Tune it Part 35: Nissan ZEOD RC Racecar

Technology on the run

Τι θα γίνει με την τεχνολογία στα αυτοκίνητα τελικά? Πάνε να μας τα ανατρέψουν όλα? Μάθαμε στα τετρακύλινδρα, είδαμε εξακύλινδρα και άλλα θηρία με σαλίγκαρους, βενζίνες και πετρέλαια, αντέξαμε με μισό μάτι -από άποψη επιδόσεων- τα υβριδικά, αλλά τώρα έρχονται μέσα στην κρίση, τη ζέστη και την αφραγκία να μας πούνε για τρικύλινδρα με άλογα? Εντάξει, κάποια τρικύλινδρα έχουμε δει αλλά καμία σχέση με επιδόσεις δεν είχαν. Αυτοκινητάκια πόλης, πρακτικά για το καθημερινό πήγαινε-έλα με οικονομία, χρήσιμα δηλαδή… μπουζουκάκια! Έλα, όμως, που η Nissan το πήρε ζεστά το πράμα και έφτιαξε υβριδικό εργαλείο για το LeMans! Το βάφτισαν ZEOD RC και σημαίνει Zero Emissions On Demand (μηδενικοί ρύποι όταν απαιτείται). Το αυτοκίνητο στον περσινό αγώνα ξεπέρασε τα 300km/h με μόνο τον ηλεκτροκινητήρα χωρίς βοήθεια από τον τρικύλινδρο κεκ! Σήμερα, λέω να ρίξουμε μια ματιά στο τρικύλινδρο αυτό κατασκεύασμα και τις ιδιαιτερότητές του, που όπως πολλές φορές γίνεται, μπορεί να εμφανισθεί με κάποια μορφή στην καθημερινότητά μας. Προσωπικά, δεν μου κάθεται καλά το τρικύλινδρο σε αυτοκίνητο -ή 4 ή 6, ρε φίλε- αλλά ας δούμε τέλος πάντων τι είναι αυτό που κάνει ξεχωριστό αυτό το… πράμα! Ως τεχνολογία, η ZEOD είναι σίγουρα χρήσιμη και καλοδεχούμενη, μάλιστα, στις σημερινές συνθήκες των αστικών κέντρων με τη μεγάλη ρύπανση. Βέβαια και τις τελευταίες δεκαετίες όλοι οι κατασκευαστές έχουν περιορίσει τους παραγόμενους ρύπους, με ζητούμενα καθαρότερη ατμόσφαιρα και οικονομία κατανάλωσης. Μηδενικοί, όμως, ρύποι παράγονται μόνο από ηλεκτροκινητήρες και μερικά σχέδια για μελλοντικά αυτοκίνητα ZEV (Zero Emission Vehicles – Οχήματα μηδενικών ρύπων).

Το πρόγραμμα ZEOD της Nissan ξεκίνησε με στόχο τη συμπλήρωση ολόκληρου γύρου στο LeMans χωρίς τη βοήθεια κινητήρα εσωτερικής καύσης. Δεν συζητάμε, βέβαια, για 24 ώρες μόνο με ρεύμα σε ρυθμό αγώνα, γιατί δεν υπάρχουν μπαταρίες με τέτοιες δυνατότητες –σήμερα τουλάχιστον. Απαραίτητα επομένως, πρέπει να υπάρχει και κάποιος κεκ για να φορτίζει τις μπαταρίες και να κινεί τους ηλεκτροκινητήρες. Αρχικά, η σκέψη ήταν για δικύλινδρο μοτέρ και σχεδιασμό ειδικής ηλεκτρογεννήτριας που θα έπαιρνε κίνηση από το μοτέρ, αλλά λόγω ανεπάρκειας χρόνου, αποφάσισαν για τρικύλινδρο με κάποιες ήδη διαθέσιμες γεννήτριες/ηλεκτροκινητήρες. Κάθε πίσω τροχός παίρνει κίνηση από ένα MGU (Motor Generator Unit) και είναι δυνατή η ταυτόχρονη/παράλληλη λειτουργία ηλεκτροκινητήρων και κεκ. Στην περίπτωση αυτή, όταν απαιτηθεί μεγάλη ισχύς για μικρό χρονικό διάστημα –τελική ταχύτητα, κάποια προσπέραση ή έξοδος από στροφή- τα 300 “ηλεκτρικά” άλογα προστίθενται στα 400 του κεκ για σύνολο 700 ίππων! Ε, δεν είναι και για πέταμα, έτσι? Κατά τη διάρκεια του αγώνα, οι μπαταρίες μπορούν να φορτίσουν σε κάθε φρενάρισμα ή επιβράδυνση, ακριβώς όπως γίνεται με το σύστημα KERS στην F1. Με το πρόγραμμα της Nissan, το αυτοκίνητο κάθε φορά που έμπαινε στην πίστα έκανε 12 από τους 13 γύρους μόνο με τον κεκ και τον 13^ο γύρο μόνο με τα ηλεκτρικά. Είναι σημαντικό να παρατηρήσουμε ότι κάθε MGU ζυγίζει μόνο 12 κιλά και παράγει 160 άλογα! Το συνολικό “ηλεκτρικό” βάρος (δυο MGU, καλώδια, ηλεκτρονικά) είναι 45 κιλά, όσο περίπου ζυγίζει και το τρικύλινδρο μοτέρ. Ψάχνοντας περισσότερο τα βάρη, βρίσκουμε ότι οι μπαταρίες που χρειάζονται για να συμπληρωθεί ένας γύρος LeMans (13.629m) σε αγωνιστικό ρυθμό ζυγίζουν 150 κιλά. Ο τρικύλινδρος κεκ χρειάζεται 2,1 κιλά βενζίνη για ένα γύρο, οπότε περίπου 25 κιλά (35lt) για τους 12 γύρους που λειτουργεί. Το συνολικό ετοιμοπόλεμο βάρος του αυτοκινήτου κομπλέ με οδηγό είναι 700kg.

