaohjatuille kuljetusajoneuvoille.
54<br />
ATPhyväksytyn korin vaatimuksiin kuuluu korin eristysarvo, kylmälaitteen minimiteho<br />
sekä autokorin ja kylmälaitteen testausmenetelmä. ATPhyväksytyt korit luokitellaan kahteen<br />
kategoriaan: FNA ja FRCtyyppeihin, missä F tarkoittaa kylmäainetta sekä N normaalia<br />
ja R vahvaa eristystä. A kattaa lämpötilat +12 –0 °C ja C lämpötilat +12 –(20) °C<br />
[45].<br />
Elintarvikkeiden kylmäkuljetuksissa käytetään erikokoisia ajoneuvoja käyttötarpeesta riippuen<br />
ja kuljetukset voidaan yleensä jakaa kaupunki ja pitkänmatkan kuljetuksiin. Kuormatilojen<br />
tehokkaan lämpötilanhallinnan saavuttamiseksi ne eristetään kerroselementein ja<br />
eristeenä käytetään esimerkiksi polyuretaania tai polystyreeniä sekä pinnoitemateriaalina<br />
lasikuitulaminaattia, terästä tai alumiinia. Kuormatilojen lämmöneristyskykyä kuvataan<br />
kertoimella, joka ilmaisee yhden neliömetrin läpi kulkevan lämpötehon wateissa ulko ja<br />
sisäpinnan lämpötilaeron ollessa yksi aste. Ajan kuluessa eristysmateriaalien teho huononee<br />
ja tyypillinen eristyksen heikkenemisaste on luokkaa 3 –5 % vuodessa. Usean vuoden<br />
käytön jälkeen laitteiston energiankulutus ja päästöt voivat tällöin jopa kaksinkertaistua<br />
[46].<br />
Kylmäkuljetussovelluksissa käytetään yleisimmin höyrykiertoprosessiin perustuvia jäähdytyslaitteita.<br />
Järjestelmää voidaan käyttää erillisen jäähdytysyksikköön asennetun dieselmoottorin<br />
avulla, tai vaihtoehtoisesti käyttövoima voidaan ottaa suoraan ajoneuvon moottorista<br />
vaihtovirtageneraattorin tai kiilahihnan välityksellä. Valinta riippuu käyttötarkoituksesta<br />
ja ratkaisevina tekijöinä voivat olla järjestelmän paino, melutason rajoitukset, huoltovaatimukset<br />
ja asennuskustannukset, polttoaineverotus sekä ympäristönäkökohdat. Tyypillisesti<br />
pienten kuormaautojen jäähdytysyksiköt ottavat käyttövoimansa suoraan ajoneuvon<br />
moottorista, suuremmissa ja perävaunullisissa kuormaautoissa käytetään erillistä dieselmoottoria.<br />
Jäähdytyslaitteiden kylmäainemäärät pienissä kuormaautoissa ovat tyypillisesti<br />
2kg, keskikokoisissa 5kg ja suurissa 7,5kg. Kylmäaineena käytetään pääasiassa R404a:ta ja<br />
R410a:ta sekä R134a:ta pelkkiin kylmäkuljetuksiin käytettävissä järjestelmissä [46].<br />
Ilmansyöttö kuormatiloihin tapahtuu yleensä ajoneuvon päältä ja jäähdytysyksikön tuulettimia<br />
käytetään lämpötilasäädellyn ilman kierrättämiseen ajoneuvon sisällä. Ilma poistaa<br />
ympäristöstä kuormatilaan tulevaa lämpöä ja palaa takaisin jäähdytyslaitteen höyrystimeen.<br />
Ilman takaisinvirtauksen varmistamiseksi voidaan käyttää väliseiniä. Ilman syöttöja<br />
paluupuolen ollessa samalla puolella ajoneuvoa, tasaisen lämpötilajakauman saavuttaminen<br />
koko kuorman välillä on haasteellista [46].
55<br />
Kuormatilat voidaan jakaa useampaan osastoon, joilla kaikilla on itsenäinen lämpötilansäätö<br />
(kuva 41). Koska itsenäiset osastot mahdollistavat lämpötilavaatimuksiltaan hyvin<br />
erilaisten tuotteiden kuljetuksen, menetelmää käytetään paljon esimerkiksi suurten ruokakauppojen<br />
kuljetuksissa. Alueellisessa lämpötilansäädössä käytetään useampaa höyrystinyksikköä,<br />
jotka on kytketty samaan lauhdutinyksikköön. Kuormatilan suunnittelussa tulee<br />
ottaa huomioon eri osastojen välinen lämmönsiirto sekä tuotteiden kuormaustapa [46].<br />
Kuva 41. Kuormatilan jäähdytys [46]
4 Järjestelmän säätö ja ohjaus<br />
56<br />
Ajoneuvon ilmastointijärjestelmä (kuva 42) on monimutkainen järjestelmä ja sen yksittäisten<br />
osien toiminta vaikuttaa läheisesti koko järjestelmän suorituskykyyn. Optimaalinen ja<br />
turvallinen toiminta jatkuvasti muuttuvissa olosuhteissa vaatii järjestelmän tarkan säädön<br />
mahdollistavia komponentteja. Säätö perustuu suurelta osin erilaisten antureiden ja toimilaitteiden<br />
käyttöön ja järjestelmän automaatioasteesta sekä toteutustavasta riippuen säädössä<br />
hyödynnetään eriasteista informaatiota.<br />
Kuva 42. HVACjärjestelmä [47]<br />
4.1 Ohjausyksikkö ja varojärjestelmä<br />
Kuvassa 43 on esitetty yksinkertaisen manuaaliilmastoinnin säätöpiiri. Järjestelmän toimintaa<br />
säätelee ohjausyksikkö, joka käsittelee antureilta tulevia signaaleita ja ohjaa niiden<br />
perusteella ilmanjakoläppien, kompressorin ja puhaltimen toimilaitteita. Ohjausyksikön<br />
rakenne ja toiminta vaihtelee järjestelmän kehittyneisyyden mukaan. Jotta järjestelmä toi
misi turvallisesti ja tehokkaasti, tarvitaan lisäksi varokomponentteja, joilla valvotaan<br />
esimerkiksi järjestelmän painetta ja lämpötiloja.<br />
57<br />
Kuva 43. Manuaalisen ilmastoinnin säätöpiiri [4]<br />
Ilmastointi käynnistetään käyttökytkimellä, jonka jälkeen magneettikytkin kytkee kompressorin<br />
ja moottorinohjausyksikölle kulkeutuu tieto siitä, että ilmastointi on päällä. Tällöin<br />
moottorin tyhjäkäyntinopeus kasvaa, jotta kompressorin aiheuttama kuorma saadaan kompensoitua.<br />
Ilmastoinninkytkin voidaan asentaa ulkolämpötilakytkimen yhteyteen, millä<br />
varmistetaan, että ilmastointi ei käynnisty alle 5 ºC:een lämpötiloissa.<br />
Korkeapainepuolelle kompressorin tai paisuntaventtiilijärjestelmässä kuivaimen yhteyteen<br />
asennettavan ylipaineventtiilin tehtävä on suojella järjestelmää liian korkealta paineelta.<br />
Höyrystimen lämpötilatunnistimella valvotaan höyrystimen lämpötilaa. Tunnistin mittaa<br />
höyrystimen jäähdytysripojen välistä lämpötilaa ja lähettää tiedon ilmastoinnin ohjausyksikölle.<br />
Jos lämpötila laskee liian alas (~ 0 ºC), kompressori kytketään pois päältä, millä estetään<br />
höyrystimen jäätyminen. Lämpötilan noustessa takaisin turvalliselle tasolle eli noin<br />
3 ºC:seen, kompressori kytketään jälleen päälle. Yhdessä ulkoisesti ohjatun kompressorin<br />
kanssa höyrystimen lämpötilatunnistinta voidaan käyttää höyrystimen ulostulon tarkkaan<br />
lämpötilan säätämiseen, jolloin ilman uudelleenlämmittämisen tarve lämmönvaihtimessa<br />
vähenee. Höyrystimen lämpötilatunnistimena käytetään usein NTCvastusta. Joissakin järjestelmissä<br />
voidaan vastaaviin toimintoihin käyttää myös ulkoilman lämpötilatunnistinta<br />
tai höyrystimen lämpötilakatkaisinta, joka tarvittaessa suoraan katkaisee kompressorin<br />
sähkönsyötön [7].
58<br />
Painekytkintä käytetään paisuntaventtiilijärjestelmässä järjestelmän paineen tarkkailuun<br />
sekä säätelyyn ja se asennetaan korkeapainepuolelle usein kuivaimen yhteyteen. Kytkintä<br />
voidaan käyttää sekä korkea että matalapainekytkimenä. Kun paine järjestelmässä nousee<br />
liikaa (24 –32 bar) esimerkiksi likaisen lauhduttimen takia tai paineen laskiessa minimiarvon<br />
alle (~2 bar) esimerkiksi kylmäainevuodon vuoksi, painekytkin vapauttaa magneettikytkimen<br />
ilmastoinnin ohjausyksikön kautta. Painekytkin huolehtii myös jäähdyttävästä<br />
ilmavirrasta säätelemällä tarvittaessa puhaltimen nopeutta optimaalisen lauhduttimen suorituskyvyn<br />
varmistamiseksi [7].<br />
Uudemmissa järjestelmissä käytetään elektronisia korkeapainetunnistimia, jotka mittaavat<br />
kylmäaineen painetta ja muuttavat sen sähköiseksi signaaliksi. Ne tarkkailevat kylmäaineen<br />
painetta koko kylmäainekierron aikana. Signaalien perusteella jäähdyttimen tuulettimen<br />
ohjausyksikkö ohjaa magneettikytkimen ja jäähdyttimen tuulettimen toimintaa. Painetunnistimen<br />
avulla kompressorin syöttö saadaan tarkasti vastaamaan moottorin eri kierrosnopeuksia.<br />
Jäähdyttimen tuulettimen toiminnassa päästään pienempiin viiveisiin ja täten<br />
erityisesti pienitehoisilla moottoreilla varustetuissa ajoneuvoissa matkustamon mukavuus<br />
paranee [7].<br />
Kuristinventtiilijärjestelmässä käytetään usein erillisiä korkeapaine ja matalapainekytkimiä<br />
(kuva 44). Kompressori kytketään pois päältä, jos järjestelmän paine laskee tai nousee<br />
liikaa. Sallitut paineen rajaarvot vaihtelevat järjestelmästä riippuen [48].<br />
Kuva 44. Kuristinventtiilijärjestelmän painekytkimet [48]
59<br />
Kun moottorin kuorma on korkea, jäähdytysnesteen lämpötila saattaa nousta liikaa osittain<br />
kompressorin aiheuttaman lisäkuorman takia. Tämän takia moottorin lämpötilatunnistinta<br />
käytetään jäähdytysnesteen lämpötilan tarkkailuun, jolloin tarvittaessa kompressori<br />
voidaan kytkeä pois päältä [48]. Lämpötilatunnistimelta ja korkeapainetunnistimelta saatujen<br />
lämpötila ja painearvojen perusteella ilmastoinnin ohjausyksikkö voi myös havaita<br />
järjestelmässä olevan vuodon [49].<br />
Toimiva jäähdyttimen tuuletin on edellytyksenä moottorin tehokkaalle jäähdytykselle mutta<br />
erityisesti henkilöautossa myös ilmastoinnin toiminnalle lauhduttimen suorituskyvyn<br />
kautta. Tämän vuoksi ilmastoinnin yhteydessä käytetään yleensä lisätuulettimia, joiden<br />
avulla riittävä ilmavirta lauhduttimen ja jäähdyttimen läpi voidaan varmistaa. Tuulettimien<br />
ohjaus tapahtuu ohjausyksikön kautta jäähdytysnesteen lämpötilan ja kylmäaineen paineen<br />
perusteella. Ohjausyksikkö vastaanottaa signaaleja tuulettimen lämpötilakytkimeltä, ilmastoinnin<br />
painekytkimeltä sekä automaattisessa järjestelmässä ilmastoinnin ohjausyksiköltä.<br />
Tulosignaalien perusteella ohjausyksikkö kytkee tuulettimen ja kompressorin magneettikytkimen<br />
päälle tai pois. Uudemmissa järjestelmissä jäähdyttimen tuulettimen ohjausyksikkö<br />
on usein asennettu korkeapainetunnistimen yhteyteen. Ohjausyksiköllä voidaan käsitellä<br />
korkeapainetunnistimelta tulevia PWMsignaaleita ja näin kylmäaineen painetta voidaan<br />
jatkuvasti tarkkailla [48].<br />
4.2 Ilmanjaon ja lämpötilan säätö<br />
Matkustamon lämpötilaa ja ilmanjakoa säädetään ohjaamalla ilmavirtaa sekoitus ja ohjausläppien<br />
avulla. Kehittyneempien järjestelmien lämmönsäädössä käytetään enemmän ulkoisia<br />
tekijöitä huomioivia komponentteja ja ilmanjako matkustamossa on monimutkaisempi,<br />
jolloin matkustamon eri puolille voidaan luoda itsenäiset olosuhteet. Tällöin tarvittavien<br />
antureiden sekä säätöläppien ja niitä käyttävien toimilaitteiden määrä luonnollisesti<br />
kasvaa.
60<br />
Kuva 45. Ilmanjaon ja lämpötilan säätö [48]<br />
Ilman jakautuminen matkustamossa riippuu valituista asetuksista ja järjestelmän konstruktiosta.<br />
Kuvassa 45 on havainnollistettu henkilöauton ilmastointijärjestelmän ilmanjaon ja<br />
lämpötilan säätöä. Kun järjestelmältä vaaditaan maksimaalista jäähdytystehoa, lämpöläppä<br />
on asennossa, jossa lämmönvaihtimelle johtava kanava on suljettu ja tuloilmakanavasta<br />
tuleva lämmin ilma kulkee vain höyrystimen läpi. Jäähtynyt ilma johdetaan puhaltimen<br />
avustamana matkustamon eri osiin riippuen ilmanjaon läppien asennosta [48].<br />
Kun matkustamoon menevää ilmaa halutaan lämmittää, johdetaan ilma lämmönvaihtimen<br />
läpi. Vaikka höyrystin ei ole toiminnassa, kaikki ilma kulkee sen läpi. Lämmitystehon säädössä<br />
voidaan vaihtoehtoisesti käyttää veden puolelta tai ilman puolelta ohjattua lämmitystä.<br />
Kun lämmitystä säädetään veden puolelta, lämmönvaihtimen läpi virtaa aina koko ilmamäärä<br />
(kuva 46). Pumppu (kuva 47) huolehtii jäähdytysnesteen kierrättämisestä järjestelmässä<br />
ja lämmitystehon säätö tapahtuu säätöventtiilillä, joka ohjaa lämmönvaihtimen<br />
läpi kulkevaa jäähdytysnestevirtaa. Kun lämpötilaa halutaan nostaa, venttiili säädetään<br />
päästämään enemmän jäähdytysnestettä lämmittimeen. Menetelmällä saavutetaan hyvä<br />
lämmitysteho, mutta nestevirtaus ja lämpötila sekä sitä kautta lämmitysteho riippuvat<br />
moottorin kuormasta ja pyörimisnopeudesta. Tämä johtaa viiveisiin järjestelmän vasteessa<br />
[10].
61<br />
Kuva 46. Veden puolelta ohjattu lämmitys [10]<br />
Kuva 47. Pumppuyksikkö [47]<br />
Viiveettömämpi säätö voidaan toteuttaa ilmamäärää säätelevällä lämmityksellä (kuva 45).<br />
Riippuen valitusta lämpötilaalueesta vaihteleva osa ilmamäärästä voidaan portaattomasti<br />
ohjata lämmönvaihtimen läpi ja sen ohitse lämpöläppää käyttämällä. Lämmönvaihtimen<br />
jälkeen erotetut ilmavirrat yhdistyvät jälleen ja lopullinen ilmavirran lämpötila saavutetaan.<br />
Menetelmällä päästään pieniin vasteaikoihin lämmityksen säädössä, mutta lämmitysjärjestelmän<br />
koko kasvaa. Lisähaittana on mahdollinen lämmön säteilyn aiheuttama jälkilämpö<br />
ilmavirtaan lämmittimen ollessa pois päältä, mikä tosin voidaan estää katkaisemalla jäähdytysnesteen<br />
virtaus sulkuventtiilillä [10].<br />
Matkustamoa jäähdytettäessä höyrystimen läpi kulkeva ilma saattaa jäähtyä liikaa asetettuun<br />
lämpötilaarvoon nähden, koska puhaltimien kapasiteetti on yleensä suunniteltu maksimijäähdytyksen<br />
mukaan. Lämpötilavaihteluita aiheutuu myös muuttuvan ulkoilman läm
62<br />
pötilan, ajonopeuden sekä jäähdytysnesteen lämpötilan takia. Tämän vuoksi osa kylmästä<br />
ilmasta joudutaan johtamaan lämmönvaihtimen läpi ja lämmennyttä ilmaa sekoittamaan<br />
kylmään ilmaan. Nykyaikaisissa järjestelmissä voidaan käyttää höyrystimen lähtökanavan<br />
lämpötilaanturia yhdessä ulkoisesti ohjatun kompressorin kanssa. Tällöin höyrystimen<br />
lähdön lämpötilaa voidaan säätää, jolloin tietynlämpöisen ilmavirran saavuttamiseksi ilmaa<br />
ei tarvitse enää lämmittää uudelleen lämmönvaihtimessa. Tämä vähentää järjestelmän<br />
energiankulutusta [48].<br />
4.2.1 Manuaalinen järjestelmä<br />
Manuaalinen ilmastointijärjestelmä ei kykene pitämään ajoneuvon matkustamon lämpötilaa<br />
vakiona, koska matkustamon olosuhteisiin vaikuttaa paljon muuttujia, joihin järjestelmä<br />
ei pysty reagoimaan. Ajoneuvon nopeus, joka vaikuttaa luonnolliseen ilmavirtaukseen,<br />
auringon säteilyn lämmittävä <strong>vaikutus</strong>, ilmankosteus, ulko ja sisäilman lämpötila, sekä<br />
matkustajien lukumäärä ovat kaikki tällaisia tekijöitä. Manuaalisessa järjestelmässä kuljettaja<br />
on siis käytännössä osa säätöjärjestelmää ja määrittelee sopivan lämpötilan sekä tarvittaessa<br />
itse säätää ilmavirran lämpötilaa, määrää sekä jakautumista matkustamossa. Tämä<br />
tuo haasteita erityisesti linjaautoissa, joissa kuljettaja joutuu säätämään matkustamon lämpötilaa<br />
pelkkään arvioon perustuen. Manuaaliset ilmastointijärjestelmät alkavat vähentyä<br />
nykyaikaisissa ajoneuvoissa ja ne on usein korvattu puoliautomaattisilla järjestelmillä [10].<br />
Manuaalisen ilmastoinnin ohjausyksikön käyttöpaneelissa on tyypillisesti manuaaliset valitsimet<br />
puhaltimen nopeudensäädölle, ilmanjaolle ja lämpötilalle sekä katkaisin ilmastoinnin<br />
päälle ja poiskytkennälle ja sisäilmankierrolle. Ohjausyksikkö on yleensä ASICtyyppinen<br />
ohjain, jolla ei ole muistitoimintoja, eikä sitä voi ohjelmoida. Sitä ei voi myöskään<br />
liittää tietoväyläjärjestelmään, eikä siitä voi lukea vikakoodeja OBDjärjestelmää<br />
käyttäen. Usein manuaalisessa ilmastointijärjestelmässä kompressoria ohjataan voimansiirron<br />
ohjausyksikön kautta painekytkimien antaman tiedon perusteella, eikä varsinaisella<br />
ilmastoinnin ohjausyksiköllä. Lämpötilan ja ilmanjaon säätö tapahtuu tyypillisesti kytkimien<br />
ja bowdenvaijerien tai joustavien akselien avulla. Puhaltimena käytetään usein tasasähkömoottorilla<br />
ja nopeussäädöllä varustettua puhallinta tai joissakin järjestelmissä harjatonta<br />
puhallinmoottoria [10, 50].
63<br />
Manuaalinen sisäilmankierto<br />
Sisäilmankierrolla voidaan sulkea raitisilmanotto ja estää epämiellyttävien hajujen ja saasteiden<br />
pääsy matkustamoon kierrättämällä ajoneuvon sisäilmaa ilmastointijärjestelmän läpi.<br />
Matkustamo voidaan myös jäähdyttää tai lämmittää nopeammin, koska matkustamon<br />
ilma on jo valmiiksi viileämpää tai vastaavasti lämpimämpää kuin ulkoilma. Sisäilmankierron<br />
käyttöä rajoittaa kuitenkin sisäilman kosteuspitoisuuden kasvu ja siitä aiheutuva<br />
ikkunoiden huurustuminen. Manuaalinen sisäilmankierto kytketään ohjauspaneelista päälle,<br />
jolloin raitisilmanotto sulkeutuu ja sisäilmankiertoläppä avautuu (kuva 48) [48].<br />
Kuva 48. Manuaalinen pneumaattisesti ohjattu sisäilmankierto [48]<br />
4.2.2 Puoliautomaattinen järjestelmä<br />
Puoliautomaattisessa ilmastoinnissa (kuva 49) valittu sisälämpötila säilyy aina halutunlaisena<br />
ajonopeuden tai ulkolämpötilan muuttuessa. Järjestelmän ohjaukseen käytetään elektronista<br />
ohjausyksikköä ja se sisältää yleensä manuaalisen ja automaattisen puhaltimen nopeuden<br />
säädön, manuaalisen ilmanjaon sekä manuaalisen ja automaattisen lämpötilansäädön.<br />
Ilmastoinnin päälle ja poiskytkennälle ja sisäilmankierrolle on omat katkaisimet. Lisäksi<br />
puoliautomaattisissa järjestelmissä on usein LCDnäyttö. Järjestelmän käyttäjä voi<br />
käyttää järjestelmää automaatti tai manuaaliasetuksella ja valita haluamansa matkustamon<br />
lämpötilaarvon. Sisäilman lämpötilaanturin sekä ilmanjakokanaviston ulosvirtauslämpötunnistimien<br />
avulla ohjausyksikkö vertaa mitattua sisäilman lämpötilaa haluttuun arvoon ja
64<br />
säätää järjestelmää toimimaan tarpeen mukaan ohjaamalla puhaltimen ja lämpöläpän<br />
moottoreita. Myös ulkoilman lämpötilaanturilta saatavaa tietoa voidaan käyttää puhaltimen<br />
ja lämpöläpän ohjauksessa. Puoliautomaattisessa järjestelmässä ilmanjako täytyy<br />
määrittää manuaalisesti, joten järjestelmässä on yleensä säätömoottorit lämpö ja sisäkiertoläpille<br />
mutta ei varsinaiselle ilmanjaolle. Tuloilmakanavassa ei myöskään ole lämpötilaantureita.<br />
Puoliautomaattisia ilmastointijärjestelmiä voidaan ohjelmoida sähköisesti ja niissä<br />
on usein sisäänrakennettuja itsediagnostiikkatoimintoja. Järjestelmä voidaan myös liittää<br />
tietoväyläjärjestelmiin [10].<br />
Kuva 49. Puoliautomaattisen Climaticjärjestelmän säätöpiiri [50]<br />
Sisäilman lämpötilaa mittaava anturi (kuva 50) on yleensä integroitu ohjausyksikköön ja<br />
sen yhteyteen on asennettu puhallin, joka imee sisäilmaa anturille [48]. Uudemmissa järjestelmissä<br />
sisäilman lämpötunnistin on usein korvattu tuulettamattomalla anturilla (kuva<br />
51), joka koostuu NTCvastuksen ja fotodiodin yhdistelmästä. Ulosvirtauslämpötunnisti
mia voidaan sijoittaa eri puolille järjestelmän ilmanjakokanavistoa, kuten jalkatilaan tai<br />
keskikonsoliin johtavaan kanavaan (kuva 50).<br />
65<br />
Lämpötunnistin<br />
ja puhallin<br />
Kuva 50. Sisätilan ja ulosvirtauksen lämpötilaanturit [4]<br />
Kuva 51. Tuulettamaton sisäilman lämpötilaanturi [51]
66<br />
4.2.3 Automaattinen järjestelmä<br />
Kuva 52. Automaattiilmastoinnin säätöpiiri [4]<br />
Automaattinen ilmastointijärjestelmä (kuva 52) hyödyntää useampaa ohjausparametria<br />
kuin manuaalinen tai puoliautomaattinen järjestelmä pitäen ajoneuvon matkustamon olosuhteet<br />
haluttuina. Kun säädetty lämpötila eroaa matkustamon mitatusta arvosta, ohjausyksikkö<br />
säätää lämpöläppää, puhaltimen nopeutta ja ilmanjakoa niin, että matkustamon miellyttävä<br />
ilmasto saavutetaan mahdollisimman nopeasti ja tämän jälkeen ylläpitää asetettua<br />
lämpötilaarvoa. Automaattisessa järjestelmässä on säätömoottorit siis myös ilmanjaolle ja<br />
toimilaitteiden määrä voi olla huomattava verrattuna yksinkertaisempiin järjestelmiin (kuva<br />
53). Puoliautomaatti ja automaattijärjestelmissä säätöläppien ohjaamiseen käytetään<br />
paineilmamoottoreita tai nykyjärjestelmissä useimmiten sähkömoottoreita, koska ne soveltuvat<br />
paremmin sekoitus ja ohjausläppien portaittaiseen säätöön.
