A turbóhibrid és Range Extender koncepciók 2. rész

Hatósugár-növelő (Range Extender)

A hatósugár-növelőknek kétféle megközelítése létezik. Egyrészt lehetnek közvetlen meghajtásúak, másrészt indirekt meghajtású, tiszta hatósugár-növelők. Az utóbbival szemben támasztott követelmények teljesen eltérőek a napjaink belső égésű motorjaitól elvártaktól. A kiindulási alapot egy elektromos jármű képezi, a vásárlóközönség pedig olyan személyekből áll, akik elektromos autót szeretnének a garázsukban tudni. Az ár és a tömeg csökkentése érdekében az akkumulátornak a lehető legkisebbnek kell lennie; például a ritkán megtett hosszabb távokat nem fedi le a pusztán elektromos hatósugár. A belső égésű motor egy állandó, optimalizált üzemi pontban működik, amikor is tölti az akkumulátorokat. Ezek a tiszta hatósugár-növelők igen jó akusztikus tulajdonságokkal rendelkeznek és csekély a befoglalóméretük.

A hatósugár-növelőnek két megközelítése lehet (10. ábra). Egy „hagyományos” hibridet alapul véve az elektromos komponensek és energiatárolók mennyisége (térfogata, tömege, ára) szükségszerűen együtt növekszik a pusztán elektromos meghajtással elérni kívánt sebességgel. Az érem másik oldala azonban, hogy ezzel együtt egyszerűsödhet a mechanikus erőátvitel, egészen addig, amíg egy direkt meghajtást kapunk (például VW TwinDrive).

10. ábra: elektrifikáció – Range Extender

A hatósugár-növelő másik megközelítése szerint egy tisztán elektromos meghajtású járműből indulhatunk ki. Ekkor a hatósugár-növelő jóvoltából csökkenthető az energiatárolók tömege és a rendszer költsége, miközben számottevően növekszik a hatótávolság és az elektromos járművekénél lényegesen egyszerűbb utántölthetőség okán széles tömegek számára elfogadhatóbb helyváltoztatási alternatívát jelent (pl. Chevrolet Volt).

A közvetett módon hajtó, tiszta hatósugár-növelő koncepció jóvoltából az egész hajtásrendszer flexibilisebb, és egy sokkal kompromisszummentesebb tervezést, illetve a belső égésű motor messzemenő optimalizálását (egy üzemi pont) is lehetővé teszi.

Azt az adott gyártónak kell eldöntenie, hogy melyik elv szerint felépülő rendszert válassza, ami természetesen függ a jármű elsődleges felhasználási területétől is. A 11. ábrán látható, hogy Németországban az egyes, autóval megtett utazások 95%-a az 50 km-t nem haladja meg.

11. ábra: autóval megtett utak hosszának megoszlása

Kissé módosul a helyzet, ha figyelembe vesszük az autóval adott napon megtett összes út hosszát. Azonban a naponta autóval megtett úthosszak összességének 70%-a még ekkor sem haladja meg az 50 km-t (12. ábra). A tisztán elektromos meghajtású járművek elterjedésével ez az arány tovább csökkenhet. Azonban az ilyen járművek tulajdonosai sem szeretnének lemondani annak a lehetőségéről, hogy alkalomadtán hosszabb távokat is megtehessenek közlekedési eszközükkel.