 

Τρικύλινδρος turbo

Ο κινητήρας ZEOD σχεδιάσθηκε, κατασκευάσθηκε και εξελίχθηκε στην Αγγλία από την εταιρεία RML. Ο αρχιμηχανικός Arnaud Martin είχε την ευθύνη για ολόκληρο το κινητήριο σύνολο, ηλεκτρικό και κεκ. Από την αρχή, τέθηκε ο περιορισμός της ελάχιστης κατανάλωσης καυσίμου για τον κεκ, λόγω του μεγάλου βάρους της μπαταρίας. Το πλεονέκτημα της μεγάλης μείωσης του βάρους καυσίμου κατά τη διάρκεια του αγώνα δεν υφίσταται στην περίπτωσή μας παρά σε μικρό ποσοστό, από το λίγο σχετικά καύσιμο του κεκ. Το φυσικό και βασικό ερώτημα ήταν πώς θα γίνει να λειτουργήσει αξιόπιστα ο κεκ για όλη τη διάρκεια του 24ωρου αγώνα, χωρίς να υπερβεί συγκεκριμένο budget και χρονικούς περιορισμούς. Ο Martin παραδέχεται ότι θα μπορούσε το αποτέλεσμα να ζυγίζει κάτι λιγότερο και να έχει κάπως μικρότερες διαστάσεις, αλλά το κόστος θα είχε υπερβεί κατά πολύ τα όρια που είχαν τεθεί από την εταιρεία. Όσο για τους τρεις κυλίνδρους, η ομάδα ξεκίνησε με σκέψεις για τετρακύλινδρο μοτέρ αλλά ο ελάχιστος διαθέσιμος χώρος στο μονοθέσιο (ουσιαστικά) τους περιόρισε και τους οδήγησε τελικά στους τρεις κυλίνδρους. Αρχικά, έγιναν σκέψεις να αφαιρεθεί ένας κύλινδρος από κάποιο υπάρχον και καταξιωμένο αγωνιστικό τετρακύλινδρο μοτέρ που θα είχε αποτέλεσμα σε συνολικό βάρος τα 65kg, αλλά το τελικό τρικύλινδρο μοτέρ κατέβηκε στα 46kg κομπλέ με εισαγωγή, εξαγωγή, τουρμπίνα, πλεξούδα κ.λπ.! Μάλιστα, σημειώνουν ότι μπορεί να μεταφερθεί κανονικότατα σαν αποσκευή σε αεροπλάνο, όταν δεν υπάρχει περιορισμός βάρους αλλά μόνο όγκου –τόσο μικρό είναι!

