Υβριδικά Συστήματα Υψηλής Απόδοσης

ΔΕ χρειάζεται να ανατρέξουμε πολύ πίσω στο χρόνο για να θυμηθούμε τα ερωτηματικά σχετικά με το αν ένα υβριδικό αυτοκίνητο μπορεί να έχει σπορ χαρακτήρα. Σήμερα η απάντηση έχει δοθεί με τον πιο πειστικό τρόπο, μέσα από την ενσωμάτωση της υβριδικής τεχνολογίας σε μοντέλα υψηλών επιδόσεων, για παράδειγμα στις υβριδικές Porsche Cayenne και Panamera ή, ακόμα πιο χαρακτηριστικά, στην πρωτοποριακή BMW i8, που μας προϊδεάζει για την εικόνα των supercar του αύριο. Παράλληλα, η χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας αποτελεί πλέον αναπόσπαστο δεδομένο σε κορυφαίες εκφράσεις του μηχανοκίνητου αθλητισμού, όπως στη Formula 1 και στο Παγκόσμιο Πρωτάθλημα Αντοχής, ενώ αποτελεί και τη βάση για την ανάπτυξη της νέας γενιάς «υπεραυτοκινήτων», όπως είναι οι Porsche 918, McLaren P1 και Ferrari LaFerrari, με απόδοση και δυνατότητες που θα ήταν αδύνατο να επιτευχθούν με τη συμβατική τεχνολογία. Δεν είναι λίγοι, άλλωστε, αυτοί που υποστηρίζουν πως η ανάπτυξη της υβριδικής τεχνολογίας, η οποία πρακτικά εστιάζει στην απόδοση, και όχι τόσο στην οικονομία, θα λειτουργήσει ως άλλοθι για την επιβίωση των εξωτικών αλλά και μέγιστα ενεργοβόρων supercar.

Με τις ευλογίες της F1

Είναι γνωστό πως πολλές από τις τεχνολογίες που τελικά φθάνουν στα αυτοκίνητα παραγωγής έχουν δοκιμαστεί και εξελιχθεί μέσα από το άκρως απαιτητικό πεδίο των αγώνων. Η χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας που προκύπτει από την αποθήκευση της άλλοτε χαμένης κινητικής ενέργειας είναι η βασική αρχή των υβριδικών συστημάτων υψηλής απόδοσης και έχει τις ρίζες της στην ίδια τη Formula 1. Αναφερόμαστε στο KERS (Kinetic Energy Recovery System), που εισήχθη για πρώτη φορά ως προαιρετικό σύστημα των μονοθεσίων το 2009 και έγινε υποχρεωτικό το 2011, για να εξελιχθεί περαιτέρω ως ERS (Energy Recovery Systems) στα φετινά μονοθέσια, ακολουθώντας τη ριζική αλλαγή των τεχνικών προδιαγραφών. Μέχρι πέρυσι, σύστημα που ζύγιζε περίπου 35 κιλά ήταν τοποθετημένο πίσω από την πλάτη του οδηγού και αποτελούνταν από τέσσερα βασικά μέρη, τη γεννήτρια- ηλεκτροκινητήρα, τις μπαταρίες αποθήκευσης, την κεντρική ηλεκτρονική μονάδα (ECU) και το κουμπί ενεργοποίησης επάνω στο τιμόνι. Κατά το φρενάρισμα, λοιπόν, η γεννήτρια που είναι συνδεδεμένη με τη μετάδοση εμπρός από τον κινητήρα περιστρέφεται και παράγει ηλεκτρική ενέργεια που αποθηκεύεται στις μπαταρίες ή στο σφόνδυλο. Με το πάτημα του κουμπιού από τον οδηγό, αυτή η αποθηκευμένη ενέργεια αποδίδεται πίσω, οπότε και η γεννήτρια λειτουργεί ως ηλεκτροκινητήρας. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές της FIA, ο ηλεκτροκινητήρας προσέδιδε στο μονοθέσιο επιπλέον 80 ίππους για συνολικά έως 6,7 δλ. σε κάθε γύρο, καθώς η συνολικά επιτρεπόμενη προσδιδόμενη ενέργεια δεν μπορούσε να ξεπερνά τα 400 Kj ανά γύρο.

