Autotechnika szakfolyóirat
Autotechnika szakfolyóirat
2019. szeptember | Olvasson bele!

A turbóhibrid és a Range Extender koncepciók 1. rész

Az utóbbi évek egyik leginkább megfigyelhető autóipari trendje, hogy a járművek hajtása egyre szorosabb kapcsolatba kerül az elektronika világával. Az AVL, a világ egyik legismertebb, grazi központú gépjárműkutató-fejlesztő intézete, 2025-ig szóló előrejelzése ennek a folyamatnak a további felgyorsulását vetíti előre. Ennek megfelelően láttak munkához a graziak.


1. ábra: a villamosítás mértéke – rövid távú prognózis

Elektronika a járművekben

A járműveket, és azon belül is a meghajtásért felelős részegységeket az utóbbi években egyre inkább átszövi az elektronika. Minden mai motornál megtalálható az indítómotor és a generátor vagy egybe integrált egységük. Azonban már a közeljövőben nőni fog az olyan hajtóegységek részaránya, amelyekben az elektronika az erőátvitelbe bevezetett vagy onnan elvezetett nyomaték formájában is megjelenik.

Az 1. ábra a közeljövőben forgalomba kerülő új járművek részarányát mutatja az elektronizációjuk függvényében. Az abszcissza bal oldala a tisztán belső égésű motorral történő járműhajtást reprezentálja, a jobb oldal pedig a tisztán elektromos meghajtást jelenti. Az ábra bal oldala olyan járműveket szemléltet, amelyek teljesen mentesek a hibridizációtól. Jobbra haladva az első kis tüske a mikrohibrideket szimbolizálja. A második csúcs az egyre növekvő piaci részesedéssel bíró párhuzamos hibrideket reprezentálja. Az erőmegosztó (power split) járművek is egyre nagyobb számban vannak jelen a piacon.


2. ábra: az elektrifikáció mértéke – 2025-ös prognózis

A járművek villamosítása a jövőben egyre intenzívebb lesz, így az egyes járműhajtások részaránya az AVL szerint a 2. ábrán láthatóak szerint alakul. Mivel a moduláris koncepciók lehetővé teszik a járműhajtások fokozatos villamosítását, és már a jelenlegi kezdeti lépések is komoly tüzelőanyagfogyasztás-csökkenést eredményeztek, ezért minden más alternatív járműhajtási rendszernél nagyobb részarány valószínűsíthető ezeknek.

Jóllehet, a tisztán elektromos meghajtású járművek száma számottevően nőni fog, piaci részarányukat felülmúlja majd a hatósugár-növelővel ellátott akkumulátoros járműveké, ugyanis az akkumulátorok forradalmasítása nélkül azok a jövőben is igen költségesek és nagy helyigényűek lesznek, így a korlátozott hatótávolsággal a jövőben is számolni kell, amit azonban nem fogad el mindenki. A hatósugár-növelő modulokat jelen ismereteink szerint tüzelőcellával vagy hagyományos belső égésű motorral lehet megvalósítani.

Ahhoz, hogy hidrogént tudjunk tankolni, még a Lajtán túl is gyakorlatilag teljesen hiányzik a szükséges infrastruktúra, valamint a tüzelőcella előállítási költsége is többszöröse egy belső égésű motorénak, így ezen a területen nem várható érdemi áttörés az említett időintervallumban. Ezzel máris eljutottunk a jövő járműhajtásához: ez nem egyéb, mint egy nagymértékben összehangolt mechatronikus rendszer, amely belső égésű motorból, nyomatékváltóból, elektromotor(ok)ból, energiatárolókból (akkumulátor/szuperkondenzátor) és szofisztikált vezérlőrendszerből áll.

A megfelelő piaci pozicionálás kulcsa a rendszeroptimalizálásban rejlik (3. ábra). Az egyes alrendszerek fejlesztési potenciáljának különböző mértékű kiaknázásával számos lehetőség adódik a hajtásrendszerek összetételét illetően.


3. ábra: rendszeroptimalizálás

A lehető legjobb költség/haszon arány elérése érdekében új motorkoncepciókat fejlesztenek, ahol a hangsúly a különböző alrendszerek optimalizálásán van, úgymint belső égésű motor, erőátvitel, elektromos motor, akkumulátor és ezek szabályozása. Mindezekre két koncepciót is kidolgoztak az ún. turbóhibridet (Turbohybrid) és a hatósugár-növelőt (Range Extender).

