ΥΒΡΙΔΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ PART II

Η απάντηση είναι όχι, δεν υπάρχουν καλά και κακά υβριδικά, υπάρχουν υβριδικά για την X δουλειά και υβριδικά για την Ψ δουλειά: η υβριδική τεχνολογία, όπως είδαμε τον προηγούμενο μήνα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πολλούς σκοπούς, μερικοί εκ των οποίων θα βρουν σύμφωνους εμένα και εσάς τους κ@υλόγκαζους και μερικοί εκ των υπολοίπων θα βρουν σύμφωνο τον θείο σας τον οικολόγο. Όπως και με ένα συμβατικό αυτοκίνητο με σκέτο θερμικό κινητήρα λοιπόν, όπου οι τεχνικές προδιαγραφές και η διάταξη των επιμέρους εξαρτημάτων υπέρ των απόλυτων επιδόσεων τραβάνε άλλο δρόμο από τις προδιαγραφές που προσβλέπουν προς την χαμηλή κατανάλωση, έτσι και στα υβριδικά συναντάμε μία ευρεία γκάμα ιδεών και υλοποιήσεων ανάλογα με το τι θέλουμε  να πετύχουμε. Ένα υβριδικό πόλης βγαίνει από το εργοστάσιο στοχεύοντας να μειώσει την μέση κατανάλωση σε σχέση με ένα αντίστοιχο συμβατικό αυτοκίνητο της ίδιας κατηγορίας, με τον ελάχιστο δυνατό συμβιβασμό σε κόστος και επιβάρυνση επιδόσεων. Ένα υβριδικό supercar της Porsche ή της Ferrari, σαν αυτά που αναφέραμε στο Part I και που θα αναλύσουμε λεπτομερέστερα σε επόμενη συνέχεια, έχει σε κάθε περίπτωση ως πρώτο στόχο να είναι γρηγορότερο σε ευθείες και στροφές από το μοντέλο που αντικαθιστά, αλλά κάνοντας ταυτόχρονα χαρούμενους και τους γραφειοκράτες - νομοθέτες που επιτάσσουν τις νόρμες εκπομπές ρύπων εκεί στις Βρυξέλες. Με ανάλογο τρόπο, οι ιθύνοντες της FIA, εισάγοντας το 2009 την υβριδική τεχνολογία στην Formula 1 (βλ. KERS παρακάτω) και αυξάνοντας δραματικά την επιρροή της στις επιδόσεις και την ενεργειακή διαχείριση των μονοθεσιών με τους νέους κανονισμούς του 2014, θέλουν να δείξουν ότι δύναμη και αποδοτικότητα δεν είναι έννοιες που εκ προοιμίου πρέπει να αλληλοεξουδετερώνονται.

Πάμε να δούμε σήμερα, επομένως, τις βασικές μορφές υβριδικών που θα συναντήσετε εκεί έξω στην αγορά, στις πίστες και, συντομότερα από ότι ίσως νομίζετε, και στα νυχτερινά κοντροστέκια!