67<br />
Kuva 53. Automaattisen Climatronicjärjestelmän säätöläpät ja toimilaitteet [50]<br />
Perusantureiden lisäksi automaattisessa ilmastointijärjestelmässä on yleensä tuloilmakanavan<br />
lämpötilaanturi, yksi tai useampi ulkoilman lämpötilaanturi ja mahdollisia lisätunnistimia,<br />
kuten auringon säteilyä, ulkoilman epäpuhtauksia tai sisäilman kosteutta mittaavia<br />
antureita. Tuloilmakanavan anturia käytetään yhdessä ulkoilman lämpötilaanturin kanssa<br />
ilmanjaon, lämpöläpän ja puhaltimen ohjaukseen [10, 48]. Perinteisten puolijohdelämpötilaantureiden<br />
lisäksi uusissa järjestelmissä on alettu käyttää pyrometrisia, kosketuksettomaan<br />
lämpötilan mittaamiseen tarkoitettuja, menetelmiä esimerkiksi ilmastoinnin ohjaukseen<br />
ihon pintalämpötilan perusteella sekä tuulilasin huurustumisen estämiseksi [52].<br />
Sisäilman lämpötilan tarkkaan säätöön voidaan käyttää auringon säteilyä mittaavia antureita,<br />
joiden toiminta perustuu valosähköilmiötä hyödyntävien diodien, aurinkokennojen tai<br />
infrapunaantureiden käyttöön. Anturi sijoitetaan tuulilasin läheisyyteen kojelaudan yläpuolelle<br />
[10]. Kuvan 54 mukaisessa valoanturissa auringon säteily kulkee anturissa olevan<br />
suodattimen läpi ja törmää fotodiodissa olevaan optiseen elementtiin. Suodatin suojaa elementtiä<br />
uvsäteilyltä. Fotodiodin läpi kulkee pieni virta, kun säteily on vähäistä, mutta auringonvalon<br />
lisääntyessä myös virta kasvaa. Virran kasvaessa ilmastoinnin ohjausyksikkö<br />
säätää lämpöläppää sekä puhaltimen nopeutta tarpeen mukaan. Valoantureita voi myös olla
useampia eri puolella matkustamoa, jolloin esimerkiksi suuremmalle auringon säteilylle<br />
altistuvaa puolta voidaan jäähdyttää enemmän [48].<br />
68<br />
Kuva 54. Valoanturi [48]<br />
Kosteusanturi mittaa tuulilasin lämpötilaa, ilmankosteutta sekä sisäilman lämpötilaa kohdassa,<br />
jossa kosteutta mitataan. Näin kastepiste voidaan määrittää tarkasti ja saatua tietoa<br />
käyttää huurteenpoiston tehostamiseen [47]. Kosteutta voidaan mitata kapasitiivisesti, jolloin<br />
anturielementin kalvokondensaattorin kapasitanssi muuttuu eristeaineen reagoidessa<br />
kosteuden kanssa [10].<br />
Automaattinen sisäilmankierto<br />
Automaattisessa järjestelmässä raitisilmanoton ja sisäilmankierron läppiä ohjataan sähköisesti<br />
säätömoottorilla (kuva 55). Automaattisella ohjauksella varustetussa sisäilmankierrossa<br />
ajoneuvon raitisilmanotto suljetaan automaattisesti, jos matkustamon kosteuspitoisuus<br />
nousee liian korkeaksi tai tuloilmassa havaitaan liian suuri saastepitoisuus. Tätä varten<br />
matkustamossa on kosteusanturi ja tuloilmakanavan yhteyteydessä ilmanlaatuanturi sekä<br />
usein perinteisen raitisilmasuodattimen korvaava yhdistelmäsuodatin (kuva 56). Ilmanlaatuanturi<br />
mittaa ilman saastepitoisuutta resistanssiin perustuen. Anturin ytimenä on oksidisekoitus,<br />
jonka resistanssi muuttuu, kun anturi on kosketuksissa oksidoivan tai pelkistyvän<br />
kaasun kanssa. Resistanssin muuttuessa tieto kulkee ilmastoinnin ohjausyksikölle ja
69<br />
edelleen säätöelektroniikalle PWMsignaaleina, jolloin sisäilmankierto kytketään päälle.<br />
Järjestelmä määrittelee ulkoilman keskimääräisen saastepitoisuuden ja sulkee raitisilmanoton,<br />
kun keskiarvo ylittyy, jolloin sisäilmankierron jatkuva kytkeytyminen korkean<br />
saastepitoisuuden alueilla voidaan välttää [47, 48]. Automaattinen sisäilmankierto kytketään<br />
usein päälle myös silloin, kun matkustamoa täytyy jäähdyttää tai lämmittää mahdollisimman<br />
tehokkaasti [10].<br />
Kuva 55. Sähköisesti ohjattu sisäilmankierto [48]<br />
Kuva 56. Automaattinen sisäilmankierto [48]
70<br />
Monialueilmastointi<br />
Monialueilmastoinnin avulla matkustamon eri osissa voidaan ylläpitää erilaisia olosuhteita.<br />
2alueilmastoinnissa kuljettajan ja edessä istuvan matkustajan puolen lämpötiloja voidaan<br />
säätää itsenäisesti käyttämällä kahta lämpöläppää, joita ohjataan omilla moottoreilla. Lämpötilavaatimuksista<br />
riippuen kylmän ja lämpimän ilman suhdetta kummallakin puolella<br />
matkustamoa säädetään läppien asentoa muuttamalla (kuva 57). 3alueilmastoinnissa myös<br />
matkustamon takaosaa voidaan säätää etuosasta erillään ja 4alueilmastoinnissa lisäksi<br />
kumpaakin puolta erikseen.<br />
Kuva 57. 2alueilmastointi [48]<br />
Tiedonkulku<br />
Automaattinen ilmastointijärjestelmä on integroitu ajoneuvon CANmukavuusväylään ja<br />
järjestelmän toimintaa säätelee ohjausyksikkö, joka on yhteydessä mukavuusväylän muihin<br />
ohjausyksiköihin väylän kautta. Ilmastointijärjestelmän ohjausyksikkö on yhteydessä myös<br />
ajoneuvon muissa tietoväylissä oleviin ohjausyksiköihin. Tietoväylän diagnoosiliitäntä<br />
toimii rajapintana eri tietoväylien välillä. Ilmastoinnin ohjausyksikkö on varsinaisen ilmastoinnin<br />
mutta myös hajautettujen toimintojen, kuten lasinlämmittimien ja istuin sekä lisälämmittimien<br />
pääohjainyksikkö. CANväylää hyödynnetään lisäksi ilmastointijärjestelmän
71<br />
analysoinnissa vikatilanteissa. Paikallisten komponenttien ohjaukseen käytetään yksinkertaisempaa<br />
LINväylää [53].<br />
Kuvassa 58 on havainnollistettu järjestelmän hyödyntämiä muilta ajoneuvon ohjausyksiköiltä<br />
saatuja ulkoisia signaaleita, kuten moottorin pyörintänopeutta, ajonopeutta sekä pysähdyksissäoloaikaa.<br />
Ilmastoinnin ohjausyksikkö käyttää moottorin uudelleenkäynnistyksessä<br />
ennen moottorin sammuttamista muistiin talletettuja ulkoilman lämpötilaarvoja apuna<br />
lämpöläpän säädössä. Tietoa ajonopeudesta hyödynnetään tuloilmakanavan läpän säätämisessä.<br />
Suurilla nopeuksilla tuloilmakanavan poikkipintaalaa pienennetään, jotta matkustamoon<br />
virtaava ilmavirta pysyy mahdollisimman tasaisena, sillä luonnollinen ilmanvaihto<br />
kasvaa patopaineen vaikutuksesta. Usein automaattisissa järjestelmissä ohjausyksikkö<br />
pienentää myös puhaltimen nopeutta ajoneuvon nopeuden kasvaessa. Pienempää puhaltimen<br />
nopeutta voidaan tarvittaessa kompensoida laskemalla tai nostamalla tuloilman<br />
lämpötilaa. Moottorin pyörintänopeustietoa voidaan käyttää apuna järjestelmän säädössä<br />
esimerkiksi kompressorin syklityksen ohjauksessa [10, 48].<br />
Kuva 58. Ulkoisten signaalien kulku [48]
5 Huolto<br />
72<br />
Ilmastointijärjestelmien huolto ja korjaus on luvanvaraista toimintaa, josta on säädetty valtioneuvoston<br />
asetus 452/2009 EU:n asetuksen 842/2006 ja direktiivin 2006/40/EY pohjalta.<br />
Näissä asetuksissa määritetään, millä edellytyksillä järjestelmiä saa huoltaa ja millaisia<br />
kylmäaineita käyttää. Ilmastointilaitteita asentavan tai huoltavan toiminnanharjoittajan<br />
palveluksessa on oltava vastuuhenkilö, joka vastaa siitä, että toimipaikalla noudatetaan asetuksessa<br />
määritettyjä ympäristönsuojeluvaatimuksia ja, että asennus ja huoltohenkilöstö<br />
täyttää pätevyysvaatimukset. Vastuuhenkilöllä on oltava ajoneuvon huoltoon soveltuva<br />
tutkinto ja lisäksi olla perehtynyt kyseiseen ilmastointilaitetyyppiin, työssä tarvittaviin laitteisiin<br />
ja oikeisiin työtapoihin sekä oman alansa terveys, turvallisuus ja ympäristönsuojelumääräyksiin.<br />
Laitteita huoltavan ja asentavan sekä niistä kylmäainetta talteenottavan<br />
henkilön on suoritettava pätevyyden osoittamiseksi koe [54]. Minkään <strong>ajoneuvojen</strong> ilmastointijärjestelmiä<br />
ei saa täyttää fluoratuilla kasvihuonekaasuilla, joiden lämmitys<strong>vaikutus</strong><br />
on yli 150 tammikuun 1. päivästä 2017 alkaen, lukuun ottamatta sellaisten kyseisiä kaasuja<br />
sisältävien ilmastointijärjestelmien jälleentäyttöä, jotka on asennettu ajoneuvoihin ennen<br />
edellä mainittua päivää [37].<br />
Ilmastointilaitteiden huollossa ja korjauksessa on otettava huomioon ongelmajätteiden, kuten<br />
talteenotetun kylmäaineen ja kylmäaineöljyn, käsittely sekä henkilökohtainen turvallisuus<br />
ja suojavarusteet. Huolto tehdään ilmastointihuoltolaitteella (kuva 59) ja työvaiheisiin<br />
kuuluvat kylmäaineen talteenotto, alipaineistus ja täyttövaihe. Alipaineistuksessa poistetaan<br />
kylmäainejäämät ja suoritetaan tiiveystesti. Täyttövaiheessa laitteeseen siirretään oikea<br />
määrä oikeanlaista kylmäainetta ja öljyä. Täytössä on huomioitava, että vuotavaa järjestelmää<br />
ei saa uudelleentäyttää. Varsinaisen huollon jälkeen tarkistetaan järjestelmän toiminta<br />
mittaamalla ohjaamoon tulevan ilman lämpötila ja järjestelmän paine. Painemittauksen<br />
avulla suoritetaan ilmastointilaitteen vianhaku. Osassa huoltolaitteista on sisäänrakennettu<br />
diagnostiikkatoiminto, joka näiden lämpötila sekä painearvojen perusteella arvioi<br />
järjestelmän kunnon. Tarvittaessa vuodonetsintä sekä järjestelmän komponenttien huuhtelu<br />
voidaan tehdä typellä. Epäpuhtauksien huuhteluun voidaan käyttää myös erillistä huuhtelusarjaa,<br />
jossa komponentit huuhdellaan kylmäaineella tai pesuliuoksella [37].
73<br />
Kuva 59. Ilmastointihuoltolaite [37]<br />
Kylmäaine R134a:n korvaaminen uudella kylmäaineella aiheuttaa muutoksia myös järjestelmän<br />
huoltotoiminnassa. Uudet järjestelmät tullaan täytttämään kylmäaineella HFO<br />
1234yf. Tämä edellyttää järjestelmien huoltoliikkeiltä uusien talteenotto, kierrätys ja täyttölaitteistojen<br />
hankkimista, koska vanhoilla laitteilla ei uusia järjestelmiä voida huoltaa.<br />
Myös uusien vuodonetsintälaitteiden hankkiminen on välttämätöntä. Kylmäaineen R134a<br />
ja HFO1234yf kemialliset ominaisuudet ovat erilaisia. HFO1234yf on esimerkiksi lievästi<br />
syttyvää, minkä vuoksi huoltohenkilöstön on tunnettava varotoimenpiteet kylmäaineen<br />
käsittelyssä, erityisesti käytettäessä kylmäainetta muiden syttyvien aineiden, kuten öljyjen,<br />
kanssa. Uusi kylmäaine on lisäksi ilmaa painavampaa, mikä tulee ottaa huomioon työskentelytiloissa,<br />
ja erityisesti ilmanvaihtoon on mahdollisesti kiinnitettävä huomiota. Huomioitavaa<br />
on myös kylmäainevaihdon murrosvaiheessa mahdollisesti tapahtuvat eri kylmäaineiden<br />
sekoittumiset. Seurauksena saattaa olla järjestelmävika tai väärä diagnoosi, jos<br />
huoltohenkilö ei ole tietoinen kylmäaineiden sekoittumisesta. Eri kylmäainesäiliöt on pyritty<br />
tekemään helposti erotettaviksi ja HFO1234yfjärjestelmien huoltoliittimet erilaisiksi.<br />
Uuden kylmäaineen tuottaminen maksaa enemmän, mikä luultavasti näkyy huoltokustannuksissa<br />
[55].
6 Järjestelmien energiatehokkuus<br />
74<br />
Tässä työssä tarkastellaan <strong>ajoneuvojen</strong> ilmastointijärjestelmien energiatehokkuutta pääasiassa<br />
polttoaineenkulutuksen kannalta. Ilmastointi lisää ajoneuvon polttoaineenkulutusta<br />
sekä pakokaasupäästöjä merkittävästi ja järjestelmissä käytettävät kylmäaineet ovat ympäristöä<br />
kuormittavia kasvihuonekaasuja. Järjestelmien määrä on kasvanut huomattavan suureksi<br />
ja etenkin automaattisia järjestelmiä pidetään lähes jatkuvasti päällä [56]. Ilmastoinnin<br />
suunnittelussa on perinteisesti pyritty kapasiteetin maksimoimiseen sen sijaan, että olisi<br />
keskitytty energiatehokkuuteen. Näin ollen järjestelmissä on huomattavaa kehityspotentiaalia<br />
polttoaineenkulutuksen kannalta [57]. Kulutuksen mittaaminen on kuitenkin monimutkaista<br />
siihen vaikuttavien lukuisten muuttujien vuoksi. Eri tahojen tekemät tutkimukset<br />
antavat hyvin erilaisia tuloksia, eivätkä ne ole välttämättä keskenään vertailukelpoisia erilaisten<br />
testausolosuhteiden ja mittauksiin liittyvien oletusten takia. Kuluttajilla ei ole aikaisemmin<br />
ollut riittävää käsitystä ilmastointijärjestelmän vaikutuksesta polttoaineenkulutukseen,<br />
minkä vuoksi sen mittaamista ei ole myöskään osattu suuressa mittakaavassa vaatia.<br />
Kasvavan ympäristötietoisuuden, tiukentuneiden päästörajoitusten sekä kasvavan kuluttajatietoisuuden<br />
myötä kulutuksen mittaamiseen sekä järjestelmien energiatehokkuuden parantamiseen<br />
on alettu kiinnittää enemmän huomiota. Jotta parannettujen järjestelmien hyöty<br />
voitaisiin luotettavasti mitata sekä saada vertailukelpoisia tuloksia, olisi standardoitujen<br />
mittausmenetelmien asettaminen välttämätöntä.<br />
Myös matkustamon lämmityksestä on tullut energiatehokkuuden kannalta entistä merkittävämpi<br />
asia, erityisesti nykyisten energiatehokkaiden polttomoottorien sekä hybridi ja sähköisen<br />
voimansiirron myötä. Lämmityksen kannalta työssä tutkitaan erilaisten lisälämmitysratkaisuiden<br />
polttoaineenkulutusta ja keinoja kulutuksen pienentämiseksi.<br />
6.1 Lakisääteiset vaatimukset<br />
Ajoneuvon ilmastointijärjestelmällä on sekä suora että epäsuora <strong>vaikutus</strong> päästöihin. Suora<br />
<strong>vaikutus</strong> aiheutuu järjestelmän käytön, onnettomuuksien ja huollon aikana sekä elinkaaren<br />
päätepisteessä tapahtuvien kylmäainevuotojen kautta. Epäsuorat päästöt johtuvat lisääntyvistä<br />
pakokaasuista, sillä ilmastoinnin käyttö kasvattaa ajoneuvon moottorin ja sähköjärjestelmän<br />
kuormaa.
75<br />
Suorat päästöt<br />
Moottori<strong>ajoneuvojen</strong> ilmastointijärjestelmien kylmäainevuotoja ja sitä kautta ilmastoinnin<br />
aiheuttamia suoria päästöjä säädellään EU:n direktiivein. Järjestelmävalmistajien on lähitulevaisuudessa<br />
löydettävä kylmäaineita, joiden lämmitys<strong>vaikutus</strong> on huomattavasti pienempi<br />
kuin nykyisen R134a:n sekä kehittää järjestelmiä näihin kylmäaineisiin sopiviksi.<br />
EU:n direktiivi 2006/40/EY:<br />
’Jäsenvaltiot eivät saa enää 1 päivästä tammikuuta 2011 alkaen antaa EYtyyppihyväksyntää<br />
tai kansallista tyyppihyväksyntää sellaisella ilmastointijärjestelmällä<br />
varustetulle ajoneuvotyypille, joka on suunniteltu sisältämään fluorattuja kasvihuonekaasuja,<br />
joiden lämmitys<strong>vaikutus</strong> on yli 150.<br />
Jäsenvaltioiden on 1 päivästä tammikuuta 2017 alkaen sellaisten uusien <strong>ajoneuvojen</strong> osalta,<br />
jotka on varustettu ilmastointijärjestelmällä, joka on suunniteltu sisältämään 150:tä<br />
suuremman lämmitysvaikutuksen omaavia fluorattuja kasvihuonekaasuja,<br />
a) katsottava, että vaatimustenmukaisuustodistus ei ole enää pätevä direktiivin 70/156/ETY<br />
7 artiklan 1 kohtaa sovellettaessa; ja<br />
b) evättävä rekisteröinti ja kiellettävä myynti tai käyttöönotto’[58].<br />
Epäsuorat päästöt<br />
Ajoneuvojen tyyppihyväksyntätestissä mitataan hiilidioksidipäästöjä, mutta testi jättää kuitenkin<br />
nykyisessä muodossaan huomioimatta useat päästöjen lähteet, kuten ilmastointilaitteet<br />
sekä lisälämmittimet. Tästä syystä Euroopan komissio on teettänyt tutkimustyötä, jonka<br />
tarkoituksena on ollut selvittää lämmitysja ilmastointijärjestelmän <strong>vaikutus</strong> kevyiden<br />
<strong>ajoneuvojen</strong> polttoaineenkulutukseen ja hiilidioksidipäästöihin sekä löytää luotettava menetelmä<br />
päästöjen ja kulutuksen mittaamiseksi. Tavoitteena olisi sisällyttää ilmastoinnin ja<br />
lisälämmittimen lisäkulutuksen mittausmenetelmä tyyppihyväksyntätestiin, jolloin myös<br />
niiden aiheuttama epäsuora <strong>vaikutus</strong> päästöihin tulisi huomioiduksi. Mittausmenetelmän<br />
tarjoama informaatio lisäisi kuluttajatietoisuutta ja sitä kautta toimisi kannustimena valmistajille<br />
kehittää energiatehokkaampia järjestelmiä [59].
76<br />
6.2 Polttoaineenkulutukseen vaikuttavat tekijät<br />
Ilmastointijärjestelmän polttoaineenkulutukseen vaikuttaa huomattava määrä sekä ajoneuvon<br />
sisäisiä että ulkoisia tekijöitä, mikä vaikeuttaa kulutuksen mittaamista. Järjestelmän<br />
paineet, lämpötilat sekä höyrystimen ja lauhduttimen ilmavirrat ovat ajasta riippuvia. Niitä<br />
ohjaa vaihteleva kompressorin nopeus, kylmäaine ja ilmavirtojen nopeudet sekä ajoneuvon<br />
lämpökuormat. Ilma ja kylmäainevirtojen nopeudet riippuvat ajoneuvon nopeudesta<br />
ja kompressorin nopeudesta, joka perinteisissä järjestelmissä muuttuu moottorin pyörimisnopeuden<br />
mukana. Kaupunkilinjaautoissa jäähdytyskapasiteetti on luokkaa 30 kW. Järjestelmän<br />
kuorma vaihtelee linjaauton nopeuden sekä matkustamon olosuhteiden mukaan ja<br />
maksimi jäähdytyskapasiteetilla kompressorin tehonkulutus voi olla jopa 15 kW [60]. Kokonaisvaltaisen<br />
käsityksen muodostaminen ilmastointijärjestelmän polttoaineenkulutuksesta<br />
ja kehityskohteista edellyttää ajoneuvon käytön ja konstruktion sekä ympäristön kautta<br />
vaikuttavien tekijöiden määrittämistä.<br />
6.2.1 Ympäristö<br />
Ympäristö<br />
Ilmasto Terminen viihtyvyys Matkustaja<br />
•Tuuli<br />
•Kosteus<br />
•Auringonsäteily<br />
•Ilman lämpötila<br />
•Ilman tiheys (korkeus)<br />
•Hikoilu<br />
•Matkustamon kosteus<br />
•Matkustamon lämpötila<br />
•Ilmavirran nopeus<br />
•Terminen epäsymmetrisyys<br />
•Auringonsäteily kehoon<br />
•Keskimääräinen<br />
säteilylämpötila<br />
•Lämpöviihtyvyysmalli<br />
(Fanger)<br />
•Aineenvaihdunta<br />
•Matkustajan mieltymykset<br />
•Vaatetus<br />
•Lämmön ja kosteuden<br />
siirtyminen<br />
•Lämpökapasiteetti<br />
•Kosteuskapasiteetti<br />
Kuva 60. Ympäristön kautta vaikuttavia tekijöitä
77<br />
Ilmasto<br />
Kuvassa 60 on esitetty ympäristön kautta kulutukseen vaikuttavia tekijöitä. Kompressorin<br />
tehonkulutus riippuu pääasiassa tarvittavasta jäähdytystehosta, johon vaikuttaa vaadittu<br />
matkustamon lämpötila, ulkoilman lämpötila, ilman kosteuspitoisuus ja auringon säteilykuorma.<br />
Ilmastoinnin tehokkuus riippuu lauhduttimen ja sitä kautta ympäröivän ilman<br />
lämpötilasta. Henkilöauton ilmastointijärjestelmän kompressorin ottotehon ja sitä kautta<br />
koko järjestelmän kuorman riippuvuutta ympäristön olosuhteista on karkeasti havainnollistettu<br />
kuvassa 61. Tehontarve kasvaa merkittävästi ulkoilman lämpötilan kasvaessa [61,<br />
62]. Toisaalta matalilla ulkoilman lämpötiloilla järjestelmän polttoaineenkulutusta lisää<br />
myös mahdollinen huurteenpoistotoiminnon sekä lämmityslaitteen käyttö.<br />
Kuva 61. Kompressorin ottotehon riippuvuus ulkoilman lämpötilasta [61]<br />
Ilman suhteellinen kosteuspitoisuus vaikuttaa huomattavasti matkustamon mukavuustasoon.<br />
Ulkoilman kosteuspitoisuuden ollessa korkea, matalakin ulkoilman lämpötila saatetaan<br />
kokea epämukavaksi. Esimerkiksi suhteellisen kosteuspitoisuuden ollessa 100 %, ilman<br />
miellyttävän lämpötilan yläraja on 15 °C [63]. Ilman kosteus vaikuttaa myös suoraan<br />
polttoaineenkulutukseen, sillä kosteamman ilman jäähdyttämiseen tarvitaan enemmän<br />
energiaa ja kosteuspitoisuuden ollessa hyvin korkea, ilmastoinnin kuorma voi jopa kaksinkertaistua<br />
normaaleihin olosuhteisiin verrattuna. Toisaalta samaan aikaan ilmastointijärjestelmän<br />
tehokkuus paranee hieman, koska höyrystimen pinnalla kondensoituva vesi nostaa<br />
kylmäaineen höyrystymislämpötilaa [64].<br />
Ilmastointijärjestelmän polttoaineenkulutuksen luotettava mittaaminen edellyttää mittausten<br />
suorittamista ennaltamääritellyissä ilmastoolosuhteissa. Vaihtelevat ympäristön olosuhteet<br />
tekevät myös järjestelmän energiatehokkuuden parantamisesta haasteellista, mutta
huomattavia tuloksia saavutetaan järkevällä suunnittelulla, joka minimoi ympäristöolosuhteiden<br />
vaikutukset. Huomioitavaa on eri maantieteellisten alueiden erilaiset vaatimukset<br />
ilmastointijärjestelmälle. Taulukossa 1 on havainnollistettu olosuhteiden <strong>vaikutus</strong>ta kaupunkilinjaauton<br />
ilmastointijärjestelmän vaatimuksiin. Kylmemmässä ilmastossa vaadittavan<br />
lämmitystehon osuus koko järjestelmän kapasiteetista on jäähdytystehoa merkittävämpi.<br />
Usein lattialämmitys koetaan tarpeelliseksi ja lämmitys tapahtuu pääosin sen kautta.<br />
Kuumissa ja kosteissa olosuhteissa lämmitystä ei välttämättä koeta tarpeelliseksi mutta<br />
jäähdyttämiseen tarvittava teho on huomattavan suuri. Täten ilmastointijärjestelmän polttoaineenkulutukseen<br />
vaikuttaa maantieteellisen sijainnin ja ilmaston kautta järjestelmien<br />
erilainen painotus lämmitykseen tai jäähdytykseen [65].<br />
Taulukko 1. Olosuhteiden <strong>vaikutus</strong> ilmastointijärjestelmän vaatimuksiin [65]<br />
T_talvi (°C) LämmitysP (kW) JäähdytysP (kW) Lämmityssuhde katto/lattia (%)<br />
20 21 14 Katto 70 / lattia 30<br />
10 16 19 Katto 80 / lattia 20<br />
0 9 24 Katto 100<br />
5 Ei välttämätön 2432 Katto 100<br />
78<br />
Matkustajien terminen viihtyvyys<br />
Ympäristön vallitsevat olosuhteet vaikuttavat ajoneuvon matkustajien termiseen viihtyvyyteen<br />
ja siten myös ilmastointijärjestelmän käyttöasteeseen. Terminen viihtyvyys riippuu<br />
kehon lämpötasapainosta, johon vaikuttavat fyysinen aktiivisuus, vaatetus, ilman lämpötila<br />
ja kosteus, keskimääräinen säteilylämpötila sekä ilman nopeus. Mitä korkeampi esimerkiksi<br />
ulkoilman lämpötila ja kosteus ovat, sitä epämukavammaksi matkustaja tuntee olonsa ja<br />
todennäköisemmin kytkee ilmastoinnin päälle. Keskimääräinen säteilylämpötila määräytyy<br />
matkustajaa ympäröivien pintojen lämpötiloista ja emissiivisyydestä ja pintalämpötilat<br />
riippuvat ilman lämpötilasta sekä auringon säteilykuormasta [56].<br />
Lämpöviihtyvyysmallin avulla voidaan arvioida ilmastointilaitteen päälläoloaikaa prosenttiosuutena<br />
ajetusta ajasta. Malli perustuu oletukseen, että kuljettaja kytkee ilmastoinnin<br />
päälle ollessaan tyytymätön termiseen ympäristöönsä. Lämpöviihtyvyysmallin tuloksiin<br />
yhdistetään tilastotietoa vuorokausikohtaisista ajoajoista, maantieteellisestä sijainnista säätietoineen,<br />
ajomatkoista vuoden aikana sekä <strong>ajoneuvojen</strong> rekisteröintimääristä. Varsinaiset<br />
laskelmat ilmastoinnin vaikutuksesta polttoaineenkulutukseen määritetään ajoneuvosimulaatioiden<br />
avulla. Näin voidaan arvioida esimerkiksi tietyn alueen ilmastoinnin kokonais
79<br />
kulutusta vuodessa. Automaattisten ilmastointijärjestelmien myötä matkustajien tarve<br />
puuttua ilmastoinnin toimintaan on kuitenkin vähentynyt ja järjestelmät jätetään usein pitkiksi<br />
ajoiksi pysyvästi päälle [66].<br />
6.2.2 Ajoneuvon käyttö<br />
Ajoneuvon käyttö<br />
Kuljettaja/matkustaja Ajosykli Pysäköinti<br />
•Ajotyyli<br />
•Ajoneuvon kunnossapito<br />
•Ikkunat kiinni/auki<br />
•Rajapinta ilmastoinnin<br />
ohjauksen kanssa<br />
•Ilmastoinnin käyttö<br />
•Mukavuus<br />
•Huurteenpoisto<br />
•Melun ja allergeenien<br />
vähentäminen<br />
•Saasteiden ja pölyn<br />
vähentäminen<br />
•Säännöllisyys<br />
•Kaupunki vs. maantie<br />
•Tyhjäkäynti & startstop<br />
•Ajonopeuden <strong>vaikutus</strong><br />
•Moottorin nopeus<br />
•Lauhduttimen<br />
ilmavirta<br />
•Matkustamon<br />
lämpökertymä/hukka<br />
•Auringossa/varjossa<br />
•Ajoneuvon orientaatio<br />
•Kattoluukku kiinni/auki<br />
•Ikkunat kiinni/auki<br />
Kuva 62. Ajoneuvon käytön kautta vaikuttavia tekijöitä<br />
Ajosykli<br />
Kuvassa 62 on havainnollistettu ajoneuvon käytön kautta kulutukseen vaikuttavia tekijöitä.<br />
Lämpötilasäädellyissä elintarvikekuljetuksissa ajosykli vaikuttaa merkittävästi polttoaineenkulutukseen.<br />
Kaupunkikuljetuksissa pysähdyksiä tehdään paljon ja ympäristön olosuhteet<br />
vaikuttavat kuormatilan lämpötilaan sekä ilmastointijärjestelmän kuormaan ovien<br />
avaamisen kautta. Vastaavasti kaupunkiliikenteen linjaautoissa jatkuva ovien avaaminen<br />
lisää matkustamon jäähdytys tai lämmitystarvetta merkittävästi. Linjaauton kompressorikuorma<br />
saa maksimiarvonsa (~15 kW), kun matkustamo lämpenee linjaauton ollessa pysäköitynä,<br />
ja kuorma putoaa noin 5 kW:iin maantieajossa. Tyhjäkäynnillä moottorin tehoa<br />
kuluttavat apulaitteet, joista ilmastoinnin kompressori on merkittävin [60].<br />
Kompressorin pyörimisnopeus ja lauhduttimelle menevän ilmavirran nopeus riippuvat ajosyklistä.<br />
Ajonopeuden kasvaessa lauhduttimen yli kulkevan ilmavirran nopeus kasvaa, jol
80<br />
loin ulkoilman jäähdyttämiseen tarvittava työ pienenee. Niin kauan, kun lauhduttimelle<br />
virtaa riittävästi ilmaa, ajoneuvon nopeuden <strong>vaikutus</strong> ilmastoinnin kulutukseen on vähäinen<br />
verrattuna esimerkiksi ympäristön vaikutukseen, eikä kulutuksessa ole käytännössä<br />
suurta eroa kaupunki tai maantieajossa ympäristöolosuhteiden ollessa samat. Toisaalta ero<br />
on kuitenkin huomattava, jos polttoaineenkulutus ilmaistaan yksikössä l/100km, sillä mitä<br />
alhaisempi ajonopeus on, sitä korkeampi on kulutus ajetun matkan suhteen. Henkilöauton<br />
ilmastointijärjestelmän polttoaineenkulutus voi helposti nousta 3 l/100km ruuhkaajossa<br />
kuumassa ja kosteassa ilmastossa, mutta kulutusarvo ei anna realistista kuvaa järjestelmän<br />
keskimääräisestä kokonaiskulutuksesta. Jotta l/100km kulutuksen ilmaiseminen olisi järkevää,<br />
täytyy myös ilmastoolosuhteet ja ajoprofiili, josta keskinopeus on saatu, määrittää.<br />
Ajettaessa suurilla nopeuksilla kilometrikohtainen polttoaineenkulutuksen lisäys pienenee,<br />
mutta toisaalta ilmastointijärjestelmän kuluttama teho kasvaa huomattavasti. Kuvassa 63<br />
on havainnollistettu henkilöauton kompressorin ottamaa keskimääräistä tehoa eri nopeusalueilla<br />
stationaarisessa testissä ylläpidettäessä matkustamon lämpötilaa. Jäähdytystehokkuus<br />
on korkein pienillä kaupunkinopeuksilla. Järjestelmät on suunniteltu pääasiallisesti<br />
toimimaan tehokkaasti pysähdyksissä sekä pienillä nopeuksilla ja ovat täten ylimitoitettuja<br />
ja tehottomia suuremmilla nopeuksilla [61, 66].<br />
Kuva 63. Henkilöauton kompressorin ottama teho eri nopeusalueilla [66]<br />
Järjestelmäkohtaiset erot ovat suuria tyhjäkäynnillä toimittaessa. Järjestelmä saattaa kytkeä<br />
tyhjäkäynnillä kompressorin pois ajettavuuden parantamiseksi, koska ilmastointijärjestelmän<br />
ajoneuvon moottorille aiheuttama suhteellinen kuorma on niin suuri [64]. Tutkimusten<br />
mukaan tyhjäkäynnin osuuden ollessa 25 –90 % ajosyklistä, sillä ei ole suurta <strong>vaikutus</strong>ta<br />
kompressorin päälläoloaikaan. Tyhjäkäynnin osuuden ollessa erittäin suuri tai pieni,<br />
kompressorin päälläoloaika syklin aikana on pienempi [64]. Startstopautomatiikkaa hyödyntävissä<br />
mikrohybrideissä polttomoottorista voimansa saava ilmastointijärjestelmän<br />
kompressori ei ole toiminnassa moottorin sammuessa. Kun mukavuustaso laskee liikaa,<br />
ilmastointijärjestelmä kytkeytyy päälle. Kuormittavissa olosuhteissa startstop
81<br />
automatiikan tuoma hyöty polttoaineenkulutuksessa voidaan menettää kokonaan ilmastointijärjestelmän<br />
takia.<br />
Ajotapahtuman kestolla voidaan ajatella olevan <strong>vaikutus</strong>ta kulutukseen, koska pidempiä<br />
matkoja ajettaessa matkustamon haluttu lämpötila ehditään saavuttaa, minkä jälkeen jäähdytystarve<br />
ja kompressorin toimintaaste pienenevät.<br />
Pysäköinti<br />
Matkustamo voi lämmetä jopa 70 asteeseen, kun ajoneuvo on pitkään pysäköitynä auringossa.<br />
Tällöin matkustamon jäähdyttämiseen kuluu luonnollisesti enemmän energiaa kuin<br />
myöhemmin lämpötilan vakaana pitämiseen. Toisaalta ilmastoinnin toimiessa täydellä<br />
kuormalla, lauhduttimelta vapautuva energia on tyypillisesti kolminkertainen kompressorille<br />
menevään energiaan verrattuna. Enemmän lämpöenergiaa vapautuu ja moottoritila<br />
lämpenee huomattavasti nopeammin, mikä vähentää polttoaineenkulutusta verrattuna kylmään<br />
moottoriin, jossa kitka on suuri [66].<br />
Kuljettaja ja matkustaja<br />
Höyrystimeen menevän ilmavirran nopeus ja ilmanjako matkustamossa riippuvat järjestelmän<br />
käyttäjän valitsemista asetuksista, jotka vaihtelevat käyttäjän mieltymysten mukaan.<br />
Samoin sisäilmankierron käyttö riippuu käyttäjästä, lukuunottamatta järjestelmiä,<br />
joissa käytetään automaattista sisäilmankiertoa. Myös matkustajien terminen viihtyvyys<br />
vaikuttaa ilmastoinnin käyttöasteeseen sekä valittuihin asetuksiin. Kuljettajan <strong>vaikutus</strong> ilmastointijärjestelmän<br />
polttoaineenkulutukseen on erityisen suuri esimerkiksi linjaautoissa,<br />
joissa kuljettaja saattaa käyttää järjestelmää yli tarpeen. Järjestelmien koko ja tehonkulutus<br />
ovat suuria ja siten <strong>vaikutus</strong> kulutukseen on huomattava. Puoliautomaattisten ja automaattisten<br />
järjestelmien myötä kuljettajan <strong>vaikutus</strong> järjestelmän toimintaan on vähentynyt.