Μέχρι το 2013, η εξέλιξη των εν λόγω συστημάτων είχε βοηθήσει στη μείωση του βάρους σχεδόν στα 25 κιλά, ενώ ήταν δυνατή η παροχή του 80% της ανακτώμενης ενέργειας. Φέτος το σύστημα έχει εξελιχθεί ακόμα περισσότερο, ώστε να προσαρμοστεί στους νέους υπερτροφοδοτούμενους κινητήρες αλλά και να έχει μεγαλύτερη απόδοση τόσο στην ανάκτηση όσο και στην παροχή ενέργειας, παίζοντας έτσι πιο καθοριστικό ρόλο στη συνολική δυναμική του μονοθεσίου, καθώς το όφελος του υβριδικού συστήματος φθάνει τους 160 ίππους (που προστίθενται στους 600 ίππους του κινητήρα εσωτερικής καύσης), οι οποίοι και χρησιμοποιούνται για μεγαλύτερο διάστημα ανά γύρο σε σχέση με το KERS.

Η φιλοσοφία λειτουργίας του ERS βασίζεται στην αλληλένδετη σχέση του κινητήρα εσωτερικής καύσης με τους δύο πλέον ηλεκτροκινητήρες MGU-K και MGU-H. Ο βασικός ηλεκτροκινητήρας-γεννήτρια MGU-K (Motor Generator Unit – Kinetic) έχει αντίστοιχη φιλοσοφία λειτουργίας και συνδεσμολογία με αυτόν που υπήρχε στο KERS, αλλά με ικανότητα αποθήκευσης πενταπλάσιας ηλεκτρικής ενέργειας και με διπλάσια απόδοση σε σχέση με το παρελθόν. Η δευτερεύουσα μονάδα MGU-H (Motor Generator Unit – Heat) είναι απευθείας συνδεδεμένη με τον άξονα του υπερτροφοδότη και περιστρέφεται στο ρυθμό της πτερωτής (με ταχύτητες έως 100.000 σ.α.λ.), λειτουργώντας ως γεννήτρια όταν η πίεση των καυσαερίων είναι πολύ υψηλή ή, αντίστροφα, ως ηλεκτροκινητήρας στις χαμηλές στροφές, ώστε να μειώνει την υστέρηση του τούρμπο. Παράλληλα, έχοντας σύζευξη με τον MGU-K, όταν απαιτείται, προσφέρει την πλεονάζουσα ενέργεια για αποθήκευση στις μπαταρίες ή για εκμετάλλευση στη μετάδοση του μονοθεσίου.

Βέβαια, είναι δεδομένο πως η πολυπλοκότητα του νέου συστήματος ERS έχει κάνει αναγκαία την υιοθέτηση πιο εξελιγμένης κεντρικής μονάδας διαχείρισης ECU, καθώς βέβαια και μεγαλύτερων μπαταριών αλλά και πιο αποδοτικού συστήματος ψύξης. Αξίζει να σημειώσουμε, μάλιστα, πως πλέον ο οδηγός δεν έχει στη διάθεσή του κουμπί για την απελευθέρωση της ηλεκτρικής ενέργειας. Αντίθετα, ανάλογα με τις συνθήκες, επιλέγει ένα από τα πολλά προγράμματα χαρτογράφησης που καθορίζουν τον εκάστοτε συνδυασμό κινητήρα εσωτερικής καύσης και ηλεκτροκινητήρων, ευνοώντας άλλοτε την απόδοση και άλλοτε την οικονομία καυσίμου, καθώς δεν πρέπει να ξεχνάμε τον περιορισμό των 100 κιλών καυσίμου που επιτρέπεται να χρησιμοποιούνται σε κάθε αγώνα. Στους μέχρι στιγμής αγώνες έχουμε δει, μάλιστα, πως αυτή η διαχείριση είναι ιδιαίτερα σημαντική για το αποτέλεσμα, καθώς επηρεάζει σημαντικά το ρυθμό του μονοθεσίου.

Η τεχνολογία του KERS έχει αρχίσει και περνά και σε μικρότερες κατηγορίες από τη Formula 1 και το Πρωτάθλημα Αντοχής. Πρωτοπόρος στο χώρο των αγώνων ταχύτητας αποδείχθηκε η Porsche, παρουσιάζοντας στην Έκθεση της Γενεύης το 2010 την 911 GT3 R Hybrid. Το υβριδικό της σύστημα είχε εξελιχθεί από τη Williams, για να αποτελέσει το δικό της KERS στο μονοθέσιο του 2009, αν και τελικά δε χρησιμοποιήθηκε. Η διαφορετικότητά του έχει να κάνει με την υιοθέτηση ενός περιστροφικού σφονδύλου αντί μπαταριών για την αποθήκευση της ανακτώμενης ενέργειας ως κινητικής. Αυτή η αποθηκευμένη ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τον οδηγό (κάθε φορά που υπάρχει πλήρης φόρτιση) για την τροφοδοσία -για διάστημα 6-8 δλ.- των δύο ηλεκτροκινητήρων που υπάρχουν στους εμπρός τροχούς, προσθέτοντας σχεδόν 200 ίππους (στη δεύτερη εξέλιξη του αυτοκινήτου) στους 470 ίππους του 6κύλινδρου μπόξερ των 4,0 λίτρων, που φθάνουν, αντίστοιχα, στον πίσω άξονα. Το πλεονέκτημα έναντι των συστημάτων με μπαταρίες είναι πως ο σφόνδυλος είναι αναλογικά ελαφρύτερος, ενώ έχει και πιο γρήγορη συχνότητα φόρτισης.

