Valeo EG generátor

A gépjárműgenerátorok teljesítőképessége a századunk elejéhez képest napjainkra jelentősen, mintegy 40%-kal fokozódott. A 2000-es évek elején az átlagos áramuk 105 A volt, a legnagyobbaké kb. 140 A. Ma az átlagáram 145 A, a csúcsmodelleké pedig 300 A. Nem kell a ma technikáját ismerőknek bizonyítani, hogy a villamos teljesítmény igényt mi növeli meg. A stop-start rendszert vegyük első helyre, az elektromos szervók, legalább 60 kis villanymotor, a világítások, komfortberendezések, sokáig sorolhatnánk. Az áram kis motorfordulatszámon már szükséges, ez újabb kihívást jelent.

A generátor mechanikai munkát alakít át villamos energiává, és ezt mint villamos gép, sajnos komoly veszteséggel teszi. A Valeo példával is szolgál: a hajtás teljesítménye 1460 watt, a generátor állórészvesztesége 167 W, a forgórész vesztesége 72 W, az egyenirányításé 138 W. A villamos kimenő teljesítmény 1050 W. A hatásfoka tehát 72%. Ez nem is rossz érték! Sajnos nem ilyen jó az eredmény, ha a teljes energetikai folyamot nézzük, a benzintől a leadott villamos teljesítményig, benne a motor effektív hatásfoka és a generátor szíjhajtásának a hatásfoka sem hanyagolható el. A végeredmény alig több mint 20%. Tehát kell itt találni néhány százalékot, mert minden százalék számít!

A veszteségek

A generátorban mechanikai veszteségekkel (csapágysúrlódás, ventiláció), elektromos és a mágneses kör veszteségeivel kell számolni.

Az állórész-tekercselésnél a hornyokban a vezetékkitöltést (sűrűséget) kell növelni, csökkenteni kell az ohmikus ellenállást, valamint fokozni kell a tekercs hűtését. A hűtés kulcstényező, 20 °C értékkel csökkentett hőmérsékletű állórésztekercs a vezeték-ellenállást 8%-kal csökkenti. Az eredmény +5 A és 1,5% hatásfokjavulást hozhat. Ha a fenti vezetékezési megfontolásokat is alkalmazzák, akár 2–4%-kal nőhet a hatékonyság, és 15–25 A áramnövekedést is eredményezhet.

A rotor esetében a szórt mágneses fluxus okozta veszteség a körmöspólusok között jelentős. Hagyományos konstrukcióknál ez elérheti a 35%-ot is. A megoldás ennek csökkentésére a körmöspólusok közé helyezett állandómágnes hasáb. A Valeo, mint írják, 10 éves munkával fejlesztette ki a sorozatgyártásra alkalmas technológiákat. Az eredmény különösen kis generátorfordulaton jelentkezik, több 10 amperrel nőhet az áramleadás.

Az egyenirányítás is jelentős veszteségforrás, mert a diódákon nagy a feszültségesés. A mai teljesítménydiódáknál a diódahíd vesztesége eléri a 10%-ot. A normál diódákéval azonos tokozású, nagy hatásfokú diódák nyitóirányú feszültségesése 28%-kal csökken 100 A-es terhelésnél és 25 °C hőmérsékleten. De ez is sok! A Valeo letért a diódás egyenirányítás folyamatos jobbításának útjáról, szakított a diódákkal. Az új megoldás a MOSFET (térvezérlésű tranzisztor) híd, 3 teljesítménymodulba rendezve. A Valeo ezt már a StARS indítógenerátorában használja, a teljesítményveszteség ötöde a diódás egyenirányításnak: mindössze 70 watt@ 200 A, míg a diódahidasé 350 W@200 A.

A Valeo korábbiaknál nagyobb hatásfokú generátorcsaládját EG, azaz Efficient Generation néven, magyarul „hatékony generáció” néven említi. A korábbi SG, TG és FG szériajelölést a 2., 3., és 4. EG, az e-generáció váltja.

Az EG generátort az Audi 4 és 6 hengerű benzin- és dízelmotorjai kapják meg. Először az új Audi A6 kapta meg (gyártáskezdet 2014. november), 2015 áprilisában és júniusában, most még meg nem nevezett modellekbe kerül. Egy konkrétum ismert, mely az alábbi adatokkal azonosított:

Az eredmények ezek alapján is meggyőzőek: 180 watt, 15 A plusz alapjáraton, azonos generátorméret mellett, érdemben növelt hatásfok. Ha nem szükséges a plusz teljesítmény, akkor a fenti optimalizációval kisebb méretű és tömegű generátor alkalmazható.

