Οι αυτοκινητοβιομηχανίες, έχουν επιδοθεί σε έναν αγώνα δρόμου για να καλύψουν τις ολοένα αυστηρότερες προδιαγραφές ρύπων και να περιορίσουν την κατανάλωση των οχημάτων τους σύμφωνα με τους στόχους που ορίζονται σε επίπεδο κρατών ή συνασπισμού κρατών.
Για το έτος 2020, στην Ευρώπη ο στόχος των μέσων εκπομπών CO2 έχει οριστεί στα 95gr/km (γραμμάρια ανά χιλιόμετρο). Για το ίδιο έτος σε Κίνα και ΗΠΑ οι αντίστοιχοι στόχοι είναι στα 117gr/km και περίπου 120gr/km αντίστοιχα. Οι Αμερικανοί προχωρούν παραπέρα και για το έτος 2025 θέτουν όριο εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου στα 92gr/km. Το 2012, οι μέσες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου για τα επιβατικά οχήματα, στην Ευρώπη, Κίνα και ΗΠΑ ανήλθαν σε 132.2gr/km, >180gr/km και 162gr/km αντίστοιχα. Οι παραπάνω τιμές αφορούν τα επιβατικά οχήματα. Το σημείο αυτό αποτελεί, στης ΗΠΑ, σημείο τριβής μεταξύ των “εγχώριων” παραγωγών (GM, Ford, FCA) και των λοιπών κατασκευαστών, καθώς οι τρεις άλλοτε μεγάλοι του Detroit έχουν την μερίδα του λέοντος στα ελαφρά φορτηγά, που αποτελούν και την πλέον δημοφιλή κατηγορία οχημάτων, για την οποία τα όρια εκπομπών CO2 είναι μεγαλύτερα.
Ταυτόχρονα, οι προδιαγραφές για τις εκπομπές ρύπων όλο γίνονται και πιο αυστηρές. Ειδικότερα οι εκπομπές οξειδίων του αζώτου (NOx) και σωματιδίων έχουν τεθεί στο στόχαστρο της Ευρωπαϊκής Επιτροπής. Από το Σεπτέμβριο του 2014, τίθενται σε εφαρμογή οι προδιαγραφές Euro 6 που σε σχέση με τις προδιαγραφές Euro 5, μειώνουν το όριο εκπομπών για το NOx από 0.180gr/km σε 0.080gr/km και για το συνδυασμό άκαυστων υδρογονανθράκων (HC) και NOx από 0.230gr/km σε 0.170gr/km. Εδώ σημειώνεται, ότι ήδη από το 2009, με την προδιαγραφή Euro 5, οι διαφορές στις εκπομπές ως συνάρτηση του καυσίμου, που υπήρχαν για τα πρότυπα Euro 1 ως Euro 4, έπαψαν να υφίστανται. Αυτό σήμανε και το τέλος της ιδιότυπης “επιδότησης” του καυσίμου ντίζελ, υπό τη μορφή ευμενέστερων προδιαγραφών για τις εκπομπές ρύπων.
Η πίεση που ασκείται στις αυτοκίνητο-βιομηχανίες για να παράγουν, καθαρότερα και λιγότερο ενεργοβόρα οχήματα, την ίδια ώρα που οι απαιτήσεις σε παθητική ασφάλεια αυξάνονται, είναι μεγάλη. Η απάντηση των αυτοκίνητο-βιομηχανιών είναι η υβριδική πρόωση. Το πιο γνωστό παράδειγμα υβριδικής κίνησης είναι το Toyota Prius που ξεπέρασε σε πωλήσεις για όλες τις γενεές, τα 3,5 εκατομμύρια οχήματα παγκοσμίως το 2013.
Σήμερα, όλες οι μεγάλες εταιρείες του χώρου έχουν να προσφέρουν υβριδικά οχήματα. Κάποιες προσφέρουν και αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα ενώ πρωτοπόροι, όπως η Tesla του Elon Musk, δραστηριοποιούνται μόνον στην κατασκευή ηλεκτροκίνητων οχημάτων. Κοινό χαρακτηριστικό των λύσεων αυτών, είναι η χρήση ενός ή περισσότερων ηλεκτροκινητήρων/γεννητριών σε συνδυασμό με συστοιχία συσσωρευτών και ενός ελεγκτή. Το σύστημα αυτό στα υβριδικά οχήματα συνδυάζεται με Κινητήρα Εσωτερικής Καύσης, βενζίνης συνήθως αν και πρόσφατα έχουμε και τις πρώτες υλοποιήσεις που χρησιμοποιείται και κινητήρας ντίζελ με πρωτοπόρους σε αυτή τη κίνηση τους Ευρωπαίους κατασκευαστές.
Στις αρχές του 2013, το γκρουπ PSA παρουσίασε σε όχημα επίδειξης μία νέα λύση, που ξεφεύγει από τη συνηθισμένη οδό. Αντί του ηλεκτροκινητήρα και της συστοιχίας συσσωρευτών, ένας βελτιστοποιημένος Κινητήρας Εσωτερικής Καύσης για κίνηση υπό σταθερό φορτίο, συνδυάζεται με έναν κινητήρα και γεννήτρια πεπιεσμένου αέρα. Αποτέλεσμα αυτού του συνδυασμού η τεχνολογία Hybrid Air της PSA.
