Περί μετα-υβριδικών...
Aν τα ηλεκτρικά τούρμπο είναι το «next big thing» στην εξέλιξη των κινητήρων εσωτερικής καύσης, τότε η αναβάθμιση του ηλεκτρικού συστήματος του αυτοκινήτου στα 48V αποτελεί την αναγκαία προϋπόθεση. Η οποία δε φαίνεται να βρίσκεται καθόλου μακριά.Η ιστορία ξεκινά, επίσημα τουλάχιστον, τον Ιούνιο του 2011, όταν BMW, Daimler και Audi-Porsche-Volkswagen εκδίδουν κοινή ανακοίνωση στην οποία κοινοποιούν την επιθυμία τους για εξέλιξη συστημάτων τροφοδοσίας 48V για την ενεργειακή κάλυψη εφαρμογών υψηλής ισχύος. Τέτοιες είναι η ηλεκτρική υποβοήθηση, το Brake-by-wire, ο κλιματισμός, αλλά και μια πληθώρα μελλοντικών συστημάτων, όπως είναι τα ηλεκτρικά τούρμπο και οι ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες. Από μόνη της, όμως, η υιοθέτηση υψηλότερης τάσης μπορεί να αποδεσμεύσει τον κινητήρα από ένα σωρό ενεργοβόρες «αγγαρείες». Τρόμπα νερού, συμπιεστής κλιματισμού, τρόμπα ABS, υδραυλικά συστήματα (φρένων και αναρτήσεων), ακόμα και όταν δε λειτουργούν, αποτελούν πρόσθετο φορτίο για τον κινητήρα. Τι πιο απλό, λοιπόν, από την αντικατάστασή τους από αντίστοιχα, μη ενεργοβόρα ηλεκτρικά εξαρτήματα. Αποτέλεσμα, πέραν της δυνατότητας χρήσης νέων τεχνολογιών; Μείωση της κατανάλωσης (αφού ο κινητήρας ξεφορτώνεται το επιπλέον φορτίο τους) και, κατά συνέπεια, μείωση της εκπομπής CO2, ένα από τα δυσεπίλυτα προβλήματα που καλούνται να αντιμετωπίσουν οι κατασκευαστές τα επόμενα χρόνια.
Το κέρδος από την αύξηση της τάσης λειτουργίας, σε συνδυασμό με την αύξηση ηλεκτρικής ισχύος που αυτή συνεπάγεται, από τα σημερινά 3,5kW ιδανικά στα 14kW, θα λύσει τα χέρια της αυτοκινητοβιομηχανίας στην ενσωμάτωση νέων τεχνολογιών. Δεν είναι, άλλωστε, διόλου τυχαίο πως οι απαιτήσεις σε ηλεκτρική ισχύ έχουν αυξηθεί εκθετικά τις τελευταίες δεκαετίες, ενώ αναμένονται και περαιτέρω αυξητικές τάσεις, αν συνυπολογίσουμε πως οδεύουμε ολοταχώς προς αυτόνομα κινούμενα οχήματα.
Στα σημερινά αυτοκίνητα, πέρα από την οικονομία καυσίμου, είναι δυνατή η υιοθέτηση συστημάτων υποβοήθησης των κινητήρων εσωτερικής καύσης αντίστοιχων του KERS της F1, με τάση λειτουργίας τα 48V. Θα είναι σε θέση να προσφέρουν επιπλέον ισχύ στην επιτάχυνση και να επαναφορτίζονται από την ανάκτηση ενέργειας κατά το φρενάρισμα ή από άλλα επιμέρους συστήματα του είδους. Ήδη γίνεται λόγος για θερμοηλεκτρικές γεννήτριες παραγωγής ρεύματος από θερμότητα (μια τεχνολογία που προέρχεται από την αεροδιαστημική), για ανάκτηση ενέργειας από την κίνηση των αμορτισέρ ή στροβιλοσυμπιεστές που (αντί να έχουν βαλβίδα ανακούφισης) μετατρέπονται σε γεννήτριες παραγωγής ρεύματος. Εξάλλου, η υιοθέτηση τάσης λειτουργίας 48V μπορεί κάλλιστα να αποτελέσει τη βάση των μελλοντικών μετα-υβριδικών συστημάτων μετάδοσης.
Μια τέτοια λύση θα ήταν οικονομικά συμφέρουσα για την αυτοκινητοβιομηχανία, καθώς, σε σχέση με τα υπάρχοντα συστήματα υψηλής τάσης (από 150 έως 650V), απαιτεί πολύ λιγότερα μέτρα ασφάλειας αλλά και εγκατάστασης. Για παράδειγμα, τα αυτοκινητικά καλώδια είναι προδιαγραφών 60V, γεγονός που τα καθιστά κατάλληλα για το περιβάλλον λειτουργίας των 48V. Παράλληλα, η τιμή αυτή αποτελεί την ελάχιστη τάση για την αποτελεσματική ανάκτηση ενέργειας σε μπαταρίες ιόντων λιθίου. Η βασική ιδέα είναι η «υβριδοποίηση» ενός συμβατικού συστήματος μετάδοσης με ηλεκτρικά μοτέρ χαμηλού βολτάζ, αντί της εφαρμογής ισχύος και ροπής που προσφέρει ένας μεγάλος, υψηλής τάσης ηλεκτροκινητήρας κατευθείαν στους τροχούς.
