Ηλεκτρικοί Υπερσυμπιεστές – από τη φαντασία στη πραγματικότητα!

Ηλεκτρικοί υπερσυμπιεστές ή υβριδικοί, υπερσυμπιεστής με μηχανική κίνηση τουρμπίνας και φυγοκεντρικό συμπιεστή, υπερσυμπιεστές γεννήτριες …και οι εξελίξεις τρέχουν!

Στην προσπάθεια λοιπόν σήμερα των κατασκευαστών για μείωση της καταναλισκόμενης ενέργειας, των κινητήρων, την βελτίωση των εκπομπών σε συνδυασμό με την αύξηση της απόδοσης και την μείωση του μεγέθους του κινητήρα, δύσκολοι συνδυασμοί, οι τεχνολογικές καινοτομίες βρίσκουν άμεσα εφαρμογή. Ας επισημανθούν όμως αρχικά μερικά βασικά στοιχεία σχετικά με τους υπερσυμπιεστές.

Γενικά

Η ενέργεια η οποία χρησιμοποιείται για την κίνηση ενός αυτοκινήτου μέσω του κινητήρα, προέρχεται από την καύση ενός μείγματος υδρογονανθράκων με το οξυγόνο του ατμοσφαιρικού αέρα. Η ισχύς και η ροπή λοιπόν ενός κινητήρα εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη ποσότητα του μείγματος αέρα – βενζίνης που εισέρχεται στους κυλίνδρους.

Σε έναν «ατμοσφαιρικό» κινητήρα ο όγκος του μείγματος που μπορεί να αναρροφηθεί από την παλινδρομική κίνηση του εμβόλου δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερος από τον κυβισμό του συγκεκριμένου κυλίνδρου, ενώ περιορίζεται σημαντικά η μάζα του από τις διάφορες απώλειες στους αυλούς εισαγωγής, από τους στροβιλισμούς στις βαλβίδες, από την αντίσταση του φίλτρου αέρα, από την δημιουργία μιας υποπίεσης που εξαρτάται από την μηχανική κατάσταση του κινητήρα, από την αυξημένη θερμοκρασία της πολλαπλής κλπ.

Υπερσυμπιεστές

Συμπεραίνεται λοιπόν ότι για την αύξηση της ισχύος και της ροπής απαιτείται μια αύξηση της διαθέσιμης ενέργειας, δηλαδή μια αύξηση της ποσότητας του μείγματος η οποία μπορεί να επιτευχθεί μόνο με την προσθήκη αέρα στους κυλίνδρους για να μην αλλάξει η σχέση αέρα – βενζίνης η οποία πρέπει να είναι σταθερή (λόγος λ=1). Η επιπλέον παροχή ποσότητας αέρα με πίεση μέσα στους κυλίνδρους, λέγεται υπερπλήρωση (υπερτροφοδότηση) και γίνεται με τους υπερσυμπιεστές.

Τομή φυγοκεντρικού συμπιεστή

Οι υπερσυμπιεστές ταξινομούνταν μέχρι πρότινος ανάλογα με τον τρόπο κίνησης σε τρείς κατηγορίες:

• Μηχανικοί υπερσυμπιεστές, με κίνηση από το στρόφαλο της μηχανής
• Στροβιλοσυμπιεστές, με κίνηση από τα καυσαέρια του κινητήρα με σταθερή ή μεταβλητή γεωμετρία πτερυγίων.
• Συμπιεστές ωστικού κύματος (comprex) με ρυθμιστικού χαρακτήρα κίνηση από τον κινητήρα).

Σήμερα με τις εξελίξεις να τρέχουν προστέθηκαν και οι:

• Ηλεκτρικοί υπερσυμπιεστές η υβριδικοί,
• Υπερσυμπιεστής με μηχανική κίνηση τουρμπίνας και φυγοκεντρικό συμπιεστή,
• Υπερσυμπιεστές γεννήτριες

Ηλεκτρικοί υπερσυμπιεστές

Οι ηλεκτρικοί υπερσυμπιεστές συνδυάζουν την ευχάριστη οδήγηση μαζί με την με τη μείωση της κατανάλωσης καυσίμων. Μεγάλοι κατασκευαστές της αγοράς του Aftermarket της αυτοκινητοβιομηχανίας όπως η Valeo, ως μέρος της στρατηγικής για την ανάπτυξη λύσεων για τη μείωση των εκπομπών CO2, προσφέρουν σήμερα ένα ευρύ φάσμα των ηλεκτρικών superchargers, ενισχύοντας τη δυναμική απόκριση των κινητήρων σε χαμηλές στροφές, παράλληλα με την βελτιστοποίηση της απόδοσης του κινητήρα εσωτερικής καύσης.