A lényeget azonban napjainkban nem a klasszikus villamos jellemzőkkel írják le, hanem azt kell kimutatni, hogy ezzel a generátorral az autó CO2-kibocsátásában milyen csökkenés érhető el. Ma az autógyártó erre „harap”.

Igazolni is kell tudni!

Az ilyen tartalmú hír ma még komoly újdonság, ahogy mondják, van hírértéke.

„Az Európai Unió Hivatalos Lapja tette közzé 2013. június 27-én a Bizottság 2013/341/EU végrehajtási határozatát, miszerint a 443/2009/EK európai parlamenti és tanácsi rendelet alapján a „Valeo Efficient Generation” generátort, mint a személygépkocsik szén-dioxid-kibocsátásának csökkentésére szolgáló innovatív technológiát jóváhagyták.”

Az EU a CO2-csökkentő – esetünkben autóipari – innovációkat, termékeket bevizsgáltatja, hogy meg­győződjön róla, a gyártók ezt nem csak marketingfogásból állítják-e. A következő elemzés az EU-előírás részletes bemutatása, a Valeo generátorának példáján. Ajánljuk tanároknak minden szinten, vizsgálóknak, szakértőknek, illetve mindenkinek, akinek az autóvillamosság a kedvenc szakterülete.

Mindennek előzménye és alapja az EURÓPAI PARLAMENT és a TANÁCS 443/2009/EK rendelete (2009. április 23.) a könnyű haszongépjárművek szén-dioxid-kibocsátásának csökkentésére irányuló közösségi integrált megközelítés keretében az új személygépkocsikra vonatkozó kibocsátási követelmények meghatározásáról.

A rendelet kimondja, hogy ezzel az Európai Unió célja, hogy megfelelő ösztönzőket teremtsen a járműipar számára az új technológiákba való beruházásra. A rendelet közvetlenül előmozdítja az ökoinnovációt és tekintetbe veszi a jövőbeni technológiai fejlődést. Az innovatív hajtástechnológiák fejlesztését különösen elő kell segíteni, mivel azok a hagyományos személygépjárműveknél jóval kisebb kibocsátást eredményeznek. Mindez elősegíti az európai ipar hosszú távú versenyképességét, és minőségi munkahelyeket teremt.

Az autóipari beszállítóknak is természetesen támogatniuk kell e cél elérését, ezt az autógyártók el is várják tőlük.

Ökoinnováció

A beszállító vagy gyártó kérésére figyelembe kell venni az innovatív technológiák alkalmazása révén elért CO2-csökkentéseket. E technológiák az egyes gyártók átlagos fajlagos kibocsátási célértékének legfeljebb 7 g CO2/km-rel való csökkentéséhez járulhatnak hozzá.

Annak a beszállítónak vagy gyártónak, amelyik valamilyen intézkedést innovatív technológiaként szeretne jóváhagyatni, jelentést kell benyújtania a Bizottságnak, amely tartalmaz egy független és tanúsított szervezet által készített ellenőrzési jelentést is. A Bizottság jóváhagyja az elért csökkentést a megadott kritériumok alapján.

A Valeo ökoinnovációja

A Valeo Equipments Electriques Moteur beszállító 2012. december 18-án kérelmet nyújtott be a Valeo Efficient Generation (EG) generátor innovatív technológiaként való jóváhagyására. Az Európai Unió Hivatalos Lapja 2013. június 27-én közzé tette a Bizottság 2013/341/EU végrehajtási határozatát, miszerint a 443/2009/EK európai parlamenti és tanácsi rendelet alapján a „Valeo Efficient Generation” generátort, mint a személygépkocsik szén-dioxid-kibocsátásának csökkentésére szolgáló innovatív technológiát jóváhagyták.

A kérelem szerint a Valeo EG generátor a VDA-módszer szerint legalább 77 százalékos hatásfokú. A generátor MOSFET térvezérlésű tranzisztorokat alkalmazó szinkron egyenirányítókkal van ellátva, ami nagy hatékonyságot eredményez.

Megállapítást nyert, hogy a Valeo bizonyította, hogy a kérelemben leírt típusú, nagy hatásfokú generátor megfelel a 725/2011/EU végrehajtási rendelet 2. cikke (2) bekezdésének a) pontjában foglalt jogosultsági kritériumoknak.

Hogyan történik a minősítő vizsgálat?