12. ábra: naponta megtett távolságok megoszlása

A következő gondolatsor egy tisztán elektromos meghajtású elektromos városi autón alapul. Ezek a járművek is alkalmassá tehetőek egy hosszabb távolság megtételére. A 13. ábrán látható, hogy egy adott elektromos hatótávolság biztosítása milyen költségvonzattal jár. Az akkumulátor fajlagos költsége 250 és 500 euró közötti tartományban van feltüntetve, amely jelentősen kedvezőbb a napjainkban tapasztalható költségszintnél. 100 km távolság megtételéhez 20 kWh energiaszükségletet feltételezve a hajtásrendszer költsége 160 km-es elektromos hatótávolság biztosítása esetén 10 000 és 20 000 euró között alakul. A költséges akkumulátorok jelentős részét elhagyva – és csak mintegy 50 km-es tisztán elektromos hatótávolságot biztosítva, ami a napi használat során általában elégséges – és helyettük a hatósugár-növelőt alkalmazva a rendszer költsége mintegy 5400 és 12 200 euró közötti mértékben csökkenhet. Mindezt úgy, hogy közben a hatótávolság is számottevően – akár több száz kilométerrel – kitolódik.

13. ábra: tiszta hatósugár-növelő („GS20”) – költség-összehasonlítás

Egy újabb tervezési kritérium a hatósugár-növelő által biztosítható elektromos energia mennyisége. Ez számos változó függvénye. Ezek közül legfontosabb a jármű meghajtását biztosító elektromotor teljesítményfelvétele. Alapvetően magas feszültséget alkalmaznak a jobb gyorsítóképesség és a kisebb teljesítményveszteség miatt. Ennek a magas teljesítményszintnek a fenntartása azonban nem szükséges állandó jelleggel. A hatósugár-növelőt éppen ezért egy kisebb teljesítményszintre lehet méretezni, a jármű megfelelő gyorsításához szükséges többletenergiát az akkumulátorok biztosíthatják. Ehhez a stratégiához azonban elengedhetetlen, hogy az akkumulátorban mindig rendelkezésre álljon egy kis energiatartalék.

A 14. ábra egy energiahatékonysági diagramot mutat. Folytonos vonallal különböző menet-ellenállási görbék láthatók. Szaggatott vonalak jelölik azt az állapotot, amikor a segédberendezések meghajtására is energiát kell fordítani. Például egy 15 kW-os egység, amelynek teljesítménye a kerekeken mérve körülbelül 13 kW-nak felel meg, egy 1475 kg össztömegű járműbe építve 100 km/óra konstans sebességet tesz lehetővé. 2 kWh további akkumulátorkapacitással a hatótávolság 21 km 2%-os menetellenállásnál, 100 km/óra sebességgel haladva. A diagram segítségével tehát meg lehet határozni, hogy milyen állandó sebesség érhető el egy adott menetellenállás esetén, illetve hogy hány gyorsítás valósítható meg adott sebességről. Ezen adatok ismeretében az autógyártó könnyedén meghatározhatja a hatósugár-növelő szükséges teljesítményét.

14. ábra: tiszta hatósugár-növelő – teljesítményigény/energiatartalékra való hatás

4. Tiszta hatósugár-növelő – peremfeltételek

Amint a korábban írtakból látható, a hatósugár-növelővel szemben támasztott követelmények nagymértékben függenek a jármű elsődleges felhasználási területétől. A következőkben bemutatásra kerülő koncepciók kompakt méretük és rugalmas felépítésük okán meghatározóvá válhatnak az elektromos városi járművekben. A példákban bemutatott megoldások 15 kW tartós elektromos teljesítményre vannak méretezve. Ezek a koncepciók azonban a lépték növelésével könnyedén elérhetik a 30 kW-ot is. A járművel való kapcsolatot csupán az akkumulátorokhoz vezető elektromos vezetékek, a tüzelőanyag-betöltő cső, a CAN-busz hálózat, valamint a szívó- és kipufogóvezetékek jelentik. Minden egyéb részegység – beleértve a kipufogógáz-utókezelő és hűtőrendszert is – integrálva van a modulba. A tüzelőanyag-tartály szintén. Ennek mérete 10 liter, ami a hatótávolság több mint 200 kilométerrel való növelését is lehetővé teszi.

