Henkilöauton polttoaineen kulutuksesta peräti kolmasosa kuluu kitkaan, millä on suora vaikutus polttoaineen kulutukseen ja hiilidioksidipäästöihin. Uuden teknologian avulla voidaan VTT:n mukaan kuitenkin pienentää kitkaa eri autonosissa jopa 10-80 %. Tämän perusteella polttoaineen kulutus ja päästöt vähenisivät 5-10 vuoden kuluessa 18 % ja 15-25 vuoden kuluessa jopa 61 %.

1. Kitkahäviöt henkilöautoissa
– energiankäytön ja CO2-päästöjen
vähentämismahdollisuudet
Holmberg, Andersson & Erdemir
VTT ja Argonne National Laboratory (USA)
12.1.2012

2. 2
ESITYKSENI AIHEET
1. Kitka – ja sen vaikutus yhteiskunnassamme
2. Kitkahäviöt henkilöautoissa, VTT:n ja ANL:n
uusi selvitys
3. Uusin tutkimus kitkan vähentämiseen
4. Kitkan säästöt maailmanlaajuisesti

3. 3
” Tiede ja teknologia, joka tutkii
kosketuksessa olevia liikkuvia pintoja ”
KITKA, KULUMINEN JA VOITELU =
TRIBOLOGIA

4. 4
KONEET TOIMIVAT HIUSTAKIN OHUEMMAN KALVON VARASSA
Voitelukalvon paksuus = 2–4 m
Hiuksen halkaisija = 50 m
Sisääntulo alue Hertzin alue Ulostulo alue
Paine
SISÄÄN
Nopeudet
Kuormat
Materiaalit
Voiteluaine
Lämpötila
Geometria
Ympäristö
ULOS
Kitka
Kuluminen

5. 5
Autot
Moottorit
Lentokoneet
Työkalut
Energiateknologia
Lääkintäteknologia
Kulutustuotteet
Lääketuotanto
Moottoriurheilu
Pakkaaminen
Elintarvikkeet
Kuvat verkosta: Baltzers, Savcor, Diarc, Teer
HANKAAVAT PINNAT OVAT HAASTE

6. 6
KITKA PYSÄYTTÄÄ ISOTKIN KONEET

7. 7
SEISOKKIKUSTANNUKSET NOUSEVAT MILJOONIIN
VIIKON SEISOKKIKUSTANNUKSET
• 80.000 € - Rahtialus
• 400.000 € - Öljyjalostamo
• 800.000 € - Kemian tehdas
• 800.000 € - Hiilivoimala
• 1.500.000 € - Paperi- tai sellutehdas
• 2.200.000 € - Ydinvoimalaitos

8. 8
Öljy 33 %
Ydin-
voima 6 %
Vesivoima 2 %
Uusiutuvat 11 %
Kaasu 21 %
Hiili 27 %
Raaka-
aineena 17 %
Muu
12 %
Teollisuus
9 %
Junat 3 %
Lentokoneet 7 %
Laivat 8 %Bussit 4 %
Kuorma-
autot 12 %
Henkilöautot 28 %
Kuljetus
62 %
Energiaa kuluu kitkan voittamiseksi
Energian tuotanto 2009
yhteensä 12150 Mtoe
Raakaöljyn kulutus 2009
yhteensä 3460 Mtoe
Mtoe = miljoona tonnia öljy ekvivalenttia

9. 9
VTT:n ja Argonne National Laboratoryn
henkilöauton kitkatutkimuksen lähtökohta
Paljonko kuluu energiaa kitkaan autoissa?
Paljonko voidaan säästää?
Suomessa? Maailmassa?
Mitä pitäisi tehdä?

10. 10
Globaali taso
Kansallinen taso
Kehittyneet teollisuusmaat, teollisesti kehittyvät maat, maatalousmaat
Yhteiskuntatoimintotaso
Kuljetus, voimalaitokset, teollisuus, rakennukset ym.
Yhteiskunnan alasektoritaso
Esim. kuljetus: tie-, raide-, meri-, lentoliikenne
Konetaso
Esim. tieliikenne: moottori, vaihdelaatikko, pyörät, jarrut ym.
Komponenttitaso
Esim. moottori: laakerit, hammaspyörät, tiivisteet, männänrenkaat ym.
Kitkalähdetaso
Raja-, EHD-, HD-voitelu, vierintä, liukuminen, kyntäminen ym.
10
12
10
9
10
6
10
3
1
10
-1
10
-3
10
-6
10
-9
Tm
Gm
Mm
Km
m
dm
mm
m
nm
Henkilöautojen kitkahäviöt eri ulottuvuustasoilla

