Σφόνδυλοι, υβριδικά και φόρμουλα…

Μηχανική μπαταρία; Μπορείτε να τον αποκαλέσετε και έτσι αφού ένας σφόνδυλος αποθηκεύει κινητική ενέργεια την οποία μετατρέπει σε ηλεκτρική όποτε του ζητηθεί.

Αρχής γενομένης από το KERS στην F1, η Porsche ίσως στο μέλλον αποδειχτεί διορατική αφού είναι ο πρώτος σύγχρονος κατασκευαστής που παρουσιάσε ένα υβριδικό με σφόνδυλο. Πως όμως λειτουργεί ένας σφόνδυλος; Ποιά είναι τα πλεονεκτήματα του και ποια τα μειονεκτήματα του;

Επιστρέφει στην Formula 1;

Εκατομμύρια ευρώ δαπανήθηκαν από τις ομάδες της F1 για να εξελίξουν τα ασύμφορα -όπως αποδείχτηκαν- συστήματα KERS (σύστημα ανάκτησης κινητικής ενέργειας). Τα είδαμε για πρώτη φορά στο περσινό πρωτάθλημα στα μονοθέσια με πρωτοστάτες τις ομάδες των Ferrari, Renault και Williams. Φέτος αποφασίστηκε να μην χρησιμοποιηθούν αλλά για του χρόνου υπάρχουν πολύ μεγάλες πιθανότητες να ξαναδούμε το KERS στα μονοθέσια με προτεινόμενη λύση έναν και βασικό προμηθευτή (την εταιρία Flybird) με στόχο την μείωση του κόστους.

Το KERS που είχε ετοιμάσει η Flybird για την περσινή σεζόν στην F1 αποτελείται από έναν σφόνδυλο από ανθρακόνημα που περιστρέφεται σε κενό και περιστρέφεται πάνω από 60.000 rpm. Ο σφόνδυλος (με ενσωματωμένο τον ηλεκτροκινητήρα) είναι συνδεδεμένος με την μετάδοση του μονοθεσίου, συγκεκριμένα στην έξοδο του κιβωτίου.

Την εμπλοκή του ρυθμίζει ένας μειωτήρας, ένας συμπλέκτης και ένα μικρό πλανητικό CVT (το Toroidal των Torotrak και Xtrac). Το βάρος φτάνει τα 25 kg, η ισχύς τα 60 kW, η αποθηκευμένη -μηχανική- ενέργεια τα 400 kJ ενώ ο όγκος της όλης συναρμογής καταλαμβάνει 13 lt.

Η Flybird ισχυρίζεται πως ο σφόνδυλος που θα χρησιμοποιηθεί σε υβριδικά αυτοκίνητα σε μερικά χρόνια θα βασίζεται σε αυτόν της F1, θα αντέχει για 250.000 km, θα έχει μικρό κόστος, CVT για μέγιστη απόδοση στις χαμηλές rpm, συμπλέκτη που θα αποδεσμεύει εντελώς τον ΜΕΚ και σύστημα ελέγχου που θα εξομαλύνει την λειτουργία του συστήματος ώστε ο οδηγός να έχει την αίσθηση ενός συμβατικού αυτοκινήτου. H μείωση της κατανάλωσης σε κανονικές συνθήκες οδήγησης θα φτάνει το 30%. Μάλιστα, η Flybird έχει παρουσιάσει μία υβριδική Jaguar με τοποθετημένο τον σφόνδυλο στον πίσω άξονα επιδεικνύοντας την ευέλικτη χρήση και τοποθέτηση του σφονδύλου.