A belső égésű motorral szemben támasztott követelmények egy hatósugár-növelő esetén jelentősen eltérnek az általános felhasználási területen alkalmazottól. Egy ilyen rendszernél automatikusan be kell hogy kapcsoljon, amennyiben az akkumulátor töltöttségi szintje egy bizonyos érték alá csökken vagy a forgalmi szituáció ezt igényli; a járművezető nincsen rá közvetlen kihatással. Ezért a motor indulása/járása az ügyfél számára amennyire csak lehetséges, észrevétlenül kell hogy történjen. Elsőbbséget élvez tehát az akusztika és a kényelem. A rendszer egy létező akkumulátoros elektromos járműbe kerül beépítésre, miközben csekélyebb befoglalómérettel és tömeggel rendelkezik, mint az eredeti hajtásrendszer. A rendszer költsége is számottevően csökkenhet, még akkor is, ha az akkumulátorok egy része helyett a hatósugár-növelő kerül beépítésre. A korábbi megállapítások szerint a járműveket többségében olyan rövid távokon használják, amelyet lefed a tisztán elektromos hatótávolság, így a hatósugár-növelő üzemideje csekély lenne. Ekkor is fontos azonban a hatékony működés.

Mivel a belső égésű motor nem áll mechanikus kapcsolatban a kerekekkel, ezért a motort egy üzemi pontra lehetett optimalizálni. A motor indítását a generátor/indítómotor végzi. Így a belső égésű motor és a kipufogógáz-utókezelési rendszer is egyszerűbb felépítésű lehet.

5. Tiszta hatósugár-növelő – 4 ütemű soros motor

A követelmények maximális figyelembevételével fejlesztette ki az AVL a rendkívül kompakt 4 ütemű soros hatósugár-növelő egységét (15. ábra). A rendszer számos különlegességgel bír. Mivel a belső égésű motor egy üzemi pontban jár, ezért a rendszer felépítése számottevően egyszerűsödhet, hiszen soha nem fog fellépni túlterhelés, túlpörgetés vagy tranziens üzemállapot. Erre az üzemi pontra lehet optimalizálni a csapágyak méretét, ezzel is csökkentve a súrlódást. A gördülőcsapágyak alkalmazása lehetővé teszi az olajpumpa és a hengertömbben az olajfuratok elhagyását. A szelepvezérlést is messzemenően lehet optimalizálni, hiszen az egyetlen üzemi pont miatt nincs szükség annak állíthatóságára.

15. ábra: tiszta hatósugár-növelő („GS20”) – 4 ütemű soros motor

A szívó- és kipufogócsatornák optimalizálása könnyedén megvalósítható a rezonancia-térfogat célszerű megválasztásával, míg az akusztikus jellemzőket a frekvencián és annak „rendszámán” keresztül lehet az üzemi ponthoz igazítani. A főtengelycsapok elékelése és az integrált kiegyenlítőtengely együttesen kompenzálják az első- és másodrendű inerciaerőket. A középső főtengelycsapágy elhagyása lehetővé teszi a hengertömb függőleges osztását, amely a gyártás és összeszerelés terén jelent előnyt. A generátor a főtengely végére kerül beépítésre.

A generátor egy állandó mágneses szinkron motor, amelynek belső forgó részét mind tömeg, mind befoglaló méret tekintetében az előre meghatározott teljesítményszintre optimalizálták. Az egy fix üzemi pontban dolgozó belső égésű motorhoz igazított karakterisztika maximális hatásfokot eredményezett, a stabil nyomatékszint pedig kiváló akusztikus tulajdonságokhoz vezetett.

Ez az egység, a vezérléssel, szívó- és kipufogórendszerekkel, hűtőrendszerrel és tüzelőanyag-tartállyal, igen kompakt méretekkel rendelkezik (16. ábra).

