Υβριδική τεχνολογία

H τεχνολογία για την οικολογία (4T 324, 9/1997)

Πρωτότυπο άρθρο
της Αλεξανδρινής Πέτρου

Αν πιστεύετε ότι ο δρόμος για τα «καθαρά» αυτοκίνητα είναι μια ευθεία, τότε τα υβριδικά αυτοκίνητα έρχονται να αποδείξουν μάλλον τον αντίθετο. Ο συνδυασμός ενός ηλεκτροκινητήρα και ενός θερμικού κινητήρα ακολουθεί την τεθλασμένη― όσο παράδοξος όμως και να φαίνεται, μπορεί να καλύψει τις αδυναμίες και των δύο, εκμεταλλευόμενος την ιδανική λειτουργία του καθενός.

Έχει λόγο ύπαρξης ένα υβριδικό αυτοκίνητο;

Εκ πρώτης όψεως, ο σχεδιασμός ενός υβριδικού συστήματος μετάδοσης κίνησης φαίνεται μάλλον ανορθόδοξος μηχανολογικά. Η συνδυασμένη χρήση δύο διαφορετικών πηγών ισχύος, συνήθως ενός ηλεκτροκινητήρα και ενός θερμικού κινητήρα -εν σειρά ή παράλληλα- επιφέρει μεγαλύτερη πολυπλοκότητα και φυσικά απώλειες, οι οποίες δύσκολα μπορούν να αντισταθμιστούν. Όσο κι αν φαίνεται όμως περίεργο, ο έξυπνος σχεδιασμός μπορεί να δημιουργήσει συνθήκες κατά τις οποίες και οι δύο πηγές ενέργειας λειτουργούν με τη μέγιστή τους απόδοση.
Για παράδειγμα, σε ένα σύστημα τέτοιου τύπου η τελική μετάδοση της κίνησης γίνεται από έναν ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος τροφοδοτείται είτε από τη γεννήτρια, μέσω του θερμικού κινητήρα εσωτερικής καύσης, είτε μέσω της μπαταρίας. Σε περίπτωση που το αυτοκίνητο κινείται με σταθερή ταχύτητα, προτιμάται ο θερμικός κινητήρας, ο οποίος λειτουργεί στις στροφές μέγιστης απόδοσης έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η μέγιστη οικονομία. Από την άλλη, όταν δεν υπάρχει μεγάλη απαίτηση ισχύος, π.χ. για την κίνηση μέσα στην πόλη, η μπαταρία παρέχει την απαιτούμενη ενέργεια, ενώ παράλληλα οι εκπεμπόμενοι ρύποι πέφτουν στο μηδέν.
Για την Τογιότα τα υβριδικά αυτοκίνητα δεν αποτελούν κάτι καινούριο, μιας και πριν από 30 σχεδόν χρόνια οι μηχανικοί της εταιρίας είχαν τοποθετήσει μια υβριδική διάταξη σ? ένα πειραματικό διθέσιο S800.
Ο θερμικός κινητήρας εκείνου του μοντέλου παρήγαγε την ηλεκτρική ενέργεια που απαιτούσε ο ηλεκτροκινητήρας για την κίνηση του αυτοκινήτου. Σήμερα, ακολουθώντας το δρόμο προς τα αυτοκίνητα χαμηλών ρύπων και κατανάλωσης, οι μηχανικοί της εταιρίας παρουσιάζουν το THS (Toyota Hybrid System), ένα σύστημα μετάδοσης το οποίο είναι πολύ πιθανόν ότι θα κινεί τα αυτοκίνητα της επόμενης δεκαετίας.
324-1.jpg
Σχήμα 1: Το υβριδικό σύστημα της Τoyota σε τομή. Από αριστερά προς τα δεξιά: θερμικός κινητήρας, γεννήτρια, πλανητικό σύστημα μετάδοσης και ηλεκτροκινητήρας.