82<br />
6.2.3 Ajoneuvon konstruktio<br />
Ajoneuvon<br />
konstruktio<br />
Ajoneuvon malli ja<br />
tyyppi<br />
Termiset<br />
ominaisuudet<br />
Ilmastointijärjestelmä<br />
•Lasitus<br />
•Pintaala<br />
•Kaltevuus<br />
•Ajoneuvon massa<br />
•Matkustamon koko ja<br />
massa<br />
•Kojelaudan koko<br />
•Moottorityyppi ja<br />
iskutilavuus<br />
•Otsapintaala ja<br />
geometria<br />
•Ulkoväri ja sisustan väritys<br />
•Ilmanvastus ja<br />
vierinvastus<br />
•Optiset ominaisuudet<br />
•Maali<br />
•Lasit<br />
•Kojelauta<br />
•Matkustamo<br />
•Massa<br />
•Eristys<br />
•Ilmatiiviys<br />
•Termiset<br />
ominaisuudet<br />
•Taukotuuletus<br />
•Ohjaus<br />
•Matkustamon<br />
lämpötila<br />
•Sisäilmankierto<br />
•Kompressori<br />
•Auringonsäteilyn<br />
kompensointi<br />
•Puhaltimet<br />
•Ilmanjakelu<br />
•Järjestelmän massa<br />
•Kylmäainetyyppi<br />
•Kompressori<br />
•Vakiotilavuuksinen<br />
•Muuttuvatilav.<br />
•Sähkökäyttöinen<br />
Kuva 64. Ajoneuvon konstruktion kautta vaikuttavia tekijöitä<br />
Lämpökuorma<br />
Kuvassa 64 on esitetty ajoneuvon konstruktion kautta kulutukseen vaikuttavia tekijöitä.<br />
Lämpöä siirtyy ajoneuvon sisätilan ja ulkopuolen välillä ilmanvaihdon, säteilyn ja konvektion<br />
kautta, tosin lämmönsiirto korin metalliosista matkustamoon on nykyisten korien hyvän<br />
eristyksen takia vähäistä. Ajoneuvon ulkopinnan värityksellä ei siis ole suurta <strong>vaikutus</strong>ta<br />
ilmastoinnin polttoaineenkulutukseen. Lasien ja ilmanvaihtojärjestelmän kautta tapahtuva<br />
lämmönsiirto sen sijaan on huomattavaa. Auringon säteilykuorma, riippuu ajoneuvon<br />
lasien koosta, kaltevuudesta ja läpäisevyydestä. Täten esimerkiksi linjaautoissa, joissa<br />
lasien kokonaispintaala voi olla luokkaa 30 m 2 , auringon säteilyn aiheuttama lämpökuorma<br />
lisää vaadittavaa jäähdytystehoa huomattavasti. Sisustan värityksellä saattaa olla merkitystä<br />
lämpökuormaan, koska tumma väritys absorboi vaaleaa enemmän lämpöä. Koska<br />
suurin osa myytävistä ajoneuvoista on varustettu tummalla sisustalla ja kojelaudan väritys<br />
on ajoneuvoissa yleensä yhdenmukainen, ei sisustan väritystä yleensä oteta huomioon<br />
muuttujana mittauksissa. Lämpötilasäädellyissä kuormatiloissa eristyksellä on erityisen<br />
suuri <strong>vaikutus</strong> lämpökuormaan. Lämpöä siirtyy kuormatilaan ulkopintojen läpi, kuljetetta
83<br />
vista tuotteista sekä ulkoilman mukana ovien avaamisen yhteydessä. Ajan kuluessa eristyksen<br />
teho huononee ja kuormatilan lämpökuorma kasvaa merkittävästi. Jäähdytyslaitteiston<br />
tehontarpeeseen vaikuttaa myös kuorman koko ja tyyppi. Kuormalla voi olla vaihteleva<br />
terminen massa ja lisäksi jotkin tuotteet vaativat tiukempaa lämpötilanhallintaa.<br />
Myös matkustajien määrä vaikuttaa järjestelmän kuormaan erityisesti linjaautoissa, joissa<br />
ihmismassan tuoma lämpökuorma on huomattavan suuri. Taulukossa 2 on havainnollistettu<br />
matkustajista aiheutuvaa kuormaa, joka voi tyypillisessä kaupunkilinjaautossa vastata yli<br />
15 kW lämpökuormaa [65].<br />
Taulukko 2. Matkustajista aiheutuva lämpökuorma [65]<br />
Taukotuuletuksessa ajoneuvon puhallinta voidaan käyttää pysäköidyn ajoneuvon matkustamon<br />
ilman vaihtamiseen ja sisälämpötilaa laskea kesäolosuhteissa jopa 50 % verrattuna<br />
ajoneuvoihin, joissa taukotuuletusta ei käytetä. Energia puhaltimen käyttämiseen tuotetaan<br />
esimerkiksi aurinkokennoilla. Taukotuuletuksen avulla matkustamon jäähdyttämiseen kuluvaa<br />
energiaa ja polttoaineenkulutusta voidaan pienentää [67].<br />
Ajoneuvon malli ja tyyppi<br />
Ilmastointijärjestelmän kompressorin iskutilavuus on yleensä verrannollinen ajoneuvon<br />
kokoon. Suurempi matkustamon koko edellyttää suurien ilmamäärien siirtämistä ja lämpötilaeron<br />
ollessa ympäristön sekä matkustamon välillä suuri, huomattava määrä energiaa<br />
kuluu matkustamon lämmittämiseen tai jäähdyttämiseen miellyttävälle tasolle. Ajoneuvon<br />
moottorityypillä ei ole merkittävää <strong>vaikutus</strong>ta ilmastoinnin polttoaineenkulutukseen ja bensiini<br />
sekä dieselmoottoreilla varustetuissa ajoneuvoissa päästään hyvin samankaltaisiin<br />
kulutuksiin [68, 69]. Moottorin hyötysuhde vaikuttaa kuitenkin jonkin verran ilmastoinnin<br />
energiankulutukseen. Moottorin toimiessa korkean hyötysuhteen alueella, myös energia<br />
ilmastoinnin käyttämiseen tuotetaan tehokkaasti, mutta moottorin käydessä osakuormalla<br />
tai tyhjäkäynnillä, energia tuotetaan tehottomammin. Toisaalta alhaisella moottorin kuormalla<br />
ilmastointi asettaa moottorille huomattavan lisäkuorman, mikä nostaa moottorin toiminnan<br />
paremman hyötysuhteen alueelle. Ilmastointijärjestelmällä on suuri <strong>vaikutus</strong> kehit
84<br />
tyneempien <strong>ajoneuvojen</strong> polttoaineenkulutukseen ja esimerkiksi hybridiajoneuvoissa<br />
ilmastoinnin suhteellinen kulutus on merkittävästi suurempi verrattuna perinteisiin ajoneuvoihin.<br />
Ilmastointijärjestelmä<br />
Ilmastointijärjestelmä käyttää suoraan moottorin mekaanista energiaa kompressorin käyttämiseen<br />
ja epäsuorasti sähköisten puhaltimien, toimilaitteiden ja mahdollisen ohjausyksikön<br />
kautta. Henkilöauton ilmastoinnin mekaanisen energian tarve on korkeimmillaan 4 6<br />
kW ja sähkötehon 350 1200 W. Lisäksi ilmastointi lisää polttoaineenkulutusta sen aiheuttaman<br />
lisämassan takia, joka vaihtelee yleensä 12 25kg välillä [70]. Tämän vuoksi järjestelmän<br />
yksittäisten komponenttien tehokkuudella ja massalla on huomattava merkitys ilmastointijärjestelmän<br />
energiatehokkuuteen.<br />
Kompressori voi kuluttaa jopa 80 % ilmastoinnin käyttämiseen tarvittavasta energiasta,<br />
joten sen ominaisuuksilla on huomattava <strong>vaikutus</strong> polttoaineenkulutukseen perinteisissä ajoneuvoissa<br />
ja erityisesti hybridi, sähkö sekä polttokennoajoneuvoissa. Kompressoria käytetään<br />
eniten osakuormalla, missä suurin osa energiastakin kuluu [10, 56]. Kompressorin<br />
moottorille asettama kuorma vaihtelee huomattavasti ja se riippuu ympäristön olosuhteista,<br />
ajoneuvon nopeudesta, matkustamon lämpötilasta ja järjestelmän asetuksista, kuten puhaltimen<br />
ja sisäilmankierron asetuksista. Ilmastointijärjestelmän vaste näiden tekijöiden muuttuessa<br />
on hyvin ajoneuvokohtainen [64]. Osakuormalla kompressorin vaatima vääntömomentti<br />
voi vaihdella 1 –10 Nm ja täydellä kuormalla 25 –30 Nm välillä [61]. Kompressorin<br />
lisäksi muita järjestelmän energian kuluttajia ovat puhallin, jäähdyttimen tuuletin ja<br />
tyhjäkäyntinopeuden nostamisen tarve riittävän jäähdytyksen saavuttamiseksi [71]. Esimerkiksi<br />
tyypillinen raskaan kaluston jäähdyttimen tuuletin voi ottaa jopa 55 kW tehon<br />
moottorin maksimikierrosnopeudella ja alhaisella ajonopeudella. Tuuletin on hihnakäyttöinen<br />
ja pitkänmatkan kuormaautossa tuulettimen tyypillinen päälläoloaika on 6 % ajoneuvon<br />
toimintaajasta. Puolet tästä aiheutuu ilmastointilaitteeesta. Tuuletin on yleensä mitoitettu<br />
tuottamaan riittävä ilmavirta maksimikuormituksessa, joten sen kapasiteetti on ylimitoitettu<br />
korkeammilla moottorin kierrosnopeuksilla. Sähkökäyttöisellä tuulettimella tuulettimen<br />
nopeus voitaisiin suhteuttaa jäähdytystarpeeseen [72].<br />
Ilmastointi on monimutkainen järjestelmä ja sen kokonaistehokkuus riippuu yksittäisten<br />
komponenttien tehokkuudesta mutta merkittävästi myös järjestelmästä kokonaisuutena,
85<br />
kuljettajan valitsemista asetuksista ja koko ajoneuvosta [73]. Tämän vuoksi järjestelmän<br />
älykäs ohjaus ja komponenttien huolellinen integrointi on olennaista ilmastoinnin polttoaineenkulutuksen<br />
minimoinnissa.<br />
6.3 Polttoaineenkulutuksen mittaaminen<br />
6.3.1 Mittausmenetelmät<br />
Eri ilmastointijärjestelmien välisten merkittävien erojen vuoksi, ei ajotesteistä kerättyjä<br />
kompressorin toimintatietoja voida suoraan yhdistää täyskuormitustesteistä alustadynamometrilla<br />
saatuihin tuloksiin. Polttoaineenkulutus tulee mitata suoraan simuloiduissa toimintaolosuhteissa.<br />
Ulkoilman lämpötila, vaadittava matkustamon lämpötila, ulkoilman<br />
suhteellinen kosteus ja auringon säteilykuorma sekä ajosykli valitaan riippuen, minkä<br />
maantieteellisen alueen ja vuodenajan suhteen polttoaineenkulutus halutaan selvittää.<br />
Ilmastointijärjestelmän polttoaineenkulutus ajoneuvotasolla voidaan mitata eri menetelmiin<br />
perustuen riippuen siitä, mikä mittauksen tavoite on. Tarkoituksena voi olla selvittää uuden<br />
kylmäaineen tai tehokkaampien teknologioiden <strong>vaikutus</strong>ta, jolloin mitataan saman termisen<br />
suorituskyvyn ylläpitämiseen kuluvaa polttoainetta järjestelmätasolla. Kylmäaineiden<br />
<strong>vaikutus</strong>ta olisi mahdollista verrata myös yksinkertaisella tarkastelulla dynamometrissa,<br />
mutta testaaminen ajoneuvon kanssa mahdollistaa vaihtelevan moottorin pyörimisnopeuden,<br />
lauhduttimen läpi kulkevan epätasaisen ilmavirran sekä moottoritilan olosuhteiden<br />
huomioimisen. Mitattaessa saman suorituskyvyn ylläpitämiseen kuluvaa polttoainetta erilaisissa<br />
järjestelmissä, päämääränä on siirtää höyrystimen läpi kulkevasta ilmasta sama<br />
määrä lämpöä kylmäaineeseen samassa ajoneuvossa. Tällöin höyrystimen ja lauhduttimen<br />
läpi kulkeva ilmavirta, kosteuspitoisuus höyrystimen ulostulossa, höyrystimen lämpötila<br />
sekä ympäristöolosuhteet tulee olla samat eli kyseessä on vakiokuormituksessa suoritettava<br />
testi [74].<br />
Lämpökuorman vähentämisen tai tehokkaamman järjestelmän ohjauksen, kuten sisäilmankierron<br />
lisäämisen tai muuttuvatilavuuksisen kompressorin, <strong>vaikutus</strong>ta kulutukseen samassa<br />
ajoneuvossa mitataan erilaisella menetelmällä. Tällöin tarkoituksena on ylläpitää sama<br />
terminen suorituskyky ajoneuvon matkustamossa eli testien välillä ilman lämpötilan tulee<br />
pysyä määrätyssä matkustamon kohdassa samana. Tämä vaatii automaattisessa ilmastointijärjestelmässä<br />
lämpötilan asetusarvon määrittämistä etukäteen. Vastaavasti manuaalisessa
86<br />
järjestelmässä puhaltimen ja lämpöläpän asennot ja sisäilmankierron säätö tulee ennalta<br />
määrittää. Testimenetelmällä voidaan selvittää myös ajoneuvon koon tai ikkunapintaalan<br />
<strong>vaikutus</strong>ta kulutukseen eri <strong>ajoneuvojen</strong> välillä. Riippuen tilanteesta, testiin voidaan sisällyttää<br />
matkustamon esilämmitys ja sitä seuraava jäähdytys vakiotilaan tai vaihtoehtoisesti<br />
pelkkä vakiokuormitustilanne [74].<br />
Ilmastointijärjestelmän todellisen polttoaineenkulutuksen selvittämiseksi, tulee järjestelmän<br />
antaa toimia normaalisti, eikä määritellä sen kapasiteettia, lämpötilaa tai ohjausta etukäteen.<br />
Myös matkustamon esilämmitys ja jäähdytys vakiotilaan tulee sisällyttää testiin.<br />
Menetelmällä saadaan arvio järjestelmän todellisesta kulutuksesta, johon vaikuttavat ratkaisut<br />
ilmastointijärjestelmän sekä koko ajoneuvon suunnittelussa. Eri menetelmät järjestelmän<br />
kulutuksen selvittämiseksi on esitetty taulukossa 3 [74].<br />
Taulukko 3. Menetelmät kulutuksen mittaamiseksi [74]<br />
Kuvassa 65 on havainnollistettu ilmastointijärjestelmän polttoaineenkulutuksen mittaussykliä,<br />
joka muodostuu matkustamon lämmittämisestä, sitä seuraavasta jäähdytysvaiheesta<br />
sekä matkustamon lämpötilan ylläpitämisestä vakiokuormitus tilanteessa. Matkustamon<br />
jäähdytykseen kuluva polttoaine on syklien 1 ja 2 kulutuksien keskiarvo. Lämpötilan ylläpitämiseen<br />
kuluva polttoaine voidaan laskea syklin 4 datasta [74].
87<br />
Kuva 65. Mittaussykli [74]<br />
Esivakauttamisajo ja lämpötilan tasausseisonta<br />
Ilmastoinnin polttoaineenkulutuksen mittaamisessa on toistettavuuden kannalta oleellista,<br />
että moottoriöljyn sekä jäähdytysnesteen lämpötilat ovat samoja sekä ilmastointi päällä että<br />
ilmastointi pois päällä suoritetuissa mittauksissa. Kuumakäynnistystestissä esivakauttamisajolla<br />
varmistetaan moottorin riittävä lämpeneminen ja kylmäkäynnistystestissä riittävällä<br />
lämpötilan tasausseisonnalla saavutetaan hyvä toistettavuus moottoriöljyn ja jäähdytysnesteen<br />
lämpötilojen vakiinnuttua.<br />
Ajosykli<br />
Ilmastointijärjestelmän energiatehokkuuden määrittäminen käyttäen vakio ajonopeutta ei<br />
ota huomioon vaihtelevia olosuhteita, joissa järjestelmä todellisuudessa joutuu toimimaan.<br />
Tällaisissa testeissä myös esimerkiksi parannukset järjestelmän ohjauksessa jäävät energiatehokkuuden<br />
kannalta huomioimatta. Tämän vuoksi ilmastoinnin polttoaineenkulutuksen<br />
mittaamisessa käytetään ajosyklejä, joiden avulla voidaan luoda realistisempi ajotilanne.<br />
SC03<br />
Yhdysvalloissa käytettävä SC03sykli (kuva 66) on tarkoitettu kevyiden <strong>ajoneuvojen</strong> ilmastointijärjestelmän<br />
aiheuttaman moottorin kuorman ja päästöjen arvioimiseen ääritapauksessa.<br />
Syklin pituus on 5,8 km, keskinopeus 34,8 km/h, maksiminopeus 88,2 km/h ja<br />
kesto 596 s [75]
88<br />
Kuva 66. SC03sykli [75]<br />
NEDC<br />
NEDCsykliä (kuva 67) käytetään kevyiden <strong>ajoneuvojen</strong> päästöjen sertifiontiin Euroopassa.<br />
Sykli ei itsessään ota huomioon ilmastoinnin <strong>vaikutus</strong>ta mutta sitä käytetään kuvaamaan<br />
tyypillisiä Euroopan ajoolosuhteita määritettäessä ilmastoinnin polttoaineenkulutusta.<br />
Sykli koostuu neljästä kaupunkiajoa kuvaavasta syklistä sekä yhdestä maantiesyklistä.<br />
Kaupunkiosuuden kesto on yhteensä 780 s, maksiminopeus 50 km/h sekä ajomatka 4,052<br />
km ja maantieosuuden vastaavasti 400 s, 120 km/h sekä 6,955 km.<br />
Kuva 67. NEDCsykli [76]
89<br />
Braunsschweigsykli<br />
Raskaan kaluston ilmastoinnin kulutuksen määrittämiseen ei ole standardoitua ajosykliä,<br />
mutta esimerkiksi kaupunkilinjaautolle tyypillistä ajotapahtumaa Euroopassa voidaan simuloida<br />
Braunschweigsykliä (kuva 68) käyttämällä. Sen kesto on 1740 s, keskinopeus<br />
22,9 km/h, maksiminopeus 58,2 km/h, tyhjäkäyntiaika noin 22 % koko syklistä sekä ajomatka<br />
noin 11 km [75].<br />
Kuva 68. Braunschweigsykli [77]<br />
Mittaustilat<br />
Riippumatta käytetystä testimenetelmästä, kulutuksen mittaamiseen tarvitaan sopiva laitteisto<br />
ja mittausympäristö. Säähuoneessa olevan dynamometrin avulla voidaan lämpötilaa<br />
sekä kosteutta säätää ja luoda mahdollisimman realistiset toimintaolosuhteet. Tuulitunnelia<br />
tai suurta puhallinta käyttämällä ajoneuvon etuosaan kehitetään ilmavirta lauhduttimen ja<br />
jäähdyttimen realististen ilmavirran nopeuksien luomiseksi.<br />
Selvitettäessä auringossa lämmenneen matkustamon jäähdyttämiseen kuluvaa polttoainetta<br />
tai vaihtoehtoisesti ajoneuvon lämpökuormaa vähentävien teknologioiden <strong>vaikutus</strong>ta kulutukseen,<br />
täytyy matkustamon lämpötila nostaa ulkoilman lämpötilaa korkeammaksi. Koska<br />
monissa nykyajoneuvoissa on auringonsäteilyä mittaavia antureita, joiden signaalit riippuvat<br />
ajoneuvon ikkunoiden heijastusominaisuuksista, ei auringonsäteilyn simuloiminen korkeammalla<br />
ulkoilmanlämpötilalla tai matkustamon sisälle asennettavilla lämmittimillä anna<br />
realistista kuvaa järjestelmän toiminnasta [66]. Myöskään testaaminen ulkoilmassa ei<br />
ole toistettavuuden kannalta suositeltavaa, sillä olosuhteet voivat muuttua merkittävästi eri
90<br />
testikertojen välillä. Tämän vuoksi auringon lämmittävää <strong>vaikutus</strong>ta simuloidaan yleensä<br />
uvlampuilla. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää halvempia infrapunalamppuja, tosin niiden<br />
spektrijakauma ei kuvaa hyvin auringonsäteilyä, mikä voi johtaa mittausvirheisiin.<br />
Käytettävät ulkoilman lämpötilan ja suhteellisen kosteuspitoisuuden sekä auringon säteilykuorman<br />
arvot riippuvat siitä, minkä maantieteellisen alueen toimintaolosuhteita halutaan<br />
simuloida.<br />
Kuvassa 69 on havainnollistettu Behrin säähuonetta, jossa lämpötilaa voidaan säädellä 30<br />
–+50 °C, ilman suhteellista kosteutta 5 –95 % sekä auringon säteilykuormaa 350 –1200<br />
W/m 2 välillä. Ilmavirtausta sekä alustadynamometria voidaan säätää ajoneuvotyypin mukaan<br />
ja suurin sallittu ajonopeus on 130 km/h.<br />
Kuva 69. Säähuone [78]<br />
Penkkitesti<br />
Täysimittaisen säähuoneen käyttäminen kasvattaa mittausten kustannuksia merkittävästi,<br />
minkä vuoksi mittaamiseen käytetään myös yksinkertaisempia menetelmiä. Lyhyempikestoinen<br />
ja halvempi testausmenetelmä on järjestelmän kulutuksen mittaaminen testipenkissä.<br />
Päätarkoituksena on luoda reaaliaikaiset ajoneuvotason ilmavirta ja lämpötilajakaumamallit<br />
ilmastointijärjestelmän jäähdytyskapasiteetin ja suorituskyvyn arvioimiseksi<br />
normaaliolosuhteissa. Testi antaa tietoa esimerkiksi mahdollisista parannuskohteista arvioimalla<br />
useita komponentteja ja toimintaparametreja. Penkkitestejä yhdessä simulointityö
91<br />
kalujen avulla voidaan käyttää pääasiallisena testausmenetelmänä ja niiden tulokset varmentaa<br />
säähuonetta käyttämällä [79].<br />
Virtuaalinen testaus<br />
Ilmastoinnin polttoaineenkulutusta voidaan arvioida fyysisten mittausten lisäksi myös virtuaalisen<br />
testauksen avulla esimerkiksi CFDsimulointityökaluja käyttäen. Fyysisen testauksen<br />
huonoina puolina ovat sen vaatimat suuret testimäärät, laitehankintojen takia nousevat<br />
kustannukset sekä tietyissä tapauksissa mittausten rajallinen tarkkuus. Virtuaalinen testaus<br />
sen sijaan on menetelmänä kustannustehokas, teknologisesti neutraali, nopea ja sillä<br />
saadaan melko luotettavia tuloksia. Ilmastoinnin tehokkuuden arvioiminen ilman fyysistä<br />
testausta ei kuitenkaan anna todellista kuvaa järjestelmän toiminnasta. Vaikka järjestelmän<br />
yksittäisten komponenttien toiminta saataisiin optimoitua, todellisen tehokkuuden määrää<br />
komponenttien yhteis<strong>vaikutus</strong>. Virtuaalista testausta olisikin hyvä käyttää fyysisen testauksen<br />
täydentämiseen. Sen avulla voidaan esimerkiksi arvioida ilmastointijärjestelmän <strong>vaikutus</strong>ta<br />
polttoaineenkulutukseen ajoneuvon koko elinkaaren aikana, kun toimintaolosuhteet ja<br />
ajoneuvon ominaispiirteet otetaan huomioon [73, 80].<br />
6.3.2 Mittausten havainnollisuus, toistettavuus ja tarkkuus<br />
Jotta mittaustuloksilla olisi todellista arvoa järjestelmien energiatehokkuuden parantamisessa<br />
sekä kuluttajatietoisuuden lisäämisessä, tulee tuloksien olla riittävän havainnollisia,<br />
toistettavia ja tarkkoja. Mittausten tulisi olla eri tutkimustahojen välillä toistettavia, jotta<br />
tulokset olisivat keskenään vertailukelpoisia, ja toistettavuus saman tahon mittauksissa tulisi<br />
olla luonnollisesti astetta tarkempaa. Ilmastointijärjestelmän toimintaan vaikuttaa läheisesti<br />
ajoneuvon muiden järjestelmien toiminta. Suuret ajoneuvokohtaiset erot sekä laaja<br />
ympäristön <strong>vaikutus</strong>ten huomioiminen tekevät luotettavasta mittaamisesta vaikeaa. Testeissä<br />
ei yleensä huomioida myöskään järjestelmien kuntoa. Tutkimuksen mukaan yli 8<br />
vuotta vanhojen <strong>ajoneuvojen</strong> järjestelmistä 12,5 % oli jollain tapaa viallisia [64]. Järjestelmissä,<br />
joissa käytetään kytkimettömiä kompressoreita, fyysinen polttoaineenkulutuksen<br />
mittaus ilmastoinnin kanssa ja ilman ei tuota realistista tulosta. Tämä johtuu kompressorin<br />
passiivisesta tehonkulutuksesta, jota ei voida erottaa voimansiirrosta ilman ilmastointia<br />
suoritettavassa testissä. Testit jättävät usein myös huomioimatta polttoaineiden kesä ja<br />
talvilaatujen erilaiset lämpöarvot [81].