11. 11
Energian kulutuksen kohteet auton käytön eri vaiheissa
Nopeus
Aika
Tyhjäkäynti
Kiihdytys
Vakionopeus
Jarrutus
(a) Liike-energia
(b) Moottorin ja voiman-
siirron kitka
(c) Pyörien kitka ja ilman-
vastus
(d) Jarrutuskitka
b a+b+c b+c b+c+d-a

12. 12
Menetelmä kitkahäviöiden laskemiseksi henkilöautoille
globaalitasolla
3. Autoja maailmassa
yhteensä: 612 milj. autoa
1. Globaali raakaöljyn käyttö
henkilöautoissa 2009: 1083 Mtoe/v
2. Globaali polttoaine-energian
käyttö autoissa 2009: 22 085 000 TJ/v
5. Energia kitkan voittamiseen
yhdessä keskivertoautossa:
11 860 MJ/v = 340 l/v
9. Arvio kitkatehokkuudesta (= kitkakerroin)
erilaisissa kitkalähteissä auto 2000:lle,
auto 2010:lle, lab 2010:lle ja auto 2020:lle
8. Kitkahäviöt erilaisissa kitka- ja voitelu-
kohdissa: HD, EHD, BL, ML, VL ym.
7. Kitkahäviöt auton komponen-
teissa: hammaspyörät, laakerit,
tiivisteet, männät, pumppaus ym.
6. Kitkahäviöt auton alajärjes-
telmissä: renkaat, moottori,
vaihdelaatikko, jarrut
10. Kitkanvähennyksen potentiaali
erilaisissa kitkalähteissä
11. Energian säästöpotentiaali yhdelle keskivertoautolle
käyttäen parasta kaupallista ( 37% ), parasta laboratorio- ( 61% )
ja tulevaisuuden parasta ( 70% ) ratkaisua
12. Maailmanlaajuiset säästömahdollisuudet käyttäen
parasta kaupallista ( 350 000 M€ ), parasta laboratorio- ( 575 000 M€ )
ja tulevaisuuden parasta ( 660 000 M€ ) ratkaisua
13. Säästömahdollisuudet Euroopassa käyttäen
parasta kaupallista( 60 200 M€ ), parasta laboratorio-
( 99 600 M€ ) ja tulevaisuuden parasta ( 114 000 M€ )
ratkaisua
4. Energiankäyttö yhdessä
keskivertoautossa: 36 000 MJ/a

13. 13
Globaali keskivertohenkilöauto ja keskimääräiset ajo-olosuhteet
Globaali keskivertohenkilöauto:
• valmistettu vuonna 2000
• nelisylinterinen nelitahtimoottori: 75 kW
• moottorilla 1,7 dm3 iskutilavuus
• paino 1500 kg
• 70 % bensiini- ja 30 % dieselkäyttöinen
• keskimääräinen kulutus 8 litraa/100 km
Keskimääräiset globaalit ajo-olosuhteet:
• vuosittaiset ajokilometrit: 13 000 km
• keskinopeus: 60 km/t
• ajo keskivertotiellä
• 300 g/kWh polttoainetehokkuus / 12 kW
• CO2-päästöjä 2,5 kg/ polttoainelitra

14. 14
Polttoaine-energian muuttuminen henkilöautoissa
60 km/t ajonopeudella
POLTTOAINE
Pakokaasut 33 % => lämmön ja kaasujen siirtyminen
Jäähdytys 29 % => lämpöhukka ja johtuminen
Ilmanvastus 5 % => kaasun leikkautuminen => lämpö
Kitka 33 % => lämpö & materiaalin muunnos
Potentiaali-
energia
(kemiallinen)
Muutos:
- liike-energiaksi
- lämpöenergiaksi
- erilaiseen olomuotoon

15. 15
Henkilöauton energiankäyttö
POLTTO-
AINEEN
ENERGIA
100%
MEKAANI-
NEN
VOIMA
38%
JÄÄH-
DYTYS
29%
PAKO-
KAASUT
33%
ENERGIA
AUTON
SIIRTOON
21.5%
KITKA-
HÄVIÖT
33%
ILMANVAST. 5%
MOOTTORI
11.5%
VOIM.SIIRT 5%
VIERINTÄ-
VASTUS 11.5%
ILMANVAST 5%
JARRUT 5%
Hyödytön
hukka-
energia Kokonais-
energia-
häviöt