Το υβριδικό σύστημα της Τoyota

Με μια πρώτη ματιά η διάταξη της Τoyota δε φαίνεται να διαφέρει από παρόμοια συστήματα που έχουν παρουσιαστεί μέχρι τώρα. Τα βασικά του τμήματα είναι ο κινητήρας εσωτερικής καύσης, η ηλεκτρογεννήτρια, ο ηλεκτροκινητήρας και η μπαταρία.
Η πρώτη του ιδιαιτερότητα εμφανίζεται στο ότι η κίνηση από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης μεταφέρεται μέσω ενός πλανητικού συστήματος μετάδοσης, το οποίο έχει τη δυνατότητα να τη μοιράσει στους τροχούς και στη γεννήτρια. Έτσι, μέρος της μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια του αυτοκινήτου και το υπόλοιπο σε ηλεκτρική -μέσω ενός μετασχηματιστή συνεχούς ρεύματος-, με την οποία φορτίζεται o συσσωρευτής.
Μ' αυτόν τον τρόπο ο κινητήρας λειτουργεί μόνιμα σε ένα συγκεκριμένο εύρος στροφών λειτουργίας, όπου παρουσιάζει τις μέγιστες τιμές ροπής και απόδοσης, εξασφαλίζοντας τη μέγιστη οικονομία καυσίμων. Επίσης, όταν το αυτοκίνητο σταματά ή επιβραδύνει, ο κινητήρας σβήνει αυτόματα.
Το κύριο χαρακτηριστικό του συστήματος είναι η ευελιξία που παρουσιάζει στη χρήση όλων των πηγών ενέργειας, δημιουργώντας σε κάθε περίπτωση το βέλτιστο συνδυασμό του θερμικού κινητήρα της μπαταρίας και της ηλεκτρογεννήτριας. Στην περίπτωση που οι απαιτήσεις ισχύος είναι χαμηλές, όπως κατά την εκκίνηση ή κατά την κίνηση σε χαμηλή ανωφέρεια, όπου ο κινητήρας θα λειτουργούσε εκτός της βέλτιστης περιοχής στροφών, η κίνηση προέρχεται από τον ηλεκτροκινητήρα ο οποίος τροφοδοτείται από την μπαταρία, με το θερμικό να παραμένει εκτός λειτουργίας.
Στην κανονική οδήγηση ο θερμικός κινητήρας μπαίνει σε λειτουργία δίνοντας κίνηση στους τροχούς, ενώ ταυτόχρονα μέρος της ισχύος του κινεί την ηλεκτρογεννήτρια, η οποία με τη σειρά της τροφοδοτεί τον ηλεκτροκινητήρα, που λειτουργεί υποβοηθητικά.
Στην περίπτωση που ο οδηγός απαιτήσει μεγαλύτερη ισχύ, όπως για παράδειγμα σε μία επιτάχυνση, τότε συνδέεται και η μπαταρία η οποία τροφοδοτεί με την επιπλέον ενέργεια τον ηλεκτροκινητήρα.
Αντίθετα, όταν το αυτοκίνητο πρέπει να φρενάρει ή να επιβραδύνει, ο κινητήρας σβήνει και η αδράνεια των τροχών κινεί τον ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος λειτουργεί σα γεννήτρια, φορτίζοντας έτσι την μπαταρία. Έτσι γίνεται ανάκτηση της κινητικής ενέργειας, που σε ένα συμβατικό αυτοκίνητο μετατρέπεται σε θερμική μέσω των φρένων και πηγαίνει χαμένη, με μετατροπή της τελικά σε ηλεκτρική. Η χρησιμότητα της διάταξης αυτής φαίνεται κυρίως κατά την κίνηση μέσα στην πόλη με το συνεχές «σταμάτα - ξεκίνα».
Εκτός όμως από την περίπτωση του φρεναρίσματος, η φόρτιση της μπαταρίας γίνεται και από τη γεννήτρια, όταν η τάση της πέσει κάτω από κάποιο επιτρεπόμενο όριο.