Παράλληλα, περπατάμε παράλληλα

Που λέει και ο Νότης, αλλά αφήστε τα ντέρτια γιατί εδώ έχουμε να μιλήσουμε για υβριδικά συστήματα παράλληλης διάταξης. Πριν προχωρήσουμε, να τονίσουμε κατ' αρχήν αυτό που αμυδρά πρωτοπιάσαμε στο Part I, δηλαδή τι εννοούμε όταν λέμε «διάταξη υβριδικού»: εννοούμε λοιπόν τον τρόπο με τον οποίο συνδέονται από πλευράς αρχιτεκτονικής (με τι είδους μηχανική και ηλεκτρική συνδεσμολογία δηλαδή) οι δύο πηγές ενέργειας μας, που από την μία είναι ο κινητήρας εσωτερικής καύσης αγκαζέ με το ντεπόζιτο καυσίμου και από την άλλη ο ηλεκτροκινητήρας (ή οι ηλεκτροκινητήρες, όπως θα δούμε) παρέα με την μπαταρία. Το ντεπόζιτο καυσίμου και η μπαταρία του υβριδικού συστήματος είναι οι δύο διαφορετικοί συσσωρευτές ενέργειας, ενώ οι δύο κινητήρες (θερμικός και ηλεκτρικός) είναι οι δύο μετατροπείς των ενεργειών αυτών σε περιστροφική κίνηση και ισχύ. Σκοπός συνολικός της διάταξης είναι φυσικά να μεταφέρει (αλλά και να ξανακερδίσει, όπως είδαμε, μέσω την λειτουργίας ανάκτησης ενέργειας) κίνηση στους τροχούς όσο πιο αποδοτικά γίνεται μέσω του παντρέματος αυτού των δύο ενεργειακών πηγών (χημικής και ηλεκτρικής). Τι σημαίνει λοιπόν ότι έχουμε «παράλληλο σύστημα»? Με απλά λόγια, ότι οι δύο κινητήρες ενώνουν τις δυνάμεις τους μαζί πάνω στο σύστημα μετάδοσης (κιβώτιο) , δηλαδή εναποθέτουν τις ροπές του ο καθένας πάνω σε έναν κοινό άξονα, ώστε να προκύπτει μία αθροιστική ροπή στρέψης από την συνεισφορά εκάστης πηγής. Το παράλληλο υβριδικό σύστημα θεωρείται η πιο «light» μορφή υβριδικών, αφού η βασική παραδοσιακή μορφή των μηχανικών συστημάτων των συμβατικών μας αυτοκινήτων, δεν αλλάζει: ο θερμικός κινητήρας συνδέεται με κάποιου είδους σασμάν και από εκεί μεταδίδεται η κίνηση στους τροχούς.  Η πιο κλασική εκ των παράλληλων διατάξεων θέλει των ηλεκτροκινητήρα να βρίσκεται ως «δακτύλιος» γύρω από τον άξονα εισόδου του κιβωτίου, ανάμεσα στην έξοδο του άξονα του θερμικού κινητήρα και εφαπτομενικά της διάταξης σύμπλεξης του κιβωτίου (συμπλέκτη τριβής ή του μετατροπέα ροπής για χειροκίνητα ή αυτόματα σασμάν αντίστοιχα). Ο ηλεκτροκινητήρας είναι δηλαδή ομοαξονικός του άξονα εισόδου του σασμάν με τον στατόρα του στην περιφέρεια του καβουκιού του κιβωτίου και τον ρότορα πάνω στον άξονα και πριν τον συμπλέκτη ή μετατροπέα ροπής.

Για δεδομένη έξοδο ισχύος από τον βενζινοκινητήρα λοιπόν, το μείγμα ροπής που θα λαμβάνει το σασμάν προς τους τροχούς εξαρτάται από την εκάστοτε ηλεκτρική τροφοδότηση του ηλεκτροκινητήρα από την μονάδα ελέγχου. Αντίστροφα, κατά την επιβράδυνση, αντί να «τρώει» όλη την κινητική ενέργεια της μετάδοσης ο θερμικός κινητήρας (ρευστομηχανικές απώλειες κατά το φρενάρισμα με το μοτέρ) και τα υλικά τριβής των φρένων ως θερμότητα, σε ένα παράλληλο υβριδικό οι περιελίξεις του ηλεκτροκινητήρα επιβραδύνουν τον άξονα του σασμάν απορροφώντας ηλεκτρική ενέργεια που στέλνουν για αποθήκευση στη μπαταρία.

Καλά θα πείτε ως εδώ, αλλά πόσο ανεξάρτητοι είναι μεταξύ τους ο βενζινοκινητήρας και ο ηλεκτροκινητήρας? Αυτό εξαρτάται από το αν υπάρχει και δεύτερη διάταξη σύμπλεξης («decoupler»), η οποία επιτρέπει την ανεξαρτησία περιστροφής των δύο και δεν τους εξαναγκάζει να περιστρέφονται «δεμένοι». Το πιο χαρακτηριστικό (και πρωτοπόρο χρονικά) παράλληλο υβριδικό σύστημα είναι το ΙΜΑ (Integrated Motor Assist) που συναντάμε στη γκάμα υβριδικών της Honda (CR-Z, Insight, Civic Hybrid). Το ΙΜΑ ανήκει στα λεγόμενα «ήπια» (Mild) παράλληλα υβριδικά, όπου σημαίνει ότι ο βενζινοκινητήρας αφενός είναι σε «μόνιμα δεσμά» με τoν ηλεκτροκινητήρα (αν και από το Civic Hybrid του 2006 και μετά, το ΙΜΑ μπορεί να ρολλάρει το αυτοκίνητο σε σταθερή ταχύτητα μόνο με τον ηλεκτροκινητήρα, το λεγόμενο «sailing») και αφετέρου ότι είναι μικρός σε ισχύ (14PS). Επομένως, στα mild παράλληλα υβριδικά ο ηλεκτροκινητήρας έχει κυρίως επικουρικό ρόλο, «κλείνοντας τρύπες» στην απόδοση του θερμικού κινητήρα και βελτιώνοντας την κατανάλωση, τόσο στο σταμάτα-ξεκίνα μέσω του regenerative braking όσο και σε ανοιχτό δρόμο (επειδή επιτρέπει στη καρότσα να τα βγάζει πέρα με μικρότερο βενζινοκινητήρα). Σε καμία περίπτωση πάντως ένα mild παράλληλο δεν μπορεί να κινηθεί (εκκίνηση-επιτάχυνση) αποκλειστικά και μόνο με ηλεκτροκίνηση. Εκτός των Honda, mild παράλληλα είναι τα υβριδικά συστήματα των Mercedes S400, της σειράς 7 της ΒΜW και πολλών αμερικάνικων SUV.