Υβριδικά αυτοκίνητα: στην παραγωγή πότε;

Με την βοήθεια των ηλεκτρονικών και την χρήση νέων υλικών τα χαρακτηριστικά των σφονδύλων βελτιώθηκαν παράγοντας πολύ μεγάλα ποσά ηλεκτρικής ενέργειας και βρήκαν ευρεία χρήση στον βιομηχανικό και επιστημονικό κλάδο. Μόλις όμως τις τελευταίες δύο δεκαετίες υπάρχει η σκέψη της χρήσης σφονδύλων στην αυτοκινητοβιομηχανία. Σε πρωτότυπα λεωφορεία μηχανικοί σφόνδυλοι συνδυάστηκαν προ δεκαετιών με κιβώτια τύπου CVT ενώ οι νέας γενιάς σφόνδυλοι είναι οι ηλεκτρικοί.

Οι σφόνδυλοι χρησιμοποιούνται για να αποθηκεύσουν μηχανική ενέργεια εδώ και αιώνες (π.χ. η μηχανή ενός κεραμοποιού) ενώ βρίσκουν μεγάλη εφαρμογή στην αεροδιαστημική. Μία μεγάλη μάζα περιστρέφεται σε υψηλή ταχύτητα και η παραγόμενη/αποθηκευμένη ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική αφού η περιστρεφόμενη μάζα συνδέεται με μία γεννήτρια. Η απόδοση ενός σφονδύλου εξαρτάται από την περιστρεφόμενη μάζα (M) και είναι ανάλογη του τετραγώνου της ταχύτητας της περιστρεφόμενης μάζας (ισχύει MV²).

Ένας σφόνδυλος ενέργειας μπορεί να αποθηκεύσει μεγάλα ηλεκτρικά φορτία σε εξαιρετικά μικρό χρονικό διάστημα ενώ μπορεί να τα διαθέσει το ίδιο γρήγορα. Πως λειτουργεί ένας σφόνδυλος ηλεκτρικής ενέργειας; Χονδρικά η λειτουργία του μας παραπέμπει σε αυτή του ηλεκτροκινητήρα αφού υπάρχει ένας στάτορας που λαμβάνει κίνηση όποτε ο οδηγός πατάει φρένο. Η κινητική ενέργεια περιστρέφει τον στάτορα με ρυθμό άνω των 40.000-50.000 σ.α.λ. με αποτέλεσμα η μηχανική ενέργεια να “αποθηκεύεται” λόγω της “αμελητέας” κίνησης. Το μυστικό όμως ενός σφονδύλου κρύβεται στην μεγάλη ροπή αδράνειας.

Ο σφόνδυλος είναι κατασκευασμένος από ανθρακόνημα (η ώστε να υπάρχει η μεγαλύτερη δυνατή αδράνεια και η μέγιστη επιτάχυνση ώστε η ταχύτητα περιστροφής να εκτοξεύεται στο μάξιμουμ σε ελάχιστο χρόνο. Φανταστείτε ένα μεγάλο τροχό όπου η μεγαλύτερη μάζα του είναι συγκεντρωμένη στην περιφέρεια του όπου κατά την περιστροφή του παράγει ροπή (στα KERS της F1 φτάνει περίπου τα 130 Nm).

Στο εσωτερικό του σφονδύλου υπάρχει κενό αέρος ώστε να αποφευχθεί αεροδυναμική υπερθέρμανση με επερχόμενες φθορές ενώ μαγνητικά έδρανα λειτουργούν σαν αμορτισέρ αποσβένοντας τους κραδασμούς διατηρώντας σταθερό τον σφόνδυλο χωρίς να “τραυματιστεί”. Η παραμικρή ταλάντωση σε τόσο υψηλή ταχύτητα περιστροφής θα μπορούσε εύκολα να διαλύσει τα “σωθικά” του.

Ένας σφόνδυλος δεν μπορεί να συνδυαστεί με μπαταρίες; Η συνεχόμενη και ταχεία μεταβολή των φορτίων από τους σφονδύλους ουσιαστικά αχρηστεύει και μικραίνει την διάρκεια ζωής των μπαταριών. Το πρόβλημα με την φόρτιση των μπαταριών είναι πως απαιτεί χρόνο με αποτέλεσμα να υπάρχουν απώλειες.