Τα κυβικά είναι 1.450cc και με το turbo βγάζει… 400 άλογα και 38,7kgm ροπής! Ένα πολύ σημαντικό στοιχείο είναι ότι η κατασκευή του μοτέρ είναι σε δυο μόνο βασικά κομμάτια, δηλαδή μπλοκ/καπάκι σε ένα χυτό και κάτω μέρος του μπλοκ! Όπως καταλαβαίνετε, αυτό πολλαπλασιάζει την αξιοπιστία και αντοχή, αφού δεν υπάρχει φλάντζα να καεί! Με διάμετρο 87mm και διαδρομή 84,1mm, έχει ένα κεντρικό μπουζί και το μπεκ (άμεσος ψεκασμός) βρίσκεται ανάμεσα από τις δύο βαλβίδες εισαγωγής σε γωνία 35^ο από το οριζόντιο επίπεδο. Η πίεση καυσίμου κινείται μέχρι μια μέγιστη τιμή 230bar. Οι εκκεντροφόροι κινούνται με κλασικό ιμάντα, οι βαλβίδες εισαγωγής των 34,5mm έχουν βύθισμα 11,8mm και οι εξαγωγής των 30,6mm έχουν βύθισμα 11,6mm. Παρά το turbo, ο λόγος συμπίεσης είναι 11,2:1 και οι μέγιστες στροφές 7.500 –κανένα πρόβλημα για τον στρόφαλο που με την τελείως ασυνήθιστη κατασκευή του και τα τέσσερα περίεργα αντίβαρα, ζυγίζει μόλις 5,75 κιλά! Η διάμετρος των κομβίων βάσης είναι 55mm και των μπιελών 45mm. Όπως είναι λογικό, οι φάσεις είναι ανά 120^ο και ως εκ τούτου, χωρίς άξονα εξισορρόπησης δεν μπορεί να υπάρξει καλή ζυγοστάθμιση. Η σχεδιαστική ομάδα επέλεξε να δεχθεί συγκεκριμένο επίπεδο κραδασμών σε κατακόρυφο επίπεδο χωρίς να διακινδυνεύσει περαιτέρω συνέπειες στη λειτουργία και την αξιοπιστία του συνόλου. Οι μπιέλες τιτανίου έχουν μήκος 131mm (κέντρο με κέντρο).    

Η μονοκόμματη κατασκευή μπλοκ/καπακιού δεν είναι κάτι καινούργιο. Η τελευταία εμφάνιση της τεχνικής αυτής ήταν στην F1 κατά την εποχή των δυνατών turbo στη δεκαετία του ’80 με τα 3 και 4bar πίεση! Το μπλοκ είναι από κράμα αλουμινίου 2014 αντί για το πιο συνηθισμένο 7075, του οποίου η αντοχή μειώνεται με την άνοδο της θερμοκρασίας. Τα κέντρα των κυλίνδρων απέχουν 100mm και η επιφάνειά τους έχει επικάλυψη από Nicasil. Τα έμβολα (με τρία ελατήρια) είναι από κλασικό κράμα 2618 και έχουν ειδική αντιτριβική επίστρωση. Ψύχονται από κάτω με δυο μπεκ λαδιού το καθένα, που στο ΚΝΣ έρχονται σχεδόν σε επαφή με τα έμβολα. Ο ιμάντας διανομής κινεί τον κούφιο εκκεντροφόρο εισαγωγής και αυτός με τη σειρά του κινεί τον εκκεντροφόρο εξαγωγής με γρανάζι που βρίσκεται στο κέντρο της κεφαλής. Οι βαλβίδες κινούνται με μοχλικό σύστημα και η ρύθμιση των διακένων γίνεται με “καπελότα” –ασπιρίνες, παστίλιες, όπως θέλετε τα λέτε. Οι ατσάλινες βαλβίδες εισαγωγής είναι κούφιες για μικρότερο βάρος και με το σχετικά χαμηλό όριο των 7.500rpm, έχουν μονά ελατήρια. Οι οδηγοί είναι από κράμα ορείχαλκου (μπρούντζος). Πολύ δύσκολη δουλειά ήταν η τοποθέτηση/ρεκτιφιέ των εδρών βαλβίδων, λόγω της μονοκόμματης κατασκευής του μπλοκ. Η μία και μοναδική πεταλούδα βρίσκεται στην είσοδο της πολλαπλής εισαγωγής από ανθρακόνημα, μέσα στην οποία βρίσκονται και τα χωνιά για τους τρεις κυλίνδρους. Το χταπόδι εξαγωγής τροφοδοτεί την τουρμπίνα, η οποία διαθέτει ηλεκτρονικά ελεγχόμενη wastegate. Το σύστημα ψύξης εξυπηρετείται από ηλεκτρική αντλία με ροή 75 λίτρων/λεπτό, ενώ η λίπανση είναι δουλειά της τριπλής αντλίας ξηρού κάρτερ που κινείται από βοηθητικό ιμάντα. Η διαχείριση γίνεται από ειδικά εξελιγμένη μονάδα της Motec, η οποία ελέγχει ψεκασμό, ανάφλεξη, wastegate, πεταλούδα και πίεση καυσίμου μέσω της αντλίας ψηλής πίεσης. Όσο για τα σήματα που δέχεται από τους διάφορους αισθητήρες, αυτά είναι τα εξής: θέση στροφάλου, θέση εκκεντροφόρου, δυο MAP στην εισαγωγή, θέση πεταλούδας, θέση πεντάλ, πίεση καυσίμου, αισθητήρας λάμδα, knock sensor, στροφές τουρμπίνας, θερμοκρασία καυσαερίων, πίεση λαδιού, θερμοκρασία ψυκτικού αλλά και όλες τις πληροφορίες που αφορούν την ηλεκτροκίνηση.