Αυξάνοντας  τώρα σε ισχύ τον ηλεκτροκινητήρα ενός παράλληλου παίρνουμε τα "fullparallel" υβριδικά τα οποία με την προσθήκη ενός decoupler που αναφέραμε και πιο πάνω, πλέον έχουν την δύναμη να κινήσουν και σε αποκλειστικό ηλεκτρικό mode το αυτοκίνητο (συνήθως μέχρι ταχύτητες της τάξεως των 70-80km/h και για λίγα χιλιόμετρα, μέχρι να εξαντληθούν οι μπαταρίες). Τέτοια full παράλληλα υβριδικά είναι π.χ. οι Porsche Panamera και Cayenne Hybrid (με ηλεκτροκινητήρες 47 ίππων), οι BMW σειρά 3 και 5 ActiveHybrid (ηλεκτροκινητήρας 55 ίππων) και η πετρελαιοκίνητη Mercedes E300 HYBRID.

Η δεύτερη μεγάλη κατηγορία παράλληλων υβριδικών είναι αυτή στην οποία κινητήρας εσωτερικής καύσης και ηλεκτροκινητήρας είναι εντελώς «διαζευγμένοι»: ο ένας άξονας του οχήματος (π.χ ο πίσω) κινείται συμβατικά κατ' ευθείαν και μόνο από τον θερμικό κινητήρα, ενώ ο ένας ή δύο ηλεκτροκινητήρες  έχουν αναλάβει τον άλλο άξονα και φωλιάζουν εκεί (καθιστώντας το αυτοκίνητο ελεγχόμενα τετρακίνητο). Τέτοιου είδους είναι το σύστημα Hybrid4 των diesel υβριδικών των Peugeot/Citroen (ανεπτυγμένο από την Bosch) καθώς και πολλών επερχόμενων supercars(όπως η BMW i8), τα οποία θα δούμε αναλυτικά σε επόμενη συνέχεια.

Βάλ' τα όλα στη σειρά

Αν τα παράλληλα υβριδικά είναι πιο κοντά -χωροταξικά- στα συμβατικά αυτοκίνητα από ότι στα καθαρόαιμα ηλεκτρικά, τότε το αντίστροφο συμβαίνει με τα σειριακά υβριδικά: τα υβριδικά με διάταξη των υποσυστημάτων τους σε σειρά είναι ουσιαστικά ηλεκτρικά αυτοκίνητα που απλά δεν φοβούνται ότι θα μείνουν από μπαταρία. Γι' αυτό το λόγο και συχνά θα τα συναντήσετε να αναφέρονται εκτός από «σειριακά υβριδικά» και με τον όρο «REEV» (Range Extended Electric Vehicle - Ηλεκτρικό Όχημα Εκτεταμένης Εμβέλειας). Συνεπώς, για να κατανοήσει κάποιος τον τρόπο που δουλεύουν, πρέπει να ξεκινήσει από ένα τυπικό ηλεκτρικό όχημα. Ένα τέτοιο λοιπόν, διαθέτει για την κίνηση του τα εξής ...δύο εξαρτήματα: ένα ηλεκτροκινητήρα-γεννήτρια και μία μπαταρία, τέλος! Ο ηλεκτροκινητήρας τροφοδοτείται από την μπαταρία, κατά την επιβράδυνση αυτός αντιστρέφει τη λειτουργία του και, όντας γεννήτρια, πλέον ξαναφορτίζει όσο μπορεί την μπαταρία. Σε κάποια φάση όμως η μπαταρία θα ξεφορτιστεί (αφού πάντα η ενέργεια που κερδίζουμε από το φρενάρισμα είναι μικρότερη από αυτήν που ξοδέψαμε για την ανάλογη επιτάχυνση νωρίτερα) και πάπαλα, πρέπει να βρούμε άμεσα πρίζα. Σε αυτό το πρόβλημα τη λύση δίνει, για άλλη μια φορά, ο άμοιρος ο κινητήρας εσωτερικής καύσης και σε αντίθεση με τα παράλληλα συστήματα, που ο ηλεκτροκινητήρας έρχεται «τσόντα», ουσιαστικά είναι αυτός τώρα που έρχεται να «υβριδοποιήσει» το ηλεκτρικό αυτοκίνητο: παίζοντας αποκλειστικά το ρόλο της γεννήτριας, αναλαμβάνει να φορτίσει αυτός τη μπαταρία όταν χρειαστεί και όσο έχει καύσιμο στο ντεπόζιτο του γλιτώνουμε την πρίζα. Τονίζουμε το «αποκλειστικά» πιο πάνω, για τον λόγο ότι το κύριο χαρακτηριστικό των σε σειρά υβριδικών είναι πως ο κινητήρας δεν συνδέεται μηχανικά καθόλου και πουθενά με τους τροχούς. Ανάλογα με τις ενεργειακές ανάγκες του οχήματος, υπό τις εκάστοτε συνθήκες κίνηση, ο κινητήρας εσωτερικής καύσης μπορεί ανά πάσα στιγμή είτε απλά να φορτίζει τη μπαταρία (υπό συνθήκες μικρής απαίτησης σε επιδόσεις), είτε (σε συνθήκες αυξημένης ανάγκης επιτάχυνσης) να τροφοδοτεί κατ' ευθείαν τον ηλεκτροκινητήρα, αφήνοντας τη φόρτιση για αργότερα. Η κατανομή της ηλεκτρικής παροχής από τον κινητήρα-γεννήτρια ελέγχεται φυσικά από εξειδικευμένα πανγρήγορα υποσυστήματα ελέγχου.

