e-turbo: Το μέλλον της υπερτροφοδότησης


Τα ηλεκτρικά turbo κάνουν σιγά σιγά την εμφάνισή τους, εξασφαλίζοντας πιο άμεση απόκριση και μειωμένους ρύπους, έτσι ώστε να επιτυγχάνονται οι μελλοντικές προδιαγραφές euro 7.

  • Μιχάλης Κατωπόδης
  • 17/10/2020

Για τα πλεονεκτήματα των υπερτροφοδοτούμενων κινητήρων, έναντι των ατμοσφαιρικών, έχουμε γράψει και στο παρελθόν. Αναλυτικά για τα turbo μπορείτε να βρείτε εδώ. Στην προκειμένη περίπτωση θα καταπιαστούμε με τα ηλεκτρικά turbo ή e-turbo, αν προτιμάτε.

Η μεγάλη διαφορά ενός ηλεκτρικού turbo από ένα συμβατικό, είναι ως προς τον τρόπο λειτουργίας του. Ενώ ένας κοινός υπερτροφοδότης αερίων παίρνει κίνηση από τα καυσαέρια του κινητήρα για τη φτερωτή που θα συμπιέσει το φρέσκο αέρα στο θάλαμο καύσης, ένα ηλεκτρικό turbo χρησιμοποιεί έναν ηλεκτροκινητήρα για αυτή τη δουλειά.

Τα οφέλη, στην προκειμένη περίπτωση, είναι εύκολα αντιληπτά. Κατ’ αρχήν έχουμε πολύ καλύτερο έλεγχο της συμπίεσης, σε όλο το φάσμα των στροφών. Με την ανάπτυξη του κατάλληλου λογισμικού, δε, είναι πιο εύκολο για την κεντρική μονάδα του κινητήρα να ρυθμίσει τις διάφορες παραμέτρους, με βάση τις στροφές και το φορτίο του συνόλου, με μεγάλη ακρίβεια.

Επίσης, λύνεται ένα σημαντικό σχεδιαστικό πρόβλημα που υπήρχε από πάντα. Αφού τα συμβατικά turbo έπαιρναν κίνηση από τα καυσαέρια, σε πολύ χαμηλές στροφές αυτά δεν ήταν δυνατό να κινήσουν επαρκώς τη φτερωτή. Η χρήση light turbo πάλι, με μικρότερη αδράνεια, βελτίωνε αισθητά το όλο πρόβλημα, αυτά όμως δεν μπορούσαν να επιτύχουν υψηλές ιπποδυνάμεις. Το αποτέλεσμα εδώ ήταν αρκετοί κατασκευαστές να χρησιμοποιούν πιο σύνθετες διατάξεις, με διπλά turbo είτε σε σειρά, είτε σε άλλα, περίπλοκα σχήματα, ώστε να επιτυγχάνουν αμεσότητα και υψηλή παραγόμενη ισχύ.

Με την ενσωμάτωση ενός ηλεκτροκινητήρα, τώρα, αυτό το πρόβλημα δεν υφίσταται. Ακόμα και με τον κινητήρα του αυτοκινήτου στο ρελαντί, ένα e-turbo είναι θεωρητικά σε θέση να λειτουργεί στις μέγιστες στροφές του, ενώ και η απόκριση που προσφέρει είναι πιο άμεση. Η ηλεκτροκίνηση μπαίνει μεν στη ζωή μας, στην προκειμένη όμως περίπτωση, ένας ηλεκτρικός μηχανισμός έρχεται για να δώσει νέες δυνατότητες στους συμβατικούς κινητήρες εσωτερικής καύσης.

Αρκετοί κατασκευαστές στρέφονται προς αυτή τη λύση, με κυριότερους, πιθανά, τη Garrett και τη BorgWarner. Μάλιστα αυτοί φαίνεται πως αναπτύσσουν διάφορες διατάξεις που μπορούν να ευνοήσουν τη λειτουργία των ΜΕΚ (Μονάδων Εσωτερικής Καύσης). Μιλώντας συγκεκριμένα για την τελευταία εταιρία, ακολουθεί τρεις διαφορετικές προσεγγίσεις, των eBooster, eTurbo και eTurbocompound.

Το eBooster δεν έρχεται να λειτουργήσει αυτόνομα αλλά στόχο έχει να βοηθήσει τη ροή και την απόκριση ενός συμβατικού, μεγαλύτερου υπερτροφοδότη, επιτυγχάνοντας παράλληλα μείωση κατανάλωσης/ καυσαερίων και βελτίωση της ροπής στις πολύ χαμηλές στροφές. Χοντρικά συνδέεται παράλληλα με το συμβατικό turbo και ενεργοποιείται σε συγκεκριμένες συνθήκες.

Εφόσον το αυτοκίνητο κινείται ομαλά, με χαμηλό φορτίο κινητήρα, το eBooster παραμένει ανενεργό. Όταν όμως ο οδηγός πατήσει περισσότερο το γκάζι, αυτομάτως τίθεται σε λειτουργία, συμπιέζοντας περαιτέρω τον αέρα εισαγωγής. Η λειτουργία του δεν είναι μόνιμη, αλλά μετριάζεται ομαλά, μέχρι να διακοπεί τελείως, τη στιγμή που οι στροφές του κινητήρα έχουν ανέβει αρκετά. Εκεί κάπου αναλαμβάνει πλήρως ο συμβατικός υπερτροφοδότης, όπως περιγράφεται και στο βίντεο που ακολουθεί.