Hybrid-Air. Τομή – φάντασμα. Διακρίνονται με μπλε χρώμα, τα βασικά υποσυστήματα του υβριδικού συστήματος πρόωσης.
Η λύση αυτή αναμένεται να εφαρμοστεί στα οχήματα της κατηγορίας C και D του group με το Citroen Cactus να είναι και το πρώτο όχημα που θα φέρει την τεχνολογία αυτή.
Όχημα επίδειξης της Τεχνολογίας Hybrid – Air (PSA group) – Τομή επίδειξης των βασικών στοιχείων του συστήματος
Το σύστημα Hybrid-Air συνδυάζει κατ’ αρχήν έναν υπερτροφοδοτούμενο βενζινοκινητήρα, με ένα σύστημα κινητήρα/αντλίας πεπιεσμένου αέρα τα οποία συνδέονται μέσω ενός αυτόματου κιβωτίου. Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης, οι κινητήρες – αντλίες πεπιεσμένου αέρα και το κιβώτιο βρίσκονται εντός του χώρου του κινητήρα σε μία διάταξη που έχει τον κινητήρα και την αντλία αέρα να δρουν στο κιβώτιο και στον άξονα μετάδοσης αντίστοιχα. Η χρήση ενός βενζινοκινητήρα μάλλον προτιμάται εδώ, καθώς οι συνεχείς εκκινήσεις και σβέσης του Κινητήρα Εσωτερικής Καύσης δεν ενδείκνυνται για τους κινητήρες ντίζελ.
Χώρος κινητήρα.
Ο κινητήρας και η αντλία πεπιεσμένου αέρα συνδυάζονται με δύο δεξαμενές αέρα. Μία δεξαμενή υψηλής πίεσης, η οποία βρίσκεται στο κέντρο του οχήματος κοντά στην εξάτμιση και κατά μήκος του οχήματος, από την οποία, όταν απαιτείται ισχύς, αντλείται ο αέρας και μία δεξαμενή χαμηλής πίεσης, η οποία βρίσκεται στο χώρο αποσκευών, πίσω από τη δεξαμενή καυσίμου και η οποία δρα ως δεξαμενή “φρέσκου” αέρα κατά τη φάση του φρεναρίσματος ή όποτε θα απαιτηθεί από το σύστημα ανάκτηση ενέργειας. Το κύκλωμα αυτό είναι κλειστού τύπου αν και η ύπαρξη ενός φίλτρου αέρα συνεπάγεται ότι το σύστημα έχει τη δυνατότητα να αναπληρώνει τον αέρα που αναπόφευκτα χάνεται κατά τη διαδικασία συμπίεσης-αποσυμπίεσης του μέσα από το πορώδες του κυκλώματος υψηλής και μέσης πίεσης. Αν και δεν αναφέρεται, στο μάλλον φειδωλό από τεχνικές πληροφορίες press kit της εταιρείας στο σύστημα θα υπάρχουν και κάποιες βαλβίδες εκτόνωσης της υπερπίεσης όταν αυτή για οποιονδήποτε λόγο αναπτυχθεί. Ο οδηγός έχει την ικανότητα να παρακολουθεί τη λειτουργία του συστήματος, μέσω μίας οθόνης στον πίνακα οργάνων.
Σύστημα Hybrid-Air – Δεξαμενή αέρα υψηλής πίεσης
Σύστημα Hybrid-Air. Δεξαμενή αέρα χαμηλής πίεσης (εμπρός από το τελικό καζανάκι της εξάτμισης). Στο βάθος διακρίνεται η δεξαμενή αέρα υψηλής πίεσης η οποία τοποθετείται κατά τον άξονα του οχήματος.
Σύστημα Hybrid-Air. Οθόνη ενδείξεων λειτουργίας του συστήματος.
Το υβριδικό σύστημα πρόωσης λειτουργεί με τρεις διαφορετικούς τρόπους.
- Κίνηση με σταθερή ταχύτητα (Cruising). Στη φάση αυτή λειτουργεί μόνον ο Κινητήρας Εσωτερικής Καύσης ο οποίος και είναι βελτιστοποιημένος για να λειτουργεί σε συνθήκες σταθερού φορτίου. Αυτό εξασφαλίζει μία μείωση της κατανάλωσης σε σχέση με τον τυπικό Κινητήρα Εσωτερικής Καύσης που θα πρέπει να μπορεί να λειτουργεί αποδοτικά για ένα μεγάλο εύρος φορτίου.