Εφόσον τώρα το «γκάζι» του κινητήρα ελέγχεται όχι από το δεξί μας ποδάρι (το οποίο ελέγχει πρακτικά τον ηλεκτροκινητήρα), αλλά από εγκεφάλους, το ερώτημα που γεννιέται είναι πόσο και βάσει ποίου κριτηρίου στροφάρει ο κινητήρας εσωτερικής καύσης? Η απάντηση είναι αντίστοιχη με αυτήν της ερώτησης «που στροφάρει στο τέρμα γκάζι ένα αυτοκίνητο με CVT κιβώτιο» και έχει να κάνει με την ιδανική περιοχή λειτουργίας. Θεωρητικά, ένας κινητήρας έχει τον μέγιστο βαθμό απόδοσης του κοντά στις στροφές μέγιστης ροπής, ενώ το μέγιστο έργο (μετατροπή ενέργειας) το παράγει στις στροφές μέγιστης ισχύος. Σε έναν ιδανικό κόσμο λοιπόν, αν δίναμε προτεραιότητα στην ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης θα θέλαμε ένα κινητήρα που να δουλεύει μόνιμα στις στροφές μέγιστης ροπής, ενώ αν είχαμε πεθερό βενζινά θα θέλαμε για μάξιμουμ επιδόσεις να δουλεύει μόνιμα στις στροφές μέγιστης ισχύος. Αυτό ακριβώς κάνουν τα CVT, κρατάνε σταθερές τις στροφές στη μέγιστη ροπή ή τη μέγιστη ισχύ και η επιτάχυνση γίνεται μεταβάλλοντας συνεχώς μονάχα τη σχέση μετάδοσης. Ομοίως στα σειριακά υβριδικά τον κινητήρα-γεννήτρια είτε θα τον έχεις να γυρνάει στο πιο αποδοτικό φάσμα του και να σου φορτίζει με το ελάχιστο κόστος τη μπαταρία, είτε θα τον καρφώσεις στο κόφτη να σου ταΐζει τα ηλεκτρομοτόρια στο φουλ. Οι κινητήρες εσωτερικής καύσης σε ένα σειριακό υβριδικό είναι κατά βάση μικροί για το μέγεθος και βάρος της καρότσας, μικρότεροι τουλάχιστον από τον αντίστοιχο κινητήρα που θα εξόπλιζε ένα παράλληλο σύστημα στην ίδια καρότσα. Από την άλλη, οι ηλεκτροκινητήρες (και οι μπαταρίες) εδώ είναι πολύ μεγαλύτεροι, αφού αυτοί είναι που έχουν αναλάβει σόλο το έργο της περιστροφής των τροχών. Διάταξη αλλαγής σχέσης μετάδοσης από τον ηλεκτροκινητήρα στο διαφορικό κατά κανόνα δεν απαιτείται, αφενός λόγω του τρόπου που ένας ηλεκτροκινητήρας γενικά αποδίδει την ισχύ του (μέγιστη ροπή στις μηδέν στροφές) και αφετέρου, επειδή για «ενεργειακούς» λόγους που θα εξηγήσουμε τον επόμενο μήνα, τα αυτοκίνητα αυτά έχουν ούτως ή άλλως περιορισμένη τελική ταχύτητα. Η τεχνολογία των σειριακών υβριδικών δεν είναι κάτι καινούργιο (υποβρύχια, πλοία, τρένα, αλλά και λεωφορεία με ντιζελομηχανές που τροφοδοτούν ηλεκτροκινητήρες αντί τροχούς κατ' ευθείαν, υπάρχουν από ...πάντα) αλλά στα επιβατικά αυτοκίνητα δεν είναι πολύς ο καιρός που άρχισαν να το σκέφτονται σοβαρά ως εφαρμογή. Το αμερικάνικο Fisker Karma είναι σειριακό υβριδικό, το Chevrolet Volt / Opel Ampera δουλεύει κατά βάση (άλλα όχι πάντα) ως εν σειρά υβριδικό, ενώ και εδώ έχουμε να περιμένουμε εντυπωσιακά supercar με τέτοια διάταξη, όπως η Jaguar C-X75