Στην επιλογή του θερμικού κινητήρα οι σχεδιαστές της Τoyota προτίμησαν μία μάλλον ιδιαίτερη λύση, έναν κινητήρα χωρητικότητας 1,5 λίτρων, του οποίου η λειτουργία βασίζεται στον κύκλο του Atkinson-Miller. Χαρακτηριστικό του είναι το μικρό εύρος στροφών λειτουργίας, αφού το όριο περιστροφής του είναι οι 4.000 σ.α.λ., αλλά και και το γεγονός ότι η σχέση συμπίεσης είναι διαφορετική από τη σχέση εκτόνωσης (9:1 για την πρώτη και 14:1 για την δεύτερη). Αυτό επιτυγχάνεται αφήνοντας ανοιχτές τις βαλβίδες εισαγωγής κατά τη διάρκεια της συμπίεσης του καύσιμου μίγματος, προκειμένου μέρος του αέρα που έχει εισαχθεί στον κύλινδρο να επιστρέφει στην εισαγωγή, με αποτέλεσμα να καθυστερεί η συμπίεση. Μ’ αυτόν τον τρόπο η πίεση στην εισαγωγή αυξάνεται, μειώνοντας έτσι τη διαφορά πίεσης του αέρα πριν και μετά την πεταλούδα, ενώ παράλληλα αποφεύγεται και η προανάφλεξη του μίγματος.
Στην πράξη το αποτέλεσμα είναι η μείωση των απωλειών άντλησης και τριβής κατά την εισαγωγή του αέρα. Οι κινητήρες αυτού του τύπου διακρίνονται τόσο για τη χαμηλή τους κατανάλωση όσο και για τη μικρή ισχύ τους. Επίσης, ο χαμηλός αριθμός στροφών επιτρέπει τη χρήση μικρότερων και ελαφρότερων εξαρτημάτων, όπως πιο λεπτό και ελαφρύ στροφαλοφόρο, έμβολα και διωστήρες.
Την εφαρμογή της λειτουργίας διευκόλυνε και η χρήση του συστήματος μεταβλητού χρονισμού των βαλβίδων, το οποίο έχει εφαρμοστεί και σε άλλους κινητήρες της Τoyota.
Το σύστημα μετάδοσης είναι από τα πιο ενδιαφέροντα τμήματα και η καρδιά του είναι το πλανητικό σύστημα κατανομής της κίνησης, που συνδέει τις κινητήριες μονάδες μεταξύ τους μέσω μιας αλυσίδας με το διαφορικό και τους κινητήριους τροχούς. Μέσα στο ίδιο αλουμινένιο περίβλημα περιλαμβάνεται και η γεννήτρια με τον ηλεκτροκινητήρα, χωρίς όμως αυτό να σημαίνει και αύξηση του μεγέθους, αφού το συνολικό του μήκος είναι το ίδιο με ενός αυτόματου κιβωτίου ταχυτήτων.
Ο άξονας του κινητήρα συνδέεται με τα γρανάζια των «πλανητών», μεταφέροντας έτσι την κίνηση στον εξωτερικό δακτύλιο (ο άξονάς του συνδέεται με τον άξονα εξόδου και τον ηλεκτροκινητήρα) και στο κεντρικό γρανάζι «ήλιο» (του οποίου ο άξονας κινεί τη γεννήτρια). Μπλοκάροντας τον «ήλιο», όλη η κίνηση μεταφέρεται στον άξονα εξόδου ενώ, όταν ο κινητήρας είναι σβηστός, η γεννήτρια τροφοδοτεί τον ηλεκτροκινητήρα που κινεί τους τροχούς.
Τέλος, οι μπαταρίες είναι νικελίου/ υδριδίου μετάλλου και σχεδιάστηκαν ειδικά για το THS σε συνεργασία με την Panasonic. Συγκρινόμενες με αυτές που χρησιμοποιούνται στο ηλεκτρικό RAV-4 έχουν 3,5 φορές μεγαλύτερη χωρητικότητα ενέργειας και μόλις το ένα ένατο του όγκου ανά μονάδα. Έτσι χωράνε εύκολα πίσω από το πίσω κάθισμα, αφήνοντας αρκετό χώρο διαθέσιμο στο πορτ μπαγκάζ. Σε αντίθεση με τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα δε διαθέτουν φορτιστή για εξωτερική φόρτιση, αλλά φορτίζονται κατευθείαν από τη γεννήτρια, ενώ ένα κύκλωμα ελέγχου φροντίζει να έχουν σταθερή τάση.
324-2.jpg
Σχήμα 2: Το πακέτο συσσωρευτών περιλαμβάνει εξελιγμένες μπαταρίες νικελίου/ υδριδίου μετάλλου και είναι τοποθετημένο πίσω από τα πίσω καθίσματα.
324-3.jpg
Σχήμα 3: Ο μετατροπέας ρεύματος φροντίζει για τη μετατροπή του συνεχούς ρεύματος από την μπαταρία σε εναλλασσόμενο για τον ηλεκτροκινητήρα και το εναλλασσόμενο της γεννήτριας σε συνεχές για τη φόρτιση της μπαταρίας.
324-4.jpg
Σχήμα 4: Τομή του υβριδικού κινητήρα και της μετάδοσης
324-5.jpg
Σχήμα 5: Το πλανητικό σύστημα μετάδοσης φροντίζει για τη σύνδεση του θερμικού κινητήρα, της γεννήτριας και του ηλεκτροκινητήρα.