- Κίνηση με το σύστημα Hybrid-Air. Στη φάση αυτή ο Κινητήρας Εσωτερικής Καύσης απενεργοποιείται αυτόματα και ο κινητήρας αέρα που συνδέεται με το κιβώτιο, αναλαμβάνει την κίνηση του οχήματος. Ο κινητήρας λειτουργεί χρησιμοποιώντας την εκτόνωση του αέρα που βρίσκεται παγιδευμένος στην δεξαμενή υψηλής πίεσης. Ο αέρας αυτός, αφού κινήσει τα εσωτερικά μέρη του κινητήρα για να παράγει έργο, στη συνέχεια αποθηκεύεται στη δεξαμενή χαμηλής πίεσης (εκτόνωσης). Κατά το φρενάρισμα ή σε όταν ο οδηγός παίρνει το πόδι του από το πεντάλ του γκαζιού, η αντλία αέρα που συνδέεται απευθείας στον άξονα μετάδοσης, αντλεί τον αέρα που βρίσκεται στη δεξαμενή χαμηλής πίεσης και τον αποθηκεύει συμπιεσμένο στη δεξαμενή υψηλής πίεσης.
- Συνδυασμένη κίνηση. Σε φάση που ο οδηγός ζητήσει τη μέγιστη επιτάχυνση ή κατά την ανάβαση, το σύστημα μπορεί να συνδυάσει τον Κινητήρα Εσωτερικής Καύσης και τους κινητήρα/αντλία αέρα.
Το σύστημα σύμφωνα με την PSA προσθέτει περί τα 100kg στο όχημα. Σύμφωνα με τους ισχυρισμούς της εταιρείας το βάρος αυτό είναι περίπου ίσο με το 50% του βάρους των πρόσθετων στοιχείων ενός τυπικού υβριδικού συστήματος ηλεκτροκινητήρα-συστοιχίας μπαταριών. Η PSA σημειώνει πονηρά, ότι το σύστημα αυτό δεν έχει ανάγκη από σπάνιες γαίες ή πολύτιμα μέταλλα. Οπότε και αποτελεί ένα ισχυρό πλεονέκτημα καθώς το κόστος του ή και η διαθεσιμότητα των υλικών από τα οποία κατασκευάζεται, δεν επηρεάζεται από γεωπολιτικές αποφάσεις. Πέραν τούτου, στη θεωρία τουλάχιστον, το σύστημα αυτό δεν παρουσιάζει μείωση της απόδοσης του μακροπρόθεσμα. Ένα υπαρκτό πρόβλημα στα τυπικά συστήματα υβριδικής πρόωσης όπου οι κύκλοι φόρτισης – αποφόρτισης των συσσωρευτών οδηγούν σε μόνιμη μεταβολή της χημείας των πόλων των συσσωρευτών με αποτέλεσμα την αύξηση της εσωτερικής αντίστασης της μπαταρίας, με τελικό αποτέλεσμα την μείωση της ωφέλιμης χωρητικότητας σε ενέργεια, ως τη στιγμή που η συστοιχία καταστεί ανίκανη στο να εκπληρώσει τους στόχους λειτουργίας της.
Σημειώνεται εδώ ότι η ιδέα αυτή δεν είναι κάτι το απολύτως νέο. Συστήματα πεπιεσμένου αέρα χρησιμοποιούνται για το άνοιγμα και κλείσιμο των βαλβίδων σε αγωγούς προσαγωγής νερού σε Υδροηλεκτρικά Εργοστάσια. Ένα δοχείο υπό πίεση εξασφαλίζει στον σταθμό τη δυνατότητα να κλείσει τη βαλβίδα ακόμα και σε κατάσταση πλήρους απώλειας ηλεκτρικής ενέργειας.
Φυσικά και το σύστημα δεν είναι χωρίς μειονεκτήματα. Δεν γίνεται αναφορά στην ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται στο σύστημα οπότε δεν είναι δυνατό να εκτιμηθεί η ενεργειακή πυκνότητα του συστήματος (ο λόγος των kWh αποθηκευμένης ενέργειας προς το βάρος του συστήματος). Επίσης ο κινητήρας-αντλία του αέρα αποτελείται από μηχανικά μέρη και απαιτεί συντήρηση. Το κύκλωμα υψηλής πίεσης απαιτεί περιοδικούς ελέγχους για την εξασφάλιση της στεγανότητας. Η απόδοση των κινητήρων πεπιεσμένου αέρα δεν είναι τόσο μεγάλη όσο η απόδοση των ηλεκτροκινητήρων που σήμερα παρουσιάζουν αποδοτικότητα μετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική μεγαλύτερη του 90%. Οπότε δεν είναι δυνατή η εξαγωγή ασφαλών συμπερασμάτων για την τελική απόδοση του συστήματος σε σύγκριση με το σύστημα συσσωρευτής-ηλεκτροκινητήρας.
Ανεξάρτητα από τα παραπάνω, η όλη ιδέα αποτελεί μία φρέσκια ματιά στο θέμα “υβριδική κίνηση” και δείχνει ότι η Γηραιά Ήπειρος μπορεί να καθυστέρησε σοβαρά στο να καταλάβει την αλλαγή των γεωπολιτικών συνθηκών, στηρίζοντας για πάρα πολλά χρόνια τη χρήση ντίζελ, αλλά δεν υστερεί σε καινοτομία και ιδέες.