Υβριδικά-σοκοφρέτα

Τόσο τα σειριακά, όσο και τα παράλληλα υβριδικά, έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Τα μεν πρώτα απαιτούν ουσιαστικά σχεδίαση νέας καρότσας  από λευκό χαρτί (σε αντίθεση με τα παράλληλα, που ουσιαστικά μετατρέπεις μόνο το σασμάν και προσθέτεις την μπαταρία όπου βρεις χώρο), είναι ακριβά και εξαιτίας των τεράστιων μπαταριών είναι και ιδιαίτερα βαριά, ενώ τα παράλληλα, από την άλλη, δεν έχουν μεγάλη αποκλειστικά ηλεκτρική αυτονομία και τα κέρδη σε κατανάλωση συνήθως είναι σχετικά περιορισμένα (10-15%). Γιατί λοιπόν να μην φτιάξουμε ένα σύστημα που να συνδυάζει τα καλά και των δύο βασικών κατηγοριών? Από την μία, δηλαδή, ένα σύστημα που να μπορεί να κινήσει κατ' ευθείαν τους τροχούς με τον κινητήρα όταν απαιτηθεί και από την άλλη που να μπορεί να κινήσει το όχημα μόνο με τον ηλεκτροκινητήρα και εντελώς σβηστό τον κινητήρα εσωτερικής καύσης, όταν δεν έχουμε μεγάλες απαιτήσεις ισχύος. Έτσι γεννήθηκαν τα λεγόμενα υβριδικά «διαχωρισμού ισχύος» (power-splithybrids) ή αλλιώς «σειριακά-παράλληλα».

Η βασική αρχή εδώ είναι πως διαθέτουμε μία διάταξη υβριδικού σασμάν («hybrid transaxle») στο οποίο, εκτός από την είσοδο ισχύος του θερμικού κινητήρα, έχουμε ενσωματωμένους και (δύο συνήθως) ηλεκτροκινητήρες-γεννήτριες. Το υβριδικό κιβώτιο είναι μία ηλεκτρομηχανική διάταξη η οποία μπορεί να καθορίζει πόσο μείγμα δύναμης, από τους διάφορες κινητήρες στην είσοδο του, θα φτάσει στην έξοδο προς τους τροχούς. Αυτό λαμβάνει χώρα μέσω βαρβάτων ηλεκτρονικών και ενός πλανητικού συστήματος γραναζιών το οποίο δέχεται τις δύο ροές ισχύος (μηχανική και ηλεκτρική) και αφού μαγειρέψει τις στροφές και ροπές τους, δίνει στην έξοδο ένα νέο συνδυασμό ισχύος ανάλογα με τις συνθήκες κίνησης και των εντολών από τον οδηγό. Πρωτοπόρος στα power-split υβριδικά είναι η Toyota με το σύστημα Hybrid Synergy Drive (HSD), το οποίο ξεκίνησε με την πρώτη γενιά του Prius το 1997 και από τότε έχει εξελιχτεί διαδοχικά μέχρι την τρέχουσα 3η γενιά του, ενώ σε τετρακίνητη εκδοχή εφοδιάζει και τα SUV της Lexus. Το HSD διαθέτει εκτός από βενζινοκινητήρα (κύκλου Atkinson πλέον και όχι Otto, για μεγαλύτερο βαθμό θερμοδυναμικής απόδοσης) και δύο ηλεκτροκινητήρες-γεννήτριες: τον MG1 (Motor Generator 1) που συνδέεται στην έξοδο του βενζινοκινητήρα (χρησιμεύει ως μίζα του) και είτε φορτίζει την μπαταρία είτε τροφοδοτεί με τάση τον δεύτερο ηλεκτρικό παίκτη της διάταξης, τον κύριο ηλεκτροκινητήρα-γεννήτρια MG2 ο οποίος περιστρέφει κατ΄ ευθείαν τους τροχούς και φυσικά κατά την πέδηση έχει το ρόλο γεννήτριας προς την μπαταρία. Ανάλογα με τις ανάγκες κίνησης και στα διαφορετικά σενάρια, o βενζινοκινητήρας μπορεί είτε να κινεί απ' ευθείας τους τροχούς, να τροφοδοτεί τον MG2 μέσω του MG1 είτε να φορτίζει την υβριδική μπαταρία μέσω του MG1. Σε συνθήκες πλήρους φόρτισης της μπαταρίας είναι σβηστός και ο MG2 κινεί αποκλειστικά τους τροχούς. Το πλανητικό σύστημα γραναζιών, σε συνδυασμό με τον MG1, μπορούν να παρέχουν συνεχώς μεταβαλλόμενη σχέση μετάδοσης προς τους τροχούς, καθιστώντας το υβριδικό κιβώτιο ως "e-CVT" (electronically controlled variable transmission). Σε πιο πολύπλοκες παραλλαγές του HSD (χρησιμοποιούνται στα υβριδικά Lexus), προστίθενται διατάξεις γραναζιών στο πλανητικό οι οποίες δίνουν ακόμα μεγαλύτερη ποικιλία ελέγχου των συνδυασμών ροπών-στροφών στο υβριδικό σασμάν.