16. ábra: tiszta hatósugár-növelő („GS20”) – 4 ütemű soros motor

Az egyes rendszereknél alkalmazható egyszerűsítések figyelembevételével, a megfelelő méretarányban megvalósítva az AVL által kidolgozott 2 hengeres, 4 ütemű motorkoncepció egyszerűen adaptálható. Annak valószínűsége azonban elenyésző, hogy az egész egység (pl. tüzelőanyag-tartállyal stb.) teljesen azonos formában jelenik meg különböző gyártók termékeiben. Jóllehet, számos alkatrészcsoportot lehet szabványosítani úgymint belső égésű motor, elektromotor vagy tengelykapcsoló.

Tiszta hatósugár-növelő – Wankel-motor

A követelmények teljesítésére egy érdekes alternatívát jelent a Wankel-motor, különösen a generátorral való nagyfokú integrációval (17. ábra).

17. ábra: tiszta hatósugár-növelő („GS20”) – Wankel-motor

Ebben az esetben is állandó mágneses aszinkron motor szolgál generátorként, ahol a belső forgórész egyúttal kiegyenlítő tömegként is szolgál. A befoglalóméreteket tekintve az egész rendszer igen kompakt (18. ábra).

18. ábra: tiszta hatósugár-növelő („GS20”) – Wankel-motor

Az egytárcsás Wankel-motorhoz érintőlegesen csatlakozik a szívó- és kipufogócsonk, ami maximális volumetrikus hatásfokot eredményez. Így lehetséges egy tüzelőanyag-fogyasztásra optimalizált, sztöchiometrikus üzemi pont elérése a teljes terhelési állapot alatt, mérsékelt kipufogógáz-hőmérsékletekkel.

A dugattyút egy olajfúvóka hűti, az excentrikus tengely gördülőcsapágyaival együtt. Az olajellátásról az excentrikus tengelyen lévő olajpumpa gondoskodik. Az olaj megfelelő tömítettségéről a bolygódugattyú két oldalán található olajlehúzó gyűrű gondoskodik.

A Wankel-motor régebbi, személyautókban való alkalmazásai során megismert hátrányai kiküszöbölhetőek az egy fix üzemi pont és a mai korszerű szerkezeti anyagok segítségével. Különös figyelmet kell fordítani a HC-emisszióra is, ami a katalitikus kipufogógáz-utókezelő rendszer megfelelő tervezésével nem jelenthet további problémát. Egy Wankel-motor NOx-emissziója kedvezőbb, mint egy hagyományos dugattyús motoré, így annak csökkentése nem igényel külön figyelmet.

A Wankel-motor rosszabb termodinamikai tulajdonságait ellensúlyozni lehet egyrészt az egy fix üzemi pontba történő korlátozással, másrészt a szelepvezérlés és töltetcsere csatornák kompromisszummentes kialakításával, valamint súrlódásra optimalizált segédberendezések alkalmazásával. Végeredményképpen hasonló szintű tüzelőanyag-fogyasztás érhető el, mint az azonos teljesítményű hagyományos 4 ütemű, soros motorral. Az 50%-kal nagyobb motorfordulatszám azonban kompaktabb és így könnyebb generátor alkalmazását teszi lehetővé.

Egy egytárcsás konfiguráció teljesítménye a 30 kW-ot is elérheti. Ehhez képest 40%-os növekedés érhető el azonos tárcsaátmérő mellett, kizárólag a trochoid szélességének növelésével. Az effektív középnyomás és a motorfordulatszám növelésével további 20%-kal növelhető a teljesítmény.

Az egész egység a kiegészítő rendszereivel rugalmasan van ágyazva egy külső házon, amely akusztikus és kényelmi szempontok messzemenő figyelembevételével lett megtervezve (19. ábra).

19. ábra: tiszta hatósugár-növelő („GS20”) – Wankel-motoros egység

Dr. Robert Fischer (AVL List GmbH, Graz): The Electrification of the Powertrain – from Turbohybrid to Range Extender, Internationales Wiener Motorensymposium 2009 előadása alapján összeállította:

Hegedűs Tamás