16. 16
Kitkahäviöt auton eri komponenteissa
Pyörät 35 % RF
Moottori 35 %
Vaihdelaatikko 15 %
- hammasvälitys 55 % EHD
- laakerit 20 % EHD
- viskositeetti 20 % VL
- tiivisteet ym. 5 % ML
Jarrut 15 %
- kampimekanismi 15 % ML
- laakerit, tiivisteet 30 % HD
- mäntä-sylinteri 45 % => - HD, purs. 40 %
- EHD 40 %
- ML 10 %
- BL 10 %
- pumppaus ja hydr. 10 % VL

17. 17
Vuosittaiset kitkahäviöt keskivertohenkilöautossa
kitka- ja voitelumekanismien mukaisesti jaoteltuna
Kitkan voittamiseen käytetty 11 863 MJ energiamäärä jakautuu:
- 4 152 MJ (35 %) pyörien vierintävastukseen
- 4 152 MJ (35 %) moottorijärjestelmään, joka jakautuu:
- 1 868 MJ (45 %) mäntäjärjestelmään, joka jakautuu:
- 747 MJ (40 %) HD voitelukontaktiin
- 747 MJ (40 %) EHDS voitelukontaktiin
- 187 MJ (10 %) ML voitelukontaktiin
-187 MJ (10 %) BL voitelukontaktiin
- 1 246 MJ (30 %) laakereihin, tiivisteisiin ym., pääasiallisesti HD
- 623 MJ (15 %) kampijärjestelmään, pääasiallisesti HD
- 415 MJ (10 %) pumppaukseen ja hydrauliikkahäviöihin
-1 779 MJ (15 %) vaihdelaatikkoon, joka jakautuu:
- 356 MJ (20 %) viskoosihäviöihin
- 979 MJ (55 %) hammaspyöriin, EHDS voitelukontakti
- 356 MJ (20 %) laakereihin, EHDR voitelukontakti
- 89 MJ (5 %) tiivisteisiin ym., ML voitelukontakti
- 1 779 MJ (15 %) jarruhin jarrutusvoiman aikaansaamiseksi

18. 18
Kitkan vähentämismahdollisuudet eri kitka- ja
voitelumekanismien osalta

19. 19
Uusia teknisiä ratkaisuja kitkan
vähentämiseksi henkilöautoissa
Uudet pinnoiterakenteet: DLC, TS, nanokomposiitit ym.
(tyhjiössä superlubricity = 0.001; voideltuna 10 - 50 % kitkan vähennys)
Pinnan teksturointimenetelmät: laser-teksturointi
(25 - 50 % kitkan vähennys; 4 % polttoainekulutuksen vähennys)
Uudet rajavoitelulisäaineet ja nesteet:
glyserolimono-oleaatti PAO vs DLC kosketuksessa (0.005 glyserolissa);
nanomateriaalit lisäaineena kuten WS2, MoS2 and H3BO3
Matalan viskositeetin voiteluaineet
Ioniset nesteet: 25 - 50 % kitkan vähennys
Biomimetiikka: biomolekulaariset proteiinilisäaineet, sähkövaraus
polyelektrolyyttiharjat, porcine gastric musiini, glykoproteiinimusiini
=0.001 - 0.04)
Matalakitkarenkaat: korkeampi paine, kapeammat renkaat jne.

20. 20
Mahdolliset maailmanlaajuiset
säästöt kitkan vähentämi-
sestä henkilöautoissa
Polttoaineen kulutus kitkan voittamiseksi 208 000 milj. litraa/v
Energian kulutus kitkan voittamiseksi 7.3 milj. TJ/v
Säästöt parhaalla kaupallisella ratkaisulla 348 000 M€/v
Säästöt tämän päivän parhaalla ratkaisulla 576 000 M€/v
Säästöt tulevaisuuden (10 v.) parhaalla ratkaisulla 659 000 M€/v
Tehotoimenpiteiden ja tuotekehityksen tuloksena (5–10 vuoden aikana):
Realistiset polttoainesäästöt (18 % vähennys) 117 000 milj. litraa/v
Realistiset CO2-päästövähennykset 290 milj. tonnia/v
Realistiset taloudelliset säästöt lyhyellä aikavälillä 174 000 milj. €/v