Ακόμα πιο βαρβάτο είναι το power-splitσύστημα «Two-Mode Hybrid» της κοινοπραξίας των BMW/Mercedes/GM που χρησιμοποιείται στα BMW X6 ActiveHybrid και Mercedes ML 450 Hybrid. Εδώ, επιπρόσθετα της βασικής διάταξης που περιγράψαμε για το HSD, έχουμε την προσθήκη δύο επιπλέον πλανητικών σετ και τεσσάρων συμπλεκτών σε ένα πακέτο υβριδικού και κλασικού αυτόματου κιβωτίου, το οποίο εκτός από διαχωρισμό της ισχύος στην είσοδο (input split) όπως το σύστημα της Toyota, έχει διαχωρισμό και στην έξοδο (output split). Υπό συνθήκες μεγάλης απαίτησης σε ισχύ (π.χ. τελικιασμένο) σε power split υβριδικό (δηλαδή μεταφέρει κατ' ευθείαν κίνηση στους τροχούς από το πλανητικό) μετατρέπεται και το Chevrolet Volt / Opel Ampera. Τα powersplit συστήματα γενικώς είναι η επιτομή της εξέλιξης των υβριδικών, όντας τα πιο πολύπλοκα, αποδοτικά αλλά φυσικά ακριβά του είδους τους. Εμάς, πιο πολύ όμως μας ενδιαφέρει ένα πιο απλό σύστημα με προσανατολισμό περισσότερο στις επιδόσεις και όχι στην κατανάλωση...