Το αποτέλεσμα μετράει

Μετά από μια τέτοια τεχνολογική ξενάγηση το ερώτημα που παρουσιάζεται είναι αν το THS αξίζει τον κόπο και την επένδυση, κρινόμενο από το αποτέλεσμα. Ξεκινώντας από το θέμα των εκπεμπόμενων ρύπων, τα αυτοκίνητα με THS συγκρινόμενα με συμβατικά αυτοκίνητα με καταλύτη, εκπέμπουν 50% λιγότερο CO2 και μόλις το ένα δέκατο CO, HC και NOx. Επιπλέον όμως προσφέρουν και διπλάσια οικονομία καυσίμου, αφού στον ιαπωνικό κύκλο μετρήσεων έφτασαν τα 28 χιλιόμετρα/ λίτρο σε σχέση με τα 14 χιλιόμετρα/ λίτρο ενός συμβατικού αυτοκινήτου.
Αυτό όμως που πραγματικά εκπλήσσει, είναι οι επιδόσεις των αυτοκινήτων με THS, οι οποίες δεν υστερούν καθόλου σε σχέση με αυτές ενός μοντέλου με συμβατικό κινητήρα και αυτόματη μετάδοση. Οι μετρήσεις επιδόσεων έδειξαν ότι οι ρεπρίζ από τα 20 έως τα 50 χλμ/ώρα είναι ίδιες, ενώ στην περίπτωση της επιτάχυνσης από τα 40 έως τα 70 χλμ./ώρα οι επιδόσεις των αυτοκινήτων με THS είναι καλύτερες.
Αυτό όμως που ικανοποιεί περισσότερο είναι ότι η επιτάχυνση του αυτοκινήτου είναι ομαλή, λόγω του εξελιγμένου συστήματος μετάδοσης, χωρίς τα απότομα τινάγματα του κικ-ντάουν, που παρουσιάζει ένα συμβατικό αυτόματο κιβώτιο. Σήμερα, μετά τον κινητήρα άμεσου ψεκασμού και το ηλεκτρικό RAV 4, οι άνθρωποι της Τοyota έρχονται να παρουσιάσουν ένα συνδυασμό λύσεων, αποδεικνύοντας ότι στα εργαστήρια της εταιρίας τους η έρευνα για τα οχήματα χαμηλών ρύπων είναι πολύπλευρη και εκτεταμένη. Βέβαια, θα περάσει τουλάχιστον μια 15ετία μέχρι να δούμε ποιο απ’ όλα τα συστήματα (ή και κανένα) θα επικρατήσει κινώντας τις «Κορόλα» του μέλλοντος.