Από τους αγώνες στο δρόμο

Φιλοσοφία ανάλογη με αυτήν της τεχνολογίας που αναπτύχθηκε στα μονοθέσια της F1 παρουσιάζουν τα υβριδικά συστήματα που υιοθετεί η νέα γενιά των μοντέλων υπερυψηλών επιδόσεων, και όχι μόνο, αφού ήδη έχουν γίνει τα πρώτα βήματα για τη μεταφορά των συστημάτων KERS και σε πιο γήινα μοντέλα. Σε ό,τι αφορά τις υπερκατασκευές των Porsche, Ferrari και McLaren, η ευρύτερη σύλληψη και λειτουργία των συστημάτων τους δείχνει ένα σαφή προσανατολισμό στην αναβάθμιση της απόδοσης, με τον κάθε κατασκευαστή ωστόσο να διαφοροποιεί τον τελικό προσδιορισμό της πρότασής του. Για παράδειγμα, η Porsche 918 προβάλλει το πιο ευαισθητοποιημένο προφίλ, καθώς, παράλληλα με τις εξωτικές επιδόσεις, προσφέρει τη δυνατότητα αμιγώς ηλεκτρικής κίνησης με αυτονομία μεταξύ 16 και 30 χιλιομέτρων, αναλόγως της ταχύτητας, η οποία μπορεί να φθάσει μέχρι και τα 150 χλμ./ώρα. Για το λόγο αυτόν, η «918» έχει και τη μεγαλύτερη χωρητικότητα μπαταριών (7 kWh), που, εκτός από την ανακτημένη ενέργεια, φορτίζονται και από το ηλεκτρικό δίκτυο (plug-in).

Σε ό,τι αφορά τη μηχανολογική διάταξη, η «918» δε θα μπορούσε να μην έχει ως βασικό άξονα μετάδοσης τον πίσω, στον οποίο και φθάνουν οι 608 ίπποι του τοποθετημένου στο κέντρο V8 ατμοσφαιρικού κινητήρα των 4,6 λίτρων. Από εκεί και πέρα, στο πίσω μέρος μεταξύ του κινητήρα και του κιβωτίου παρεμβάλλεται ένας ηλεκτροκινητήρας 154 ίππων, ο οποίος συμβάλλει στην ισχύ που φθάνει στους πίσω τροχούς, ενώ στο εμπρός μέρος υπάρχει ένας δεύτερος ηλεκτροκινητήρας 127 ίππων, που φροντίζει για την κίνηση των εμπρός τροχών. Σε συνθήκες πλήρους εμπλοκής των ηλεκτροκινητήρων, λοιπόν, η «918» γίνεται τετρακίνητη, χωρίς ωστόσο να υπάρχει κανενός είδους σύνδεση μεταξύ των εμπρός και των πίσω τροχών. Μέσα από μια αρκετά σύνθετη χαρτογράφηση διαχείρισης του υβριδικού συστήματος, η συνολική συνδυαστική απόδοση φθάνει τους 887 ίππους, ενώ η ροπή ξεπερνά από το ρελαντί κιόλας τα 81 χλγμ. Με 7η σχέση, οπότε απελευθερώνεται η μέγιστη συνδυαστική απόδοση, φθάνει μέχρι τα 130 χλγμ.!

Η Ferrari, από τη μεριά της, εστιάζει στην απόδοση μέσω της ακραίας ρύθμισης και εκμετάλλευσης του κινητήρα εσωτερικής καύσης, χρησιμοποιώντας τη δική της υβριδική διάταξη HY-KERS ως πρόσθετη πηγή εκτόξευσης της δυναμικής, όπως δηλαδή και στην περίπτωση των μονοθεσίων. Κάτι που, άλλωστε, προκύπτει από το γεγονός πως ο τοποθετημένος στο κέντρο V12 ατμοσφαιρικός κινητήρας των 6,3 λίτρων, που αποτελεί μια εξέλιξη του κινητήρα της F12 Berlinetta, αγγίζει τους 800 ίππους και ξεπερνά τα 71 χλγμ. ροπής. Σε σειρά με τον κινητήρα και τη μετάδοση (οπότε δεν υπάρχει δυνατότητα αποκλειστικά ηλεκτρικής λειτουργίας) είναι συνδεδεμένος και ο ηλεκτροκινητήρας-γεννήτρια του συστήματος, με απόδοση 163 ίππους και 20,4 χλγμ. ροπής, τα οποία προστίθενται στην ισχύ που φθάνει αποκλειστικά στους πίσω τροχούς.