Μ' έχεις KERS? Εγώ κεράσει αύριο

Το KERS (Kinetic Energy Recovery System - Σύστημα Ανάκτησης Κινητικής Ενέργειας) είναι ο βασικός λόγος που σε όλους εμάς του άρρωστους πρέπει να αρέσει πολύ η υβριδική τεχνολογία. Είναι η υβριδική εφαρμογή που βλέπουμε σε όλο και περισσότερες μορφές αγώνων (Formula 1, Le Mans, GT3, όπου να ΄ναι) και που σύντομα θα εφοδιάζει όλα τα σπορ αυτοκίνητα από μία κατηγορία και πάνω. Aρχιτεκτονικά ένα σύστημα KERS δεν διαφέρει από ένα παράλληλο υβριδικό σύστημα (είτε σε μορφή με τον ηλεκτροκινητήρα μαζί με τον βενζινοκινητήρα και το σασμάν, είτε ανεξάρτητα στον ίδιο ή άλλον άξονα) όπως το περιγράψαμε αναλυτικά πιο πάνω: και πάλι έχεις έναν ηλεκτροκινητήρα-γεννήτρια που στο φρενάρισμα φορτίζει μία διάταξη συσσώρευσης ενέργειας και την οποία αποδίδει με τον ηλεκτροκινητήρα στους τροχούς κατά βούληση αργότερα. Τι ξεχωρίζει λοιπόν το KERS από τα «φλώρικα» υβριδικά? Απάντηση: η φιλοσοφία του συστήματος όσον αφορά τον ρυθμό και τον τρόπο απόδοσης της αποθηκευμένης ενέργειας κατά την επιτάχυνση. Σε ένα υβριδικό με «αστικό» προσανατολισμό για χαμηλή κατανάλωση, η αποθηκευμένη ενέργεια τραβιέται από την μπαταρία σιγά-σιγά και βάσει της πολιτικής του «όσο δίνει ο ηλεκτροκινητήρας, τόσο λιγότερο γκάζι χρειαζόμαστε». Σε ένα σύστημα KERS αντίθετα η αποθηκευμένη ενέργεια ξεζουμίζεται από την μπαταρία άμεσα και κατά ρυπάς: δεν μας νοιάζει πόσο αποδοτικός είναι ο βενζινοκινητήρας στο σημείο που θα ζητήσουμε (εμείς χειροκίνητα με κουμπί, είτε αυτόματα το σύστημα ελέγχου) την μέγιστη επιτάχυνση, μας νοιάζει μόνο να έχουμε όλη την διαθέσιμη δύναμη στους τροχούς όταν ζητήσουμε. Επειδή ακριβώς σε ένα KERS σύστημα μας ενδιαφέρει το ξεζούμισμα του κινητήρα εσωτερικής καύσης να πηγαίνει όλο στους τροχούς, κατά κανόνα η φόρτιση των μπαταριών (και σε αντίθεση με ένα κλασικό υβριδικό) γίνεται μόνο από το regenerative braking της επιβράδυνσης και όχι και από τον κινητήρα εν είδει γεννήτριας. Μία τρίτη διαφορά φιλοσοφίας του KERS από τα υβριδικά συστήματα των «αυτοκινήτων του θείου σας» είναι ότι δεν στηρίζονται ιδιαίτερα στην λειτουργία του Start-Stop συστήματος για εξοικονόμηση ενέργειας, σβήνοντας τον κινητήρα όσο το δυνατόν συχνότερα και για περισσότερο: μπορούν μια χαρά να συνεργαστούν τα KERS με Start-Stop, απλά δεν είναι βασική παράμετρος του υβριδικού τους συστήματος. Υπάρχουν τρία διαφορετικά είδη KERS, κάποια «κουμπώνουν» καλύτερα από πλευράς λειτουργίας σε αγωνιστικά και άλλα καλύτερα στα αυτοκίνητα δρόμου, όπως αυτά των μοντέλων της Ferrari και της Porsche που θα δούμε μέσα στο 2013.

- Ηλεκτρονικό KERS: εδώ από τον ηλεκτροκινητήρα (που συνήθως τοποθετείται στην μία άκρη του στροφάλου) η ενέργεια αποθηκεύεται ηλεκτρικά σε μπαταρία, όπως δηλαδή και σε ένα κλασικό κανονικό υβριδικό. Η διαφορά είναι πως εδώ θέλουμε η μπαταρία αυτή να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη και ελαφρύτερη, οπότε (ακριβές) τεχνολογίες, όπως συσσωρευτές λιθίου και υπερ-πυκνωτές, μπαίνουν στο παιχνίδι. Περισσότερα για τις σπέσιαλ μπαταρίες μετά τα Χριστούγεννα. Το 2009, χρονιά εφαρμογής του KERS στην Formula 1, ηλεκτρονικό KERS της Magneti Marelli είχαν οι Red Bull, Toro Rosso, Ferrari, Renault και Toyota.