Turbóhibrid

A belső égésű motorra további funkciókat bíznak, ami által egyszerűsödik az elektromos rendszer. A belső égésű motor túltöltésével, illetve nagy teljesítményigény esetén elektromotor támogatásával kedvező költségszinten valósítható meg a fogyasztáscsökkentés. A belső égésű motor túltöltése alatt azt kell érteni, hogy az akkumulátorok töltését a motor szükség esetén állandóan biztosítja, vagyis a menetellenállások leküzdéséhez szükségesnél nagyobb teljesítménnyel üzemel. Ez kisebb kapacitású akkumulátorok alkalmazását teszi lehetővé, így az egész hibrid rendszer ára csökkenhet. Továbbá töltéskor a belső égésű motor a jellegmezőjének egy nagyobb terhelési állapothoz tartozó, kedvezőbb fajlagos tüzelőanyag-fogyasztású pontjában üzemel, azaz kedvezőbb lesz a fogyasztás. Mindez úgy ültethető át a gyakorlatba, hogy eközben a vezethetőség nem szenved csorbát.

Az AVL Turbohybrid koncepciója egy kiváló példa a rendszeroptimalizálásra a párhuzamos hibridek területén. Downsizing, downspeeding, hibridizáció és turbófeltöltés olyan optimális kombinációja, amelynek segítségével nemcsak a tüzelőanyag-fogyasztás csökkenthető, de a vezetési élmény is fokozható.

A tüzelőanyag-fogyasztás, vagy más olvasatban a CO2-kibocsátás, illetve az ennek mérséklésével összefüggő rendszerköltségek jelentik kétségkívül a legfontosabb tényezőt a jövőbeli hajtásrendszerek fejlesztésénél. A gyakorlat azonban azt mutatja, hogy az olyan koncepciókat nehéz elfogadtatni a vásárlóközönséggel, amelyeket kizárólag a tüzelőanyag-fogyasztás visszaszorítására fókuszálva fejlesztettek. Hasonló áron kínált azonos fogyasztású hajtásrendszerek esetén természetesen annak lesz nagyobb a piaci súlya, amelyik élvezetesebben vezethető.

Azok az intézkedések, amelyeket a fogyasztás csökkentése érdekében foganatosítanak, természetesen hatással vannak a vezetési élményre, és viszont. Ez a kapcsolatrendszer látható a 4. ábrán.


4. ábra: a vezethetőség és a tüzelőanyag-fogyasztás kapcsolata

Az x tengelyen jobbra haladva egyre nő az egységnyi tüzelőanyaggal megtehető távolság, vagyis csökken a tüzelőanyag-fogyasztás. Ezek az értékek nem növelhetők/csökkenthetők a végtelenségig. Egy adott technológiával hamar elérhető a szélsőérték.

hirdetés

Az y tengelyen vezetési élmény van feltüntetve. Az AVL Drive rendszerrel mért vezethetőség megfelel az ATZ fokoknak (Autotechnische Zeitschrift). Értéke 1 (vezethetetlen) és 10 (kiváló) között alakulhat. Ebben az esetben is beszélhetünk szélsőértékről, pl. amikor a teljes aszfaltra vihető vonóerőt kihasználjuk, a sebességváltások észrevehetetlenül simák és a jármű azonnal leköveti a vezető utasításait stb.

Természetesen minden fejlesztőmunka célja olyan hajtásrendszer megalkotása, amely egyszerre biztosítja a kedvező tüzelőanyag-fogyasztást és a kiváló vezetési élményt. Valójában azonban komoly kompromisszumra kényszerülnek a mérnökök. Az ábra segítségével szemléletesen nyomon követhetjük a hajtásrendszerben véghezvitt különböző változtatások hatását a tüzelőanyag-fogyasztásra és a vezetési élményre. Például az üzemi pont eltolása a nagyobb terhelési állapotok és alacsonyabb fordulatszámok irányába egy hosszabb végáttétellel (downspeeding) általában kedvező hatással van a fogyasztásra. A gyorsításra fordítható erőtartalék csökkenése miatt azonban a vezetési élmény csorbul.


5. ábra: turbóhibrid hajtásrendszer-koncepció

A vezetési élmény csökkenése turbófeltöltő alkalmazásával kompenzálható.

A tüzelőanyag-fogyasztás csökkentésének egy másik bevált módszere a lökettérfogat csökkentése (downsizing). Az üzemi pont ebben az esetben is a nagyobb terhelési állapotok felé tolódik el, változatlan végáttétel mellett. Ekkor is csökkenni fog a gyorsításra fordítható erőtartalék, amit például gyenge (mild) hibridizációval lehet ellensúlyozni. Ez egyúttal lehetővé teszi a mozgási energia egy részének rekuperációját, illetve a start/stop rendszer megvalósítását a járműben.

Az AVL Turbohybrid koncepció felvonultatja eszköztárában mind a downsizingot és downspeedinget, illetve a turbófeltöltést és a hibridizációt is. Ezt a koncepciót aztán 2008-ban egy demo autóba építve is bemutatták annak érdekében, hogy az említett előnyöket a gyakorlatban is igazolják. Flexibilis platformként tervezték meg az említett hajtásrendszert, amely így számos konfigurációban kerülhet kiépítésre, különös tekintettel a különböző teljesítmény- és nyomatékkarakterisztikákra, illetve különböző erőátviteli rendszerek vizsgálatát is lehetővé teszi a fejlesztés egy következő stádiumában.

