Tune it Ηλεκτρικά Turbo Part II

Τεχνικές προκλήσεις

Εφόσον η ηλεκτρική υπερσυμπίεση θέλει μπόλικες στροφές για να αποδώσει τα επιθυμητά αποτελέσματα, χρειάζονται δυνατά ηλεκτρικά μοτέρ με πολύ γρήγορο χρόνο απόκρισης. Τα μοτέρ αυτά πρέπει επίσης να έχουν αρκετά μεγάλη ροπή, αθόρυβη -κατά το δυνατό- λειτουργία και δυνατότητα να συμπιέζουν απροβλημάτιστα τον αέρα στις απαιτούμενες πιέσεις. Σε γενικές γραμμές, μιλάμε για μοτέρ, που πάνε από μηδέν στις 75.000rpm σε λιγότερο από 0,3 δευτερόλεπτα, γυρίζουν με 150.000rpm στην πλευρά του κομπρέσορα/συμπιεστή και με 200.000rpm στα συστήματα, που περιλαμβάνουν και γεννήτρια. Επειδή, όπως καταλαβαίνετε, δεν μιλάμε για κοινά ηλεκτρικά μοτέρ, όπως τα ξέραμε μέχρι σήμερα, η εξέλιξή τους έγινε σταδιακά μέσα στα τελευταία δέκα χρόνια. Στο ένα άκρο του τόξου έχουμε τα μοτέρ συνεχούς ρεύματος, που μπορεί βέβαια να έχουν μεγάλη ροπή, αλλά πρόκειται για σχέδια που -στις περισσότερες περιπτώσεις- είναι παμπάλαια και απαιτούν ιδιαίτερες διευθετήσεις για αλλαγή τάσεων και ρευμάτων. Ο ακριβής έλεγχος των στροφών δεν είναι εύκολος, σοβαρό μειονέκτημα για τα σημερινά συστήματα. Έτσι, τα μοτέρ συνεχούς χρησιμοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά σε Ε-κομπρέσορες, όπου οι στροφές δεν υπερβαίνουν τις 75.000rpm. Ο Ε-κομπρέσορας λειτουργεί κυρίως στις χαμηλές στροφές κινητήρα ή όταν αλλάζει γρήγορά η γωνία της πεταλούδας, οπότε σπουλάρει ταχύτατα στις μέγιστες στροφές του. Αν βρίσκεται εν σειρά ή παράλληλα με το τούρμπο, μόλις η ροή καυσαερίων επαρκεί για να δουλέψει κανονικά (το τούρμπο), ο Ε-κομπρέσορας μεταπίπτει στο ρελαντί μέχρι να ξαναχρειαστεί. Το σκηνικό αυτό είναι σχετικά απλό για ένα μοτέρ συνεχούς, το οποίο, όμως, πρέπει να έχει πολύ γρήγορη απόκριση, όπως είπαμε, και δεν καθιστά τα μοτέρ αυτά κατάλληλα για χρήση σε Ε-τούρμπο. Σε όλα τα ηλεκτρικά μοτέρ, το ρεύμα που καταναλώνεται προκαλεί και αύξηση της θερμοκρασίας, κάτι που έχει αρνητική επίδραση στην ισχύ του μαγνητικού πεδίου, που αναπτύσσεται και κινεί το ρότορα. Η μαγνητική ισχύς μειώνεται γραμμικά με την άνοδο της θερμοκρασίας, η οποία ως εκ τούτου πρέπει να διατηρείται όσο πιο χαμηλά γίνεται. Για να περιοριστεί η άνοδος της θερμοκρασίας, χρησιμοποιούνται ειδικά μονωτικά επιχρίσματα, που προστατεύουν τα διάφορα τμήματα του μοτέρ. Τα υλικά του επιχρίσματος είναι συνήθως συγγενικά του Teflon και το πάχος τους είναι ανάλογο της θερμομόνωσης, που παρέχουν. Οι επαγωγικοί ηλεκτροκινητήρες παράγουν αρκετή θερμότητα και γι’ αυτόν το λόγο χρησιμοποιούνται κυρίως μοτέρ σταθερού μαγνήτη, που δεν έχουν επαγωγικές απώλειες και επομένως έχουν καλύτερη αποδοτικότητα. Στο μηχανικό τώρα μέρος των ηλεκτρικών μοτέρ, να σημειώσουμε ότι, για στροφές πάνω από τις 100.000rpm απαιτούνται οπωσδήποτε ειδικά ρουλεμάν. Τελευταία, μάλιστα, μερικές εταιρείες έχουν εξελίξει ειδικά μαγνητικά ρουλεμάν, που είναι κατάλληλα για ταχύτητες μέχρι και 500.000 στροφές το λεπτό! Η λειτουργία τους βασίζεται στην… έλλειψη επαφής, καθώς ο άξονας αιωρείται στο μέσο ισχυρού μαγνητικού πεδίου.