92<br />
6.4 Ilmastointijärjestelmän <strong>vaikutus</strong> polttoaineenkulutukseen<br />
Ilmastoinnin polttoaineenkulutusta henkilöautoissa on tutkittu paljon [61, 66, 68, 76, 82,<br />
83, 84, 85, 86, 87]. Erilaisten mittausmenetelmien ja oletusten takia erilaisia tuloksia on<br />
kuitenkin lähes yhtä paljon kuin tutkimustahoja. Näin ollen yksiselitteisen yhteenvedon<br />
tekeminen niistä on mahdotonta.<br />
Hyöty<strong>ajoneuvojen</strong> ilmastoinnin kulutusta koskevien tutkimusten löytäminen osoittautui<br />
työtä tehdessä erittäin vaikeaksi. Asia ei ole mahdollisesti raskaan kaluston puolella vielä<br />
tähän mennessä ollut sellainen, että siihen olisi kiinnitetty julkisissa lähteissä laajemmin<br />
huomiota. Haasteena on mahdollinen tiedon olemattomuus tai luottamuksellisuus. Tiedon<br />
puute ei kuitenkaan tarkoita, että se olisi tarpeetonta tai merkityksetöntä, vaan se voi olla<br />
osoitus siitä, että tietoa ei ole vielä tarvittu. Tulevaisuudessa asia tulee olemaan varmasti<br />
toisin. Seuraavassa on esitetty tuloksia, jotka havainnollistavat polttoaineenkulutuksen<br />
kannalta merkittäviä järjestelmäkohtaisia eroja sekä polttoaineenkulutukseen vaikuttavia<br />
tekijöitä.<br />
Ilmastoinnilla on ajoneuvon lisävarusteista huomattavin <strong>vaikutus</strong> polttoaineenkulutukseen.<br />
Se aiheuttaa ajoneuvon moottorille ja sähköjärjestelmälle huomattavan lisäkuorman sekä<br />
kasvattaa ajoneuvon massaa. Kuvassa 70 on esitetty perinteisen kulutukseltaan 8,8 l/100km<br />
henkilöauton energiahäviöt. Nähdään, että ilmastoinnin osuus häviöistä on merkittävämpi<br />
kuin vierinvastuksen tai ilmanvastuksen aiheuttamat häviöt [82].<br />
Kuva 70. Perinteisen ajoneuvon energiahäviöt [82]
93<br />
6.4.1 Henkilöautot<br />
Järjestelmäkohtaiset erot<br />
Vakiotilavuuksisella kompressorilla varustettu manuaalinen ilmastointijärjestelmä voi lisätä<br />
ajoneuvon polttoaineenkulutusta jopa 2,5kertaisesti verrattuna kehittyneempään järjestelmään.<br />
Taulukossa 4 on esitetty testattujen henkilöautojen polttoaineenkulutus ilman ilmastointia,<br />
jäähdytettäessä lämmennyt matkustamo 22 –24 ºC:een tavoitearvoon sekä ylläpidettäessä<br />
tavoitelämpötilaa tyypillisissä KeskiEuroopan kesäolosuhteissa. Jäähdytysjakson<br />
aikana ilmastoinnin polttoaineenkulutus on ajoneuvosta riippuen 2,53 (Audi A4<br />
TDI) –4,14 (Ford Fiesta) l/100km. Asetetun lämpötilaarvon ylläpitämiseen kuluu kaupunkiajossa<br />
0,76 –2,11 l/100km ja maantieajossa 0,09 –0,66 l/100km. Lämmenneen matkustamon<br />
jäähdyttämiseen kuluu siis keskimäärin huomattavasti enemmän polttoainetta<br />
kuin pelkkään tavoitelämpötilan ylläpitämiseen. Matkustamon tavoitelämpötila saavutetaan<br />
kaikissa ajoneuvoissa ensimmäisen osasyklin aikana noin 3 minuutin kohdalla. Matkustamon<br />
lämpötila testin alussa on 30 –32 ºC, lukuun ottamatta Mazda 6, jonka matkustamon<br />
lämpötila on hieman korkeampi. Ajoneuvojen matkustamoiden lämpötilaprofiilit on<br />
esitetty kuvassa 71 [68].<br />
Taulukko 4. Ilmastoinnin polttoaineenkulutus (NEDCsykli) [68]
94<br />
Kuva 71. Lämpötilaprofiilit syklin aikana [68]<br />
Matkustamon viihtyisän ilmaston ylläpitäminen lisää ajoneuvon polttoaineenkulutusta siis<br />
enimmillään 19,9 % (kuva 72). Suurin kulutuksen kasvu on ajoneuvossa (Ford Fiesta),<br />
jonka ilmastointijärjestelmässä on käytetty vakiotilavuuksista kompressoria ja manuaalista<br />
säätöä, jolloin kompressori toimii aina maksimi jäähdytyskapasiteetilla. Pienimpään ilmastoinnin<br />
polttoaineenkulutukseen päästään ajoneuvossa (Audi A4 1,8 T), jossa käytetään<br />
muuttuvatilavuuksista kompressoria ja ulkoista kompressorin ohjausta, jolloin järjestelmää<br />
voidaan säätää tarkasti jäähdytystarpeen mukaan. Tällöin ilmastointi lisää kulutusta 5,2 %.<br />
Dieselmoottorisen vastaavalla ilmastointijärjestelmällä varustetun ajoneuvon (Audi A4<br />
2,0 TDI) kulutuksen lisäys ei eroa merkittävästi bensiinimallista, kulutuksen lisäyksen ollessa<br />
6,3 %. Ilmastoinnin kulutus tilavuusyksikössä ilmaistuna on dieselmoottorisessa<br />
ajoneuvossa pienempi mutta sen paremman polttoainetalouden vuoksi prosentuaalinen kulutuksen<br />
kasvu on bensiinimoottorista ajoneuvoa suurempi. Ajoneuvossa (Mazda 6), jossa<br />
on käytetty älykästä sisäilmankierron ohjausta, voidaan vakiotilavuuksisen kompressorin<br />
tehottomuutta kompensoida, ja kulutus kasvaa kohtuullisesti 10,2 %. Sisäisesti ohjatulla<br />
muuttuvatilavuuksisella kompressorilla varustettu järjestelmä ei kykene säätämään jäähdytyskapasiteettia<br />
tarkasti jäähdytystarpeen mukaiseksi, joten ajoneuvon (Opel Vectra 2,2)<br />
polttoaineenkulutuksen kasvu on 16,4 % [68].
95<br />
Kuva 72. Ilmastoinnin polttoaineenkulutuksen kasvu lämpötilan ylläpitämisen aikana [68]<br />
Ilmastoinnin lisäksi testattiin avonaisten ikkunoiden <strong>vaikutus</strong>ta kulutukseen ilmastoinnin<br />
ollessa pois päältä. 100 km/h ajonopeudessa avonaiset ikkunat nostivat kulutusta 3 % (0,2<br />
l/100km). Ilmastointia pienemmästä kulutuksesta huolimatta jo 50 km/h nopeudessa kehittyi<br />
korkea melutaso ja häiritsevän voimakas ilmavirta. Matkustamon mukavuuden kannalta<br />
ikkunoiden avaamista ei voida pitää erityisen tehokkaana vaihtoehtona ilmastointijärjestelmälle<br />
[68].<br />
Hybridiajoneuvot<br />
Hybridiajoneuvoissa ilmastoinnin suhteellinen polttoaineenkulutus on huomattavan suuri.<br />
Ilmastointi voi kuluttaa polttoainetta jopa enemmän kuin ajoneuvon liikuttaminen. Ilmastointijärjestelmän<br />
<strong>vaikutus</strong>ta polttoaineenkulutukseen on havainnollistettu Toyota Prius II<br />
hybridin avulla. Ilmastointijärjestelmän kompressori on Denson ES18 sähkökäyttöinen<br />
kompressori. Testisyklinä käytetään NEDCsykliä ja hybridiajoneuvon ilmastointijärjestelmän<br />
energiatehokkuuden arvioimiseksi tuloksia on verrattu kolmen perinteisen polttomoottoriajoneuvon<br />
ilmastointijärjestelmien polttoaineenkulutukseen. Taulukossa 5 on esitetty<br />
testissä käytettävät ajoneuvot [88].
96<br />
Taulukko 5. Testiajoneuvot [88]<br />
Taulukossa 6 on havainnollistettu ilmastoinnin polttoaineenkulutusta 28 °C:een ulkoilman<br />
lämpötilassa suhteellisen kosteuden ollessa 50 %. Kulutus riippuu ilmastointijärjestelmän<br />
asetuksista. Maxi coldasetuksella matkustamon lämpötilaa ei säädellä ja puhallin on suurimmalla<br />
nopeusasetuksella sekä matalimmalla lämpötilaasetuksella. Controlled T<br />
asetuksella järjestelmä toimii automaattisella ilmavirran ohjauksella ja matkustamon lämpötilan<br />
asetusarvo on 20 °C:ssa testilämpötilalla 28 °C sekä 23 °C:ssa testilämpötilalla 35<br />
°C. Kummallakin asetuksella hybridiajoneuvon ilmastoinnin polttoaineenkulutus ei merkittävästi<br />
eroa perinteisistä ajoneuvoista. Sen sijaan ilmastoinnin suhteellinen kulutus on<br />
huomattavan suuri hybridiajoneuvossa, sillä sen keskimääräinen polttoaineenkulutus koko<br />
syklin yli ilman ilmastointia on 3,6 l/100km. Ilmastoinnin käyttöaste ja siten polttoaineenkulutus<br />
ovat suurempia kaupunkiolosuhteissa verrattuna maantieolosuhteisiin [88].<br />
Taulukko 6. Ilmastoinnin polttoaineen kulutus 28 °C (l/100km) [88]<br />
Kuvassa 73 on havainnollistettu hybridiajoneuvon kompressorin sähkönkulutusta 28<br />
°C:een ulkoilman lämpötilassa. Energiankulutus on 171 Wh CTlämpötilaasetuksella ja<br />
360 Wh MCasetuksella, mistä voidaan todeta lämpötilan ohjaustavalla olevan merkittävä<br />
<strong>vaikutus</strong> kulutukseen [88].
97<br />
Kuva 73. Kompressorin sähkönkulutus [88]<br />
Taulukossa 7 on esitetty ilmastoinnin polttoaineenkulutus 35 °C:een ulkoilman lämpötilassa<br />
suhteellisen kosteuden ollessa 50 %. Korkeampi ulkoilman lämpötila nostaa ilmastoinnin<br />
kulutusta huomattavasti. Hybridiajoneuvon ilmastoinnin polttoaineenkulutus on kaupunkiolosuhteissa<br />
3,8 l/100km. Ajoneuvon polttoaineenkulutus ilman ilmastointia on samoissa<br />
olosuhteissa 2,6 l/100km. Kärjistäen voidaan todeta, että ilmastointi on hybridiajoneuvon<br />
pääasiallinen polttoainetta kuluttava järjestelmä ja siihen kuluu enemmän polttoainetta<br />
kuin ajoneuvon liikuttamiseen [88].<br />
Taulukko 7. Ilmastoinnin polttoaineenkulutus 35 °C (l/100km) [88]<br />
Kuvassa 74 on havainnollistettu kompressorin sähkönkulutusta 28 °C:een ja 35 °C:een ulkoilman<br />
lämpötiloissa. Ilmastointijärjestelmän kokonaisenergiankulutus 35 °C:ssa on 440<br />
Wh, joka on 80 Wh enemmän verrattuna 28 °C:een olosuhteisiin. 80 Wh:n lisäys vastaa<br />
0,6 l/100km polttoaineenkulutuksen lisäystä koko syklin aikana [88]
98<br />
Kuva 74. Kompressorin sähkönkulutuksen vertailu [88]<br />
Kuvassa 75 on esitetty <strong>ajoneuvojen</strong> pään alueen lämpötilat syklin aikana. Nähdään, että<br />
hybridiajoneuvossa matkustamon lämpötilan lasku vastaa nopeinta laskua perinteisissä<br />
ajoneuvoissa.<br />
Kuva 75. Pään alueen lämpötilat syklin aikana eri ajoneuvoissa [88]
99<br />
6.4.2 Raskaat ajoneuvot<br />
Taulukossa 8 on havainnollistettu raskaiden <strong>ajoneuvojen</strong> kompressorin ottotehoja. Kyseessä<br />
on vakiokuormitustilanne, jossa matkustamo on jo jäähdytetty asetettuun lämpötilaan.<br />
Keskimääräinen ottoteho on laskettu huomioimalla kompressorin käyttöaikakerroin, joka<br />
riippuu toimintaolosuhteista, kuten ulkoilman lämpötilasta.<br />
Taulukko 8. Kompressorin ottoteho eri ajoneuvoissa 30 °C:een ulkoilman lämpötilassa<br />
[89]<br />
Raskaan kaluston ilmastointilaitteen polttoaineenkulutusta voidaan suuntaaantavasti arvioida<br />
taulukossa annettujen kompressorin ottotehojen avulla. Esimerkiksi kaupunkilinjaauton<br />
kohdalla tarkasteltavana ajosyklinä voidaan käyttää Braunschweigsykliä, joka kuvaa<br />
kaupunkilinjaautolle tyypillistä ajotapahtumaa. Ilmastointilaite nostaa polttoaineenkulutusta<br />
18 kW:n keskimääräisellä kompressorin teholla arvioituna 47 % ja sen osuus kulutuksesta<br />
on 32 %. Linjaauton polttoaineenkulutuksen arvioitiin olevan ilman ilmastointia<br />
44 l/100km, jolloin ilmastoinnin kanssa kulutukseksi saatiin noin 65 l/100km eli ilmastoinnin<br />
polttoaineenkulutus on noin 21 l/100km. Moottorin hyötysuhde voi parantua hieman<br />
kuormitustason noustessa, mitä ei laskennassa humioitu, mutta sen vaikutuksen voidaan<br />
tämän tarkkuustason tarkastelussa olettaa olevan merkityksetön (LIITE 1).<br />
Taulukossa 9 on havainnollistettu kaupunkilinjaauton ilmastointilaitteen tehoa rullilla eri<br />
ajonopeuksilla ajettaessa. Dynamometriin asetettiin rajanopeus, jota ajoneuvo ei voi ylittää.<br />
Kaasupoljin pidettiin testin aikana pohjassa, jolloin ajoneuvosta saatiin kyseisessä pisteessä<br />
suurin mahdollinen teho. Ilmastoinnin ollessa kytkettynä pois päältä, moottori välitti<br />
enemmän tehoa, mikä havaittiin dynamometrin suurempana jarrutustehona sen pyrkiessä<br />
pitämään nopeuden vakiona. Tehoerosta voitiin arvioida ilmastoinnin kompressorin ottote
ho. Nopeus rajoitettiin 80, 60 ja 40 km/h:ssa. 40 ja 60 km/h:n nopeuksia ajettiin kahdella<br />
eri vaihteella ja siten kahdella eri pyörintänopeudella. Linjaauto on Veolian Scania<br />
Scala K230 vuosimallia 2009. Ilmastointijärjestelmä muodostuu Spheroksen kattoyksiköstä,<br />
ilmakanavistosta sekä kompressorista, joka saa käyttövoimansa moottorilta hihnan välityksellä.<br />
Järjestelmän jäähdytysteho on valmistajan mukaan 30 kW.<br />
Taulukko 9. Kompressorin teho dynamometrilla [90]<br />
80 km/h ilmastointi pois 80 km/h ilmastointi päällä tehoero (kW)<br />
rpm n. 1350<br />
Teho ka (kW) 107,87 98,28 9,59<br />
Std dev 0,56 0,43<br />
100<br />
60 km/h ilmastointi pois 60 km/h ilmastointi päällä<br />
rpm n. 1430<br />
Teho ka (kW) 125,08 114,17 10,92<br />
Std dev 0,40 0,36<br />
60 km/h ilmastointi pois 60 km/h ilmastointi päällä<br />
rpm n. 1020<br />
Teho ka (kW) 84,50 76,56 7,94<br />
Std dev 0,66 0,35<br />
40 km/h ilmastointi pois 40 km/h ilmastointi päällä<br />
rpm n. 1200<br />
Teho ka (kW) 105,20 95,17 10,03<br />
Std dev 0,74 0,29<br />
40 km/h ilmastointi pois 40 km/h ilmastointi päällä<br />
rpm n.1660<br />
Teho ka (kW) 128,73 117,66 11,07<br />
Std dev 0,57 0,67<br />
Jäähdytysteho ja COP huomioiden noin 10 kW:n maksimi ottoteho vaikuttaa suhteellisen<br />
järkevältä. Arvioitaessa ilmastointilaitteen polttoaineenkulutusta 10 kW:n ottoteholla<br />
Braunschweigsyklillä saadaan, että ilmastointi nostaa polttoaineenkulutusta 26 % ja sen<br />
osuus kulutuksesta on 21 %. Kaupunkilinjaauton polttoaineenkulutus ilmastointi kytkettynä<br />
on noin 56 l/100km eli ilmastoinnin kulutus on 12 l/100km (LIITE1). Huomioitavaa on,<br />
että 10 kW.n ottoteho on maksimi ottoteho, eikä sen laskennassa ole huomioitu käyttöaikakerrointa.<br />
Tehdyt mittaukset ja laskelmat ovat alustavia ja mittausepävarmuus huomioiden vain suuntaaantavia.<br />
Ne kuitenkin tukevat asiantuntijoilta saatuja epävirallisia tietoja, joiden mukaan<br />
ilmastoinnin polttoaineenkulutuksen osuus kaupunkilinjaauton koko kulutuksesta voi<br />
olla jopa 35 –50 %.
101<br />
6.4.3 Kuormatilat<br />
Ruokakuljetuksissa käytetään lämpötilansäädöllä varustettuja kuormatiloja. Taulukossa 10<br />
on esitetty kuormatilojen lämpötilansäätöön käytettävien itsenäisten jäähdytyslaitteiden<br />
tyypillisiä jäähdytyskapasiteetti ja polttoaineenkulutuslukuja 30 °C:een ulkoilman lämpötilassa.<br />
Pidempien matkojen kuljetuksissa tarvittava jäähdytyskapasiteetti on pienempi,<br />
koska ovien avauksia ei ole yhtä paljon kuin paljon pysähdyksiä sisältävissä kaupunkikuljetuksissa.<br />
Taulukossa on myös eritelty kylmä ja pakastekuljetuksissa tarvittavaa jäähdytyskapasiteettia,<br />
jonka pitäisi kylmäkuljetuksissa olla normaalisti pienempi, ulkoilman ja<br />
ympäristön välisen pienemmän lämpötilaeron takia. Usein kuitenkin kylmäkuljetusten<br />
energiankulutus on pakastekuljetuksia suurempi, tiukempien lämpötilansäätövaatimusten,<br />
tuotteiden respiraation sekä yhtenäisen lämpötilajakauman ylläpitämiseksi vaadittavan<br />
korkeamman ilmavirran takia [46].<br />
Taulukko 10. Kuormatilojen jäähdytyslaitteiden jäähdytyskapasiteetti ja polttoaineenkulutus<br />
[46]<br />
Ajoneuvotyypistä riippuen jäähdytyslaitteiston keskimääräinen polttoaineenkulutus on 15<br />
–25 % ajoneuvon moottorin polttoaineenkulutuksesta. Lisäksi kaupunkikuljetuksissa polttoaineenkulutus<br />
on keskimäärin 16 % korkeampi verrattuna pitkän matkan kuljetuksiin<br />
johtuen muun muassa toistuvista ovien avauksista [46].<br />
6.4.4 Lisälämmittimet<br />
Polttoainelämmittimet<br />
Eri ajoneuvotyypeissä käytettävien lisälämmittimien polttoaineen ja virrankulutusta on<br />
havainnollistettu taulukossa 11. Lämmittimet ovat Webaston polttoainekäyttöisiä vesi<br />
(thermo) –ja ilmalämmittimiä. Kulutusarvot ovat hyvin samansuuruisia muiden valmistajien<br />
vastaavanlaisten lämmittimien kanssa [91]. Valmistajan ilmoittamaa polttoaineenkulusta<br />
voidaan pitää realistisena puolueettoman tutkimustahon tekemien mittausten perusteella<br />
(taulukko 12).
Linjaautojen suuri matkustamotila vaatii tehokkaampien lämmittimien käyttöä, mikä<br />
näkyy suurimpana polttoaineen ja virrankulutuksena lämmittimiä vertailtaessa. Myös<br />
komponenttien koko ja massa ovat merkittävästi suurempia. Dieselkäyttöisten lämmittimien<br />
polttoaineenkulutus on hieman bensiinikäyttöisiä pienempi dieselin suuremman energiatiheyden<br />
ansiosta. Ilmalämmittimillä saavutetaan vesilämmittimiä pienempi polttoaineenkulutus.<br />
Lisälämmittimen tuomalla lisämassalla on pieni <strong>vaikutus</strong> polttoaineenkulutukseen. Jos oletetaan<br />
kulutuksen lisäys 0,05 l/100km/10kg saadaan 19kg painavan linjaauton lisälämmittimen<br />
massan tuomaksi kulutukseksi noin 0,1 l/100km [25].<br />
Taulukko 11. Polttoainekäyttöisten lisälämmittimien kulutus [92, 93]<br />
Lämmitinmalli Ajoneuvo LämmitysP (kW täysteho/osat.) Kulutus, b (l/h) Kulutus, d (l/h) Sähkötehontarve (W) Paino (kg)<br />
Thermo TopE HA 4,2/2,1 0,54/0,34 0,47/0,30 36/32 3,2<br />
Thermo TopZ HA 5 0,59 26/18 3,2<br />
Thermo TopC HA 5,2/2,6 0,7/0,34 0,61/0,3 42/32 3,2<br />
Air Top 2000S KA 12 (b) ja 0,92 (d) 0,160,27 0,120,24 929 (12V b, 12/24V d) 2,6<br />
Air Top 3900EVO KA 1,53,5 0,170,42 1536 (12V) ja 45 (24V) 5,9<br />
Air Top 5500EVO KA 1,55 (boost. 5,5 max. 30min) 0,170,6 1595 (12/24V) 5,9<br />
Thermo 50 KA 2,25 0,280,63 3450 (24V) 2,9<br />
Thermo 90S KA 27,6 (b) ja 1,89,1 (d) 0,251 0,191,1 3783 (12/24 V) 4,8<br />
HL 90 (ilma) KA 9/6,5 1,2/0,86 110/80 (12V) ja 160/94 (24V) 13,3<br />
DWB 2010 (neste) LA 11,6 1,5 60 (ilman vesipumppua, 12/24V) 15<br />
Thermo 230 LA 23 3,01 65 (24V) 19<br />
Thermo 300 LA 30 3,98 110 (24V) 19<br />
Thermo 350 LA 35 4,46 140 (24V) 19<br />
Thermo S400 LA 40 4,9 180 (24V) 18,8<br />
HA=henkilöauto, KA=kuormaauto, LA=linjaauto, b=bensiini, d=diesel<br />
Taulukko 12. Valmistajan ilmoittaman kulutusarvon luotettavuustarkastelu [90]<br />
Malli Valmistajan ilmoittama kulutus l/h VTT:n mittaus l/h<br />
Thermo 300 3,98 3,65<br />
102<br />
PTClämmittimet<br />
PTClämmittimen lämmityskapasiteetti on tyypillisesti 1 –2 kW ja se ottaa huomattavan<br />
sähkötehon ajoneuvon sähköjärjestelmästä. Esimerkiksi EDCsyklin yli 120A:n vaihtovirtageneraattorilla<br />
keskimäärin 594 W sähkötehoa kuluu syklin aikana. 150A:n järjestelmällä<br />
keskimääräinen PTClämmittimen tehonkulutus on noin 33 % suurempi ja vastaavasti<br />
enemmän energiaa saadaan hyödynnettyä lämmittämiseen. Jos oletetaan 60 % vaihtovirtageneraattorin<br />
hyötysuhde, polttoaineenkulutus on 2,3 l/100km jokaista PTClämmittimen<br />
vaatimaa kilowattia kohti tuulettimet mukaanlukien [25].
7 Nykyisten järjestelmien parantaminen<br />
103<br />
Vain ajoneuvon toimintaympäristön jatkuvasti huomioivalla dynaamisesti ja älykkäästi ohjatulla<br />
järjestelmällä, jonka suunnittelussa on lisäksi huomioitu toimintaan koko järjestelmätasolla<br />
vaikuttavat tekijät, on mahdollista saavuttaa optimaalinen järjestelmän tehokkuus<br />
muuttuvissa toimintaolosuhteissa. Ilmastointijärjestelmän tehokkuutta voidaan lisätä<br />
parantamalla sen yksittäisten komponenttien toimintaa optimoimalla niiden painehäviöitä<br />
ja tehokkuutta, mutta parhaaseen suorituskykyyn päästään vain, kun järjestelmää käsitellään<br />
kokonaisuutena. Järjestelmän eri komponentit ovat läheisesti yhteydessä toisiinsa ja<br />
yhden komponentin ominaisuuksien muuttaminen voi vaikuttaa merkittävästi järjestelmän<br />
muihin osiin ja siten koko järjestelmän suorituskykyyn. Ilmastointijärjestelmä toimii<br />
enimmäkseen transientissa tilassa vaihtelevissa toimintaolosuhteissa, ja järjestelmän paineet,<br />
lämpötilat ja höyrystimen sekä lauhduttimen ilmavirran nopeudet ovat ajasta riippuvia<br />
tekijöitä, mikä vaikeuttaa järjestelmän optimointia. Järjestelmän järkevällä ohjauksella<br />
sekä lämpökuorman, virrankulutuksen ja kompressorin ottotehon pienentämisellä matkustamoa<br />
voidaan lämmittää tai jäähdyttää vain niin paljon ja usein, kun on riittävän matkustamon<br />
mukavuustason ja turvallisuuden kannalta välttämätöntä.<br />
7.1 Järjestelmän ohjaus<br />
7.1.1 Höyrystimen lämpötila<br />
Höyrystimen lämpötilaa ohjaamalla höyrystintä voidaan käyttää ylemmällä lämpötilaalueella.<br />
Mitä korkeampi höyrystimen ulostulon lämpötila on, sitä pienempi on tarvittava<br />
jäähdytysteho. Korkean lämpötilan ylläpitoa rajoittaa kuitenkin höyrystimen pinnan kosteuden<br />
ja saostumien aiheuttamat hajuhaitat. Höyrystimen älykkään geometrian ja pintamateriaalien<br />
avulla saostumien huuhtoutumista sekä höyrystimen nopeampaa kuivumista käytön<br />
jälkeen voidaan tehostaa. Tällöin höyrystimen lämpötilansäätöä voidaan käyttää useammin<br />
optimaalisella tasolla ja tarvittavaa jäähdytystehoa pienentää [61].<br />
7.1.2 Entalpian hallinta<br />
Ulkoisista olosuhteista riippuen, sisäilmankierron käytön lisääminen voi olla energiatehokkaampaa<br />
verrattuna jatkuvaan raitisilman käyttöön. Perinteisesti ilmastointijärjestelmä ottaa<br />
uutta ilmaa ajoneuvon ulkopuolelta ja jäähdyttää tai lämmittää sitä haluttuun lämpöti
104<br />
laan. Tuloilmakanavassa käytetään tyypillisesti mekaanisesti ohjattua läppää, joka säätelee<br />
ulkoa otettavan ja uudelleenkierrätettävän ilman suhdetta. Kun ulkoilman lämpötila<br />
on korkea, kuuman ilman jäähdyttämiseen kuluu luonnollisesti paljon energiaa. Sisäilmankierrossa<br />
järjestelmä käyttää jo jäähdytettyä sisäilmaa uudestaan, jolloin jäähdyttämiseen<br />
tarvitaan huomattavasti vähemmän energiaa ja kompressorin tehonkulutus pienenee. Mitä<br />
enemmän kierrätettävää ilmaa käytetään, sitä pienempi on vaadittu jäähdytysteho. Vastaavasti<br />
sisäilmankierron lisääminen talvella vähentää lämmittämiseen tarvittavaa energiaa.<br />
Kuvassa 76 on havainnollistettu matkustamon jäähdyttämiseen ja lämmittämiseen kuluvan<br />
tehon riippuvuutta sisäilmankierron käyttöasteesta erilaisissa ulkoisissa olosuhteissa.<br />
Yleensä tilanteissa, joissa vaaditaan maksimaalista jäähdytys tai lämmityskapasiteettia,<br />
järjestelmät kytkevät automaattisesti sisäilmankierron päälle. Sisäilmankiertoa voitaisiin<br />
kuitenkin lisätä myös järjestelmän normaaleissa toimintaolosuhteissa sillä edellytyksellä,<br />
että lasien huurustumista ei ilmene, sisäilman laatu pysyy hyvänä ja epämiellyttäviä hajuja<br />
ei siirry matkustamoon. Käyttämällä sisäilman laatua mittaavia antureita, ulkoilman ja uudelleenkierrätettävän<br />
ilman suhde voidaan tarkasti säätää ja järjestelmän tehokkuus maksimoida<br />
[29]. Sisäilmankiertoa käyttämällä voidaan päästä jopa 35 % pienempään polttoaineenkulutukseen<br />
verrattuna pelkkään raitisilmankäyttöön ulkoilman lämpötilan ollessa 28<br />
°C ja suhteellisen kosteuden 40 % [61].<br />
Kuva 76. Jäähdyttämiseen ja lämmittämiseen kuluvan tehon riippuvuus sisäilmankierrosta<br />
[84]
105<br />
7.1.3 Järjestelmän päälläoloaika<br />
Nykyinen järjestelmien ohjauslogiikka pitää ilmastoinnin toiminnassa, vaikka jäähdytystä<br />
ei enää esimerkiksi laskeneen ulkoilman lämpötilan vuoksi tarvittaisi. Tämä johtaa järjestelmän<br />
turhaan käyttöön ja polttoaineenkulutuksen kasvuun. Järjestelmän älykkään ohjauksen<br />
avulla järjestelmä voitaisiin kytkeä pois päältä silloin, kun sitä ei tarvita. Ulkoilman<br />
kosteuspitoisuuden noustessa, järjestelmä kytkeytyisi jälleen päälle lasien huurustumisen<br />
estämiseksi. Järjestelmän poiskytkentä voi aiheuttaa mahdollisia hajuhaittoja esimerkiksi<br />
lämpötilan äkillisen nousun ja höyrystimessä olevan kosteuden takia, mikä voitaisiin ratkaista<br />
esimerkiksi asteittaisella järjestelmän poiskytkennällä [61].<br />
7.2 Lämpökuorman vähentäminen<br />
Etenkin pienikokoisissa ajoneuvoissa moottorin alhainen teho asettaa rajoituksia ilmastointijärjestelmän<br />
tehonkulutukselle. Tarvittava järjestelmän kapasiteetti riippuu ajoneuvon<br />
huippulämpökuormasta, joka voi olla 2 – 3 kertaa suurempi verrattuna kuormitukseen<br />
normaaliolosuhteissa [94]. Vähentämällä matkustamon lämpökuormaa, ilmastointijärjestelmän<br />
kapasiteettia voidaan pienentää matkustusmukavuutta huonontamatta. Matkustamon<br />
lämpökuormaan vaikuttaa merkittävimmin lasien ja ilmanvaihdon kautta matkustamoon<br />
siirtyvä lämpö. Lämpökuormaa voidaan pienentää esimerkiksi käyttämällä auringon<br />
säteilyä heijastavia laseja ja maaleja, tehokkaita eristysmateriaaleja, taukotuuletusta sekä<br />
lisäämällä sisäilmankiertoa.<br />
Kuluttajat eivät perinteisesti ole vaatineet energiatehokkaita ilmastointijärjestelmiä vaan<br />
lähinnä riittävää matkustamon mukavuustasoa. Lämpökuorman vähentämisteknologioiden<br />
käyttöä voidaan perustella sekä matkustamon mukavuustason parantumisen että polttoaineenkulutuksen<br />
vähentymisen kautta.<br />
7.2.1 Auringonsäteilyä heijastavat materiaalit<br />
Nykyisissä ajoneuvoissa käytetään entistä enemmän lasia tyylikkyyden lisäämiseksi. Lisäksi<br />
linjaautoissa lasien osuus ajoneuvon ulkopinnasta on merkittävä. Pysäköidyn ajoneuvon<br />
matkustamoon siirtyvästä lämpöenergiasta tyypillisesti 50 –75 % on lasien läpi<br />
tulevaa aurinkoenergiaa. Säteilykuorma riippuu lasien pintaalasta ja ominaisuuksista sekä<br />
säteilyn tulokulmasta ja spektristä. Auringon säteilyn voimakkuuteen vaikuttaa vuorokauden<br />
ja vuodenaika, maantieteellinen sijainti ja ajoneuvon orientaatio. Uusilla lasitustekno
106<br />
logioilla matkustamoon lasien läpi tulevan infrapunasäteilyn määrä voidaan pienentää<br />
vain 3 %:iin ja kokonaisaurinkoenergian määrä 33 %:iin. Näkyvästä valosta noin 70 % läpäisee<br />
lasin, joten lasitusteknologiassa on lähes saavutettu käytännön raja näkyvyysvaatimukset<br />
huomioitaessa. Heijastavilla laseilla matkustamon ilman ja istuimien lämpötiloja<br />
voidaan laskea noin 35 %. Tämä vähentää matkustamon jäähdyttämiseen kuluvaa aikaa ja<br />
ilmastointijärjestelmän käyttöastetta. Lasitus vähentää jonkin verran myös liikkuvan ajoneuvon<br />
lämpökuormaa ja siten ilmastoinnin käyttötarvetta. Infrapunasäteilyä heijastavia<br />
laseja ja maalia sekä aurinkoenergialla toimivaa taukotuuletusta käyttämällä 5,7 kW jäähdytyskapasiteetilla<br />
varustetun ajoneuvon jäähdytystehontarvetta voidaan pienentää 30 %<br />
eli 4 kW:iin jäähdytystehokkuuden pysyessä samana. Pienentämällä jäähdytyskuormaa 30<br />
%, ajoneuvon polttoaineenkulutusta voidaan laskea 26 % [95].<br />
7.2.2 Eristys<br />
Ajoneuvon eristyksestä saatava hyöty riippuu ajoneuvon ulkopinnoista sekä sisäilman<br />
lämpötilasta. Esimerkiksi matkustamon ollessa ulkopintoja lämpimämpi, sisäkaton erityksen<br />
lisääminen nostaa matkustamon sisälämpötilaa. Yhdessä auringon säteilyä heijastavien<br />
lasien ja taukotuuletuksen kanssa eritys saattaa kuitenkin vähentää pysäköidyn ajoneuvon<br />
matkustamon lämpökuormaa. Toisaalta talvella sisäilman ollessa lämpimää ja ulkoilma<br />
kylmää, eristyksen lisääminen vähentää tarvittavaa lämmitystehoa [57].<br />
Erityisesti kaupunkilinjaautoissa ovien avaamisen kautta lämmönsiirto ympäristön ja matkustamon<br />
välillä on merkittävää. Käyttämällä linjaauton ovien yhteydessä ilmaverhoa,<br />
voitaisiin matkustamo eristää ympäristöstä. Tällöin lämmönsiirron korvaamiseen tarvittavaa<br />
energiaa voitaisiin vähentää ja lämpötila matkustamossa ylläpitää tasaisena.<br />
7.2.3 Ilmanvaihdon häviöt<br />
Matkustamoon ympäristöstä otettava ilma lämpenee ensin ajoneuvon korista siirtyvän<br />
lämmön sekä puhaltimen moottorin ja ohjauksen hukkalämmön takia. Höyrystimessä jäähtynyt<br />
ilma kulkeutuu matkustamoon ilmanjakokanavistoa pitkin, jossa se jälleen lämpenee<br />
(kuva 77). Ilmavirran lämpenemisen takia osa höyrystimen jäähdytystehosta menee siis<br />
hukkaan. Ilmastointijärjestelmän tasasähkömoottoreiden nopeuden säätöön on perinteisesti<br />
käytetty resistiivisiä antureita. Niiden avulla moottorille menevää jännitettä ja sitä kautta<br />
moottorin nopeutta voidaan pienentää. Tämä tuottaa kuitenkin lämpöä, joka yleensä siirtyy<br />
järjestelmän ilmanvaihtokanaviin. Käyttämällä puhaltimen ohjauksessa lineaarisen sääti
107<br />
men sijaan PWMsäädintä, joka säteilee vähemmän lämpöä, jäähdytystehohukkaa voidaan<br />
pienentää. Lisäksi ilmanjakokanavistoa voidaan lyhentää ja eristää sekä tiivistää höyrystimen<br />
jakelupuolen yhteydessä olevaa lämmönvaihdinta. 4 K:n vähennys matkustamoon<br />
kulkeutuvaan ilmaan siirtyvässä lämmössä laskee keskikokoisen ajoneuvon jäähdytystehon<br />
tarvetta noin 10 % [61]. Ajoneuvon käydessä tyhjäkäynnillä paikallaan, tiestä nouseva<br />
lämpö ja moottoritilasta ajoneuvon etuosaan takaisinvirtaava kuuma ilmavirta lämmittävät<br />
lauhduttimelle menevää ilmaa. Ilman lämpötila voi nousta jopa 65 °C:seen ulkoilman lämpötilan<br />
ollessa 30 °C. Lauhduttimen riittävällä eristyksellä ajoneuvon korista lauhduttimen<br />
tuloilman lämpötilaa voidaan merkittävästi laskea [29, 61].<br />
Kuva 77. Matkustamoon kulkeutuvan ilman lämpeneminen järjestelmän eri kohdissa [61]<br />
7.2.4 Taukotuuletus<br />
Taukotuuletuksella matkustamoon saadaan jatkuvasti raikasta ilmaa ja sisälämpötilaa voidaan<br />
laskea kesäolosuhteissa jopa 50 % verrattuna ajoneuvoon, jossa taukotuuletusta ei ole<br />
käytetty. Taukotuuletuksessa voidaan hyödyntää aurinkoenergiaa <strong>ajoneuvojen</strong> kattoluukun<br />
tai koko katon yhteyteen asennettavien aurinkokennojen avulla kuvan 78 mukaisesti. Auringosta<br />
saatavalla energialla tuotetaan sähköä, jota voidaan käyttää taukotuuletuksessa<br />
ajoneuvon puhaltimen käyttövoimana akkua rasittamatta [67]. Aurinkokennoista on luonnollisesti<br />
eniten hyötyä alueilla, joilla auringon säteilyn määrä on suuri ja etenkin talvella<br />
aurinkoenergiaa on huomattavasti vähemmän tarjolla. Järjestelmää voidaan kuitenkin käyttää<br />
talvellakin matkustamon ilman kuivaamiseen. Tämä vähentää ikkunoihin kondensoituvaa<br />
vettä sekä mikrobien muodostumista ilmastointijärjestelmässä [67].