Αναφορικά με το eTurbo, θυμίζει αρκετά τα συμβατικά συστήματα αλλά ανάμεσα από τις δύο φτερωτές παρεμβάλλεται ένας ηλεκτροκινητήρας, που λειτουργεί ταυτόχρονα και σαν δυναμό. Αυτός δίνει κίνηση στον ίδιο άξονα και προσφέρει διαφορετικά προγράμματα λειτουργίας.

Συνδεδεμένο με την κεντρική υπολογιστική μονάδα του κινητήρα, το eTurbo μπορεί ανά πάσα στιγμή να κινήσει ηλεκτρικά το συμπιεστή, παίρνοντας ρεύμα από ένα κύκλωμα 48V. Όταν οι στροφές ανέβουν και δεν χρειάζεται πλέον ηλεκτρική υποβοήθηση, λειτουργεί ως ένα κλασικό turbo, χάρη στα καυσαέρια που κινούν το στρόβιλο. Ταυτόχρονα όμως, έχει τη δυνατότητα να εκμεταλλεύεται την όποια επιπλέον ροή καυσαερίων, λειτουργώντας ως δυναμό για να επιστρέψει ρεύμα πίσω στο αυτοκίνητο, ενώ βοηθά και στο EGR, στην επανακυκλοφορία των καυσαερίων στους θαλάμους καύσης, ανεβάζοντας την πίεση στο σύστημα εξαγωγής.

Τέλος, υπάρχει και το eTurbocompound, ένας μηχανισμός για επαγγελματικά οχήματα, που δεν έχει στόχο να ανεβάσει την πίεση στους θαλάμους καύσης αλλά λειτουργεί μόνο ως γεννήτρια, στο σύστημα εξαγωγής καυσαερίων. Χωρίς ιδιαίτερες απαιτήσεις συντήρησης, αυτό εκμεταλλεύεται την κινητική ενέργεια των καυσαερίων και παράγει ρεύμα ικανό να τροφοδοτήσει ένα κύκλωμα 48V. Τη λειτουργία του μπορείτε να δείτε στο σχετικό βίντεο. Όσο για τα οφέλη στο θέμα της κατανάλωσης, είναι νομίζουμε προφανή.

Κάτι το οποίο αξίζει να αναδείξουμε, στην προκειμένη περίπτωση, είναι το γεγονός ότι ναι μεν υπάρχουν σύνθετες συμβατικές διατάξεις turbo που εξασφαλίζουν ικανοποιητική ισχύ από χαμηλά, ένα e-turbo όμως φαίνεται να κάνει τη δουλειά καλύτερα και απλούστερα. Σύμφωνα με αποτελέσματα από δοκιμές της Garrett, ένας ηλεκτρικός υπερτροφοδότης, καλά ρυθμισμένος και πλήρως ελεγχόμενος ηλεκτρονικά, μπορεί να προσφέρει μία σειρά από πλεονεκτήματα σε έναν κινητήρα.

Κατ’ αρχήν μιλάμε για μία αύξηση της ισχύος κατά 16% και της ροπής κατά 10,5%. Η καμπύλη της ροπής, μάλιστα βελτιώνεται αισθητά, σε όλο το φάσμα στροφών του μοτέρ. Λειτουργώντας ως γεννήτρια, το e-turbo μπορεί να ανακτήσει περισσότερο από το 60% της κινητικής ενέργειας του στροβίλου, τροφοδοτώντας εύκολα κάποιο κύκλωμα 48V. Το σημαντικότερο όλων, όμως, έχει να κάνει με τις παραμέτρους της καύσης.

Ο αισθητά καλύτερος έλεγχος του αέρα εισαγωγής που μπορεί να προσφέρει, βελτιώνει τη στοιχειομετρική καύση του μίγματος, στα άκρα του φακέλου λειτουργίας του κινητήρα. Ειδικά στις πολύ χαμηλές στροφές, όπου ο οδηγός πατάει το γκάζι, ένα e-turbo φροντίζει να διατηρήσει πολύ καλύτερα το ζητούμενο λ1, τη σωστή αναλογία αέρα-καυσίμου. Αυτό με τη σειρά του συνεπάγεται πιο καθαρά καυσαέρια, αποτελώντας ένα σημαντικό όπλο στη φαρέτρα των κατασκευαστών για να επιτύχουν τις μελλοντικές προδιαγραφές ρύπων euro 7. Κατά ένα μέσο όρο, μία τέτοια διάταξη μπορεί να περιορίσει κατά 2-5% (σύμφωνα με τη Garrett) την κατανάλωση ενός αυτοκινήτου, ενώ ειδικά για τους πετρελαιοκινητήρες, εξασφαλίζει μείωση των NOx έως και 20%!

Λειτουργώντας ιδανικά σε ένα mild hybrid ή υβριδικό όχημα, ένα e-turbo μπορεί να βοηθήσει στο downsizing, καθώς και στην κίνηση με χαμηλότερες στροφές στο δρόμο. Σε κάθε περίπτωση αποτελεί ένα βήμα προς τη σωστή κατεύθυνση, δίνοντας στους κινητήρες εσωτερικής καύσης επιπλέον μέλλον μπροστά τους.