 

Μπαταρία

Κατασκευάζεται με την ίδια τεχνολογία που χρησιμοποιείται για τις μπαταρίες της Formula E. Σ’ εκείνη την περίπτωση, η μπαταρία καλείται να οδηγήσει το μονοθέσιο των 200 ίππων για 25 λεπτά της ώρας και ζυγίζει διπλάσια από την μπαταρία του ZEOD. Στο ZEOD η μπαταρία, που βρίσκεται σε ένα κουτί από ανθρακόνημα, αποτελείται από 96 σειρές των επτά στοιχείων, συνολικά δηλαδή 672 στοιχεία που ζυγίζουν 125 γραμμάρια έκαστο. Η τάση που αναπτύσσεται είναι 400V και η διαθέσιμη ισχύς 12kW, αλλά 10kW είναι το πρακτικό όριο για να μη δημιουργούνται προβλήματα επαναφόρτισης, όπου αν πέσει κάτω από κάποιο σημείο, συμβαίνουν μη αναστρέψιμες αλλαγές στη χημεία των στοιχείων. Πολύ σημαντικό θέμα στην μπαταρία είναι η διατήρηση της θερμοκρασίας σε συγκεκριμένα επίπεδα. Αν περάσει η θερμοκρασία συγκεκριμένη τιμή, γίνεται αυτοτροφοδοτούμενη αντίδραση και το αποτέλεσμα είναι η φωτιά. Λόγω του μεγάλου αριθμού των στοιχείων και της διαφορετικότητάς τους (δεν είναι όλα πανομοιότυπα) χρειάζεται τεράστια προσοχή ώστε όσα έχουν φορτίσει πλήρως να μη φορτιστούν περισσότερο, αναμένοντας να φθάσουν και τα πιο “αργά” στοιχεία στο ίδιο επίπεδο φόρτισης, πράγμα που επιτυγχάνεται με τη χρήση αντιστάσεων (ballast resistors). Στην πραγματικότητα της πίστας, η μπαταρία μπορεί να φορτιστεί περίπου στο 98%. Το σύστημα ελέγχου υπολογίζει 1.344 παραμέτρους τάσης/θερμοκρασίας ανά δευτερόλεπτο! Φυσικά, η μπαταρία υπέστη όλες τις δοκιμασίες ασφαλείας που προδιαγράφει η FIA για αγωνιστικό εξοπλισμό. Κατά τις δοκιμές, μάλιστα, στο δυναμόμετρο (καρούλια) το κουτί της μπαταρίας ήταν δεμένο σε γερανό, που σε περίπτωση φωτιάς “ξήλωνε” αμέσως την μπαταρία από το αυτοκίνητο για να μη μεταδοθεί η φωτιά στο μονοθέσιο!

 

Επιδόσεις και LeMans

Το τρικύλινδρο μοτέρ σχεδιάσθηκε εξαρχής για βέλτιστη απόδοση στις 7.500rpm. Οι αισθητήρες knock έκαναν καλά τη δουλειά τους, καθώς στο μέγιστο φορτίο υπήρχε ελάχιστη κρουστική καύση (πηράκια). Με τα περίπου 1.500 κυβικά, στα 2,2bar η ροπή φθάνει τα 38,7kgm, ενώ με 2,1bar στις 7.500rpm έχει 360 αντί 400 άλογα. Το ωφέλιμο εύρος λειτουργίας του μοτέρ είναι 5.500-7.250rpm, με επίπεδη καμπύλη ροπής από 3.500-7.500rpm, ενώ η μέγιστη πίεση 2,4bar παρατηρείται στις 3.500rpm. Σε ό,τι αφορά τους χρόνους, το ZEOD RC με τον κεκ πέτυχε χρόνο 220'' που θεωρείται πολύ καλός και έκανε τον “ηλεκτρικό” γύρο σε 262'', ενώ υπάρχει δυνατότητα για 240''. Αυτό που δεν μέτρησαν, όμως, και θα είχε σίγουρα εντυπωσιακό αποτέλεσμα, είναι ο χρόνος με συνδυασμό κεκ/ηλεκτρικών, σε πλήρη, δηλαδή, υβριδική μορφή. Καλά, δεν είχαν καθόλου περιέργεια οι άνθρωποι? Εκτός αν το έκαναν και δεν θέλουν δημοσιοποίηση του αποτελέσματος για δικούς τους λόγους. Άντε για καμιά βουτιά τώρα και να δούμε πού θα κάνουμε τράκα κάνα σουβλάκι έτσι που καταντήσαμε…