Ηλεκτρικό τούρμπο!
Η υστέρηση απόκρισης του στροβιλοσυμπιεστή είναι ένα πρόβλημα που η αυτοκινητοβιομηχανίαπροσπαθεί να λύσει από τις πρώτες ημέρες εφαρμογής της εν λόγω τεχνολογίας. Μπορεί το
«ηλεκτρικό τούρμπο» να αλλάξει τα δεδομένα;
Μεγαλύτερος όγκος αέρα στο θάλαμο καύσης απαιτεί περισσότερο καύσιμο, άρα αποδίδει
μεγαλύτερη ισχύ. Ο στρόβιλος που παίρνει κίνηση από τα καυσαέρια της εξάτμισης κινεί το
συμπιεστή (με τον οποίο είναι συνδεδεμένος με άξονα), για να συμπιέσει με τη σειρά του τον
αέρα εισαγωγής. Αρχικά η τεχνική χρησιμοποιείται τη δεκαετία του Ά20 σε ντιζελοκινητήρες
πλοίων και τρένων (που είναι αρκούντως στιβαροί σε κατασκευή, ώστε να αντέξουν την
επιπλέον μηχανική καταπόνηση), και απαιτούνται τουλάχιστον άλλα δέκα χρόνια για να...
πετάξει, αφού η υπερπλήρωση των κυλίνδρων αποδεικνύεται το αντίδοτο της χαμηλής πυκνότητας
αέρα σε μεγάλα υψόμετρα. Το πρώτο αυτοκίνητο παραγωγής με τούρμπο είναι η Oldsmobile
Cutlass Jetfire του 1962, της οποίας ο V8 των 215 κυβικών ιντσών (3,5 λίτρων) αποδίδει 215
ίππους. Σε αυτήν την πλευρά του Ατλαντικού, το τούρμπο φτάνει έντεκα χρόνια αργότερα, κάτω
από το καπό της BMW 2002 Turbo. Σύμφωνα, όμως, με τους υπέρμαχους της ασφάλειας, το
αυτοκίνητο εξωθεί τον οδηγό στην ταχύτητα με τα φουσκωμένα φτερά (όπως στα αγωνιστικά της
εποχής) και το ανάποδο αυτοκόλλητο «2002 Τurbo» -έτσι ώστε να διαβάζεται από τον καθρέφτη
του προπορευόμενου αυτοκινήτου- στο εμπρός σπόιλερ. Η βαυαρική εταιρεία αφαιρεί το
αυτοκόλλητο, όμως ο πόλεμος του Γιομ Κιπούρ και η πετρελαϊκή κρίση του Ά73-Ά74 δίνουν έτσι
κι αλλιώς το τελειωτικό χτύπημα στα περισσότερα αυτοκίνητα υψηλής κατανάλωσης.
Το πρόβλημα της αυξημένης κατανάλωσης προκύπτει -εκτός από τη μείωση της θερμικής απόδοσης
του κινητήρα- κυρίως λόγω του ψεκασμού μεγαλύτερης της αναγκαίας ποσότητας καυσίμου, με
σκοπό την ψύξη του θαλάμου καύσης. Το περίσσιο καύσιμο δεν καίγεται, αλλά κατά τη μεταβολή
της κατάστασής του από υγρό σε αέριο απορροφά θερμότητα, ψύχοντας και αποτρέποντας την
προανάφλεξη του μείγματος. Σήμερα ο άμεσος ψεκασμός έχει λύσει αυτό το πρόβλημα, αφού το
καύσιμο ψεκάζεται κρύο στο συμπιεσμένο ζεστό αέρα και κατά την εξάτμισή του μειώνει τη
θερμοκρασία του μείγματος, η ανάφλεξη ξεκινά νωρίτερα και η ισχύς και η ροπή αυξάνονται
χωρίς το φόβο προανάφλεξης. Το πρόβλημα της υστέρησης στην απόκριση παραμένει, καθώς
προαπαιτούμενα για την αποδοτική και γρήγορη συμπίεση του αέρα εισαγωγής είναι η ταχύτητα
ροής και ο όγκος των καυσαερίων στην πλευρά του στροβίλου. Με τη χρήση ελαφρύτερων -άρα
και χαμηλότερης αδράνειας- κραμάτων μετάλλων, πτερύγια στροβίλου μεταβλητής γεωμετρίας,
συστήματα anti-lag -κυρίως σε αγωνιστικά-, twin-scroll τούρμπο και διπλή, σε σειρά
υπερτροφοδότηση (με ένα μικρότερο και μικρής αδράνειας τούρμπο να αναλαμβάνει στις χαμηλές
στροφές, ένα μεγαλύτερο στις μεσαίες και υψηλές), το πρόβλημα βελτιώνεται, αλλά δεν
εξαλείφεται.