108<br />
Aurinkokennoin päällystetyn katon avulla voidaan tuottaa energiaa puhaltimen lisäksi<br />
myös hybridi ja sähköautojen akkujen lataamiseksi (kuva 78). Ajoneuvon matkustamo<br />
voidaan myös esijäähdyttää aurinkoenergian avulla kytkemällä elektroninen ilmastointi<br />
kaukoohjatusti päälle. Aurinkoenergialla toteutetun taukotuuletuksen ja esijäähdytyksen<br />
avulla ilmastoinnin toimintaa voidaan tehostaa ja käyttöaikaa lyhentää, mikä parantaa<br />
ajoneuvon energiatehokkuutta [96].<br />
Kuva 78. Aurinkoenergiakatto [96]<br />
7.3 Sähkötehon kulutus<br />
Puhaltimet, tuulettimet ja niiden ohjausyksiköt käyttävät 10 –50 % ilmastoinnin vaatimasta<br />
sähkötehosta toimintaolosuhteista riippuen. Puhaltimen suuri tehonkulutus johtuu komponenttien<br />
hyötysuhteista: hihnakäyttö (~95%), vaihtovirtageneraattori (~55%), akku<br />
(~90%) ja puhaltimen moottori (~65%). Sähkötehon kulutuksen pienentäminen 100 W:lla<br />
laskee ajoneuvon polttoaineenkulutusta keskimäärin 0,1 l/100km. Käyttämällä harjatonta<br />
moottoria ja PWMsäädintä puhaltimen ohjauksessa, virrankulutusta voidaan pienentää<br />
huomattavasti (kuva 79). Tällöin KeskiEuroopan olosuhteissa ilmastointijärjestelmän polttoaineenkulutus<br />
laskee arviolta 10 % verrattuna järjestelmään, jossa on käytetty lineaarisäädintä<br />
ja harjallista moottoria. Pienentämällä jäähdytetyn ilman virtausvastusta, sekä<br />
optimaalisella ilmanjakokanavien ja läppien suunnittelulla puhaltimen tehonkulutusta voidaan<br />
pienentää. Ilmanjakokanavien optimointiin voidaan käyttää simulointiohjelmia ja<br />
näin pienentää niissä aiheutuvia painehäviöitä [61, 94].
109<br />
Kuva 79. Puhaltimen ohjauksen ja moottorin <strong>vaikutus</strong> sähkötehon kulutukseen [61]<br />
7.4 Kylmäainepiirin optimointi<br />
Suurin osa ilmastointijärjestelmän polttoaineenkulutuksesta aiheutuu kompressorin käyttämiseen<br />
tarvittavasta energiasta. Kompressorin ottotehon minimoiminen vaatii koko kylmäainepiirin<br />
optimointia, mikä käsittää piirin komponentit, voiteluöljyn määrän, höyrystimen<br />
tulistuksen hallinnan sekä koko piirin yhteensovittamisen [61].<br />
Kylmäaineputkitus<br />
Pitkät kylmäainelinjat kasvattavat järjestelmän resistanssia, mikä johtaa suurempiin järjestelmäpaineisiin<br />
ja lopulta suurempaan kompressorin tehonkulutukseen. Putkien halkaisijakokoja<br />
kasvattamalla sekä mutkia vähentämällä kylmäainevirran resistanssia voidaan pienentää.<br />
7.4.1 Sisäinen lämmönvaihdin<br />
Sisäinen lämmönvaihdin (kuva 80) käyttää höyrystimestä lähtevää kylmää kylmäainehöyryä<br />
lauhduttimelta tulevan kuuman nestemäisen kylmäaineen jäähdyttämiseen ennen<br />
tämän siirtymistä paisunta tai kuristinventtiiliin. Kylmäaineen lämpötilan lasku kasvattaa<br />
höyrystimen entalpiaerotusta ja sama jäähdytyskapasiteetti saavutetaan pienemmällä kylmäaineen<br />
massavirralla. Lisäksi höyrystimessä olevan kylmäaineen nopeus laskee, jolloin<br />
painehäviö höyrystimessä laskee. Tällöin kylmäaineen lämpötila pysyy höyrystimessä alhaisena<br />
ja jäähdytysteho paranee. Sisäinen lämmönvaihdin nostaa kompressorin ulostulolämpötilaa,<br />
koska lauhduttimelta tuleva nestemäinen kylmäaine lämmittää höyrystimeltä
110<br />
tulevaa kylmäainehöyryä [97]. Kompressorin ulostulolämpötila rajoittaa sisäisen lämmönvaihtimen<br />
kapasiteettia erityisesti R134ajärjestelmässä. HFO1234yfjärjestelmässä<br />
sisäisellä lämmönvaihtimella voitaisiin mahdollisesti saavuttaa suurempi hyöty, koska<br />
kompressorin ulostulolämpötila on perustasoltaan alhaisempi.<br />
Kuva 80. Sisäinen lämmönvaihdin [98]<br />
Sisäisellä lämmönvaihtimella saavutetaan suurin hyöty ajoneuvon ollessa paikallaan hyvin<br />
korkeassa ulkoilman lämpötilassa ja jäähdytyskapasiteetti voi parantua 5 –12 % perinteiseen<br />
järjestelmään verrattuna tehonkulutuksen pysyessä samana. Tällöin COParvo kasvaa<br />
10 – 15 % jäähdytystehon pysyessä samana. Kuvassa 81 on havainnollistettu sisäisen<br />
lämmönvaihtimen <strong>vaikutus</strong>ta jäähdytystehoon kuormittavissa ympäristöolosuhteissa. Perinteiseen<br />
järjestelmään verrattuna voidaan saavuttaa 12 % parempi jäähdytysteho ja 2,2 °C<br />
alhaisempi matkustamon etuosan ilmanjakokanavan ulostulolämpötila [97].<br />
Kuva 81. Sisäisen lämmönvaihtimen <strong>vaikutus</strong> jäähdytystehoon [97]
111<br />
Kuvassa 82 on havainnollistettu perinteisen ja sisäistä lämmönvaihdinta hyödyntävän<br />
järjestelmän kompressorin tehonkulutusta vastaavalla jäähdytyskapasiteetilla. Sisäisen<br />
lämmönvaihtimen avulla jäähdytyskapasiteetti kasvaa 5,6 % samalla kompressorinopeudella,<br />
ja kompressorin tehonkulutus vähenee 11 % vastaavalla jäähdytyskapasiteetilla verrattuna<br />
perinteiseen järjestelmään. Täten sama mukavuustaso voidaan saavuttaa pienemmällä<br />
kompressorin tehonkulutuksella. Arvion mukaan sisäisen lämmönvaihtimen käyttö<br />
vastaa kompressorin iskutilavuuden kasvattamista 2 %, lauhduttimen koon kasvattamista<br />
35 % sekä höyrystimen 10 %, ja polttoaineenkulutus voi pienentyä jopa 10 –20 % [97,<br />
99].<br />
Kuva 82. Kompressorin tehonkulutus ja jäähdytyskapasiteetti [97]<br />
7.4.2 Optimoitu tulistuksen hallinta<br />
Paisuntaventtiilin tehtävä on varmistaa, että kylmäaine on täysin höyrystynyttä höyrystimen<br />
ulostulossa, joten se ohjaa kylmäainehöyryn tulistusta toimintapisteestä riippuen. Optimaalinen<br />
tulistus kasvattaa höyrystimen kapasiteettia ja sisäisen lämmönvaihtimen tavoin<br />
vähentää tarvittavaa jäähdytyskapasiteettia. Tulistuksen kasvaessa COParvo kasvaa aluksi<br />
mutta liiallisen tulistuksen myötä laskee lopulta merkittävästi (kuva 83).
112<br />
Kuva 83. Tulistuksen <strong>vaikutus</strong> COParvoon sähköistä paisuntaventtiiliä käytettäessä [61]<br />
Perinteisellä paisuntaventtiilillä ei ole mahdollista saavuttaa järjestelmän suorituskyvyn<br />
kannalta ideaalista tulistusta kaikissa toimintaolosuhteissa. Tulistuksen ja sitä kautta höyrystimen<br />
läpi kulkevasta ilmasta poistetun lämmön määrää säädellään sisäisen lämpötilareferenssin<br />
avulla, millä varmistetaan tulistetun kylmäainehöyryn vakio lämpötilataso. Tämä<br />
lämpötila voi olla liian alhainen verrattuna haluttuun matkustamon lämpötilaan, jolloin osa<br />
höyrystimeltä lähtevästä ilmasta joudutaan lämmittämään uudelleen lämmönvaihtimessa.<br />
Ohjaamalla kylmäaineen paisuntaa ulkoisesti, esimerkiksi säätämällä kylmäainevirtauksen<br />
määrää elektronisella paisuntaventtiilillä, voidaan tulistusta säädellä tarkasti jäähdytystarpeen<br />
mukaan ja järjestelmän tehokkuutta parantaa. Optimoidun tulistuksen <strong>vaikutus</strong> energiankulutukseen<br />
on huomattavin osakuormatilanteessa [29, 61].<br />
7.4.3 Ejektorisykli<br />
Ejektorisyklissä perinteinen paisuntaventtiili on korvattu ejektorilla. Sen avulla voidaan<br />
hyödyntää energiaa, joka muutoin menetetään paisuntaventtiilissä sekä pienentää kompressorin<br />
kuormaa ejektorin toimiessa myös pumppuna. Ejektorisyklissä (kuva 84) korkeapaineinen<br />
nestemäinen kylmäaine kulkee lauhduttimelta paisuntaventtiiliin. Kylmäaineen paine<br />
laskee mutta ei niin merkittävästi, että kylmäaine höyrystyisi. Kylmäainevirta jakautuu<br />
kahteen osaan, pienempi osa kulkeutuu järjestelmän alempaan höyrystimeen, jossa se höyrystyy<br />
ja suurempi osa nestemäisenä ejektoriin. Ejektorin suutin nostaa nestemäisen kylmäaineen<br />
nopeutta ja aiheuttaa sen ympärille matalapaineen, joka imee kylmäainetta<br />
alemmasta höyrystimestä. Osavirrat yhdistyvät ejektorissa ja kylmäaine kulkee ejektorin
diffuusoriin, jossa se paineistuu. Kylmäainevirta kulkee ejektorista järjestelmän ylempään<br />
höyrystimeen, jossa se höyrystyy [100].<br />
113<br />
Kuva 84. Ejektorisykli [100]<br />
Ejektori parantaa jäähdytyssyklin tehokkuutta hyödyntämällä paisuntaenergiaa, joka muuten<br />
menetetään perinteisessä ilmastointijärjestelmässä. Paisuntaenergia muutetaan paineenergiaksi,<br />
jolla voidaan vähentää kompressorin kuormitusta. Kylmäaineen osavirtoja voidaan<br />
säätää virtaussäätimen ja ejektorin suuttimen avulla, jolloin paineennousu ejektorissa<br />
voidaan mukauttaa kuormituksen vaihteluiden mukaan [100].<br />
Ejektorisyklin <strong>vaikutus</strong>ta polttoaineenkulutukseen on tutkittu suurten lämpötilasäädeltyjen<br />
kuormatilojen jäähdytyslaitteissa. Ejektori parantaa järjestelmän energiatehokkuutta hyvin<br />
laajalla ulkoilman lämpötilaaueella, jonka vuoksi järjestelmissä kompressorin vuotuista<br />
tehonkulutusta on voitu pienentää 27 % verrattuna perinteiseen järjestelmään samoissa<br />
toimintaolosuhteissa. Vastaavasti vuotuisessa polttoaineenkulutuksessa on päästy noin 5 %<br />
säästöihin. Kuvassa 85 on havainnollistettu ejektorisyklin etuja perinteiseen järjestelmään<br />
verrattuna. COParvo on 32 % suurempi vastaavalla jäähdytyskapasiteetilla, 12 % pienemmällä<br />
kompressorin kapasiteetilla päästään 12 % suurempaan jäähdytyskapasiteettiin<br />
ja tarvittava kylmäaineen määrä on 11 % pienempi perinteiseen järjestelmään verrattuna<br />
[100].
114<br />
Kuva 85. Ejektorisyklin edut perinteiseen järjestelmään verrattuna [100]<br />
Ejektorijärjestelmän koon pienentyessä sitä on alettu hyödyntää myös henkilöautoissa.<br />
Prius hybridiajoneuvossa on päästy 11 % (25 ºC), 18 % (35 ºC) ja 24 % (40 ºC) pienempään<br />
kompressorin tehonkulutukseen ejektorisyklin avulla [101].<br />
7.4.4 Öljynerotin<br />
Kompressorin voiteluun käytettävä öljy kiertää perinteisesti koko järjestelmän läpi ja siten<br />
heikentää lämmönsiirtoa lauhduttimessa sekä höyrystimessä. Näin ollen järjestelmän kokonaistehokkuus<br />
huononee. Lisäksi järjestelmä joutuu turhaan kierrättämään ja jäähdyttämään<br />
ylimääräistä öljyä, mikä heikentää kylmäaineen termodynaamisia ominaisuuksia.<br />
Öljynerottimen avulla voidaan estää öljyn pääsy muualle kuin kompressoriin ja parantaa<br />
höyrystimen sekä lauhduttimen lämmönsiirron tehokkuutta. Öljynerottimen avulla järjestelmän<br />
COParvoa voidaan parantaa arviolta 8 % ja järjestelmän kokonaistehokkuutta jopa<br />
10 % perinteiseen järjestelmään verrattuna [29].<br />
7.4.5 Kompressorin optimointi<br />
Jäähdytyskapasiteetin hallinta<br />
Hihnakäyttöisten kompressorien pyörimisnopeus riippuu suoraan ajoneuvon moottorin nopeudesta.<br />
Tämän vuoksi vakiotilavuuksista kompressoria käyttävän järjestelmän jäähdytyskapasiteetti<br />
vaihtelee moottorin pyörimisnopeuden mukaan ja kompressoria tulee jatkuvasti<br />
syklittää jäähdytystarpeesta riippuen. Muuttuvatilavuuksista kompressoria käyttävän<br />
järjestelmän jäähdytyskapasiteetti sen sijaan on huomattavasti riippumattomampi moottorin<br />
pyörimisnopeudesta, koska kompressorin kapasiteettia voidaan säätää iskutilavuutta<br />
muuttamalla ja jäähdytystarpeeseen vastata huomattavasti vähemmällä syklittämisellä kai
115<br />
kissa toimintaolosuhteissa. Kompressorin toiminta on tasaista ja järjestelmän polttoaineenkulutus<br />
pienenee sekä matkustamon viihtyvyys paranee.<br />
Kompressorin mäntien iskunpituutta pienentämällä, muuttuvatilavuuksisen kompressorin<br />
kapasiteetin ohjausjärjestelmä ei anna höyrystimessä vaikuttavan paineen laskea noin 2<br />
barin alapuolelle. Tällöin höyrystymislämpötila pysyy lähes vakiona tietyn kompressorin<br />
nopeuden jälkeen. Nopeuden rajaarvo riippuu höyrystimeen ja lauhduttimeen menevien<br />
ilmavirtojen lämpötiloista. Siten myöskään höyrystimen ulostulon lämpötila ei muutu merkittävästi<br />
kompressorin nopeuden mukana, lukuunottamatta pientä laskua alhaisilla nopeuksilla.<br />
Muuttuvatilavuuksisessa kompressorissa jäähdytyskapasiteetti siis pysyy lähes<br />
vakiona kiinteän höyrystimen painearvon takia. Sen sijaan vakiotilavuuksisessa kompressorissa<br />
höyrystimen paine ja vastaava höyrystymislämpötila laskevat huomattavasti kompressorin<br />
nopeuden kasvaessa, jolloin myös järjestelmän jäähdytyskapasiteetti kasvaa [102].<br />
Kuvassa 86 on verrattu vakiotilavuuksisen ja muuttuvatilavuuksisen vinolevymäntäkompressorin<br />
jäähdytyssykliä. Vakiotilavuuksisessa kompressorissa matala ja korkeapaineisen<br />
kylmäainehöyryn välinen paineero on suurempi verrattuna muuttuvatilavuuksiseen kompressoriin,<br />
mikä johtaa huonompaan COParvoon. Suuremman paineeron vuoksi vuodot ja<br />
kuluminen kompressorin sisällä kasvavat, mikä johtaa huonompaan kompressorin tehokkuuteen<br />
ja suurempaan tehonkulutukseen. Myös keskimääräinen vääntömomentti on muuttuvatilavuuksiseen<br />
kompressoriin verrattuna huomattavasti suurempi (kuva 87) [103].<br />
Kuva 86. Vakio ja muuttuvatilavuuksisten kompressorien jäähdytyssyklit [103]
116<br />
Kuva 87. Vakio ja muuttuvatilavuuksisen kompressorien keskimääräinen vääntömomentti<br />
[103]<br />
Kuvassa 88 on havainnollistettu muuttuva ja vakiotilavuuksisten kompressorien <strong>vaikutus</strong>ta<br />
ajoneuvon polttoaineenkulutukseen. Nähdään, että muuttuvatilavuuksisella kompressorilla<br />
päästään 6,1 % parempaan kulutukseen ajettaessa 60 km/h 25 °C ulkoilman lämpötilassa<br />
ja 6,7 % parempaan tulokseen kaupunkiajossa verrattuna vakiotilavuuksista kompressoria<br />
käyttävään järjestelmään. Vastaavasti ulkoilman lämpötilan ollessa 35 °C ja ajettaessa<br />
60 km/h, päästään 6,7 % ja kaupunkiajossa 8,6 % parempaan tulokseen. Muuttuvatilavuuksisen<br />
kompressorin edut tulevat siis selvemmin esiin korkeilla ulkoilman lämpötiloilla<br />
[103].<br />
Kuva 88. Kompressorien polttoaineenkulutus [103]
117<br />
Kompressorin ohjaus<br />
Solenoidiventtiilillä ulkoisesti ohjattujen kompressorien energiatehokkuus on huomattavasti<br />
parempi verrattuna mekaanisella venttiilillä sisäisesti ohjattuihin kompressoreihin. Erot<br />
johtuvat muun muassa kylmäaineen massavirran paremmasta hallinnasta ulkoisesti ohjatuissa<br />
kompressoreissa. Ulkoisella ohjauksella kompressorin kuorma voidaan tarkasti säätää<br />
vastaamaan matkustamon jäähdytystarvetta. Sisäisesti ohjatussa järjestelmässä jäähdytys<br />
voi ylittää matkustamon tarpeen, jolloin ilmaa joudutaan uudelleenlämmittämään halutun<br />
lämpötilaarvon saavuttamiseksi ja järjestelmän tehokkuus huononee. Riippuen olosuhteista<br />
ulkoisesti ohjatussa järjestelmässä COParvo kasvaa 30 –60 % ja mekaanisen tehon<br />
tarve pienenee 25 –40 % verrattuna sisäisesti ohjattuun järjestelmään. Ulkoisella ohjauksella<br />
saavutetaan tarkempi matkustamoon menevän ilman lämpötilansäätö. Tällöin keskimääräinen<br />
höyrystimen lämpötila on hieman korkeampi verrattuna sisäisesti ohjattuun<br />
kompressoriin ja myös COParvo parempi [30]. Erot ulkoisen ja sisäisen ohjauksen välillä<br />
ovat suurimmat keskimääräisissä toimintaolosuhteissa. Jäähdytystarpeen ollessa korkea,<br />
ulkoisesti ja sisäisesti ohjattujen järjestelmien iskutilavuudet ovat lähellä toisiaan, jolloin<br />
ero niiden tehokkuudessa pienenee. Toisaalta matalilla ulkoilman lämpötiloilla sisäisesti<br />
ohjatun järjestelmän päälläoloaika on pieni kompressorin syklityksen takia, mikä vähentää<br />
sen tehontarvetta [29]. Jäähdytyskapasiteetti on ulkoisesti ohjatussa järjestelmässä sama tai<br />
hieman alhaisempi verrattuna sisäisesti ohjattuun järjestelmään. Volumetrinen ja mekaaninen<br />
hyötysuhde ovat huonoja kummassakin kompressorityypissä, joten kehityspotentiaalia<br />
on edelleen [30].<br />
Hihnapyörävälitys<br />
Ilmastoinnin ajoneuvon moottorille asettamaa kuormaa voidaan vähentää pienentämällä<br />
kompressorin hihnapyörävälitystä. Kuvassa 89 on havainnollistettu pienen henkilöauton<br />
hihnapyörävälityksen <strong>vaikutus</strong>ta kompressorin tehonkulutukseen. Pienentämällä välitystä<br />
10 %, kompressorin tehonkulutus vähenee noin 15 %. Suuremman hihnapyörän käyttö laskee<br />
polttoaineenkulutusta tyhjäkäynnillä noin 12 % mutta nostaa matkustamon keskimääräistä<br />
lämpötilaa 1 °C. Hihnapyörävälityksen valinta on siis kompromissi tehonkulutuksen<br />
ja matkustamon jäähdytyksen välillä [94].
118<br />
Kuva 89. Hihnapyörävälityksen <strong>vaikutus</strong> kompressorin tehonkulutukseen [94]<br />
7.4.6 Lauhduttimen optimointi<br />
Lauhduttimen suorituskyky vaikuttaa merkittävästi koko järjestelmän tehokkuuteen. Huono<br />
lauhduttimen suorituskyky johtaa kompressorin ulostulopaineen kasvuun ja suurempaan<br />
tehonkulutukseen.<br />
Alijäähdytin<br />
Lauhduttimeen voidaan asentaa alijäähdytin, jolla tehostetaan järjestelmän toimintaa. Menetelmää<br />
käytetään yleensä ajoneuvoissa, joissa tarvitaan tehokkaampaa jäähdytystä suuren<br />
matkustamotilan takia. Modulaattori eli kuivain erottaa nestemäisen ja kaasumaisen<br />
kylmäaineen, jonka jälkeen nestemäinen kylmäaine kulkeutuu alijäähdytinosaan. Kuivain<br />
poistaa kylmäaineesta kosteuden sekä epäpuhtaudet, ja alijäähdytin puolestaan jäähdyttää<br />
edelleen nestemäistä kylmäainetta kasvattaen sen entalpiaa ja parantaen järjestelmän höyrystimen<br />
jäähdytystehokkuutta (kuva 90) [104].<br />
Kuva 90. Alijäähdytin [104]
119<br />
Lauhduttimen ilmavirta<br />
Lauhduttimen riittävä ilmavirta vaikuttaa merkittävästi järjestelmän paineisiin sekä matkustamon<br />
jäähdytyskapasiteettiin. Jäähdyttävän ilman tarkka ohjaus lauhduttimen poikki ja<br />
lämmenneen ilman ohjaus pois lauhduttimesta pienentävät ilmavirran resistanssia ja parantavat<br />
lauhduttimen suorituskykyä. Hyvällä tiivistyksellä voidaan pienentää häviöitä lauhduttimelle<br />
kulkevassa ilmavirrassa. Tiivistyksen merkitys on suurempi ajonopeuden kasvaessa,<br />
koska keskimääräinen lauhduttimen ilmavirran nopeus kasvaa noin 10 –15 % suuremmilla<br />
ajonopeuksilla. Suurempi lauhduttimen ilmavirta laskee kompressorin ulostulon<br />
painetta, mikä vähentää kompressorin tehontarvetta [94].<br />
7.4.7 Varastointihöyrystin<br />
Start/stopautomatiikan tuomien polttoainesäästöjen säilyttämiseksi voidaan matkustamon<br />
mukavuustason ylläpitämiseen käyttää kylmäakun tavoin toimivaa varastointihöyrystintä<br />
(kuva 91). Höyrystin koostuu kahdesta kennosta, joiden kummankin läpi kylmäaine kulkee<br />
rinnakkain jäähdyttämisen aikana. Varastointikennossa kulkeva kylmäaine jäähtyy jäätymispisteeseen<br />
asti ja toimii täten kylmävarastointiyksikkönä. Kun ilmastointilaite pysähdyksessä<br />
sammuu, jäätynyt kylmäaine alkaa sulaa ottaen sulamiseen tarvitsemansa lämpöenergian<br />
ajoneuvon matkustamosta. Ajoneuvon lähtiessä liikkeelle, kylmäakku latautuu<br />
sen sisällä olevan kylmäaineen jäähtyessä. Varastointilaite saavuttaa 70 % latauksen 30<br />
sekunnin jälkeen ja täyden latauksen minuutissa höyrystimen sisääntulon lämpötilan ollessa<br />
25 ºC. Varastointihöyrystintä käyttämällä matkustamon mukavuustaso voidaan ylläpitää<br />
95 % kaikista pysähdyksistä kaupunkiajossa. Start/stopautomatiikalla päästään keskimäärin<br />
8 % polttoainesäästöihin kaupunkiolosuhteissa varastointihöyrystintä käyttämällä. Ilman<br />
kylmävarastointilaitetta polttoaineensäästöpotentiaali lähes puolittuu [41].