- Ηλεκτρομηχανικό KERS: Εδώ πάλι ο ηλεκτροκινητήρας παίζει το ρόλο της γεννήτριας κατά την επιβράδυνση, αλλά την ηλεκτρική του ενέργεια το σύστημα δεν την μεταφέρει σε ηλεκτρικό/χημικό συσσωρευτή (μπαταρία ή πυκνωτή), αλλά σε περιστρεφόμενο μαγνητικό σφόνδυλο (βολάν), δηλαδή σε «μηχανικό πυκνωτή». Το βασικό πλεονέκτημα είναι ότι αποθηκεύουμε την ενέργεια σε μικρότερη και ελαφρύτερη διάταξη, γι' αυτό και αυτού του είδους τα KERS -μέχρι στιγμής τουλάχιστον- έχουν κυρίως αγωνιστικές εφαρμογές. Το εν λόγω βολάν περιστρέφεται τάχιστα, έτσι ώστε να μεγιστοποιηθεί το ποσό της περιστροφικής κινητικής ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί. Φτάνουν τις 150.000 rpm, πράγμα που σημαίνει βέβαια πως στην εξίσωση μπαίνουν και σοβαρά γυροσκοπικά φαινόμενα που επηρεάζουν αρνητικά την δυναμική συμπεριφορά του πλαισίου, αλλά και δημιουργούν κραδασμούς. Για να ελαχιστοποιηθούν οι αεροδυναμικές απώλειες από την αντίσταση του αέρα κατά την περιστροφή του, αυτό βρίσκεται μέσα σε κενό αέρος. Για να μπορέσει να αντέξει ο σφόνδυλος σε τέτοιες καταπονήσεις, κατασκευάζεται από μείγμα ινών σύνθετων υλικών (ανθρακονήματα), σε συνδυασμό με μεταλλικές ίνες που επιτρέπουν τον μαγνητισμό του ρότορα. Πιο συγκεκριμένα ο σφόνδυλος, ανάλογα με το αν ασκείται ηλεκτρική τάση στο στάτορα του, λειτουργεί είτε ως ηλεκτροκινητήρας, είτε ως γεννήτρια: κατά την επιβράδυνση, από την τάση που παρέχεται στους ακροδέκτες του στάτορα, ο σφόνδυλος περιστρέφεται λόγω επαγωγής από το μαγνητικό πεδίο και αντίστροφα, όταν πατήσουμε το μαγικό κουμπί του «ηλεκτρικού νίτρο», ο ρότορας επαγωγικά δημιουργεί τάση στον στάτορα η οποία μεταφέρεται στην ηλεκτροκινητήρα και από εκεί στους τροχούς. Ηλεκτρομηχανικό σύστημα έχει αναπτύξει η Williams, το οποίο ωστόσο δεν χρησιμοποίησε στην F1, αλλά βρήκε εφαρμογή στο νικητή του Le Mans, το R18 e-tron Quattro. Η Porsche 911 GT3 R Hybrid και η 918 RSR χρησιμοποιεί επίσης ένα τέτοιο σύστημα (η δρομίσια Porsche 918 Spyder ωστόσο έχει φουλ ηλεκτρικό KERS).

- Μηχανικό KERS: Εδώ είναι η χαρά του παραδοσιακού μηχανολόγου, αφού το όλο σύστημα δεν έχει ίχνος ηλεκτρονίου, ηλεκτρομοτέρ ή μπαταρίας, όλα γίνονται μηχανικά. Και εδώ έχουμε έναν βαρβάτο υπερσφόνδυλο, αλλά αυτός δεν περιστρέφεται εξαιτίας ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων: συνδέεται κατ' ευθείαν μηχανικά, με έξοδο από τη μετάδοση μέσω αξόνων και γραναζιών. Η κινητική ενέργεια λοιπόν από τους τροχούς δεν αλλάζει μορφή, όπως με τα ηλεκτρομηχανικά συστήματα (κάτι που σημαίνει απώλειες), αλλά παραμένει σε ολόκληρη την πορεία της ροής της αμιγώς μηχανική. Δεδομένου πως υπάρχει συνέχεια διαφορετική σχέση μετάδοσης μεταξύ τροχών και σφονδύλου (αφού περιστρέφονται με την ταχύτητα του ο καθένας ανά πάσα στιγμή), χρειαζόμαστε μία διάταξη πριν τον μηχανικό σφόνδυλο που να κουμαντάρει τις στροφές του και αυτό γίνεται συνήθως μέσω ενός μικρού CVT σασμάν και ενός συμπλέκτη. Μηχανικό KERS έχει παρουσιάσει η Volvo και μεταξύ άλλων υπόσχεται 20% βελτιωμένη κατανάλωση.

Προσεχώς: Μπαταρία vs. Βενζίνα

Πήρατε σήμερα κάποιες απαραίτητες γενικές γνώσεις γύρω από τις διαφορετικές «εκφάνσεις» των υβριδικών συστημάτων και πως η καθεμία εξυπηρετεί τις διαφορετικές σχεδιαστικές ανησυχίες κάθε κατηγορίας υβριδικών οχημάτων. Πραγματικά, δεν υπάρχουν «καλύτερες» και «χειρότερες» υβριδικές αρχιτεκτονικές, υπάρχει μόνο «ποια είναι καταλληλότερη για την δικιά μου εφαρμογή» βάσει κριτηρίων κόστους, επιδόσεων, κατανάλωσης και πολυπλοκότητας. Στη συνέχεια θα ασχοληθούμε πιο ενδελεχώς με το ηλεκτρικό κομμάτι των υβριδικών (τεχνολογίες μπαταριών και ηλεκτροκινητήρων), που στο τέλος της ημέρας είναι άλλωστε και αυτό που τα ξεχωρίζει από τα συμβατικά οχήματα, ενώ ειδικό αφιέρωμα θα δείτε σε επόμενη συνέχεια και τους διαφορετικούς τεχνικά δρόμους που δείχνει να παίρνει ο κάθε σπορ κατασκευαστής για τα επόμενα υβριδικά μοντέλα του. Καλές Γιορτές σας εύχομαι Παουεράδες μου!