Annak meghatározásához, hogy járművekbe beépítve ez az innovatív technológia mekkora szén-dioxid-kibocsátás-csökkentést tesz lehetővé, meg kell határozni a viszonyítási alapul vett járművet, amelyhez az innovatív technológiával felszerelt jármű hatékonyságát hasonlítani kell. Egy 67%-os hatásfokú generátort megfelelő viszonyítási alapnak lehet tekinteni az új járműtípusba beépített innovatív technológia vizsgálatához. Amennyiben a Valeo EG generátort meglévő járműtípusba építik be, a forgalomban lévő adott típus legújabb gyári változatának generátorát kell viszonyítási alapul venni.

A Valeo kérelméhez csatoltan közread egy saját maga kidolgozta átfogó módszertant a CO2-kibocsátás csökkentésének vizsgálatára. Ez olyan képleteket tartalmaz, amelyek összhangban állnak a technikai iránymutatásban, az egyszerűsített megközelítésben a hatékony generátorokra vonatkozóan leírt képletekkel. A Bizottság úgy véli, hogy a vizsgálati módszer megfelelően ellenőrizhető, megismételhető és összehasonlítható eredményeket ad, és megvalósítható módon, szilárd statisztikai szignifikanciával tudja bizonyítani a vizsgált innovatív technológia szén-dioxid-kibocsátáscsökkentési hozadékait. A Bizottság megállapítása szerint az előzőek alapján a kérelmező kellően bizonyította, hogy az innovatív technológia legalább 1 g/km-rel csökkentette a szén-dioxid-kibocsátást. Ezek után a mérések elvégezhetőek a rendelet mellékletében foglalt módszerrel.

A vizsgálati eljárás

A vizsgálatokat az ISO 8854:2012 szabvány szerint kell elvégezni. A generátor hatékonyságát különböző – 1800, 3000, 6000, 10 000 min-1 – fordulatszámokon próbapadon végzett vizsgálatokkal kell meghatározni. A generátort minden fordulatszámon a legnagyobb terhelés 50%-ával kell terhelni. A hatékonyság kiszámításához az 1800, 3000, 6000, 10 000 min-1 fordulatszámok 25%, 40%, 25% és 10%-os időbeli megoszlását kell alkalmazni (lásd a technikai iránymutatás I. mellékletének 5.1.2. pontjában leírt VDA-módszert).

Ebből következik:

ηΑ = 0,25 · (η @1800 min-1 @0,5·IN) + 0,40 · (η @3 000 min-1@0,5·IN) + 0,25 · (η @6000 min-1 @0,5·IN) + 
0,10 · (η @10 000 min-1 @0,5·IN)

ahol:

ηΑ a generátor hatásfoka,

η hatásfok az egyes mért munkapontokon.

A generátor elektromos teljesítménnyé alakítja a kefe nélküli motor mechanikai teljesítményét. A kefe nélküli motor a nyomaték (Nm) és a forgási sebesség (rad/s) által meghatározott nagyságú teljesítményt hoz létre. A nyomatékot és a forgási sebességet a nyomatékmérővel, a fordulatszámot fordulatszámmérővel kell mérni. A generátor az általa termelt teljesítménnyel ellensúlyozza a hozzákapcsolt terhelést. Ez a teljesítmény a generátor feszültségének (U) és áramerősségének (I) szorzatával egyenlő.

A generátor hatásfoka az elektromos energia (a generátor teljesítménye) és a mechanikai energia (a nyomatékmérő teljesítménye) hányadosa, az energiák hányadosa, de mivel azonos ideig történik a vizsgálat, ezért az idő kiesik és marad a teljesítmények hányadosa

ηΑ = (U * I)/(T * ω),

ahol:

ηΑ = a generátor hatásfoka;

U = feszültség [V];

I = áramerősség (A);

T = nyomaték (Nm);

ω = a generátor tengelyének szögsebessége (rad/s).

A terhelést a generátor által 25 °C-on 6000 min-1 forgási sebességen garantált áramerősség 50%-ára kell beállítani. Például 180 A osztályú generátor használata esetén (25 °C-on és 6000 min-1 fordulatszámon) a terhelést 90 A-re kell állítani.

A generátor feszültségének és kimeneti áramerősségének minden fordulatszámon állandónak kell lennie: a feszültségnek 14,3 V-nak, az áramerősségnek pedig – 180 A-es generátor esetén – 90 A-nek kell lennie. A nyomatékot tehát minden fordulatszámon meg kell mérni a próbapad segítségével (lásd az 1. ábrát), és a fenti képlettel ki kell számolni a hatásfokot.

A mechanikai energia-megtakarítás elszámolható részének kiszámítása

A nagy hatékonyságú generátorral mechanikai energia-megtakarítást lehet elérni, amelyet két lépésben kell kiszámítani. Az első lépésben a „valós” körülmények között megtakarított mechanikai energiát kell kiszámítani. A második lépésben a típusjóváhagyás körülményei között megtakarított mechanikai energiát kell kiszámítani. A mechanikai energia-megtakarítás e két eredményét egymásból kivonva kapjuk meg a mechanikai energia-megtakarítás elszámolható részét.