Τώρα… μπλέξαμε και με τα ηλεκτρονικά!

Ο έλεγχος των Ε-τούρμπο δεν είναι εύκολη υπόθεση για τα ηλεκτρονικά συστήματα παρά την τεχνολογία, που έχουν στη διάθεσή τους οι τεχνικοί. Η μπαταρία του αυτοκινήτου παράγει συνεχές ρεύμα, αλλά οι απαιτήσεις των συστημάτων Ε-boost είναι σε τριφασικό ρεύμα. Πρέπει, λοιπόν, να μετατραπεί το συνεχές ρεύμα της μπαταρίας σε εναλλασσόμενο για το MGU (Motor Generator Unit), αλλά και πάλι σε συνεχές, όταν λειτουργεί σαν γεννήτρια, πχ κατά το φρενάρισμα. Η εναλλαγή, από συνεχές σε εναλλασσόμενο και αντίθετα, πρέπει να γίνεται ταχύτατα και με ακρίβεια για να λειτουργεί σωστά το σύστημα Ε-boost. Όταν το Ε-τούρμπο δουλεύει από τη μπαταρία, η συνεχής τάση μεταβάλλεται σε εναλλασσόμενη για το τριφασικό μοτέρ της, ενώ, όταν μετατρέπεται σε γεννήτρια, το τριφασικό παραγόμενο ρεύμα ανορθώνεται (αυτή είναι η σωστή λέξη) σε συνεχές και αποδίδεται στη μπαταρία. Το ηλεκτρονικό σύστημα, που ελέγχει όλες αυτές τις λειτουργίες, πρέπει να κάνει ταχύτατη εναλλαγή μεταξύ συνεχούς και εναλλασσόμενης λειτουργίας, λαμβάνοντας υπόψη παραμέτρους, όπως η θέση της πεταλούδας και ο ρυθμός μεταβολής της γωνίας της, οι στροφές κινητήρα, οι στροφές τούρμπο, το φορτίο, οι στροφές μοτέρ Ε-boost, το ρεύμα προς/από τη μπαταρία, η τάση μπαταρίας, το επίπεδο φόρτισης, η θερμοκρασία εξαρτημάτων… φτάνουν αυτά? Στα μοτέρ της F1, τα ηλεκτρικά μοτέρ έχουν τις ίδιες στροφές με το τούρμπο, περίπου 125.000 οπότε η εναλλαγή του ρεύματος γίνεται ταχύτατα, διότι η οποιαδήποτε καθυστέρηση κόβει χρόνο από το μονοθέσιο… Το ρεύμα, που «τραβάει» ένα Ε-τούρμπο από τη μπαταρία, είναι πρωταρχικής σημασίας στη συγκρότηση του ηλεκτρικού συστήματος ενός αγωνιστικού αυτοκινήτου και υπαγορεύει το μέγεθος και βάρος των μπαταριών, που απαιτούνται. Συνήθως, πρόκειται για μία μόνο μπαταρία, που δεν χρειάζεται να αντικατασταθεί για τη διάρκεια της αγωνιστικής σεζόν. Εδώ και χρόνια, η αυτοκινητοβιομηχανία κινείται προς την εγκατάλειψη της …υπεραιωνόβιας πλέον τεχνολογίας των 12ν και έχει σχεδόν καταλήξει στα 48ν. Σε ό,τι αφορά το θέμα Ε-boost, το σύστημα μπορεί να έχει ισχύ 5 κιλοβάτ, ενώ με τα κλασσικά 12ν, η ισχύς δεν ξεπερνά τα 2 κιλοβάτ. Η χρήση σε ευρύτερη κλίμακα των συστημάτων Ε-boost, η διάχυσή τους, δηλαδή, στην καθημερινή αυτοκίνηση συνδέεται στενά με τις εξελίξεις στις μπαταρίες και τα συστήματα, που τις ελέγχουν. Το βασικό άλμα αναμένεται να γίνει με τη μετάβαση της βιομηχανίας αυτοκινήτων στα 48ν.