Σε αντίθεση με τους υπερσυμπιεστές καυσαερίων, ένας ηλεκτρικός κινητήρας μεταφέρει την κίνηση στο φυγοκεντρικό συμπιεστή ο οποίος με την σειρά του συμπιέζει τον αέρα προς το σύστημα εισαγωγής αέρα του κινητήρα. Ο ηλεκτρικός κινητήρας μπορεί να ενεργοποιηθεί άμεσα από ένα σύστημα ηλεκτρονικής διαχείρισης που λαμβάνει υπόψη του της παραμέτρους λειτουργίας του κινητήρα ανεξάρτητα με τις στροφές λειτουργίας του κινητήρα. Αυτό ενισχύει τη ροπή του κινητήρα στις χαμηλές στροφές, εξαλείφει το μειονέκτημα της υστέρησης του υπερσυμπιεστή -turbo και βελτιώνει την επιτάχυνση του οχήματος.

Αυτή η καινοτομία επιτρέπει επίσης τη μείωση του μεγέθους των κινητήρων εσωτερικής καύσης, και αποτελεί σημαντικό παράγοντα για τη μείωση της κατανάλωσης των καυσίμων. Σε μια διάταξη λειτουργίας του ηλεκτρικού υπερσυμπιεστή των 12-volt, είναι εφικτή μια εξοικονόμηση καυσίμων της τάξης του 8% έως 10%.

Σε συνδυασμό με ένα σύστημα ανάκτησης ενέργειας της Valeo, σύμφωνα με τον ίδιο κατασκευαστή, ο ηλεκτρικός υπερσυμπιεστής έχει την ενέργεια που απαιτείται για να λειτουργήσει ενώ μειώνει την κατανάλωση καυσίμου του οχήματος από 15% έως 20% στο πρότυπο ευρωπαϊκό κύκλο οδήγησης. Ο ηλεκτρικός υπερσυμπιεστής, λιγότερο παρεμβατικός στην αρχιτεκτονική του κινητήρα, μπορεί να τοποθετηθεί γρήγορα και με χαμηλότερο κόστος σε νέα ή υπάρχοντα οχήματα.

Ο ηλεκτρικός υπερσυμπιεστής έχει δοκιμαστεί με επιτυχία σε ατμοσφαιρικούς κινητήρες από ένα έως 2,4 λίτρα, καθώς και σε υπερτροφοδοτούμενους κινητήρες βενζίνης και ντίζελ από ένα έως τέσσερα λίτρα. Ο ηλεκτρικός υπερσυμπιεστής έχει αναπτυχθεί και για διαφορετικές ηλεκτρικές τροφοδοσίες οχημάτων, 12, 24 και 48 βολτ. Ο ηλεκτρικός υπερσυμπιεστής έχει δοκιμαστεί επίσης με επιτυχία από την Audi (audi-electric-bi-turbo) σαν δεύτερος συμπληρωματικός υπερσυμπιεστής. Στο σύστημα audi-electric-bi-turbo είναι τοποθετημένος σε σειρά, με τον υπερσυμπιεστή καυσαερίων και τον εναλλάκτη θερμότητας (intercooler) βελτιώνοντας την απόδοση του κινητήρα και την αύξηση της ροπής στις χαμηλές στροφές λειτουργίας του κινητήρα.

 
Υπερσυμπιεστής με μηχανική κίνηση τουρμπίνας και φυγοκεντρικό συμπιεστή

O νέος φυγοκεντρικός υπερσυμπιεστής, στη φιλοσοφία κίνησης του μηχανικού (Self-contained Pro Charger superchargers) αποτελεί ένα «αυτόνομο» μηχανικό υπερσυμπιεστή, με υψηλότερη απόδοση, από τους μέχρι σήμερα γνωστούς μηχανικούς υπερσυμπιεστές με τους ρότορες. Η κίνηση του υπερσυμπιεστή γίνεται με ιμάντα μέσα από την κινηματική διάταξη του στροφαλοφόρου του κινητήρα. Εσωτερικά ένα κιβώτιο μια κατάλληλη συνδεσμολογία γραναζιών μεταφέρει την κίνηση στο φυγοκεντρικό συμπιεστή ο οποίος με την σειρά του συμπιέζει τον αέρα προς το σύστημα εισαγωγής αέρα του κινητήρα.

Ο φυγοκεντρικός συμπιεστής του αέρα συνδυάζει τα πλεονεκτήματα των υπερσυμπιεστών (turbo) που χρησιμοποιούν τις φυγόκεντρες δυνάμεις για τη συμπίεση του αέρα χωρίς όμως να εκτίθεται σε μεταφορά θερμότητας από τα καυσαέρια της εξάτμισης. Ως εκ τούτου, καταθλίβουν ψυχρότερο αέρα σε σχέση με άλλους τύπους υπερσυμπιεστών και στροβιλοσυμπιεστών με αποτέλεσμα την βελτίωση απόδοσης του κινητήρα. Ένα άλλο πλεονέκτημα των συγκεκριμένων υπερσυμπιεστών είναι ότι διαθέτουν αυτόνομο σύστημα λίπανσης με αποτέλεσμα να μην εξαρτώνται από το σύστημα λίπανσης του κινητήρα, τις θερμικές του μεταβολές και τις ιδιότητες του εκάστοτε χρησιμοποιούμενου λιπαντικού.

