13 Φεβ 2018

To μέλλον του θερμικού κινητήρα

H ραγδαία αύξηση του αριθμού ηλεκτρικών συστημάτων που συνοδεύουν τα σύγχρονα αυτοκίνητα δημιούργησε και μια αντίστοιχη αύξηση των απαιτήσεων από τα ηλεκτρικά κυκλώματα σε επίπεδο παροχής και υποστηριζόμενου φορτίου. Κάπως έτσι ξεκίνησε η συζήτηση για το ηλεκτρικό κύκλωμα 48V, που αποδείχθηκε εντέλει ικανό για πολύ περισσότερα.

Ηλεκτρικό τούρμπο, ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες, brake-by-wire, ενεργή ηλεκτρομηχανική αντιστρεπτική ράβδος, στερεοσκοπικές κάμερες και ραντάρ. Προσθέστε σε αυτά τον παραδοσιακό κλιματισμό, τις αντλίες, το σύστημα πολυμέσων και όλα τα άλλα ενεργοβόρα περιφερειακά του κινητήρα εσωτερικής καύσης, και εύκολα γίνεται αντιληπτό γιατί η μετάβαση στο ηλεκτρικό σύστημα 48V είναι μονόδρομος. Η απεμπλοκή των περιφερειακών από τον κινητήρα (που στα συμβατικά αυτοκίνητα παίρνουν κίνηση από το στροφαλοφόρο) συνεπάγεται λιγότερες τριβές -άρα και χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου-, αλλά και την απεξάρτησή τους από τις στροφές λειτουργίας του κινητήρα. Aντλίες και ανεμιστήρες λειτουργούν αποδοτικότερα σε υψηλότερες τάσεις, οι καλωδιώσεις γίνονται λεπτότερες και ελαφρύτερες. Άλλωστε, το σύστημα 12V προσφέρει 180W, το αντίστοιχο 48V 720W. Το κυριότερο, όμως, είναι πως, αντικαθιστώντας ταυτόχρονα το δυναμό με μια γεννήτρια, τα οφέλη στην κατανάλωση καυσίμου γίνονται πολύ μεγαλύτερα, σε σημείο που οι κατασκευαστές να μιλούν για ένα «ήπιο υβριδικό σύστημα». Οι Αudi και Renault έχουν ήδη κάνει την αρχή.

Ένα τυπικό ήπιο υβριδικό σύστημα 48V αποτελείται από τρία κύρια τμήματα: τη γεννήτρια MGU (Motor Generator Unit), ένα μετατροπέα τάσης 12V σε 48V και μία μπαταρία ιόντων-λιθίου 48V (μικρότερη της 1kWh). Η υδρόψυκτη γεννήτρια αντικαθιστά το παραδοσιακό δυναμό (συνδέεται δηλαδή μέσω ιμάντα με το στροφαλοφόρο) και συνδυάζεται με ειδικούς εντατήρες που της επιτρέπουν να προσφέρει ή να απορροφά ροπή. Η μονάδα των 10 kW λειτουργεί στην πρώτη περίπτωση ως πρόσθετο μοτέρ, που μπορεί να εκκινεί τον κινητήρα μέσω του ιμάντα και να παρέχει επιπλέον ροπή (περίπου 100 Νm). Επηρεάζοντας, βέβαια, άμεσα το φορτίο του κινητήρα (με την απορρόφηση ή τροφοδότηση ηλεκτρικής ενέργειας), τον βοηθά να βρεθεί σε μια ευνοϊκότερη -για την αποδοτικότητά του- περιοχή λειτουργίας. Από την άλλη, το μοτέρ λειτουργεί ως γεννήτρια φορτίζοντας την μπαταρία 48V όχι μόνο όταν παίρνει κίνηση από τον κινητήρα (όπως ένα συμβατικό δυναμό), αλλά και όταν ο κινητήρας είναι απενεργοποιημένος και το αυτοκίνητο κινείται με σταθερή ταχύτητα (coasting) ή επιβραδύνει. Το σύστημα προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα στο χρόνο απόκρισης στο start-stop, αυξημένη δυνατότητα ανάκτησης ενέργειας και άμεση υποβοήθηση του κινητήρα. Οι υλοποιήσεις των Valeo, Delphi και Continental υπολογίζεται πως προσφέρουν το 50%-70% των κερδών των συμβατικών υβριδικών στο 30% του κόστους. Πράγμα που μεταφράζεται σε 10%-15% οικονομία καυσίμου, ενώ η Continental υποστηρίζει πως αυτό το νούμερο μπορεί να αυξηθεί έως και 21% σε πραγματικές συνθήκες κίνησης.