E-boosting στην F1

Στην ανώτερη έκφραση της τεχνολογίας κινητήρων, το Ε-τούρμπο κατέχει εξέχουσα θέση από το 2014, που άλλαξαν δραστικά οι προδιαγραφές των μοτέρ και των παρελκόμενών τους. Μέχρι τότε είχαμε το σύστημα KERS (Kinetic Energy Recovery System), το οποίο τώρα αντικαθίσταται από δύο μονάδες, το MGU-H, που ανακτά ενέργεια από τα καυσαέρια και το MGU-K, που την ανακτά από το φρενάρισμα. Το MGU-H απορροφά ισχύ από τον άξονα της τουρμπίνας για τη μετατροπή της θερμότητας των καυσαερίων, αλλά χρησιμοποιείται και για τον έλεγχο της ταχύτητας του κομπρέσορα, ελαττώνοντας τις στροφές και μειώνοντας την παροχή (αντί να υπάρχει wastegate) ή αυξάνοντάς τες για να μηδενιστεί το turbo lag.  

Και τέλος… Turbo Dyno!   

Κάτι που δεν έχουμε πει ποτέ, αν δεν με απατά η ομολογουμένως κακή μου μνήμη, είναι το πώς μετράνε την απόδοση των τούρμπο, ηλεκτρικών και μη. Ευκαιρία, λοιπόν, σήμερα, αφού βρισκόμαστε σε σχετικό περιβάλλον να δούμε τι παίζει. Πιστεύω ότι όλοι έχετε δει πώς είναι ο «χάρτης» του συμπιεστή/κομπρέσορα. Ο κακομοίρης ο Παύλου, έγραψε 4.000 και βάλε λέξεις, για να ξεστραβωθείτε πριν τρεις μήνες… Το μπερδεμένο -για πολλούς, όχι όμως για όσους διαβάζουν Power Automotive Magazine- διάγραμμα βγαίνει μετρώντας την παροχή του συμπιεστή σε διαφορετικές πιέσεις, κάτω από συνθήκες εξομοίωσης λειτουργίας με την πραγματικότητα. Αυτό σημαίνει ότι διοχετεύονται καυσαέρια στην τουρμπίνα, τα οποία παράγονται με ελεγχόμενο τρόπο από έναν καυστήρα, που λειτουργεί με φυσικό αέριο τα τελευταία λίγα χρόνια, ενώ, μέχρι πρότινος, το καύσιμο ήταν πετρέλαιο ή κηροζίνη. Η αλλαγή προς το αέριο έγινε, διότι με το αέριο είναι ευκολότερος ο έλεγχος των παραμέτρων θερμοκρασίας και ποσότητας, για την πιο σταθερή και ομοιόμορφη σύνθεση των καυσαερίων. Η διάταξη του καυστήρα και του μηχανισμού ελέγχου ονομάζεται GasStand. Ο χειριστής της διάταξης ρυθμίζει διάφορες βαλβίδες για να μεταβάλλει τη θερμοκρασία των καυσαερίων, την ταχύτητα της τουρμπίνας και τη ροή εξόδου του συμπιεστή. Έτσι, γίνεται βήμα-βήμα η καταγραφή των τιμών για να συμπληρωθεί ο χάρτης, που