120<br />
Kuva 91. Varastointihöyrystin [63]<br />
7.4.8 Hybridi<strong>ajoneuvojen</strong> lämmityksen optimointi<br />
Start/stopautomatiikan täysi hyödyntäminen on hankalaa myös talvella erityisesti korkean<br />
hyötysuhteen dieselajoneuvoissa, joissa käyttölämpötilan saavuttaminen kestää kauemmin,<br />
usein jopa niin kauan, että kaupunkiajolle tyypillisten lyhyiden ajotapahtumien aikana<br />
start/stopautomatiikkaa ei ehditä lainkaan hyödyntää. Hybridiajoneuvoissa, joissa ei ole<br />
sähkökäyttöistä kompressoria, käytetään järjestelmää, joka käynnistää moottorin, kun matkustamossa<br />
vallitsevan ja asetetun lämpötilan välinen ero kasvaa liikaa. Jos akun varaustila<br />
on alhainen, moottori käy korkealla kuormalla ladatakseen akun ja siten mahdollistaa nopeamman<br />
lämmityksen. Polttoainekäyttöisiä tai PTClisälämmittimiä käyttämällä voidaan<br />
lyhentää moottorin lämpenemisaikaa sekä toteuttaa matkustamon alkuvaiheen lämmitys.<br />
Tällöin start/stopautomatiikkaa päästään hyödyntämään nopeammin. PTClämmittimien<br />
suuren tehonkulutuksen takia niiden käyttö samanaikaisesti start/stopautomatiikan kanssa<br />
aiheuttaisi ajoneuvon akun tyhjenemisen. Täys ja pistokehybridien toimiessa täysin sähköisesti<br />
sekä sähköajoneuvoissa moottorin hukkalämpöä ei ole käytettävissä matkustamon<br />
lämmittämiseen, joten niihin PTClämmittimet soveltuvat hyvin [41, 79].<br />
Toyota Prius II hybridiajoneuvossa käytetään jäähdytysnesteen varastointijärjestelmää,<br />
jossa eristetty jäähdytysnestesäiliö täytetään normaaleissa ajoolosuhteissa kuumalla jäähdytysnesteellä<br />
(kuva 92). Varastoitua jäähdystysnestettä voidaan myöhemmin kylmäkäynnistyksissä<br />
käyttää moottorin jäähdytyspiirin esilämmittämiseen. Samalla myös matkustamon<br />
lämmitys nopeutuu huomattavasti. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää faasinmuutosmateriaaleja,<br />
kuten suolavesiseosta, hyödyntäviä lämpöakkuja. Jäähdytysneste lämmittää<br />
suolaa, joka saavuttaa nesteytymislämpötilansa, jolloin suuri määrä lämpöä saadaan varas
121<br />
toitua vakiolämpötilassa. Kylmäkäynnistyksessä jäähdytysneste johdetaan lämpöakkuun,<br />
varastoitunut lämpö siirtyy jäähdytysnesteeseen ja lämpöakussa oleva seos kiinteytyy<br />
[79].<br />
Kuva 92. Jäähdytysnesteen varastointijärjestelmä [105]<br />
Taulukossa 13 on verrattu hybridi<strong>ajoneuvojen</strong> lämpötilanhallinnassa käytettäviä teknologioita<br />
polttoaineenkulutuksen ja matkustamon lämpenemisen kannalta. Ajosykli on 7 °C:een<br />
ulkoilman lämpötilassa ja 32 km/h vakionopeudella ajettava 20 minuutin kestoinen sykli.<br />
Polttoainekäyttöisillä lämmittimillä saavutetaan kohtalainen lämpeneminen (18 °C 300s<br />
jälkeen) sekä hyvä lämpötilanhallinta myöhemmin syklin aikana. Polttoaineenkulutuksen<br />
kasvu on kuitenkin merkittävin (+18,7 %). Pakotettu moottorin käynnistyminen heti kylmäkäynnistyksen<br />
jälkeen tarjoaa tyydyttävän lämmityksen (18 °C 300s jälkeen) kohtuullisella<br />
polttoaineenkulutuksella. Pakkokäynnistyksessä ladattaessa akkua moottorilla (electrical<br />
generation) päästään perustilannetta pienempään polttoaineenkulutukseen (3,98 %).<br />
Yhdistämällä pakotettu moottorin käynnistyminen PTClämmittimien kanssa polttoaineen<br />
kulutus kasvaa vain 2 % ja lämpeneminen on nopeaa (18 °C 150s jälkeen). Lämpöakkusovellukset<br />
ovat käyttökelpoisia vapauttaen alussa hyvin lämpöä, mutta niiden pidempiaikainen<br />
hyöty on hyvin rajallinen [79].
122<br />
Taulukko 13. Hybridi<strong>ajoneuvojen</strong> lämmitysmenetelmät [79]<br />
7.5 Raskaiden <strong>ajoneuvojen</strong> tyhjäkäynnin vähentäminen<br />
Linjaautoja käytetään pitkiä aikoja tyhjäkäynnillä pääasiassa matkustamon mukavuustason<br />
ylläpitämiseksi. Kuormaauton hyttiin tai henkilöauton matkustamoon verrattuna linjaautojen<br />
sisätila on erittäin suuri, ja miellyttävän lämpötilan saavuttamiseen kuluu huomattavasti<br />
enemmän aikaa. Kuormaautoja käytetään tyhjäkäynnillä taukojen aikana makuuhytin<br />
ilmastointiin tai lämmitykseen, moottorin pitämiseen lämpimänä kylmissä sääolosuhteissa<br />
sekä akun varaustason ylläpitämiseksi. Tyhjäkäynti lisää raskaiden <strong>ajoneuvojen</strong> polttoaineenkulutusta<br />
1,5 –4,5 l/h ajoneuvon koosta riippuen [106].<br />
Raskaan kaluston tyhjäkäynnin rajoittamiseksi on kehitetty erilaisia teknologioita ja soveltuvin<br />
menetelmä riippuu ilmastosta, vuodenajasta, apulaitekuormatyypeistä sekä tyhjäkäynnin<br />
määrästä. Automaattinen moottorin sammutus ja käynnistysjärjestelmä tarkkailee<br />
matkustamon ja ajoneuvon moottorin lämpötiloja ja sammuttaa tai käynnistää moottorin<br />
asetetun lämpötilaarvon ylläpitämiseksi. Järjestelmät ovat usein elektronisesti ohjattuja ja<br />
niissä voidaan käyttää lämpöakkuja. Akkukäyttöiset järjestelmät käyttävät ajoneuvon omaa<br />
akkua tai erillistä akkuyksikköä, jota ladataan ajon aikana, halutun matkustamon lämpötilan<br />
ylläpitämiseen. Akkukäyttöiset järjestelmät eivät sovellu pidempiaikaiseen lämmityk
seen tai jäähdytykseen niiden rajallisen 8 –12 tunnin käyttöajan takia. Ulkoiset voimalähteet<br />
käsittävät pienen polttomoottorin, generaattorin ja lämmöntalteenottolaitteen. Ilmastointi<br />
voidaan toteuttaa sähkökäyttöisen ilmastointijärjestelmän avulla. Ulkoiset voimalähteet<br />
voivat olla myös polttokennokäyttöisiä. Lisäksi voidaan käyttää dieselkäyttöisiä<br />
lisälämmittimiä tai sähköistettyjä parkkialueita [107].<br />
Taulukossa 14 on arvioitu eri tyhjäkäynnin vähentämiseen käytettyjen teknologioiden polttoaineenkulutusta<br />
verrattuna tyhjäkäyntikulutukseen. Tyhjäkäyntikulutus on määritetty<br />
lämmityksen osalta moottorin kierrosnopeudella 750 rpm ja jäähdytyksen osalta kierrosnopeudella<br />
900 rpm. Tulokset ovat suuntaaantavia ja epävarmuutta aiheuttaa kulutukseen<br />
vaikuttavat tekijät, joita ei ole täysin otettu huomioon. Vaihtoehtoisten teknologioiden suuresta<br />
valmistajamäärästä ja mallivalikoimasta johtuen erot eri laitteiden ominaisuuksien ja<br />
suorituskyvyn välillä voivat olla huomattavia. Lisäksi kulutus riippuu kuljettajan tekemistä<br />
valinnoista lämpötilansäädön ja käyttöajan suhteen.<br />
Kaikilla teknologioilla päästään huomattavasti pienempään polttoaineenkulutukseen tyhjäkäyntikulutukseen<br />
verrattuna. Lämmityksen osalta pienin kulutus saavutetaan polttoainekäyttöisellä<br />
lisälämmittimellä ja suurin kulutus sekä jäähdytyksessä että lämmityksessä<br />
erillisellä dieselmoottorilla. Siten huomattavasti pienempään polttoaineenkulutukseen<br />
päästään esimerkiksi polttoainekäyttöistä lisälämmitintä sekä akkukäyttöistä jäähdytystä<br />
käyttämällä. Sähköistetty pysäköintialue olisi ajoneuvon polttoaineenkulutuksen kannalta<br />
paikallisesti energiatehokkain ratkaisu, mutta kokonaisenergiankulutuksen kannalta on<br />
otettava huomioon myös sähkön tuottamiseen kuluva energia.<br />
Taulukko 14. Eri teknologioiden polttoaineenkulutus verrattuna tyhjäkäyntiin [108]<br />
Teknologia Asetus Polttoaineenkulutus l/h (diesel) *<br />
2001 kuormaauto (tyhjäkäynti) lämmitys 2,91<br />
jäähdytys 3,71<br />
2007 kuormaauto (tyhjäkäynti) lämmitys 2,01<br />
jäähdytys 2,73<br />
APU (erillinen dieselmoottori) lämmitys 0,87<br />
jäähdytys 0,68<br />
Dieselpolttoainelämmitin lämmitys 0,21<br />
Akkukäyttöinen jäähdytys jäähdytys 0,38<br />
123<br />
* gal/h muunnettu yksikköön l/h [109]
8 Vaihtoehtoiset järjestelmät<br />
124<br />
8.1 CO 2 järjestelmä<br />
Kuvassa 93 on havainnollistettu hiilidioksidia kylmäaineena käyttävää järjestelmää. Lauhduttimen<br />
sijaan järjestelmässä käytetään kaasujäähdytintä, joka siirtää kylmäaineessa olevan<br />
lämmön ympäristöön. Järjestelmässä on usein myös sisäinen lämmönvaihdin, joka<br />
käyttää höyrystimestä lähtevää kylmää kylmäainehöyryä kaasujäähdyttimeltä tulevan<br />
kuuman nestemäisen kylmäaineen jäähdyttämiseen ennen tämän siirtymistä paisunta tai<br />
kuristinventtiiliin. Kylmäaineen lämpötilan lasku kasvattaa höyrystimen entalpiaerotusta ja<br />
järjestelmän toiminta tehostuu. Järjestelmää voidaan käyttää myös lämmittämiseen. Tällöin<br />
kuumaa kylmäainetta johdetaan ajoneuvon sisällä olevaan toiseen kaasujäähdyttimeen, joka<br />
lämmittää matkustamoon menevää ilmaa. Perinteistä lämmitysjärjestelmää ei voida täysin<br />
korvata CO 2 järjestelmällä mutta sitä voidaan käyttää lisälämmittimenä kylmissä ulkoilman<br />
olosuhteissa [10].<br />
Kuva 93. CO 2 järjestelmä [110]
125<br />
Kuvassa 94 on verrattu hiilidioksidijärjestelmän polttoaineenkulutusta perinteiseen R<br />
134ajärjestelmään. Erityisesti matalammilla ulkoilmanlämpötiloilla CO 2 järjestelmällä<br />
voidaan päästä huomattavasti pienempään polttoaineenkulutukseen. Pienempi kulutus johtuu<br />
hiilidioksidin paremmista lämmönsiirtoominaisuuksista ja CO 2 järjestelmän pienemmistä<br />
puristussuhteista, jolloin kompressorin tehokkuus paranee.<br />
Kuva 94. Ilmastoinnin kulutus VW Touran TDI 1,9 (T ulko : 20 °C / 28 °C / 35 °C) [111]<br />
8.2 HFC152a toisiopiirijärjestelmä<br />
Kylmäaine HFC152a on hiilivetypohjainen herkästi syttyvä kylmäaine ja sitä käytetään<br />
kaksipiirisessä järjestelmässä räjähdysherkkyyden vuoksi. Järjestelmää on havainnollistettu<br />
kuvassa 95. Ensiöpiiri toimii perinteisen ilmastointijärjestelmän tapaan ja se asennetaan<br />
moottoritilaan. Jäähdytys on toteutettu käyttämällä jäähdyttäjää lämmön siirtämiseen toisiopiirissä<br />
olevasta jäähdytysnesteestä kylmäaineeseen. Jäähdytysnesteenä käytetään suolavettä.<br />
Järjestelmällä voidaan helposti toteuttaa monialueinen ilmastointi ilman ylimääräistä<br />
paisuntaventtiiliä ja tarvittava kylmäainemäärä on noin puolet R134ajärjestelmään<br />
verrattuna. Lisäksi järjestelmällä saavutetaan erityisen hyvä suorituskyky tyhjäkäynnillä ja<br />
kaupunkiliikenteessä, koska toisiopiiri toimii eräänlaisena kylmäakkuna. Tällöin kompressorin<br />
kuormaa voidaan vähentää ja polttoaineenkulutus pienenee (kuva 96). Järjestelmän<br />
käytön yleistymistä on kuitenkin rajoittanut syttyvä kylmäaine, korkea hinta sekä suuri<br />
massa [10].
126<br />
Kuva 95. R152ajärjestelmä [110]<br />
Kuva 96. R152a polttoaineenkulutus verrattuna R134a:han [112]
127<br />
8.3 Termoelektrinen jäähdytys<br />
Termoelektrinen jäähdytys perustuu Peltierilmiöön, joka syntyy, kun sähkövirta kulkee<br />
kahden erityyppisen puolijohdemateriaalin läpi; virran suunnasta riippuen liitos vapauttaa<br />
tai absorboi lämpöä. Elementti koostuu yleensä kahdesta keraamisesta levystä ja niiden<br />
väliin kerrostetuista sähköisesti sarjaan kytketyistä p ja ntyypin puolijohteista. Kun elektronit<br />
kulkevat ptyypin materiaalista ntyypin materiaaliin, elektronit siirtyvät korkeammalla<br />
energiatasolle ja absorboivat lämpöenergiaa. Elektronit palaavat takaisin alemmalle<br />
energiatasolle ptyypin materiaaliin ja vapauttavat lämpöenergian elementin toisessa päässä.<br />
Peltierelementti toimii lämpöpumpun tavoin ja sen kylmää puolta käytetään halutun<br />
kohteen jäähdyttämiseen ja kuumalta puolelta lämpö poistetaan jäähdytyselementin avulla.<br />
Virran suuntaa muuttamalla elementti toimii myös lämmittimenä [10]. Kuvassa 97 on havainnollistettu<br />
termoelektrisen jäähdytyksen periaatetta ja elementin rakennetta.<br />
Kuva 97. Termoelektrinen jäähdytys [46]
128<br />
Peltierelementin avulla jäähdytys tai lämmitys on erittäin nopeaa, mutta lämpölaajenemisen<br />
aiheuttamien vahinkojen välttämiseksi jäähdytys ja lämmitystehoa on yleensä<br />
rajoitettu. Elementin eri puolten välille on teoriassa mahdollista luoda jopa 75 °C:een lämpötilaero,<br />
mutta käytännössä päästään noin puoleen teoreettisesta maksimiarvosta. Termoelektrisen<br />
jäähdytyksen on perinteisesti ajateltu soveltuvan lähinnä pieniin jäähdytyssovelluksiin,<br />
eikä sitä ole pidetty erityisen tehokkaana menetelmänä elementin läpi kulkevan<br />
virran lämmittävän vaikutuksen sekä suuren virrantarpeen takia. Perinteisen ajoneuvon ilmastointijärjestelmän<br />
hyötysuhde on ainakin nelinkertainen ja kustannukset vain puolet<br />
verrattuna Peltierelementtejä käyttäviin järjestelmiin. Silti termoelektrisiä järjestelmiä kehitetään,<br />
sekä tutkitaan mahdollisuutta korvata perinteinen HVACjärjestelmä tulevaisuudessa<br />
jopa kokonaan termoelektrisiin elementteihin perustuvilla järjestelmillä. Niiden käyttöpotentiaalia<br />
lisää erityisesti <strong>ajoneuvojen</strong> energiatehokkaampi voimansiirto ja <strong>ajoneuvojen</strong><br />
sähköistyminen. Vaikka sähkökäyttöisten kompressorien avulla hybrideissä käytettävää<br />
start/stop teknologiaa voidaan hyödyntää, sähkökäyttöisten kompressorien hyötysuhde on<br />
perinteisiä kompressoreja huonompi. Myös itse akun purkusyklissä aiheutuu energiahäviöitä.<br />
Ilman kylmäainetta toimivat termoelektriset järjestelmät eivät tuota hiilidioksidia tai<br />
muita saasteita. Ne kykenevät jäähdyttämään ja lämmittämään ajoneuvon matkustamon<br />
samoilla komponenteilla sekä ylläpitämään ilmastointijärjestelmän toimintoja, matkustamon<br />
esituuletus mukaanlukien, moottorin ollessa sammutettuna. Termoelektriset järjestelmät<br />
koostuvat useista moduuleista, mikä mahdollistaa niiden erittäin joustavan käytön eri<br />
puolilla ajoneuvoa. Termoelektrisen jäähdytyksen etuja ovat myös järjestelmän liikkuvien<br />
osien vähyys, äänettömyys, värinättömyys, pitkäikäisyys, pieni koko ja lämpötilan tarkka<br />
säätö. Puhaltimen ja jäähdytysnesteen pumpun lisäksi muita liikkuvia osia ei tarvita. Lisäksi<br />
Peltierelementit soveltuvat erittäin hyvin lämmittimiksi [10, 113, 114].<br />
Ajoneuvojen istuimissa on jo käytössä termoelektrisiä järjestelmiä, joiden avulla voidaan<br />
tehokkaasti luoda paikallista matkustusmukavuutta jäähdyttämällä, lämmittämällä ja tuulettamalla<br />
matkustajaa istuimen kautta (kuva 98). Matkustamon ilmaa puhalletaan termoelektrisen<br />
elementin kylmän ja kuuman puolen yli, jolloin kylmällä puolella ilmasta<br />
aborboituu lämpöä ja kuumalla puolella ilmaan vapautuu lämpöä. Järjestelmä voidaan liittää<br />
ohjainyksikön avulla ajoneuvon muihin järjestelmiin. Termoelektrisiä istuimia on käytetty<br />
lähinnä mukavuuden lisäämiseen mutta niiden pienen tehonkulutuksen (40 – 60<br />
W/matkustaja) vuoksi, niiden laajemmalla käytöllä varsinaisen ilmastointijärjestelmän kapasiteettia<br />
tai käyttöastetta olisi mahdollista vähentää [115]. Perinteisissä termoelektrisissä
129<br />
istuimissa väliaineena käytetään matkustamon ilmaa. Alettaessa lämmittää matkustamoa,<br />
tämä ilma on yleensä aluksi kylmää, mikä johtaa lämmitysviiveeseen. Kytkemällä<br />
termoelektrinen elementti HVACyksikön yhteyteen, väliaineena voitaisiin käyttää jo<br />
HVACyksikössä lämmennyttä ilmaa, jolloin tarvittavaa lämmitysaikaa voitaisiin lyhentää.<br />
Kuva 98. Termoelektrinen istuin [115]<br />
Termoelektrisillä järjestelmillä on käyttöpotentiaalia myös lisälämmittiminä kylmäkäynnistyksissä<br />
sillä niiden lämmityksen nimellinen COParvo (24) on parempi verrattuna<br />
esimerkiksi resistiivisyyteen perustuviin PTClämmittimiin, joilla saavutettava lämmitysteho<br />
on korkeintaan yhtä suuri kuin kulutettu teho. Täten samantehoisella termoelektrisellä<br />
järjestelmällä saavutetaan sama mukavuustaso huomattavasti nopeammin. Tai vastaavasti<br />
samaan mukavuustasoon päästään jopa 60 % pienemmällä sähkönkulutuksella. Koska termoelektrinen<br />
järjestelmä sekä jäähdyttää että lämmittää, sitä voidaan käyttää myös huurunpoistossa<br />
[115].<br />
Termoelektrisiä järjestelmiä on suunniteltu korvaamaan koko perinteinen ilmastointijärjestelmä.<br />
Tavoitteena on ollut suunnitella vyöhykkeinen järjestelmä, jonka avulla voitaisiin<br />
jäähdyttää tai lämmittää koko matkustamon sijaan yksittäisiä matkustajia erikseen. Termoelektrinen<br />
järjestelmä soveltuu vyöhykkeisen ilmastoinnin toteuttamiseen hyvin, koska
130<br />
se voidaan helposti hajauttaa ympäri matkustamoa. Lisäksi sen osia voidaan ohjata itsenäisesti<br />
ja se on sähkökäyttöinen [115]. Termoelektrinen järjestelmä käyttää 630 W yhden<br />
matkustajan ja nykyiset ilmastointijärjestelmät 3500 – 4500 W koko matkustamon<br />
jäähdyttämiseen. Tutkimuksen mukaan kuitenkin 73 % henkilökohtaisesta ajosta tapahtuu<br />
pelkän kuljettajan ollessa ajoneuvossa [116]. Järjestelmän avulla voitaisiin vähentää ilmastointijärjestelmän<br />
energiankulutusta arviolta 50 % verrattuna perinteisen ilmastoinnin ja<br />
PTClisälämmittimen käyttöön [115].<br />
Tämänhetkisten termoelektristen sovellusten käyttö rajoittuu lähinnä täydentävään ja paikalliseen<br />
ilmastointiin, lämmitykseen kylmäkäynnistyksissä sekä mahdollisesti sähköajoneuvosovellutuksiin.<br />
Termoelektrisiä istuimia ja vyöhykkeistä järjestelmää voitaisiin myös<br />
käyttää yhdessä perinteisen ilmastoinnin kanssa siten, että termoelektriset järjestelmät vähentäisivät<br />
aluksi kompressorin kuormaa ja myöhemmin perinteinen ilmastointijärjestelmä<br />
istuinten sähkökuormaa. Sen sijaan koko HVACjärjestelmän korvaaminen termoelektrisellä<br />
järjestelmällä vaatii tehokkaampien materiaalien kehittämistä.<br />
8.4 Kineettisen energian käyttö kompressorissa<br />
Hybridiajoneuvoissa käytetään regeneratiivista jarrutusta, jossa kineettista hukkaenergiaa<br />
siirretään dynaamisen jarrutuksen aikana ajoneuvon akkuun myöhempää käyttöä varten.<br />
Vastaavasti samaa energiaa voidaan käyttää perinteisessä ajoneuvossa kompressorin kytkemiseen.<br />
Tällöin ajoneuvo regeneroi ja varastoi osan energiasta paineistetun kylmäaineen<br />
muodossa ilmastointilaitteen käyttämiseksi. Perinteisessä ilmastointijärjestelmässä painetason<br />
laskiessa riittävän alhaiseksi, magneettikytkin kytkee kompressorin päälle kylmäaineen<br />
paineen palauttamiseksi. Kompressori toimii yhtäjaksoisesti, kunnes kylmäaineen paine<br />
saavuttaa ennaltamäärätyn rajaarvon, jolloin magneettikytkin kytkee kompressorin pois.<br />
Jäähdytystarpeesta riippuen kompressori on tyypillisesti kytkettynä 30 –100 % ajasta. Kineettistä<br />
hukkaenergiaa syntyy, kun kuljettaja vapauttaa kaasun ja sen muodostuminen<br />
loppuu, kun kaasua jälleen painetaan. Siten kompressorin käyttäminen hukkaenergialla<br />
edellyttää kompressorin kytkemistä silloin, kun kaasua ei paineta. Moottorin sijaan kompressoria<br />
käytetään siis hukkaenergialla, jolloin ilmastoinnin <strong>vaikutus</strong> polttoaineenkulutukseen<br />
pienenee. Hyvin toteutetulla järjestelmällä 85 % kompressorin toiminnasta on mahdollista<br />
tuottaa hukkaenergiaa käyttämällä. Saatava hyöty riippuu voimakkaasti ajosyklistä<br />
ja pääasiallinen hyöty saavutetaan kaupunkiolosuhteissa [117].
131<br />
8.5 Hukkalämmön talteenotto<br />
Matkustamon mukavuustason ylläpitäminen on haasteellista voimansiirtolaitteiden kehittyessä<br />
tehokkaammiksi, koska jäähdytysnesteeseen siirtyvän lämmön määrä vähenee. Dieselajoneuvoissa<br />
käytetään polttoaine ja sähkökäyttöisiä lisälämmittimiä matkustamon mukavuustason<br />
parantamiseksi kylmäkäynnistyksissä. Ne kuitenkin lisäävät ajoneuvon polttoaineenkulutusta.<br />
Pakokaasujen hukkalämmön tehokkaalla hyödyntämisellä voitaisiin lisälämmittimet<br />
korvata kokonaan. Pakokaasuihin siirtyy noin 30 % polttoaineen energiasta.<br />
Ohjaamalla osa hukatusta lämpöenergiasta moottorin jäähdytysjärjestelmään, voidaan<br />
kylmän moottorin kitkaa ja polttoaineenkulutusta vähentää sekä tehostaa matkustamon<br />
lämmitystä. Ajoneuvoista saatavissa oleva pakokaasujen hukkalämmön määrä on huomattava,<br />
esimerkiksi linjaautossa arviolta 70 kW [118]. Hukkalämpöä voidaan hyödyntää ilmastointisovelluksissa,<br />
jotka tarvitsevat toimiakseen korkean lämpöenergialähteen. Kehityksen<br />
kohteina ovat olleet esimerkiksi sorptiojärjestelmät sekä termoelektriset ja termoakustiset<br />
järjestelmät. Lisäksi elintarvikkeiden kylmäkuljetuksiin on kehitetty eutektisia ja<br />
kryogeenisia järjestelmiä. Tulevaisuudessa pakokaasujen hukkalämpöä voidaan käyttää<br />
sähköntuottoon tai suoraan mekaanisen energian kehittämiseen (kuva 99). Hukkalämpöä<br />
hyödyntävät järjestelmät ovat alhaisia melu ja värinätasoltaan, pitkäikäisiä sekä helppoja<br />
ylläpitää. Ne ovat myös ympäristöystävällisiä, eivätkä kuormita ajoneuvon moottoria, mikä<br />
pienentää polttoaineenkulutusta. Niiden avulla voidaan tulevaisuudessa vähentää merkittävästi<br />
myös ajoneuvon sähkönkulutusta. Järjestelmien käyttöä on kuitenkin rajoittanut suuret<br />
investointikustannukset sekä tiedon ja kokemuksen puute.<br />
Kuva 99. Pakokaasun hukkalämmön hyödyntäminen tulevaisuudessa [119]
132<br />
8.5.1 Pakokaasulämmönvaihdin<br />
Pakokaasulämmönvaihtimen avulla pakokaasujen sisältämää lämpöenergiaa voidaan käyttää<br />
matkustamon lämmittämiseen. Kuvissa 100 ja 101 on havainnollistettu lämmönvaihtimen<br />
rakennetta ja sijaintia järjestelmässä. Lämmönvaihtimessa on venttiili, jolla säädetään<br />
pakokaasuvirtaa. Kun pakokaasun lämpöenergiaa halutaan hyödyntää mahdollisimman<br />
paljon, kaikki pakokaasu johdetaan lämmönvaihtimen läpi ja lämpöenergiaa siirretään<br />
jäähdytysnesteeseen. Ohivirtausasennossa pakokaasut kulkevat lämmönvaihtimen ohi.<br />
Lämmönvaihdin pyritään asentamaan mahdollisimman lähelle moottoria energiahäviöiden<br />
minimoimiseksi, huomioiden kuitenkin mahdolliset muut pakokaasun lämpötilasta riippuvat<br />
komponentit, kuten turbo ja katalysaattori [119].<br />
Kuva 100. Pakokaasulämmönvaihtimen sijainti järjestelmässä [119]<br />
Kuva 101 Pakokaasulämmönvaihtimen rakenne [119]
133<br />
Pakokaasulämmönvaihtimen avulla matkustamon mukavuustaso saavutetaan huomattavasti<br />
perinteistä järjestelmää nopeammin (kuva 102). Dieselmoottorisen ajoneuvon polttoaineenkulutusta<br />
on mahdollista pienentää jopa 10 %, ulkoilman lämpötilasta ja kuljettajan<br />
ajotyylistä riippuen. Bensiinimoottoreissa hukkalämmön käytöllä voidaan tehokkaasti<br />
nopeuttaa voimansiirron lämpenemistä ja vähentää vaihteiston kitkaa [120]. Hybridiajoneuvoissa<br />
nopeampi lämpeneminen talvella vähentää tehontarvetta, jolloin voidaan ajaa<br />
pidempään sähkömoottorilla. Tällöin polttoaineenkulutusta on mahdollista pienentää 8 –<br />
10 % [121].<br />
Kuva 102. Matkustamon lämmittämiseen 17 ºC > +20 ºC kuluva aika (30 km/h) [119]<br />
8.5.2 Absorptiojärjestelmät<br />
Absorptioilmastointijärjestelmissä hyödynnetään nesteen kykyä absorboida höyryä kylmäaineesta.<br />
Absorptiopiiri muodostuu imeyttimestä, nestepumpusta, keittimestä sekä paisuntaventtiilistä.<br />
Absorptiojäähdytyksen periaatetta on havainnollistettu kuvassa 103. Höyrystimeltä<br />
tuleva matalapaineinen höyrymäinen kylmäaine, kuten litiumbromidi tai ammoniakki,<br />
imeytetään matalassa lämpötilassa olevaan veteen, jonka jälkeen liuoksen painetta<br />
nostetaan. Tämän jälkeen liuos siirtyy keittimeen, jossa se kuumenee ja siitä erottuu höyrymäinen<br />
kylmäaine. Tarvittava lämpöenergia otetaan esimerkiksi moottorin hukkalämmöstä.<br />
Keittimen ja imeyttimen välissä on lämmönvaihdin, joka tehostaa järjestelmän toimintaa<br />
siirtämällä keittimestä tulevasta laimeasta liuoksesta lämpöä vahvempaan imeyttimeltä<br />
tulevaan liuokseen. Keittimeltä korkeapaineinen höyry siirtyy lauhduttimeen ja laimea<br />
kylmäaineabsorbenttiliuos palaa takaisin imeyttimeen. Lauhduttimessa nesteytyvä<br />
kylmäaine kulkeutuu paisuntaventtiilin kautta höyrystimeen, jossa se höyrystyy sitoen<br />
lämpöä jäähdytettävästä tilasta. Imeyttimellä ja lauhduttimella syntyvää lämpöä voidaan<br />
tarvittaessa käyttää lämmittämiseen [122, 123].