Ο σχετικός υπερσυμπιεστής λόγω των παραπάνω πλεονεκτημάτων του μπορεί ευκολότερα να τοποθετηθεί στην μετατροπή εκ των υστέρων ενός ατμοσφαιρικού κινητήρα σε υπερτροφοδοτούμενο. Σχεδιάζονται και κατασκευάζονται στις ΗΠΑ, τόσο για συμβατικούς κινητήρες όσο και για κινητήρες αγωνιστικών αυτοκινήτων, ενώ η στιβαρή, συμπαγής και «κλειστή» κατασκευή τους, με την αυτόνομη λίπανση εξασφαλίζει την ποιοτική λειτουργία και απόδοση του συστήματος.

Υβριδικοί Υπερσυμπιεστές

Ένα υβριδικός υπερσυμπιεστής είναι ένας συνδυασμός από έναν υψηλής ταχύτητας στρόβιλο και γεννήτριας και ένα υψηλής ταχύτητας ηλεκτρικό συμπιεστή αέρα.

Σε έναν συμβατικό υπερσυμπιεστή καυσαερίων, η τουρμπίνα παίρνει κίνηση από τα καυσαέρια και δίνει την κίνηση στον συμπιεστή του αέρα ο οποίος με την σειρά του συμπιέζει τον αέρα στον εναλλάκτη θερμότητας (intercooler) και στην εισαγωγή αέρα του κινητήρα.

Στους υβριδικούς υπερσυμπιεστές η τουρμπίνα και ο συμπιεστής είναι κινητήρες αέρα (aeromachines) υψηλής ταχύτητας και λειτουργούν ανεξάρτητα.

Η τουρμπίνα παίρνει κίνηση από τα καυσαέρια και κινεί ένα ηλεκτρικό κινητήρα που μπορεί να περιστρέφεται σε ταχύτητες άνω των 120.000 rpm. Έτσι όταν χρησιμοποιούνται ως γεννήτριες, επιτυγχάνουν παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε ποσοστό μέχρι και 98,5% ηλεκτρικής απόδοσης. Η υψηλή ηλεκτρική απόδοση είναι εφικτή, διότι δεν υπάρχει καμία μηχανική σύνδεση μεταξύ του στροβίλου και του συμπιεστή.

Με άλλα λόγια, στα υβριδικά συστήματα υπερσυμπιεστών η ταχύτητα του συμπιεστή είναι ανεξάρτητη από την ταχύτητα του στροβίλου. Αυτή η ευελιξία σχεδιασμού οδηγεί στα πλεονεκτήματα των ηλεκτρικών συμπιεστών ενώ επιπλέον προσφέρουν και ανάκτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα σύστημα ηλεκτρονικής διαχείρισης του υβριδικού υπερσυμπιεστή συμβάλλει στην βέλτιστη απόδοσή του συστήματος.

Κατάσταση επιτάχυνσης, ο συμπιεστής παίρνει κίνηση από τον ηλεκτροκινητήρα και συμπιέζει τον αέρα στο σύστημα εισαγωγής του κινητήρα. Η λειτουργία του είναι ανεξάρτητη των στροφών του κινητήρα και το ρεύμα κατανάλωσης προέρχεται από την ανάκτηση ηλεκτρικής ενέργειας μέσω της τουρμπίνας.

Κατάσταση φόρτισης, η τουρμπίνα παίρνει κίνηση από τα καυσαέρια του κινητήρα, κινεί την γεννήτρια και η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια αποθηκεύεται στο ηλεκτρικό σύστημα του οχήματος. Όταν το σύστημα συνδυάζεται και με τουρμπίνα μεταβλητής γεωμετρίας η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να παράγεται ακόμη και από τις χαμηλές στροφές λειτουργίας του κινητήρα ή να μεταβάλλεται ανάλογα με τις ηλεκτρικές απαιτήσεις του οχήματος και την κατάσταση φορτίου του μέσου αποθήκευσης της ενέργειας.

Η αποθήκευση της ενέργειας της μπαταρίας μπορεί να αντικατασταθεί με έναν υπερ-πυκνωτή που θα μπορεί να φορτίζεται και να αποφορτίζεται γρήγορα.

Οι υπερσυμπιεστές χρησιμοποιούνται σήμερα ευρύτατα στο πλαίσιο βελτίωσης της απόδοσης των μικρότερων σε κυβισμό κινητήρων οι οποίοι πληρούν πιο εύκολα τους αυστηρότερους κανονισμούς σχετικά με την μείωση των εκπομπών ρύπων!