Első lépésként egy 2,0 literes Valvetronic motort helyettesítettek egy 1,6 literes sorozatgyártású belső égésű motorral, amelyet az AVL tovább optimalizált. A hibrid modul jelen kiépítésében 23 kW csúcsteljesítményt szolgáltathat, tartósan pedig 14 kW-ot, jóllehet a Bosch által szállított egység 38 kW-ot is tud.

Az elektromotorral egy egységbe integrált, a LuK által szállított tengelykapcsolót, amely a belső égésű motor és az elektromotor szétkapcsolását hivatott szolgálni, a rendszer ezen kiépítésében nem használják.

Energiatárolóként a Li-ion akkumulátorok és szuperkondenzátor jöhetnek szóba, amelyek közül az utóbbival van ellátva a rendszer. A végáttételt meghosszabbították egy szimuláció során meghatározott optimális értékig.

Ezt a gyenge hibrid hajtóegységet egy 2006-os modellévből származó BMW 320i-be építették be. Ezen kívül azonban semmiféle további mechanikai változtatást nem alkalmaztak a járművön.


6. ábra: turbóhibrid hajtásrendszer – rendszerintegráció

A viszonylag kis lökettérfogatú, erősen feltöltött turbómotor jóval nagyobb hasznos effektív középnyomásmezővel rendelkezik a jellegmezejében, mint a szívómotor. A hosszabb végáttétel miatt azonban a vonóerő kis fordulatszámok esetén akár a változatlan végáttétellel rendelkező szívómotoros jármű által biztosított érték alá is csökkenhet, amint az a 7. ábrán bejelölt tartományban látszik.


7. ábra: turbóhibrid demojármű vonóerődiagramja

Az elektromotor támogatásával kis motorfordulatszám mellett is lehetséges lényegesen nagyobb vonóerőt kifejteni, mint egy szívómotorral. Az energiamenedzsment rendszer lényege, hogy ez az időleges támogatás mindig rendelkezésre álljon, hiszen a gyorsításhoz szükséges támogatás hiánya meglehetősen negatívan befolyásolja a vezető járműről kialakult képét.

Az AVL egy olyan újratöltési koncepciót dolgozott ki, amellyel nem túl intenzív gyorsítás esetén a turbómotor ideiglenesen rendelkezésre álló túltöltési kapacitását is ki lehet használni az energiatárolók újratöltésére.

A megfelelő mérési eredmények a 8. ábrán láthatóak. Gyorsításkor eleinte az elektromotor támogatja a belső égésű erőforrást, így együtt alacsonyabb fordulatszámon is lényegesen jobban gyorsítják a járművet, és hamarabb eléri a belső égésű motor a maximális nyomatékhoz tartozó fordulatszám-tartományt. Az ezt követő túltöltéses (overboost) szakaszban a motor nyomatéka átmenetileg meghaladja az állandósult állapot fenntartásához szükséges nyomatékot. A többletet az elektromotor használja fel (generátor üzemmódban) a fedélzeti energiatárolók újratöltésére. Mivel ekkorra a motor fordulatszáma már nagyobb, mint a gyorsítás kezdetén, ezért kisebb nyomatéktöbblet is elégséges az azonos mennyiségű elektromos energia előállításához. Ezen stratégia alkalmazása esetén a belső égésű motor gyakrabban üzemel nagyobb terhelési állapotokban, ahol a fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás kedvezőbb, továbbá számottevően kisebb és olcsóbb energiatárolókkal meg lehet oldani a hibridizációt.


8. ábra: turbóhibrid mérési eredmény – 30–90 km/óra teljes terhelési gyorsítás 3. fokozatban

A demo járművel elért eredmények egyértelművé teszik az új rendszer előnyeit a kiindulási alapul szolgáló járművel összevetve. 24%-os fogyasztáscsökkenést sikerült elérni, miközben a vezetési élmény is javult (9. ábra). A 2008-as modellévben bevezetett „Hatékony Dinamika” (Efficient Dynamics) beavatkozáson átesett (rétegezett keverékképzés, start/stop rendszer, intelligens generátor) járműveket alapul véve a turbóhibridizációval 17%-kal tovább csökkenthető azok tüzelőanyag-fogyasztása is, miközben a vezethetőség ezúttal is tovább javulhat. Nem véletlen tehát, hogy minden olyan potenciális ügyféltől pozitív visszajelzés érkezett, akiknek bemutatták a kísérleti járművet.


9. ábra: tüzelőanyag-fogyasztás (NEDC) és vezethetőség

(Folytatjuk!)


Kapcsolódó dokumentum:


16-19


Tetszett a cikk?

hirdetés

hirdetés