Πέρα από την τοποθέτηση στη θέση του δυναμό, η γεννήτρια μπορεί να τοποθετηθεί είτε μεταξύ κινητήρα και κιβωτίου, είτε στην έξοδο του κιβωτίου, ή στον πίσω άξονα του αυτοκινήτου. Στην πρώτη κατηγορία συγκαταλέγεται η εν σειρά γεννήτρια εκκίνησης ISG (Ιnline Starter Generator), όπως την αποκαλεί η Μercedes. Εδώ η μονάδα MGU συνδυάζεται με πρόσθετα εξαρτήματα, όπως τους δύο συμπλέκτες, και ως εκ τούτου έχει και αρκετά μεγαλύτερο κόστος. Ένα τέτοιο σύστημα θα μπορούσε, όμως, εν δυνάμει (έχοντας το κατάλληλο ηλεκτρικό μοτέρ και μπαταρία) να κινήσει αμιγώς ηλεκτρικά το αυτοκίνητο, αφού πρώτα ανοίξει ο αντίστοιχος συμπλέκτης και απομονωθεί ο κινητήρας εσωτερικής καύσης. Κάτι που αποτελεί και μελλοντικό στόχο της αυτοκινητοβιομηχανίας, αφού θα βελτίωνε ακόμα περισσότερο το βαθμό απόδοσης του συστήματος μετάδοσης. Υπολογίζεται πως η εν σειρά γεννήτρια μπορεί να προσφέρει έως και 40% μείωση κατανάλωσης και εκπομπής CO2. Την περίπτωση της τοποθετημένης στον πίσω άξονα μονάδας εξελίσσει η σουηδική GKN, που προσαρμόζεται εύκολα σε κάθε είδους δάπεδο, προσφέροντας τετρακίνηση και αυτόματη κατανομή ροπής (torque vectoring). Το νέο σύστημα «eTwinster» είναι μάλιστα plug-in -φορτίζεται δηλαδή από το κοινό οικιακό δίκτυο- και έχει δοθεί προς αξιολόγηση σε διάφορους κατασκευαστές στο πλαίσιο των χειμερινών δοκιμών τους, ενώ αναμένεται να είναι έτοιμο προς χρήση σε αυτοκίνητα παραγωγής μέσα στα επόμενα τρία χρόνια.

Ο στόλος επιβατικών αυτοκινήτων θα πρέπει να παρουσιάζει το 2020 μέση εκπομπή CO2 95 γρ./χλμ., ενώ το προτεινόμενο όριο για το 2025 είναι 68-78 γρ./χλμ. Με τις προδιαγραφές εκπομπής ρύπων να γίνονται ολοένα και αυστηρότερες, η «ήπια υβριδοποίηση» των κινητήρων εσωτερικής καύσης μοιάζει απόλυτα λογική. Οι ειδικοί μιλούν για την εξάπλωση της εν λόγω τεχνολογίας στο 1/5 των αυτοκινήτων που θα πωλούνται παγκοσμίως το 2025, με συνολική παραγωγή 14 εκατ. αυτοκινήτων. Παράλληλα, στον κινητήρα ντίζελ, ο οποίος αρχίζει λίγο πολύ να δείχνει ξεγραμμένος από τα μελλοντικά πλάνα των κατασκευαστών (πρόσφατα, μάλιστα, οι πανευρωπαϊκές του πωλήσεις έπεσαν κάτω από το 50%, για πρώτη φορά από το 2009), δίνεται μια δεύτερη ευκαιρία. Έτσι τουλάχιστον υποστηρίζει η Continental, αφού δοκιμάζει το συνδυασμό συστήματος 48V με τον δικής της επινόησης ηλεκτρικά θερμαινόμενο καταλύτη. Φιλοδοξεί δε να αποκομίσει σημαντικό κέρδος σε βαθμό απόδοσης, αλλά και μείωση των πραγματικών εκπομπών ΝΟx έως και κατά 60%, αφού η καταλυτική μετατροπή τους ξεκινά με την εκκίνηση του κινητήρα. H Ricardo έχει συνδυάσει ένα παρόμοιο, «ήπια υβριδικό» σύστημα με τον ντίζελ κινητήρα 1,6 λίτρων του Ford Focus και αναφέρει μείωση εκπομπής CO2 στα 75 γρ./χλμ., με την περαιτέρω μείωση στα 70 γρ./χλμ. να θεωρείται εφικτή σε αναλογία κόστους/εκπομπής ρύπων καλύτερη αυτής ενός συμβατικού υβριδικού._ Ν. Κ.