Polttomoottoreiden jäähdytysjärjestelmän optimointi mekatroniikalla

Abstract

Mekaanisesti toimiva jäähdytysjärjestelmä on suunniteltu toimimaan parhaimmalla hyötysuhteella silloin, kun moottori toimii raskaalla kuormalla lämpimissä ympäristöolosuhteissa. Tämän takia normaalissa käytössä jäähdytysjärjestelmä kuluttaa tarpeettoman paljon energiaa. Tämän lisäksi moottorin toimintalämpötilaa ei pystytä muuttamaan riippuen moottorin rasituksesta, sillä järjestelmän eri komponentit toimivat mekaanisesti, eikä niissä ole mahdollisuutta aktiiviseen säätöön.

Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli tutkia polttomoottoreiden jäähdytysjärjestelmän toiminnan parantamista aktiivisen säädön avulla, joka toteutettaisiin mekatroniikkaa hyödyntäen. Työ on tehty kirjallisuusselvityksen muodossa. Työssä tutkittiin perinteisen jäähdytysjärjestelmän toimintaperiaatteita, eri komponenttien sähköistä hallittavuutta sekä järjestelmän toiminnan parantamista sähköisesti hallittavien komponenttien avulla. Lopuksi vertailtiin erilaisia tutkimustuloksia aiheesta sekä pohdittiin, onko mekatroniikan soveltamisesta hyötyä.

Perinteisen jäähdytysjärjestelmän komponenttien toiminta perustuu mekaanisiin ratkaisuihin. Komponentit ovat kuitenkin muutettavissa mekatronisiksi, ilman että komponenttien tai järjestelmän perusperiaatetta muutetaan. Mekatroniikan soveltaminen tuo tarpeen sähköiselle ohjaukselle, jonka avulla eri komponenttien toimintaa hallitaan. Sähköisellä ohjauksella jäähdytysjärjestelmän energiankulutusta ja moottorin lämmönsiirtoa voidaan hallita aktiivisesti ja muuttaa olosuhteiden muuttuessa.

Mekatroniikan avulla oli mahdollista pienentää järjestelmän energiankulutusta, vähentää päästöjä, lyhentää moottorin lämpenemisaikoja sekä pienentää järjestelmän kokoa. Moottorin kulutus paranin 1–5 % ja lämpenemisaikoja saatiin lyhennettyä kolmanneksella mekatronisten komponenttien avulla. Järjestelmän koon pienentäminen oli mahdollista, mutta se kumosi osittain energiansäästö etuja, joten sen hyötyä pitää tulkita tapauskohtaisesti. Tutkimuksissa ei kuitenkaan huomioitu sähköisien komponenttien kustannuksia tai luotettavuutta verrattuna mekaanisiin komponentteihin. Näillä osa-alueilla on myös merkitystä, kun pohditaan mekatroniikan soveltamisen kannattavuutta.