21. 21
Mahdolliset säästöt kitkan vähentämisestä lyhyellä
aikavälillä (5–10 vuotta; 18 %) eri maissa
Energian säästö
(TJ/v)
Taloudelliset
säästöt
(106 Euro/v)
Polttoaine-
säästöt
(106 litraa/v)
CO2-päästö-
vähennykset
(106 kg/v)
Maailma 4 086 000 174 000 117 000 290 000
Teollistuneet
maat
2 452 000 104 000 70 200 175 000
Teollisesti kehittyvät maat 1 430 000 61 000 41 000 102 000
Maatalousmaat 204 000 8 700 5 900 14 600
EU 707 000 30 100 20 200 50 400
USA 887 000 37 800 25 400 63 300
Kiina 424 000 18 100 12 200 29 300
Japani 204 000 8 700 5 900 14 600
Iso-Britannia 81 000 3 500 2 300 5 800
Etelä-Afrikka 25 600 1 100 740 1 800
Suomi 10 200 430 300 700

22. 22
Keinoja vähentää autojen energiankulutusta
Kitkan vähentämiseen liittyvät:
- 10 % vierintävastuksen vähennys => 3 % energiansäästö
- 10 % moottorin kitkavähennys => 3 % energiansäästö
- 10 % vaihdelaatikon kitkavähennys => 1.5 % energiansäästö
Painoon ja muotoiluun liittyvät:
- 10 % painon vähennys => 8.3 % energiansäästö
- 10 % auton etupinta-alan vähennys => 2.2 % energiansäästö
Käyttäjään liittyvät:
- 10 % nopeuden pudotus (110 >100 km/t) => 16 % energiansäästö
- 2 bar > 2.5 bar renkaan ilmanpaine => 3 % energiansäästö

23. 23
Yhteenveto henkilöauton kitkan tutkimuksesta
612 miljoonaa henkilöautoa käytössä maailmassa tänään
kolmasosa polttoainekulutuksesta menee kitkaan
globaali keskivertoauto ajaa 13 000 km vuodessa ja käyttää
340 litraa polttoainetta, mikä maksaa 510 €, kitkan voittamiseksi
uusi teknologia voi vähentää kitkaa 10 - 80 %
18 % vähennys on saavutettavissa polttoaineen kulutuksessa ja
CO2-päästöissä lyhyellä aikavälillä (5 - 10 v) ja 61 % pitkällä
aikavälillä (15 - 25 v) uudella teknologialla
sähköauton kitkahäviöt ovat ½ polttomoottoriauton häviöistä

24. 24
Öljy 33 %
Ydin-
voima 6 %
Vesivoima 2 %
Uusiutuvat 11 %
Kaasu 21 %
Hiili 27 %
Raaka-
aineena 17 %
Muu
12 %
Teollisuus
9 %
Junat 3 %
Lentokoneet 7 %
Laivat 8 %Bussit 4 %
Kuorma-
autot 12 %
Henkilöautot 28 %
Kuljetus
62 %
Maailman energian tuotanto ja kulutus 2009
Energian tuotanto
yhteensä 12150 Mtoe
Raakaöljyn kulutus
yhteensä 3460 Mtoe
Mtoe = miljoona tonnia öljy ekvivalenttia

25. 25
Arvio yhteiskunnan kaikkien kitkakohteiden
säästöpotentiaalista
Suomi Maailma
Energiaa kitkan voittamiseen, 31% (TJ/v) 192 000 77 milj.
Energian säästömahdollisuudet, 18% (TJ/v) 35 000 14 milj.
CO2:n vähentämismahdollisuudet, 18% (milj.t/v) 7,6 3 045
Taloudelliset säästömahdollisuudet, 18% (milj.€/v) 4 500 1 830 000
Helsingin kaupungin energiankulutus 2010 (TJ/v) 43 200
Ison ydinvoimalan (880MW) vuosituotanto (TJ/v) 25 200
Suomen valtion budjetti (milj.€) 50 000

26. 26
Tutkimuksen rahoittajat
FIMECC Oy Metallituotteet ja koneenrakennusalan strategisen
huippuosaamisen keskittymän DEMAPP-tutkimusohjelma
Tekes
VTT
Argonne National Laboratory, Department of Energy, Chicago, USA

27. 27
VTT luo teknologiasta
liiketoimintaa