Με λίγα λόγια οι μπαταρίες χρειάζονται πολλαπλάσιο διάστημα για να φορτισθούν, έχουν μεγάλο βαθμό απώλειας, μικρότερο κύκλο ζωής, επηρεάζονται από τις θερμοκρασιακές μεταβολές και έχουν υψηλότερο βάρος. Ένας σφόνδυλος μπορεί να συνδράμει σε ένα όχημα για μικρά χρονικά διαστήματα σαν εφεδρικό boost και όχι για συνεχή παροχή ενέργειας (τουλάχιστον μέχρι να εξαντληθούν οι μπαταρίες). Για παράδειγμα, ένας σφόνδυλος ταιριάζει περισσότερο σε ένα σπορ μοντέλο όπου μπορεί να προσφέρει έξτρα ώθηση κατά την προσπέραση. Όχι όμως σε ένα SUV που χρειάζεται συνεχή επικουρική βοήθεια για να ξεκουράζεται ο ΜΕΚ π.χ. στην διάρκεια ανηφορικής διαδρομής.

Στο σαλόνι αυτοκινήτου της Γενεύης, τον Μάρτιο, είδαμε μια πρωτότυπη υβριδική Porsche 911 GT3 που χρησιμοποιεί για την αποθήκευση ενέργειας, όχι μπαταρίες, αλλά ένα σφόνδυλο. Μάλιστα, η υβριδική Porsche συμμετείχε πριν από μερικές εβδομάδες σε αγώνα μακράς απόστασης στο Nürburgring κατακτώντας την 3η θέση.

Ricardo

H Ricardo ξεκίνησε το project KinerStor με συνεργάτες διάφορες εταιρίες συμπεριλαμβανομένου τις CTG, JCB, Land Rover, SKF, Torotrak και Williams Hybrid Power, με σκοπό να βγάλει στην παραγωγή ένα υβριδικό σύστημα που θα προσφέρει έως 30% μικρότερη κατανάλωση. Με κόστος κάτω από 1.000 στερλίνες θα είναι δυνατή η “υβριδοποίηση” ενός αυτοκινήτου δίχως μπαταρίες. Η Ricardo εξελίσσει από την μεριά της έναν μηχανικό/μαγνητικό σφόνδυλο και η Williams ένα ηλεκτρικό.

H Ricardo έχει επινοήσει ένα σφόνδυλο με μαγνητικά έδρανα ενώ μόνιμοι μαγνήτες στο εσωτερικό του σφονδύλου δημιουργούν ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Οι μαγνήτες βρίσκονται μεταξύ του ρότορα ο οποίος όμως βρίσκεται μέσα σε ένα τύμπανο (εννοείται σε κενό αέρος). Το τρικ αφορά στο γεγονός πως ανάλογα με την ένταση του μαγνητικού πεδίου μπορεί να ρυθμιστεί η διαφορά περιστροφής ανάμεσα στο τύμπανο και τον ρότορα. Κάτι ανάλογο που ισχύει στον υπολογισμο της σχέσης μετάδοσης ανάμεσα σε δύο κλασικά γρανάζια. Με αυτό τον  τρόπο μπορεί να εξασφαλιστεί περίσσεια αποθηκευμένης μηχανικής ενέργειας επεκτείνοντας την διάρκεια της απόδοσης του σφονδύλου.

Σφόνδυλος… σε αεροστρόβιλο!

Και όμως υπήρξε υβριδικό με στροβιλοσυμπιεστή που χρησιμοποιούσε σφόνδυλο σε διάταξη εν σειρά. Η όλη ιδέα ανήκε στους αδερφούς Rosen που χρησιμοποίησαν ένα σφόνδυλο για την υποβοήθηση του θερμικού κινητήρα παραμερίζοντας τις μπαταρίες. Συγκεκριμένα, μία στροβιλογεννήτρια συνεργαζόταν με έναν σφόνδυλο από ανθρακονήματα (με περιστροφή στις 55.000 σ.α.λ.) που είχε ενσωματωμένη την γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.