Πλέον, οι κατασκευαστές αρχίζουν και προσανατολίζονται στη λύση του ηλεκτρικού τούρμπο: με
το συμπιεστή να κινείται από ένα ηλεκτρικό μοτέρ, το τούρμπο ανεξαρτητοποιείται μια για
πάντα από την ταχύτητα ροής των καυσαερίων. Η Audi έχει εξελίξει ένα τέτοιο σύστημα, που
τοποθετείται στον 3λιτρο V6 Bi-turbo ΤDI, με ένα συμβατικό τούρμπο για τις μεσαίες και
υψηλές στροφές και έναν ηλεκτρικό συμπιεστή αέρα για τις χαμηλές. Ο τελευταίος είναι
τοποθετημένος στο σύστημα εισαγωγής πίσω από το συμβατικό τούρμπο και τον εναλλάκτη
θερμότητας. Στο μεγαλύτερο φάσμα στροφών ο αέρας εισαγωγής παρακάμπτει το συμπιεστή μέσω
ενός by-pass. Σε χαμηλό αριθμό στροφών -όπου η ροή καυσαερίων στην πλευρά του στροβίλου
του συμβατικού τούρμπο είναι μικρή- η πεταλούδα του by-pass κλείνει και ο αέρας εισαγωγής
διοχετεύεται στο συμπιεστή που περιστρέφεται από το ηλεκτρικό μοτέρ. Έτσι εξασφαλίζονται η
άμεση απόκρισή του και η μείωση του turbo lag, ανεξάρτητα από τις στροφές λειτουργίας του
κινητήρα. Η απόδοση ροπής γίνεται ταχύτερα και σε χαμηλότερο αριθμό σ.α.λ., ενώ η όλη
κατασκευή είναι απλούστερη σε σχέση με των παραδοσιακών bi-turbo. Επιπλέον, μεγάλος μέρος
της ενέργειας που απαιτείται για τη λειτουργία του ηλεκτρικού συμπιεστή προέρχεται από
συστήματα ανάκτησης ενέργειας (π.χ. φρεναρίσματος).
Μια αντίστοιχη ιδέα εξελίσσει και η BMW. Εδώ υπάρχει κανονικά και στρόβιλος και
συμπιεστής, που περιστρέφονται σε διαφορετικούς άξονες και μπορούν να συνδεθούν και να
αποσυνδεθούν μέσω ενός συμπλέκτη, ενώ ανάμεσά τους βρίσκεται ένα ηλεκτρικό μοτέρ. Στις
χαμηλές στροφές λειτουργίας οι δύο άξονες είναι αποσυνδεδεμένοι και ο ηλεκτροκινητήρας
δίνει κίνηση στο συμπιεστή. Στις μεσαίες-υψηλές, όταν εξασφαλιστεί ικανοποιητική ροή
καυσαερίων, ο συμπλέκτης συνδέει τους δύο άξονες, που λειτουργούν πλέον όπως σε ένα
συμβατικό τούρμπο. Επίσης, αντί να υπάρχει μία βαλβίδα ανακούφισης για τον έλεγχο της
ταχύτητας περιστροφής του στροβιλοσυμπιεστή, το μοτέρ γυρνάει σε λειτουργία γεννήτριας,
παράγοντας ρεύμα το οποίο διοχετεύεται στο ηλεκτρικό σύστημα του αυτοκινήτου!
Στη λειτουργία των συστημάτων των δύο κατασκευαστών υπάρχει μια κοινή παράμετρος: απαιτούν
τάση λειτουργίας 48V. Το πρωτότυπο της Audi διαθέτει μετατροπέα τάσης από 12 σε 48V,
ωστόσο είναι προφανές πως οι τεχνικές απαιτήσεις της εποχής μάς οδηγούν σε ακόμα ένα βήμα
εξέλιξης στην τροφοδοσία του αυτοκινήτου. ¶λλωστε, τον Ιούνιο του 2011, BMW, Daimler and
Audi-Porsche-Volkswagen εξέδωσαν κοινή ανακοίνωση στην οποία κοινοποιούσαν την προθυμία
τους για την εξέλιξη συστημάτων τροφοδοσίας 48V για την ενεργειακή κάλυψη εφαρμογών υψηλής
ισχύος, όπως ηλεκτρικής υποβοήθησης, Brake-by-wire, κλιματισμού (αλλά και νέων συστημάτων,
όπως είναι τα ηλεκτρικά τούρμπο και οι ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες). Η ενσωμάτωσή τους σε
δίκτυα 12V είναι, άλλωστε, τεχνικά και οικονομικά δύσκολη, αλλά και η απόδοσή τους
καλύτερη σε τροφοδοσία υψηλότερης τάσης._ Ν. Κ.