Προς το παρόν, πάντως, δεν έχει προβλεφθεί η εξ ολοκλήρου μετατροπή του ηλεκτρικού συστήματος σε 48V, αλλά η χρησιμοποίησή του από κοινού με το γνωστό σύστημα 14V, το οποίο θα τροφοδοτείται από μετατροπέα τάσης συνεχούς ρεύματος (DC/DC) της τάξης των 3kW. Επικουρικά το σύστημα των 48V τάξης μεγέθους 12kW θα διαθέτει κινητήρα-γεννήτρια και μπαταρία. Με ένα παρόμοιο σύστημα (συνολικής απόδοσης 10kW) το πρωτότυπο Audi RS5 TDI πετυχαίνει μείωση εκπομπής CO2 έως και κατά 10 γρ./χλμ., ήτοι οικονομία καυσίμου 0,4 λίτ./100 χλμ. Χρησιμοποιεί μπαταρία ιόντων λιθίου, αν και τελευταίως προωθείται και η χρήση μπαταριών μολύβδου-άνθρακα, οι οποίες είναι σε θέση να πετύχουν το αναμενόμενο κόστος των 250 δολαρίων/kWh, που έχει τεθεί ως στόχος από τους προμηθευτές της αυτοκινητοβιομηχανίας για την έναρξη ευρείας παραγωγής. Σύμφωνα με τους ειδικούς, πέρα από το χαμηλότερο κόστος εξέλιξης, οι εν λόγω μπαταρίες δε χρειάζονται ενεργό σύστημα ψύξης, και είναι εύκολα ανακυκλώσιμες και πιο αποτελεσματικές σε θερμοκρασίες λειτουργίας υπό του μηδενός.
Στην Έκθεση Αυτοκινήτου στο Παρίσι, η Κia αναμένεται να παρουσιάσει ένα πρωτότυπο του είδους με υβριδικό σύστημα βασισμένο σε ντιζελοκινητήρα, το οποίο θα έχει τη δυνατότητα αμιγώς ηλεκτρικής κίνησης σε χαμηλές ταχύτητες. Θα διαθέτει ηλεκτρικό υπερσυμπιεστή εξελιγμένο από τη Valeo, που θα προσφέρει αύξηση της ισχύος επιπέδου 20%, ενώ η εκπομπή CΟ2 θα είναι κατά 15% μειωμένη. Απόδοση φουλ υβριδικού συστήματος υπόσχεται και το πρωτότυπο ADEPT (Advanced Diesel Electric Powertrain), μια από κοινού εξέλιξη των Ricardo, Ford, Controlled Power Technologies, Faurecia και του πανεπιστημίου του Νότιγχαμ, που θα παρουσιαστεί κάτω από το αμάξωμα ενός Focus. Με ηλεκτρικό μοτέρ-γεννήτρια και τούρμπο εξάτμισης, βασισμένα σε ηλεκτροκινητήρες διακοπτικής διέγερσης (switched reluctance motors). Εξελιγμένοι από την εταιρεία CPT, οι εν λόγω ηλεκτροκινητήρες είναι εξαιρετικά απλοί σε κατασκευή, άρα και χαμηλού κόστους, μιας και δε χρησιμοποιούν μόνιμους μαγνήτες. Ουσιαστικά πρόκειται για απλούς βηματικούς κινητήρες, στους οποίους δημιουργείται ένα προσωρινό μαγνητικό πεδίο με τη βοήθεια ενός διακοπτικού συστήματος.
Σύμφωνα με τον Νικ Πάσκο, διευθύνοντα σύμβουλο της CPT, «η ανάλυση των έως τώρα δεδομένων μάς δείχνει βελτίωση κατανάλωσης καυσίμου 17% σε σχέση με ενός ταυτόσημου υβριδικού μοντέλου 12V - αμφότερα με κινητήρα 1,4 λίτρων. Αυτό σημαίνει πως σπάσαμε το φράγμα των 5 λίτρων/100 χλμ. και πλησιάσαμε το στόχο εκπομπής των 115 γρ./χλμ. CO2 σε ένα μεγάλο οικογενειακό σεντάν με μικρό βενζινοκινητήρα. Πρόκειται για έναν πραγματικό θρίαμβο, δεδομένου πως παράλληλα πετύχαμε οδική συμπεριφορά και επιδόσεις αυτοκινήτου 2,0 λίτρων. Σε επίπεδο κόστους, μιλάμε μόλις για το εν δέκατο αυτού ενός plug-in υβριδικού ή ηλεκτρικού αυτοκινήτου»._ Ν. Κ.