A „valós” körülmények között megtakarított mechanikai energia kiszámítása

A „valós” körülmények között megtakarított mechanikai energia értékét az alábbi képlettel kell kiszámítani:

ΔΡm–RW = (PRW /ηΑ) – (PRW /ηΑEI),

ahol:

ΔΡm–RW = a „valós” körülmények között megtakarított mechanikai energia (W),

PRW = elektromos energia „valós” körülmények között, 750 W,

ηΑ = az összehasonlítási alapul szolgáló generátor hatásfoka,

ηΑEI = a nagy hatékonyságú generátor hatásfoka.

A megtakarított mechanikai energia meghatározása

A típusjóváhagyás körülményei között megtakarított mechanikai energiát az alábbi képlettel kell kiszámítani:

ΔΡm–TA = (PTA /ηΑ) – (PTA /ηΑEI),

ahol:

ΔΡm–TA = a típusjóváhagyás körülményei között megtakarított mechanikai energia (W),

PTA = elektromos energia a típusjóváhagyás körülményei között, 350 W,

ηΑ = az összehasonlítási alapul szolgáló generátor hatékonysága,

ηΑEI = a nagy hatékonyságú generátor hatékonysága.

A mechanikai energia-megtakarítás elszámolható részét az alábbi képlettel kell kiszámítani:

ΔΡm = ΔΡm–RW – ΔΡm–TA,

ahol:

ΔΡm = a mechanikai energia-megtakarítás elszámolható része (W),

ΔΡm-RW = a „valós” körülmények között megtakarított mechanikai energia (W),

ΔΡm-TA = a típusjóváhagyás körülményei között megtakarított mechanikai energia (W).

A szén-dioxid-kibocsátás csökkentésének kiszámítása

A szén-dioxid-kibocsátás-csökkentést a következő képlettel kell kiszámítani:

CCO2 = ΔΡm · VPe · CF/v,

ahol:

CCO2 = szén-dioxid-kibocsátás-csökkentés (g CO2/km),

ΔΡm = a mechanikai energia-megtakarítás elszámolható része (korábban kiszámított érték – kW),

VPe = Willans-tényezők (a tényleges tüzelő­anyag-fogyasztás: Otto-motor, benzin 0,264 l/kWh, Otto-motor, benzin, turbótöltött 0,28 l/kWh, dízel 0,22 l/kWh),

CF = átváltási tényezők: 1 liter benzinből 2330 g CO2 lesz, 1 liter gázolajból 2640 g CO2 lesz,

v = átlagos haladási sebesség az új európai menetciklusban 33,58 km/h.

A járművekbe beépítendő nagy hatékonyságú generátor

A Valeo EG generátor alkalmazása révén elért szén-dioxid-kibocsátás-csökkentés meghatározásához a generátorral felszerelt M1 kategóriájú gépjármű gyártójának ki kell jelölnie egy Valeo (EG) generátorral felszerelt ökoinnovatív gépjárművet és a következő, viszonyítási alapul vett gépjárművek valamelyikét:

a) ha az ökoinnovációs megoldás olyan új járműtípusba van beszerelve, amelyet új típusjóváhagyásra fognak benyújtani, a viszonyítási alapul vett járműnek minden tekintetben meg kell egyeznie az új járműtípussal, leszámítva a generátort, amelynek 67%-os hatékonyságú generátornak kell lennie; vagy

b) ha az ökoinnovációs megoldás olyan meglévő kivitelbe van beszerelve, amelynek típusjóváhagyását a meglévő generátornak az ökoinnovációs megoldásra való cseréje után ki fogják terjeszteni, a viszonyítási alapul vett járműnek minden tekintetben meg kell egyeznie az ökoinnovációs megoldással felszerelt járműtípussal, leszámítva a generátort, amelynek a jármű jelenlegi kivitelébe beszerelt generátornak kell lennie.

A típusjóváhagyó hatóságnak továbbá az e rendeletben előírt vizsgálati módszert alkalmazva, a viszonyítási alapul vett járművön és az ökoinnovatív járművön végzett mérések alapján kell tanúsítania a szén-dioxid-kibocsátás-csökkentést.

A Bizottság a 443/2009/EK rendelet 12. cikke értelmében vett innovatív technológiaként jóváhagyja a leg­alább 77 százalékos hatékonyságú, M1 kategóriájú járművekbe szánt Valeo Efficient Generation generátort.