134<br />
Kuva 103. Absorptiolämpöpumpun toimintaperiaate [124]<br />
Absorptiojärjestelmän käyttämä energia saadaan pääasiassa hukkalämmöstä ja toimiakseen<br />
järjestelmä tarvitsee 100 – 200 ºC lämpöenergian lähteen. Nestemäisen liuoksen pumppaaminen<br />
järjestelmässä kuluttaa huomattavasti vähemmän energiaa verrattuna kylmäainehöyryn<br />
paineistamiseen kompressorilla perinteisessä ilmastointijärjestelmässä. Järjestelmässä<br />
on kuitenkin enemmän osia ja käytettävät kylmäaineet ovat myrkyllisiä tai syövyttäviä.<br />
Absorptiojärjestelmien COParvot ovat lähellä 1:tä [122].<br />
Absorptiojäähdytys kaupunkilinjaautossa<br />
Absorptiojäähdytyksen käyttöä kaupunkilinjaautossa on tutkittu. Tutkimuksen mukaa absorptiojärjestelmässä<br />
30 kW:n jäähdytyskapasiteetin kehittämisessä ainoa kuorma järjestelmälle<br />
aiheutuu nestepumpun tehonkulutuksesta, joka on vain noin 450 W. Lisäksi mahdollisesti<br />
tarvitaan pieni lisäpumppu, jonka käyttöteho on noin 10 W. Olettaen pumpuille<br />
60 % hyötysuhde, järjestelmän tehollinen kuorma on 767 W. Kaupunkilinjaauton perinteisen<br />
ilmastointijärjestelmän kompressorin tehonkulutus on maantieolosuhteissa noin 5 kW.<br />
Korvaamalla perinteinen järjestelmä pakokaasun hukkalämpöä hyödyntävällä absorptiojärjestelmällä,<br />
järjestelmän kuormaa voidaan vähentää 4,23 kW. 30 kW:n jäähdytyskapasiteetin<br />
kehittämiseen tarvitaan noin 59 kW:n hukkalämpö. Tilanteissa, joissa hukkalämmön<br />
tuotto ei ole riittävä, voidaan käyttää polttoainekäyttöistä lämmitintä puuttuvan energian<br />
kehittämiseen. Absorptiojärjestelmää voidaan käyttää myös matkustamon lämmittämiseen<br />
[60].
135<br />
8.5.3 Adsorptiojärjestelmät<br />
Adsorptiojärjestelmissä hyödynnetään tiettyjen materiaalien kykyä imeä suuria määriä<br />
kylmäainehöyryä matalassa lämpötilassa ja paineessa. Kierrätettävän nesteen sijaan järjestelmässä<br />
käytetään kiinteitä adsorbenttimateriaaleja. Järjestelmän etuina ovat vähäisten<br />
liikkuvien osien määrä, yksinkertainen rakenne, voitelun tarpeettomuus, vähäinen huollontarve<br />
sekä vähäinen melu [118].<br />
Metallihydridi<br />
Metallihydridijärjestelmissä hyödynnetään vedyn ja metalliseoksen välistä reversiibeliä<br />
reaktiota. Eksotermisessä reaktiossa metalli sitoo vetyä, jolloin vapautuu lämpöä ja vastakkaisessa<br />
endotermisessä reaktiossa vetyä vapautuu metallista, mikä vastaavasti sitoo lämpöä.<br />
Jälkimmäinen ilmiö vastaa siis höyrystimen toimintaa perinteisessä ilmastointijärjestelmässä.<br />
Metallihydridit kykenevät sitomaan ja vapauttamaan vetyä useita kertoja ilman,<br />
että reaktio heikentyy. Reaktion suunta riippuu vedyn paineesta: tietyn painerajan yläpuolella<br />
metallihydridi muodostuu ja lämpöä vapautuu sekä saman rajan alapuolella vety vapautuu,<br />
metalli palaa alkuperäiseen tilaansa ja lämpöä sitoutuu. Paineraja riippuu metalliseoksen<br />
koostumuksesta sekä lämpötilasta [125]. Metallihydridijärjestelmässä reaktion<br />
suuntaa muuttamalla sillä voidaan aikaansaada sekä jäähdytys että lämmitys. Lisäksi vedyn<br />
käyttö tekee järjestelmästä erittäin ympäristöystävällisen verrattuna perinteisiä kylmäaineita<br />
käyttäviin järjestelmiin. Metallihydridijärjestelmien käyttöä on rajoittanut kuitenkin<br />
verrattaen huono COParvo perinteisiin järjestelmiin nähden. Tyypillinen COParvo on<br />
0,4, maksimiarvon ollessa 2,5, kun perinteisten ilmastointijärjestelmien keskimääräinen<br />
arvo on 1,5. Lisäksi on huomioitava vedyn käyttöön liittyvät turvallisuusnäkökulmat [126].<br />
Kuvassa 104 on havainnollistettu metallihydridi lämpöpumppusovelluksen toimintaperiaatetta.<br />
Järjestelmässä on korkean ja matalan lämpötilan metallihydridit ja kolme lämmönvaihdinosaa:<br />
korkean, ympäristön ja matalan lämpötilan lämmönvaihtimet. Metallihydrideitä<br />
kierrätetään lämmönvaihtimien läpi jäähdytyksen aikaansaamiseksi. Moottorin hukkalämpöä<br />
käytetään hydridin palauttamiseen jatkuvan toiminnan ylläpitämiseksi.
136<br />
Kuva 104. Metallihydridi lämpöpumpun toimintaperiaate [124]<br />
Metallihydridijärjestelmiä sähköisellä kompressorilla on kehitetty käytettäväksi esimerkiksi<br />
sähköajoneuvoissa. Kuvassa 105 on havainnollistettu erään sovelluksen hydridilämmönvaihtimien<br />
jäähdytystehoa paineen funktiona ja taulukossa 15 järjestelmän suorituskykyä.<br />
Nähdään, että korkealla vedyn painetasolla 2 kW jäähdytysteho on mahdollista<br />
saavuttaa. Lisäksi päästään perinteisiä metallihydridijärjestelmiä huomattavasti suurempiin<br />
COParvoihin sekä myös tavanomaisia ilmastointijärjestelmiä parempiin arvoihin, mikä<br />
johtaa todennäköisesti myös niitä pienempään polttoaineenkulutukseen. Lisäksi järjestelmän<br />
sähkönkulutus on vain noin kolmannes R134ajärjestelmän sähköiseen kompressoriin<br />
verrattuna [125].<br />
Kuva 105. Jäähdytysteho paineen funktiona [125]
137<br />
Taulukko 15. Järjestelmän suorituskyky [125]<br />
Esitelty järjestelmä on prototyyppivaiheessa, joten voidaan olettaa, että täysin optimoidulla<br />
järjestelmällä päästään parempaan suorituskykyyn. Nykyisissä metallihydridijärjestelmissä<br />
on myös tilankäytön kannalta potentiaalia ajoneuvokäyttöön, vaikka perinteisesti<br />
ne ovat olleet tarkoitukseen liian suuria ja painavia. Vedyn alhainen molekyylipaino<br />
johtaa suhteellisen pieniin painehäviöihin järjestelmässä, mikä vähentää tehonkulutusta<br />
ja parantaa suorituskykyä. Järjestelmää voidaan käyttää matkustamon esijäähdytykseen,<br />
jäähdytykseen sekä lämmitykseen ja sen käyttö vaatii erittäin vähän muutoksia ajoneuvon<br />
korissa, alustassa ja sisätiloissa sekä ilmastointijärjestelmän alijärjestelmissä. Metallihydridijärjestelmän<br />
lämmitysominaisuuden vuoksi myös perinteinen lämmitin olisi mahdollista<br />
poistaa. Moottorin hukkalämpöä hyödyntävä perinteinen lämmitystapa verrattuna sähköenergiaa<br />
kuluttavaan lämmitykseen metallihydridijärjestelmällä johtaa todennäköisesti<br />
kuitenkin lämmittimen säilyttämiseen polttomoottorilla varustetuissa ajoneuvoissa [125].<br />
8.5.4 Termoelektrinen sähköntuotto<br />
Ajoneuvon sähkökuorma kasvaa mukavuuselektroniikan, voimansiirron ja ajoneuvon ajettavuuden<br />
kehittyessä, minkä vuoksi vaihtoehtoisia energiatehokkaampia menetelmiä sähkön<br />
tuottamiseksi kehitellään. Muuttamalla pienen osan pakokaasujen lämpöenergiasta<br />
sähköksi, voitaisiin polttoaineeseen sitoutuneesta energiasta suurempaa osaa käyttää ajoneuvon<br />
liikuttamiseen, mikä pienentäisi polttoaineenkulutusta.<br />
Termoelektrinen sähköntuotto perustuu Peltierilmiölle käänteiseen Seebeckilmiöön, jossa<br />
lämpötilaero aiheuttaa jännitteen puolijohdeelementin päiden välille. Jännite ja järjestelmän<br />
hyötysuhde riippuvat suoraan lämpötilaerosta. Tarvittava lämpöenergia voidaan ottaa<br />
ajoneuvon pakokaasujen hukkalämmöstä. Termoelektrinen sähköntuotto on ollut käytössä<br />
avaruuslennoilla jo yli 30 vuotta, mutta sen käyttömahdollisuudet on havaittu myös ajoneuvoteollisuudessa.<br />
Termoelektriset generaattorit ovat hiljaisia, niissä ei ole liikkuvia osia<br />
ja ne ovat erittäin luotettavia sekä kompakteja. Niitä voidaan lisäksi käyttää hyvin eriko
138<br />
koisissa sovelluksissa. Termoelektrisen generaattorin hyötysuhde on merkittävästi huonompi<br />
verrattuna suuriin sähköntuottosovelluksiin, kuten Rankine, Brayton tai Stirlingsyklejä<br />
käyttäviin sovelluksiin. Kyseiset järjestelmät ovat kuitenkin kalliita, eivätkä sovellu<br />
hyvin pieniin ajoneuvoteollisuuden sovelluksiin. Termoelektronisen energiamuunnoksen<br />
hyötysuhdetta rajoittaa erityisesti termoelektristen materiaalien suorituskyky. Tällä hetkellä<br />
kehitetään järjestelmiä, joilla voidaan saavuttaa 200 –700 W sähköteho [127].<br />
Termoelektrisen generaattorin avulla voitaisiin avustaa hybridi<strong>ajoneuvojen</strong> voimansiirtoa<br />
sekä vähentää perinteisten <strong>ajoneuvojen</strong> vaihtovirtageneraattorin käyttöä, jopa poistaa se<br />
kokonaan. Pienempi moottorin kuorma pienentäisi polttoaineenkulutusta. Generaattorilla<br />
voitaisiin tuottaa sähköä <strong>ajoneuvojen</strong> ilmastointijärjestelmän sekä elintarvikekuljetuksissa<br />
käytettävien jäähdytyslaitteistojen käyttöön [115,128].<br />
Termoelektrisen energiamuunnoksen hyötysuhde on vain noin 5 %. Hyötysuhteen parantaminen<br />
25 %:iin mahdollistaisi hukkalämpöä hyödyntävän 5 10 kW:n generaattorin käytön.<br />
Tällainen järjestelmä soveltuisi esimerkiksi kuormatilojen jäähdytyslaitteistojen käyttöön<br />
[129].<br />
8.5.5 Termoakustiikka<br />
Termoakustiikassa matkustamon jäähdytys tai siihen tarvittava sähkö voidaan tuottaa äänen<br />
avulla ajoneuvon hukkalämpöä hyödyntämällä. Teknologia on luotettava, halpa, se ei<br />
aseta ajoneuvon moottorille ylimääräistä kuormaa, eikä ole haitallinen ympäristölle. Järjestelmissä<br />
ei myöskään ole liikkuvia osia, eikä voitelua tarvita. Termoakustisessa järjestelmässä<br />
hukkalämpöenergiaa muutetaan akustiseksi energiaksi, jota käytetään lämpöenergian<br />
pumppaamiseen kahden lämpötilareservin välillä aiheuttaen niiden välille lämpötilagradientin<br />
(kuva 106 ). Kylmäaineena voidaan käyttää esimerkiksi heliumia. Termoakustisten<br />
järjestelmien huonon energiatiheyden takia, ne ovat nykyisellä tasolla erittäin suurikokoisia<br />
ja vaativat huomattavan asennustilan, eivätkä siten sovellu ainakaan vielä ajoneuvokäyttöön<br />
[130].
139<br />
Kuva 106. Termoakustisen jäähdytyksen periaate [130]<br />
8.5.6 Kuormatilojen jäähdytys<br />
Eutektiset järjestelmät<br />
Eutektinen järjestelmä (kuva 107) koostuu ontoista putkista, palkeista tai levyistä, joiden<br />
sisällä on eutektista liuosta, joka faasinmuutosmateriaalina varastoi energiaa ja tarpeen<br />
vaatiessa jäähdyttää kuormatilaa. Eutektista liuosta sisältävät levyt tai palkit jäädytetään<br />
verkkovirralla. Eutektinen järjestelmä mahdollistaa hiljaisen, luotettavan ja nopean menetelmän<br />
kylmän ylläpitoon. Järjestelmää voidaan käyttää myös täydentävänä järjestelmänä<br />
esimerkiksi lyhyiden etäisyyksien kuljetuksissa, joissa jatkuva ovien avaaminen aiheuttaa<br />
huomattavan lämmönsiirron kuormatilan ja ympäristön välillä. Yhdistelmäjäähdytystä<br />
käyttämällä perinteisen jäähdytyslaitteen kapasiteettia voidaan pienentää [46].<br />
Kuva 107. Eutektinen järjestelmä [46]
140<br />
Kryogeeniset järjestelmät<br />
Kryogeenisissa järjestelmissä jäähdytykseen käytetään kryogeenista nestettä, kuten nestemäistä<br />
typpeä tai hiilidioksidia. Kuvassa 108 on havainnollistettu nestemäistä hiilidioksidia<br />
käyttävää järjestelmää. Nestemäinen hiilidioksidi kulkeutuu vakuumieristetystä säiliöstä<br />
putkistoa pitkin kuormatilassa olevaan höyrystimeen, jossa se höyrystyy ja sitoo höyrystinpuhaltimien<br />
kierrättämästä kuormatilan ilmasta lämpöä. Höyrystynyt hiilidioksidi siirtyy<br />
poistoputkea pitkin ulkoilmaan. Järjestelmä sisältää lisäksi sähkökeskuksen, jossa on mikroprosessorit,<br />
releet ja sulakkeet sekä ohjaamokäyttöyksikön, josta voidaan säätää kuljetuslämpötilaa<br />
ja tarkkailla laitteen toimintaarvoja. Koska säiliössä olevan nestemäinen hiilidioksidin<br />
lämpötila on 50 °C, koko jäähdytyskapasiteetti on käytössä välittömästi ja ilman<br />
viiveitä. Myöskään ulkolämpötila ei vaikuta jäähdytystehoon. Lämmitys ja höyrystimen<br />
jäätymisenesto on toteutettu moottorin jäähdytysnestekierron tai pysähdyksissä sähköisten<br />
lämmittimien avulla [46, 131].<br />
Kuva 108. Nestemäistä hiilidioksidia käyttävä kryogeeninen järjestelmä [132]<br />
Kryogeenisella järjestelmällä saavutetaan nopea lämpötilanlasku, alhainen melutaso sekä<br />
erittäin hyvä lämpötilanhallinta. Järjestelmässä on myös vähän liikkuvia osia, mikä lisää<br />
luotettavuutta ja pienentää huoltokustannuksia merkittävästi [133]. Lisäksi järjestelmä on<br />
ympäristöystävällinen, koska se ei tuota jätettä, ja järjestelmässä voidaan hyödyntää teollisuuden<br />
päästöistä jalostettua hiilidioksidia. Kryogeenisten järjestelmien käyttö vaatii kui
141<br />
tenkin oman infrastruktuurinsa täyttöasemille, eivätkä ne sovellu erityisen hyvin käytettäväksi<br />
pidemmillä matkoilla suurten käyttökustannusten vuoksi. Usein käytetäänkin<br />
kryogeenisen ja mekaanisen järjestelmän yhdistelmiä, jolloin voidaan hyödyntää kryogeenisen<br />
järjestelmän nopeaa jäähdytysominaisuutta ja mekaanisen järjestelmän jatkuvan käytön<br />
parempaa taloudellisuutta [46]. Kryogeeniset järjestelmät soveltuvat erityisen hyvin<br />
kaupunkijakeluun niiden äänettömyyden takia, ja suuri jäähdytysteho mahdollistaa kuormatilan<br />
oikean lämpötilan nopean palauttamisen ovien avaamisen jälkeen.<br />
Kryogeenisella järjestelmällä ei ole huomattavaa taloudellista etua verrattuna perinteiseen<br />
dieselkäyttöiseen järjestelmään. Polttoainekustannukset riippuvat pääasiassa nestemäisen<br />
hiilidioksidin ja dieselpolttoaineen suhteellisista hinnoista. Nestemäisen hiilidioksidin ja<br />
tarvittavan infrastruktuurin kustannukset tulevat kuitenkin laskemaan kryogeenisten järjestelmien<br />
yleistyessä [132].<br />
Lämpötilasäädeltyjen ruokakuljetusten energiatehokkuuteen tullaan tulevaisuudessa kiinnittämään<br />
entistä enemmän huomiota. Kuljetusten laatuvaatimukset nousevat ja niiden<br />
määrä kasvaa kuljetettavien tuotteiden valikoiman laajentuessa ja kotiinkuljetusten lisääntyessä.<br />
Dieselpolttoaineen hinnan nousu on johtanut vaihtoehtoisten jäähdytysteknologioiden<br />
kehittämiseen energiatehokkuuden parantamiseksi. Myös kuormatilojen jäähdytyskuormaa<br />
pyritään pienentämään eristysmateriaaleja kehittämällä. Pienempi jäähdytystarve<br />
mahdollistaa moottorin hukkalämpöä tai aurinkoenergiaa hyödyntävien järjestelmien tehokkaamman<br />
käytön. Tulevaisuudessa kuormatilojen lämmönsäätö on mahdollisesti toteutettu<br />
hybridijärjestelmillä, jolloin varsinaisen jäähdytysjärjestelmän kapasiteettia voidaan<br />
pienentää, mutta riittävä jäähdytysteho on tarvittaessa käytettävissä [46].
9 Yhteenveto<br />
142<br />
Diplomityö tehtiin osana <strong>TransEco</strong>tutkimusohjelmaa ja työssä tarkasteltiin ilmastointijärjestelmän<br />
<strong>vaikutus</strong>ta <strong>ajoneuvojen</strong> energiankulutukseen kirjallisuusselvityksen muodossa.<br />
Tavoitteena oli selvittää, kuinka paljon ja missä kohdin järjestelmää energiaa kuluu, kun<br />
ajoneuvon matkustamo jäähdytetään, lämmitetään ja sen ilmaa vaihdetaan. Tarkoituksena<br />
oli tunnistaa teknisten ratkaisujen erot säädettävyyden ja energiatehokkuuden kannalta<br />
pääasiallisena tarkastelutapana polttoaineenkulutus yksiköissä litraa tunnissa ja litraa sadalla<br />
kilometrillä ajonopeus huomioiden. Työssä käsiteltiin lähinnä matkustajaliikennnettä,<br />
mutta myös tavarakonttien ja ruokakuljetusten jäähdytys ja lämmitysasioihin otettiin kantaa.<br />
Ilmastointijärjestelmien energiatehokkuuteen sekä niissä käytettävien kylmäaineiden ominaisuuksiin<br />
kiinnitetään entistä enemmän huomiota. Tähän vaikuttavat järjestelmien määrän<br />
huomattava kasvu, lainsäädännölliset tekijät, ympäristötietoisuuden lisääntyminen sekä<br />
polttoaineiden hintojen nousu. Toisaalta <strong>ajoneuvojen</strong> mukavuusvaatimusten lisääntyessä<br />
järjestelmien tulee kyetä ylläpitämään matkustamon riittävä mukavuustaso sekä varmistaa<br />
turvallinen ajotapahtuma. Ilmastointijärjestelmä vaikuttaa huomattavasti ajoneuvon energiankulutukseen.<br />
Perinteisissä henkilöautoissa ilmastointi lisää polttoaineenkulutusta 5 –<br />
20 %, joten erot kulutuksessa järjestelmien kehittyneisyydestä riippuen ovat suuria. Hybridiajoneuvoissa<br />
ilmastoinnin polttoaineenkulutuksen todettiin olevan samaa suurusluokkaa<br />
kuin perinteisissä ajoneuvoissa. Hybridi<strong>ajoneuvojen</strong> pienen polttoaineenkulutuksen vuoksi<br />
ilmastoinnin prosentuaalinen osuus koko ajoneuvon kulutuksesta on kuitenkin merkittävä.<br />
Elintarvikekuljetusten jäähdytyslaitteistojen keskimääräinen polttoaineenkulutus on 15 –<br />
25 % ajoneuvon polttoaineenkulutuksesta. Lisäksi kaupunkikuljetuksissa polttoaineenkulutus<br />
on keskimäärin 16 % korkeampi verrattuna pitkän matkan kuljetuksiin. Ilmastoinnin<br />
polttoaineenkulutusta raskaissa ajoneuvoissa arvioitiin suuntaaantavien laskelmien avulla<br />
vähäisen aiheesta löytyvän kirjallisuuden vuoksi. Laskelmien perusteella ilmastoinnin voidaan<br />
arvioida vastaavan 20 –30 % ajoneuvon polttoaineenkulutuksesta. Laskelmien tulosten<br />
oikeaa suuruusluokkaa tukevat eri tahoilta saadut epäviralliset asiantuntijalausunnot<br />
sekä kevyiden <strong>ajoneuvojen</strong> tulokset. Työssä tarkasteltiin matkustamon lämmityksen <strong>vaikutus</strong>ta<br />
energiankulutukseen polttoainekäyttöisten lisälämmittimien kulutuksen kautta. Tulokset<br />
koostettiin valmistajien ilmoittamien lukujen pohjalta ja tulosten luotettavuus varmennettiin<br />
puolueettoman tahon tekemien mittausten perusteella. Lisälämmittimien poltto
143<br />
aineenkulutus on 0,12 –4,9 l/h riippuen asennuskohteena olevan ajoneuvon koosta sekä<br />
käyttötilanteesta.<br />
Ilmastontijärjestelmän polttoaineenkulutus ajoneuvoissa riippuu huomattavan suuresta<br />
määrästä ajasta riippuvia tekijöitä. Kulutusta arvioitaessa on otettava huomioon ajoneuvon<br />
toimintaympäristön sekä ajoneuvon konstruktion ja käyttötavan kautta vaikuttavat tekijät.<br />
Lukuisista muuttujista johtuen eri tutkimustahojen tekemien tutkimusten tulosten vertailukelpoisuus<br />
ei ole itsestäänselvää. Raskaan kaluston ilmastoinnin kulutusta koskevien tutkimusten<br />
löytäminen osoittautui työtä tehdessä erittäin vaikeaksi. Asia ei ole mahdollisesti<br />
raskaan kaluston puolella vielä tähän mennessä ollut sellainen, että siihen olisi kiinnitetty<br />
erityistä huomiota julkisissa lähteissä. Lukuisiin raskaiden <strong>ajoneuvojen</strong> ja ilmastointijärjestelmien<br />
komponenttien valmistajiin sekä tutkimuslaboratorioihin otettiin yhteyttä työtä<br />
tehdessä lähdemateriaalin saamiseksi. Haasteeksi muodostui mahdollinen tiedon olemattomuus<br />
tai luottamuksellisuus. Samassa yhteydessä kävi myös ilmi, että tulevaisuudessa<br />
tilanne tulee varmasti olemaan saatavan tiedon suhteen toisin, koska ilmastoinnin polttoaineenkulutuksen<br />
merkitys tiedostetaan ja sitä tullaan tutkimaan.<br />
Työssä tutkittiin myös keinoja ajoneuvon ilmastointijärjestelmän energiatehokkuuden parantamiseksi.<br />
Merkittävimmät parannukset saavutetaan optimoimalla ilmastointijärjestelmää<br />
kokonaisuutena sen kaikki yksittäiset osaalueet huomioiden. Järkevällä järjestelmän<br />
ohjauksella, kylmäainepiirin optimoinnilla sekä matkustamon lämpökuorman vähentämisellä<br />
on mahdollista saavuttaa huomattavia säästöjä polttoaineenkulutuksessa. Tulevaisuudessa<br />
matkustamon lämmitys ja jäähdytys voidaan toteuttaa hajautetuilla järjestelmillä, jolloin<br />
järjestelmän kapasiteettia voidaan pienentää kohdistamalla lämmitys ja jäähdytys tarkasti<br />
vain haluttuun paikkaan. Järjestelmien käyttämiseen tarvittava energia voidaan tuottaa<br />
esimerkiksi moottorin hukkalämpöä hyödyntämällä.