καθορίζει το κάθε τούρμπο. Στο ιδιότυπο αυτό «δυναμόμετρο» μπορούν εύκολα να αναπαραχθούν ιδιαίτερες αγωνιστικές συνθήκες, όπως πχ το pit-stop ενός αυτοκινήτου στο Λε Μαν, όπου σβήνει ο κινητήρας και η τουρμπίνα –μαζί με το cartridge- πηγαίνει από τους περίπου 1000⁰C στους 3-4⁰C μέσα σε λίγα λεπτά. Σ’ αυτά τα τεστ, οι μηχανικοί ερευνούν για ρωγμές στο κέλυφος τουρμπίνας/κομπρέσορα και σε όλα τα σχετικά εξαρτήματα, που υφίστανται αυτό το μεγάλο θερμοκρασιακό σοκ. Μερικά gas stands διαθέτουν δυνατότητα λειτουργίας κλειστού κυκλώματος, όπου ο αέρας από την έξοδο του συμπιεστή κατευθύνεται στην τουρμπίνα, με σκοπό να τη γυρίσουν σε πολύ μεγάλες στροφές. Γιατί? Διότι θέλουν να ελέγξουν την τελική αντοχή των φτερωτών! Πράγματι, κάτω από αυτές τις συνθήκες, οι φτερωτές φτάνουν τις 300.000rpm, οι οποίες μεταφράζονται σε γραμμική ταχύτητα των πτερυγίων της τάξης των 600 μέτρων/δευτερόλεπτο! Φυσικά και αναμενόμενα, ακολουθεί κάποια επιμήκυνση των πτερυγίων, με αποτέλεσμα να έρθουν σε επαφή με το κέλυφος… Όλοι οι σοβαροί κατασκευαστές υποβάλλουν τα προϊόντα τους σε τέτοιο έλεγχο, με βασικό ζητούμενο την επιβεβαίωση ότι ύστερα από την καταστροφική φυγοκέντριση, τα κομμάτια της φτερωτής δεν θα βγουν στο χώρο της μηχανής, αν τα κελύφη κομπρέσορα/τουρμπίνας έχουν σχεδιαστεί με την απαραίτητη μηχανική αντοχή. Νομίζω ότι πήρατε μια ιδέα για το πώς δουλεύει η ηλεκτροκίνητη υπερσυμπίεση και πώς συνδυάζεται με συστήματα ανάκτησης ενέργειας, φρένων κλπ. Φαίνεται ότι στο άμεσο μέλλον θα δούμε διάχυση της τεχνολογίας αυτής και στη… λαϊκή αυτοκίνηση, αφού την αρχή έκανε η Audi. Ελπίζω να εμπεδώσατε ότι τα διάφορα «ηλεκτρικά τούρμπο» μεγέθους σεσουάρ, που βρίσκετε στην αγορά και διαφημίζουν άλογα και μπαρμπούτσαλα, δεν είναι τίποτε άλλο από παραμύθια, στην καλύτερη περίπτωση. Στις φωτογραφίες, βλέπετε καθαρά τα γαϊδουρινά μοτέρ, που χρειάζονται για τη δουλειά αυτή, οπότε μη μασάτε! Όσο για τις εξελίξεις, αν και όποτε έρθουν, εμείς εδώ είμαστε και περιμένουμε, προς το παρόν με …κοντοβράκια και σαγιονάρες! Άντε τώρα για καμιά βουτιά, γιατί το πολύ διάβασμα βλάπτει!