Χαρακτηριστικό στοιχείο είναι η πολύ ελαφριά συστοιχία μπαταριών, μόλις 60 κιλών, που είναι τοποθετημένη εγκάρσια και πολύ χαμηλά, μπροστά από το θερμικό κινητήρα, και φορτίζεται μόνο μέσα από την ανάκτηση της κινητικής ενέργειας μέσω ενός ιδιαίτερα έξυπνου λογισμικού διαχείρισης. Για παράδειγμα, όταν η ισχύς που φθάνει στους τροχούς είναι υψηλότερη από την ιδανική, οπότε θα έπρεπε να υπάρχει επέμβαση του συστήματος ελέγχου της πρόσφυσης, το περίσσευμα ισχύος διοχετεύεται αυτόματα για τη φόρτιση των μπαταριών. Συνολικά, λοιπόν, μπορεί η LaFerrari να μην έχει το πλεονέκτημα της αμιγώς ηλεκτρικής κίνησης, όμως το εξαιρετικά ελαφρύ υβριδικό της σύστημα επιτρέπει στο συνολικό της βάρος να μένει κάτω από τα 1.300 κιλά, όταν η «918» αγγίζει τα 1.700.

Κάπου ανάμεσα στις λύσεις των Porsche και Ferrari τοποθετείται αυτή που επέλεξε η McLaren για την P1. Η βασικότερη διαφορά εδώ έχει να κάνει με την υιοθέτηση υπερτροφοδότησης για το θερμικό κινητήρα, οπότε ο τοποθετημένος και εδώ στο κέντρο twin turbo V8 με μόλις 3,6 λίτρα είναι ο μικρότερος σε χωρητικότητα, φθάνοντας όμως τους 737 ίππους και τα 73 χλγμ. ροπής. Όπως και στη LaFerrari, υπάρχει μόνο ένας ηλεκτροκινητήρας 179 ίππων και 26 χλγμ. ροπής, που όμως βρίσκεται σε παράλληλη συνδεσμολογία ανάμεσα στον κινητήρα και τη μετάδοση, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα για αμιγώς ηλεκτρική κίνηση. Βέβαια, εδώ η συστοιχία των μπαταριών, που φορτίζονται όπως και στην «918» τόσο από το οικιακό ηλεκτρικό δίκτυο όσο και από την αποθήκευση της κινητικής ενέργειας, είναι ελαφρύτερη αλλά και μικρότερης χωρητικότητας από εκείνη της Porsche, με αποτέλεσμα η ηλεκτρική αυτονομία να μην ξεπερνά τα 10 χιλιόμετρα. Ωστόσο, συνολικά η P1 δείχνει ως η πιο ισορροπημένη προσέγγιση, καθώς συνδυάζει τα εντυπωσιακά στοιχεία απόδοσης, όπως τους συνδυαστικά 916 ίππους και τα 98 χλγμ. ροπής σε 1.400 κιλά βάρους, με το έντονα προηγμένο τεχνολογικό προφίλ._ Γ. Χ. 

KERS για όλους

Πολύ σύντομα, τα συστήματα που σήμερα εκτοξεύουν την απόδοση των hypercar με τις επταψήφιες τιμές κόστους θα βρουν τη θέση τους και στα αυτοκίνητα μαζικής παραγωγής. Η Volvo, για παράδειγμα, έχει προχωρήσει αρκετά στην εξέλιξη του συστήματος Flywheel KERS, το οποίο, όπως και στην περίπτωση της 911 GT3 R Hybrid, αποθηκεύει την ανακτημένη κινητική ενέργεια σε περιστροφικό μηχανικό σφόνδυλο μόλις 6 κιλών, αποφεύγοντας έτσι το υψηλό βάρος και κόστος των μπαταριών. Ο σφόνδυλος, με τη σειρά του, τροφοδοτεί με την αποθηκευμένη ενέργεια έναν ηλεκτροκινητήρα (που υπολογίζεται πως θα φθάνει τους 80 ίππους) κατά τη φάση της επιτάχυνσης ή και στην κίνηση με σταθερή ταχύτητα, με στόχο τη μείωση του φορτίου του κινητήρα και, κατά συνέπεια, της κατανάλωσης. Τα στοιχεία από τις μέχρι στιγμής δοκιμές μιλούν για όφελος της τάξης του 25%.