144<br />
Liite 1: Kaupunkilinjaauton ilmastoinnin polttoaineenkulutus<br />
Braunschweigsykli<br />
Kesto 1740 s 1740 s<br />
Ajomatka 10,8 km 10,8 km<br />
Moottorin kulutus 1,7 kWh/km 1,7 kWh/km<br />
Dieselpolttoaineen tiheys 830 g/l 830 g/l<br />
Polttoaineenkulutus ilman ilmastointia 44 l/100km 44 l/100km<br />
36,52 kg/100km 36,52 kg/100km<br />
Työmäärä takapyörällä 11 kWh 11 kWh<br />
Kompressorin ottoteho 18 kW 10 kW<br />
Moottorin työ 18,36 kWh 18,36 kWh<br />
Kompressorin työ 8,7 kWh 4,833333 kWh<br />
Yht 27,06 kWh 23,19333 kWh<br />
Moottorin hyötysuhde 214,8235294 g/kWh 214,8235 g/kWh<br />
"Kokonaishyötysuhde takapyörälle" 358,56 g/kWh 358,56 g/kWh<br />
Kulutus kompressorin kanssa 53,82522876 kg/100km 46,13402 kg/100km<br />
64,8496732 l/100km 55,58315 l/100km<br />
Kompressorin <strong>vaikutus</strong> kulutukseen 47 % + 26 % +<br />
Kompressorin osuus kulutuksesta 32 % 21 %
Lähdeluettelo<br />
145<br />
1 Bhatti, M. (1999). Evolution of Automotive HeatingRiding in Comfort, Part I&II.<br />
ASHRAE Journal. [Viitattu 27.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.ashrae.org/aboutus/page/150<br />
2 Papasawa, S., Monforte R., Hill W. (2010). Comparison of GREENMACLCCP©<br />
based Indirect CO2eq. Emissions from MACs and Vehicle Measured Data. [Viitattu<br />
27.5.2010]. Saatavissa: http://www.sae.org/technical/papers/2010011208<br />
3 Air conditioning compressors. (2006). [Viitattu 27.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://delphi.com/pdf/contact/brochures/Delphi_Compressors.pdf<br />
4 Diagno Finland Oy. (2010). Ilmastointijärjestelmän korjaus ja ohjaus. Sähköpostikeskustelu,<br />
Seppälä, J., Diagno Oy, 19.1.2010<br />
5 Hucho, W.H. (1998). Aerodynamics of Road Vehicles. 4.painos. Society of Automotive<br />
Engineers, Inc. ISBN 0768000297<br />
6 Autoalan Koulutuskeskus Oy. (2007). Ilmastointilaitteiden huolto, korjaukset ja pätevyysvaatimukset.<br />
7 SelfStudy Programme 208. Air Conditioner in the Motor Vehicle, Part 1. [Viitattu<br />
27.5.2010]. Saatavissa: http://www.volkspage.net/technik/ssp/index3_eng.php<br />
8 Bosch. (2003). Autoteknillinen taskukirja. 6. painos. Autoalan Koulutuskeskus Oy. ISBN<br />
9519155171<br />
9 Musat, R., Helerea, E. (2009). New solutions for improving the vehicle heating system.<br />
[Viitattu 27.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://but.unitbv.ro/BU2009/BULETIN2009/Series%20I/BULETIN%20I%20PDF/Electric<br />
al%20Engineering,%20Electronics%20and%20Automatics/Musat%20R_09.pdf<br />
10 Daly, S. (2006). Automotive Airconditioning and Climate Control Systems. 1.painos.<br />
Elsevier Ltd. ISBN 9780750669559
146<br />
11 Mobile Climate Control Group Holding AB. Basic info: Convectors and radiators. [Viitattu<br />
27.5.2010]. Saatavissa: http://www.mcchvac.com/CommonResources/Files/www.mccii.com/downloads/Convectors_radiators/Con<br />
vectorsA4.pdf<br />
12 TransHuolto Oy. Transhuolto yleisesite [Viitattu 27.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.transhuolto.fi/eber.html<br />
13 Eberspächer UK Ltd. Water Heating Technology in Detail. [Viitattu 27.5.2010].<br />
Saatavissa: http://www.eberspacher.com/products/waterheating/technologyindetail.html<br />
14 Eberspächer UK Ltd. Air Heating Technology in Detail. [Viitattu 27.5.2010].<br />
Saatavissa: http://www.eberspacher.com/products/airheating/technologyindetail.html<br />
15 J. Eberspächer GmbH & Co. KG. Electronic heaters. [Viitattu 27.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.eberspaecher.com/servlet/PB/menu/1059962_l2/index.html<br />
16 Behr. Product rangeAir conditioning. [Viitattu 27.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://behr.de/Internet/behrcms_eng.nsf/$all/67641F7C8F737AF8C12571F400254336?ope<br />
n&qm=leftmenu1,4,1,2<br />
17 J. Eberspächer GmbH & Co. KG. PTC heating elements for electrical and hybrid vehicles.<br />
[Viitattu 27.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.eberspaecher.com/servlet/PB/menu/1059974_l2/index.html<br />
18 Autozone. Dubbeltest Mercedes SL en SLK: topklasse in topless. [Viitattu 27.5.2010].<br />
Saatavissa: http://www.autozone.be/auto/artikel/2dehands/hln_230632.html<br />
19 Dao, T. (2010). Air Conditioning Modifications Meet Changing Transportation Needs.<br />
[Viitattu 27.5.2010]. Saatavissa: http://www.metro<br />
magazine.com/Article/Story/2010/04/AirConditioningModificationsMeetChanging<br />
TransportationNeeds.aspx
147<br />
20 Thermoking Corporation. [Viitattu 27.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.thermoking.com/imagecenter/misc/bus_ad_01.gif<br />
21 Repice, C., Schulz, U. (2004). Reducing HFC Emissions for Bus Air Reducing HFC<br />
Emissions for Bus Air Conditioning: A Change in Conditioning: A Change in Technology<br />
for Rooftop Applications. [Viitattu 27.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.epa.gov/cppd/Presentations/Repice%20Bus%20AC.pdf<br />
22 Valeo Compressors. Heavy Duty Air Conditioning Compressors. [Viitattu 27.5.2010].<br />
Saatavissa: http://www.valeocompressors.com/media/brochures/VC_general_2009en.pdf<br />
23 Sanden International (USA), Inc. Scroll Compressors. [Viitattu 27.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.sanden.com/index.php?id=LZYYCH9G2<br />
24 Prius air conditioning system. Sähköpostikeskustelu, Sainio, P., 10.3.2010<br />
25 Rijkeboer, R., Gense, N., Vermeulen, R. (2002). Options to integrate the use of mobile<br />
airconditioning systems and auxiliary heaters into the emission type approval test and the<br />
fuel consumption test for passenger cars (M1 vehicles). Final report. [Viitattu 27.5.2010].<br />
Saatavissa:<br />
http://ec.europa.eu/environment/air/transport/co2/pdf/tno_mac_fc_first_study.pdf<br />
26 Mansour, M., Musa, M., Hassan, M., Abdullah, H. (2007). Theoretical and experimental<br />
simulation of rooftop bus multiplecircuit airconditioning system performance. [Viitattu<br />
27.5.2010]. Saatavissa: http://journals.pepublishing.com/content/l7346h5tr04u85q4/<br />
27 Cooper, C., Meszler, D., Brueckner, S. (2004). Reducing Greenhouse Gas Emissions<br />
from LightDuty Motor Vehicles. [Viitattu 27.5.2010]. Saatavissa:<br />
www.nesccaf.org/documents/rpt040923ghglightduty.pdf<br />
28 Gordon, J. (2005). Cooling System: Variable Displacement A/C Compressor. [Viitattu<br />
28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.polarbearinc.com/Articles/Variable%20Displacement%20Compressor.pdf
148<br />
29 Assessment and Standards Division Office of Transportation and Air Quality U.S. Environmental<br />
Protection Agency. (2009). Proposed Rulemaking to Establish LightDuty Vehicle<br />
Greenhouse Gas Emission Standards and Corporate Average Fuel Economy Standards.<br />
[Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.epa.gov/otaq/climate/regulations/420d09003.pdf<br />
30 Benouali, J., Clodic, D., Malvicino, C. (2002). External and internal control compressors<br />
for mobile airconditioning systems. [Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa: http://wwwcep.ensmp.fr/francais/visite/chapitre9/pdf/C80_Publi_purdue2002_Pil_Ext.pdf<br />
31 Tian, C., Xu, H., Zhang, L., Li, X. (2009). Experimental investigation on the characteristics<br />
of variable displacement swash plate compressor. [Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6V1Y4VKDN1G<br />
2&_user=8758044&_coverDate=10%2F31%2F2009&_rdoc=1&_fmt=high&_orig=search<br />
&_sort=d&_docanchor=&view=c&_searchStrId=1351192312&_rerunOrigin=google&_ac<br />
ct=C000109213&_version=1&_urlVersion=0&_userid=8758044&md5=67cfd772faf2ef04<br />
c4c5f8625db7de13<br />
32 Hendricks, T. (2001). Vehicle Transient Air Conditioning Analysis: Model Development<br />
& System Optimization Investigations. [Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.nrel.gov/docs/fy01osti/30715.pdf<br />
33 Sanden International (USA), Inc. Piston Compressors. [Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.sanden.com/index.php?id=U5H0AMX7Q<br />
34 Visteon Corporation. Visteon Condensers. [Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.visteon.com/products/underhood/media/contech.pdf<br />
35 Moultanovsky, A. (2007). Mobile HVAC Systems: Physics and Configuration & Fundamentals,<br />
Design, and Innovations. [Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.informaworld.com/smpp/quicksearch~db=all?quickterm=Mobile+HVAC+Syst<br />
ems&searchtype=
149<br />
36 Qi, Z., Zhao, Y. Chen, J. (2010). Performance enhancement study of mobile air conditioning<br />
system using microchannel heat exchangers. [Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6V4R4X7R82C<br />
1&_user=8758044&_coverDate=03%2F31%2F2010&_rdoc=1&_fmt=high&_orig=search<br />
&_sort=d&_docanchor=&view=c&_searchStrId=1351242613&_rerunOrigin=google&_ac<br />
ct=C000109213&_version=1&_urlVersion=0&_userid=8758044&md5=bd327dd764eb57<br />
5ffde331b2f349ca17<br />
37 Diagno Finland Oy. (2010). Ajoneuvojen ilmastointihuollon pätevöitymiskoulutusmateriaali.<br />
Autoalan Koulutuskeskus Oy.<br />
38 Honeywell. HFO1234yf: the better choice comparison chart & the better choice comparison<br />
chart for the aftermarket industry. [Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.1234facts.com/library.html<br />
39 Rinne, F. (2009). HFO1234yf Technology UpdatePart I. [Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.vdawintermeeting.de/Presentations.24.0.html<br />
40 Spatz, M. (2009). HFO1234yf Technology UpdatePart II. [Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.vdawintermeeting.de/Presentations.24.0.html<br />
41 Heckenberger, T., Edwards, S., Kroner, P. (2009). Thermal Management for Hybrid<br />
Vehicles. [Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://behr.de/internet/behrmm.nsf/lupgraphics/Behr_Thermomanagement_TPT09_E.pdf/$<br />
file/Behr_Thermomanagement_TPT09_E.pdf<br />
42 Shin, S., Lim, S. (2006). A Study on Design Factors for the Air Ventilating System of<br />
Highway Express Buses. [Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.sae.org/technical/papers/2006013455<br />
43 Linjaauton ilmanvaihto, pdftiedosto. Sähköpostikeskustelu, Tikkanen, J., Lahden Autokori<br />
Oy, 12.5.2010
150<br />
44 Spheros GmbH. Spheros City Bus Roof HatchBus Top Premium. [Viitattu 28.5.2010].<br />
Saatavissa:<br />
http://international.spheros.de/Upload/Documents/Bus_Top_citybus_17_10_e.pdf<br />
45 Ekeri Oy. ATPtestaus. [Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.ekeri.fi/fin/Tuotteet_ja_ratkaisut/Peravaunut_ja_puoliperavaunut/FNA_ja_FR<br />
C.31.html<br />
46 Tassou, S., DeLille, G., Ge, Y. (2009). Food transport refrigeration –Approaches to<br />
reduce energy consumption and environmental impacts of road transport. [Viitattu<br />
28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://students.sabanciuniv.edu.tr/~mulguray/project/TRANSPORT/FoodTransportRefrige<br />
ration.pdf<br />
47 SelfStudy Programme 271. The Phaeton Heating and Air Conditioning System. [Viitattu<br />
28.5.2010]. Saatavissa: http://www.volkspage.net/technik/ssp/index3_eng.php<br />
48 SelfStudy Programme 208. Air Conditioner in the Motor Vehicle, Part 2. [Viitattu<br />
28.5.2010]. Saatavissa: http://www.volkspage.net/technik/ssp/index3_eng.php<br />
49 AudiportalSensors. [Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa: http://www.audiportal.com/en/diagnostic/sensors_17466.html<br />
50 SelfStudy Programme 263. Polo Model Year 2002, Part 3. [Viitattu 28.5.2010].<br />
Saatavissa: http://www.volkspage.net/technik/ssp/index3_eng.php<br />
51 SelfStudy Programme 318. The Golf 2004, Part 2. [Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.volkspage.net/technik/ssp/index4_eng.php<br />
52 Bosch. (2007). Autojen anturit. Autoalan Koulutuskeskus Oy. ISBN 978951915524<br />
1
151<br />
53 SelfStudy Programme 323. Audi A6´05. [Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.volkspage.net/technik/ssp/index4_eng.php<br />
54 Finlex. (2009). Valtioneuvoston asetus otsonikerrosta heikentäviä aineita ja eräitä fluorattuja<br />
kasvihuonekaasuja sisältävien laitteiden huollosta. [Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.finlex.fi/fi/laki/alkup/2009/20090452<br />
55 DeGuiseppi, P., Koban, M. (2010). The Service Sector Prepares for HFO1234yf . [Viitattu<br />
28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.epa.gov/cppd/mac/10.05%20am%20Koban%20and%20DeGuiseppi.pdf<br />
56 Rugh, J., Hovland, V., Andersen, S. ( 2004). Significant Fuel Savings and Emission<br />
Reductions by Improving Vehicle Air Conditioning. [Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/ancillary_loads/pdfs/etf_ac_fuel_use.pdf<br />
57 Rugh, J., Farrington, R. (2008). Vehicle Ancillary Load Reduction Project CloseOut<br />
Report. [Viitattu 28.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/ancillary_loads/pdfs/42454.pdf<br />
58 Euroopan parlamentin ja neuvoston direktiivi 2006/40/EY. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CELEX:32006L0040:FI:HTML<br />
59 Vermeulen, R., Smokers, R., Gense, N., Rijkeboer, R. (2005). Development of a procedure<br />
for the determination of the additional fuel consumption of passenger cars (M1 vehicles)<br />
due to the use of mobile air conditioning equipment. Final report. [Viitattu<br />
30.5.2010]. Saatavissa: http://ec.europa.eu/environment/air/transport/co2/pdf/a_16174.pdf<br />
60 Tenq, H. (2010). A Thermal Energy Operated Heating/Cooling System for Buses. [Viitattu<br />
31.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.sae.org/servlets/productDetail;WebLogicSession=MDypRbrdfRXKr9zbl9v1R
152<br />
Rdgw17CG0gh19bVbvbfYnGTvtfW39Hd!1803354557?PROD_TYP=PAPER&PROD_C<br />
D=2010010804<br />
61 Kemle, A., Manski, R., Weinbrenner, M. (2009). Enhancement of Energy Efficiency in<br />
Airconditioning Systems. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.atzonline.com/index.php;do=show/site=a4e/sid=15649132544c02471dd7f8365<br />
6197275/alloc=3/id=10190<br />
62 Rijkeboer, R., Gense, N., Vermeulen, R. (2002). Options to integrate the use of mobile<br />
airconditioning systems and auxiliary heaters into the emission type approval test and the<br />
fuel consumption test for passenger cars (M1 vehicles). Final report. [Viitattu 30.5.2010].<br />
Saatavissa:<br />
http://ec.europa.eu/environment/air/transport/co2/pdf/tno_mac_fc_first_study.pdf<br />
63 Manski, R., Strauss, T., Kohl, M., Weinbrenner, M., Heinle, D. (2006). Storage Evaporators<br />
Innovative AC Concept for Micro Hybrid Vehicles. [Viitattu 31.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.sae.org/technical/papers/2006010268<br />
64 Koupal, J. (2001). Air Conditioning Activity Effects in MOBILE6. [Viitattu 30.5.2010].<br />
Saatavissa: http://www.epa.gov/otaq/models/mobile6/r01054.pdf<br />
65 Lozano, O. (2001). Airconditioning: a luxury or must? Sähköpostikeskustelu, Marechal,<br />
T., UITP, 21.5.2010<br />
66 Weilenmann, M., Vasic, A.M., Stettler, P., Novak, P. (2005). Influence of Mobile Air<br />
Conditioning on Vehicle Emissions and Fuel Consumption: A Model Approach for Modern<br />
Gasoline Cars Used in Europe. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es050190j<br />
67 Webasto solar GmbH. Solar tilt/slide sunroof. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.webastosolar.de/files/en/downloads/Datenblatt_Solarschiebedach_web_englisc<br />
h.pdf
153<br />
68 ADAC. Additional Fuel Consumption caused by Mobile Air Conditioning Systems<br />
(MAC). Sähköpostikeskustelu, Vermeulen, R., TNO, 23.2.2010<br />
69 Bharathan, D., Chaney, L., Farrington, R., Lustbader, J., Keyser, M., Rugh, J. (2007).<br />
An Overview of Vehicle Test and Analysis from NREL’s A/C Fuel Use Reduction Research.<br />
[Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/ancillary_loads/pdfs/41155.pdf<br />
70 Malvicino, C. (2005). Low Cost and High Efficiency CO2 Mobile Air Conditioning<br />
System for Lower Segment Cars. Sähköpostikeskustelu, Malvicino, C., CRF, 22.2.2010<br />
71 Duleep, K. (2006). Mobile Air Conditioning: Issues. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
https://www.oilmarketreport.org/work/2006/car_cooling/Session1/1c%20Duleep%20Worl<br />
dwide%20perspective%20MAC.pdf<br />
72 U.S. Department of Energy. (2006). Annual Progress Report for Heavy Vehicle Systems<br />
Optimization Program. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs/program/2006_avtae_report.pdf<br />
73 ACEA. (2008). ACEA POSITION on Public Consultation on Future Regulation addressing<br />
: (1) Reduction of CO2 Emissions of LightDuty Vehicles by More Efficient Mobile<br />
Air Conditioning Equipment and Gear Shift Indicators; (2) Safety Regulation of Mobile<br />
Air Conditioning Equipment. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/automotive/files/environment/mac/consultation/acea_<br />
en.pdf<br />
74 Rugh, J. (2010). Proposal for a Vehicle Level Test Procedure to Measure Air Conditioning<br />
Fuel Use. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.nrel.gov/docs/fy10osti/47273.pdf<br />
75 SFTP SC03 Cycle. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.dieselnet.com/standards/cycles/ftp_sc03.html
154<br />
76 Benouali, J., Clodic, D., Mola, S., Presti, G., Magini, M., Malvicino, C. (2003). Fuel<br />
consumption of Mobile air conditioning. Method of testing and results. [Viitattu<br />
30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.cenerg.ensmp.fr/english/visite/chapitre9/html/index.html<br />
77 Braunschweig City Driving Cycle. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.dieselnet.com/standards/cycles/braunschweig.html<br />
78 Behr Climatic Wind Tunnel. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa: http://www.climaticwindtunnel.com/internet/cms_kwk_eng.nsf<br />
79 Revereault, P., Rouaud, C., Marchl, A. (2010). Fuel Economy and Cabin Heating Improvements<br />
Thanks to Thermal Management Solutions Installed in a Diesel Hybrid Electric<br />
Vehicle. [Viitattu 31.5.2010]. Saatavissa: http://www.sae.org/technical/papers/2010<br />
010800<br />
80 CLEPA. (2008). CLEPA reply to the Internet Public Consultation on the Future Regulation<br />
addressing : (1) Reduction of CO2 Emissions of LightDuty Vehicles by More Efficient<br />
Mobile Air Conditioning Equipment. (2) Safety Regulation of Mobile Air Conditioning<br />
Equipment. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/automotive/files/environment/mac/consultation/clepa<br />
_en.pdf<br />
81 Meininghaus, R., Fischer, D. (2009). MAC Energy Efficiency. [Viitattu 30.5.2010].<br />
Saatavissa: http://www.vdawintermeeting.de/fileadmin/downloads/presentations/ACEA_%20FORD_Dr%20Meininghaus_D.%2<br />
0Fischer_VDA%20Winter%20Meeting%202009.pdf<br />
82 Johnson, V. (2002). Fuel Used for Vehicle Air Conditioning: A StatebyState Thermal<br />
ComfortBased Approach. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/ancillary_loads/pdfs/2002_01_1957.pdf
155<br />
83 Barbusse, S. (2003). Automobile AirconditioningIts Energy and Environmental Impact.<br />
[Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www2.ademe.fr/servlet/getBin?name=6D75E63635EE4D69F6466B580462CCDD1<br />
137167979538.pdf<br />
84 Farrington, R., Rugh, J. (2000). Impact of Vehicle AirConditioning on Fuel Economy,<br />
Tailpipe Emissions, and Electric Vehicle Range. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.nrel.gov/docs/fy00osti/28960.pdf<br />
85 Assessment and Standards Division Office of Transportation and Air Quality U.S. Environmental<br />
Protection Agency. (2010). Final Rulemaking to Establish LightDuty Vehicle<br />
Greenhouse Gas Emission Standards and Corporate Average Fuel Economy Standards.<br />
Regulatory Impact Analysis. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.epa.gov/oms/climate/regulations/420r10009.pdf<br />
86 Monforte, R. (2007). MAC System Fuel Consumption in various climate conditions.<br />
[Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.sae.org/events/aars/presentations/2007monforte.pdf<br />
87 Assessment and Standards Division Office of Transportation and Air Quality U.S. Environmental<br />
Protection Agency. (2006). Fuel Economy Labeling of Motor Vehicles: Revisions<br />
to Improve Calculation of Fuel Economy Estimates. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.epa.gov/fueleconomy/420r06017.pdf<br />
88 Khoury, G., Clodic, D. (2005). Method of Test and Measurements of Fuel Consumption<br />
Due to Air Conditioning Operation on the New Prius Ii Hybrid Vehicle. [Viitattu<br />
31.5.2010]. Saatavissa: http://www.sae.org/technical/papers/2005012049<br />
89 Truck And Bus Engine Committee. (2000). SAE J1343 (R) Information Relating to Duty<br />
and Average Power Requirements of Truck and Bus Engine Accessories. [Viitattu<br />
31.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.sae.org/servlets/productDetail;WebLogicSession=LxnHv2Q1QDrl0xSvQZNL
156<br />
gDQcHkgJHl8DJz9pB1Y28LGM71gvGr7K!487327552?PROD_TYP=STD&PROD_CD<br />
=J1343_200008<br />
90 Sähköpostikeskustelu, Ahtiainen, M., VTT, 29.3.2010<br />
91 Eberspächer UK Ltd. Eberspächer lisälämmittimet. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.eberspacher.com/products/<br />
92 Oy Kaha Ab. Webasto lisälämmittimet. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.kaha.fi/category.php?cid=90<br />
93 Spheros North America Inc. Spheros lisälämmittimet. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://spheros.us/Upload/Documents/USA/10000019A.pdf<br />
94 Shendge, S., Tilekar, P., Dahiya, S., Kapoor, S. (2010). Reduction of MAC Power Requirement<br />
in a Small Car. [Viitattu 31.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.sae.org/technical/papers/2010010803<br />
95 Rugh, J., Chaney, L., Lustabader, J., Meyer, J., Rustagi, M., Olson, K., Kogler, R.<br />
(2007). Reduction in Vehicle Temperatures and Fuel Use from Cabin Ventilation, Solar<br />
Reflective Paint, and a New SolarReflective Glazing. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/ancillary_loads/pdfs/40986.pdf<br />
96 Webasto solar GmbH. Solar energy roof. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.webastosolar.de/files/en/downloads/Datenblatt_Solar<br />
Energiedach_web_englisch.pdf<br />
97 Kurata, S., Suzuki, T., Ogura, K. (2007). Doublepipe Internal Heat Exchanger for Efficiency<br />
Improvement in Front Automotive Air Conditioning System. [Viitattu 1.6.2010].<br />
Saatavissa: http://www.sae.org/technical/papers/2007011523
157<br />
98 Malvicino, C. (2008). The 4 Fiat Pandas Experiment and other considerations on refrigerants<br />
Part I. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.sae.org/events/aars/presentations/2008/carloandreamalcicino1.pdf<br />
99 Delphi Press Releases (2010). Delphi's Internal Heat Exchanger Increases Cooling, Improves<br />
Fuel Economy. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://delphi.com/about/news/media/pressReleases/pr_2010_04_13_011/<br />
100 Yamada, E., Nishijima, H., Matsui, H., Ueno, T., Taniguchi, M., Fujita, A. (2009).<br />
Nextgeneration Ejector Cycle for Trucktransport Refrigerator. [Viitattu 31.5.2010].<br />
Saatavissa: http://www.sae.org/technical/papers/2009010973<br />
101 Weissler, P. (2009). 2010 Prius first with ejectorcycle air conditioning. [Viitattu<br />
30.5.2010]. Saatavissa: http://www.digitalcar.sae.org/mags/aei/6741<br />
102 Alkan, A., Hosoz, M. (2010). Comparative performance of an automotive air conditioning<br />
system using fixed and variable capacity compressors. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6V4R4Y35TJX<br />
1&_user=8758044&_coverDate=05%2F31%2F2010&_rdoc=1&_fmt=high&_orig=search<br />
&_sort=d&_docanchor=&view=c&_searchStrId=1353018033&_rerunOrigin=google&_ac<br />
ct=C000109213&_version=1&_urlVersion=0&_userid=8758044&md5=f7a48328610c3f9<br />
7180c0b2a754acbf9<br />
103 Park, S., Kim, H., Ahn, H., Park, H. (2006). Study on the Reduction of Fuel Consumption<br />
in the A/C System, Which Used Variable Displacement SwashPlate Compressor and<br />
the performance improvment by field test. [Viitattu 31.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.sae.org/technical/papers/2006010164<br />
104 Denso Corporation. Condenser with a Subcooler Part. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.globaldensoproducts.com/cc/cacs/condenser.html
158<br />
105 Technical Articles. Toyota SeriesHybrid. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.autoshop101.com/forms/Hybrid04.pdf<br />
106 Bilodeau, S. (2004). The Novacab System to Reduce Energy Consumption for Hvac in<br />
Bus and Commercial Van Applications. [Viitattu 31.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.sae.org/technical/papers/2004012636<br />
107 Committee to Assess Fuel Economy Technologies for Medium and HeavyDuty Vehicles;<br />
National Research Council; Transportation Research Board. (2010). Technologies<br />
and Approaches to Reducing the Fuel Consumption of Medium and HeavyDuty Vehicles.<br />
National Academy of Sciences. ISBN 0309149835. [Viitattu 30.5.2010].<br />
Saatavissa: http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=12845<br />
108 Gaines, L., Hartman, C.J. (2009). Energy Use and Emissions Comparison of Idling<br />
Reduction Options for HeavyDuty Diesel Trucks. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.transportation.anl.gov/pdfs/EE/582.pdf<br />
109 US Gallon to Litre Conversion Calculator. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://opentoronto.com/calculators/gal_to_l_convert_gallon_to_liter_conversion_calculator<br />
_gal_litre.php<br />
110 Malvicino, C. (2008). The 4 Fiat Pandas Experiment and other considerations on refrigerants<br />
Part II. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.sae.org/events/aars/presentations/2008/carloandreamalcicino2.pdf<br />
111 Graz, M. (2009). Investigation on Additional Fuel Consumption for a R134a and R744<br />
AC –System in a VW Touran. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa: http://www.vdawintermeeting.de/fileadmin/downloads/presentations/OBRIST_M%20Graz_VDA%20Winter%20Me<br />
eting%202009.pdf
159<br />
112 Ghodbane, M., Craig, T., Baker, J. (2007). Demonstration of an EnergyEfficient Secondary<br />
Loop HFC152a Mobile Air Conditioning System. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.epa.gov/cppd/mac/152a/EPASec%20Loop_07Jan08.pdf<br />
113 Weissler, P. (2009). Thermoelectric devices could revolutionize HVAC. [Viitattu<br />
30.5.2010]. Saatavissa: http://www.sae.org/mags/aei/6384<br />
114 Wang, D., LaGrandeur, J., Crane, D. (2010). Design and Analysis of a Thermoelectric<br />
HVAC System for Passenger Vehicles. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.sae.org/technical/papers/2010010807<br />
115 Bell, L. (2008). Broader Use of Thermoelectric Systems in Vehicles. [Viitattu<br />
30.5.2010]. Saatavissa: http://www.bsst.com/technical_papers.php<br />
116 Fairbanks, J. (2009). Vehicular Thermoelectric Applications Session DEER 2009.<br />
[Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs/deer_2009/session7/deer09_fairbanks.<br />
pdf<br />
117 Harrison, T. (2009). Air Conditioning System Utilizing Vehicle Waste Energy. [Viitattu<br />
31.5.2010]. Saatavissa: http://www.sae.org/technical/papers/2009010543<br />
118 Christy, C., Toossi, R. (2004). Adsorption AirConditioning for Containerships and<br />
Vehicles. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa: http://www.metrans.org/research/final/00<br />
07_Final.pdf<br />
119 Barrieu, E., Rossi, A. (2009). FAURECIA approach to Exhaust Heat Recovery Present<br />
and future potential. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa: 3rd European Workshop Mobile<br />
Air Conditioning, Vehicle Thermal Systems and Auxiliaries<br />
120 Green Car Congress. (2009). BMW Outlines Intelligent Heat Management Applications<br />
for Reducing Fuel Consumption and CO2; New Thermoelectric Generatator Unit Integrated<br />
with EGR. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:
160<br />
http://www.greencarcongress.com/2009/10/bmwoutlinesintelligentheatmanagementapplicationsforreducingfuelconsumptionandco2newther.html#more<br />
121 Emissions control solutions from Faurecia improve fuel consumption. [Viitattu<br />
30.5.2010]. Saatavissa: http://www.faurecialaautoshow.com/products_exhaust1.html<br />
122 Hendricks, T., Johnson, V., Keyser, M. (2004). HeatGenerated Cooling Opportunities.<br />
[Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/ancillary_loads/pdfs/heat_cooling.pdf<br />
123 Horuz, I. (1998). An Alternative Road Transport Refrigeration. [Viitattu 30.5.2010].<br />
Saatavissa: http://journals.tubitak.gov.tr/engineering/issues/muh98223/muh2237<br />
97005.pdf<br />
124 NREL. Heat Generated Cooling, Absorption System Technique. [Viitattu 30.5.2010].<br />
Saatavissa: http://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/ancillary_loads/heat_utilization.html<br />
125 Magnetto, D., Mola, S., DaCosta, D., Golben, M., Rosso, M. (2006). A Metal Hydride<br />
Mobile Air Conditioning System. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.ergenics.com/herasae.pdf<br />
126 Talom, H., Beyene, A. (2009). Heat recovery from automotive engine. [Viitattu<br />
30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6V1Y4S3G42K<br />
2&_user=8758044&_coverDate=02%2F28%2F2009&_rdoc=1&_fmt=high&_orig=search<br />
&_sort=d&_docanchor=&view=c&_searchStrId=1353092412&_rerunOrigin=google&_ac<br />
ct=C000109213&_version=1&_urlVersion=0&_userid=8758044&md5=f687a13a95cdc41<br />
95c7e74af3c7c3157<br />
127 Riffat, S., Ma, X. (2003). Thermoelectrics: a review of present and potential applications.<br />
[Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6V1Y485P6M3
161<br />
1&_user=8758044&_coverDate=06%2F30%2F2003&_rdoc=1&_fmt=high&_orig=search<br />
&_sort=d&_docanchor=&view=c&_searchStrId=1353093713&_rerunOrigin=google&_ac<br />
ct=C000109213&_version=1&_urlVersion=0&_userid=8758044&md5=ea10a7df06cafd9f<br />
b66c54587b940b4f<br />
128 Snyder, G. (2008). Small Thermoelectric Generators. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.electrochem.org/dl/interface/fal/fal08/fal08_p5456.pdf<br />
129 Ghamaty, S. (2004). Quantum Well Thermoelectrics for Converting Waste Heat to<br />
Electricity. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa: www.osti.gov/bridge/servlets/purl/885295<br />
6aPj8H/885295.pdf<br />
130 Zoontjens, L., Howard, C., Cazzolato, B. (2005). Thermoacoustic Refrigeration for the<br />
Automotive Industry. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.mecheng.adelaide.edu.au/avc/publications/public_papers/2005/preprint_lz_eng<br />
aust2005.pdf<br />
131 VTATekniikka Oy. Kryogeniset Lämmönsäätölaitteet. Sähköpostikeskustelu, Jyrkönen,<br />
M., Valio, 12.2.2010<br />
132 Tassou, S., Hadawey, A., Ge, Y., Lagroy de Groutte, B. Carbon Dioxide Cryogenic<br />
Transport refrigeration Systems. [Viitattu 30.5.2010]. Saatavissa:<br />
http://www.grimsby.ac.uk/documents/defra/trnscasestudy.pdf<br />
133 VTATekniikka Oy. Kryogenisen ja Dieselkäyttöisen Lämmönsäätölaitteen Kustannusvertailu.<br />
Sähköpostikeskustelu, Jyrkönen, M., Valio, 12.2.2010
Change language