Fékezni bűn.
A bűnös, aki a fékre lép, valahol elszámolta magát: túl gyorsan
megy, s ezért keményen megfizet. Megfizeti egyrészt a féktárcsa és
a fékbetét kopását. Másrészt megfizeti azt az üzemanyagot, amivel
fölöslegesen gyorsította fel az autót. A benzin kémiai energiája
először mozgási energiává alakul, majd a jármű mozgási energiája
a féktárcsákon hővé. A fékezés végeredménye tehát közel
ugyanaz, mintha szépen alágyújtanánk a féktárcsának: a benzin
fogy, a féktárcsa melegszik. Többek között ez az oka a városi
forgalomban a magasabb fogyasztásnak.
Aki spórolni akar, minél kevesebbet fékezzen. Időnként viszont
tényleg muszáj: a piros lámpa, a stoptábla, a macisajt
és a jobbkezes utca is komoly érv amellett, hogy a fékpedálra
lépjünk. Ha egy jó tündér ilyenkor az autó mozgási energiáját hő
helyett valami mássá alakítaná, s pár (másod)perc múlva visszaadná,
szinte mindenki jól járna – az olajmultik és
a fékbetét-forgalmazók kivételével. A fékezéskor eddig
veszendőbe ment energiát ugyanis tárolás után újra fel lehetne
használni a jármű gyorsítására, így ennyivel több maradna
a tankban.
A versenypályán tojnak ugyan a fékbetétkopásra,
a fogyasztás azonban már nem olyan mindegy, és ha
a lassításkor betárolt energiából a megfelelő pillanatban
néhány plusz lóerőt lehet csiholni, az értékes (tized)másodperceket
vagy egy-egy sikeres előzést jelenthet.
Az utcán és a versenypályán is ugyanaz a cél tehát:
1. Mozgási energia átalakítása (lassítás)
2. Energia tárolása
3. Mozgási energia visszanyerése (gyorsítás)
Mindez lehetőség szerint jó tündér nélkül, ipari méretekben,
megbízhatóan működjön.
A jó hír: működik. A korszerű villanymozdonyok,
metrószerelvények, villamosok fékezéskor generátoros üzemben használják
a hajtómotorokat, s így energiát táplálnak vissza
a felsővezetékbe, amit valaki más – például egy másik, éppen
gyorsító szerelvény – felhasználhat.
De mi a teendő, ha nincs felsővezeték? Vagy a dodzsem
lenne a jövő autója?
A tisztán elektromos rendszer
A XXI. század mérnökei szeretnek minden problémára digitális, de
legalábbis elektronikus megoldást találni – ha kell, ha nem. Gondoljunk
csak az elektromos késre vagy a
motoros mérőszalagra . A KERS építéséhez is
a legegyszerűbbnek tűnik a villanyászbolt felé venni az
irányt: egy motor, egy teljesítményelektronika és egy akkumulátor lesz,
elvitelre. Izéé… a múltkor a hibrid autóhoz nem pont
ugyanezeket vittük, főnök? Tényleg: csodálkozom is, hogy a sajtó
és a csapatok píárosai még nem ordítják kórusban, hogy
de hát ezek hibrid autók, és most majd a Formula-1 menti
meg a Földet.
Bár az arányok kicsit mások, a lényeg itt is ugyanaz, mint
mondjuk a Priusban: fékezéskor a villanymotor generátorként
működik és feltölti az akksit. Gyorsításkor pedig az így eltárolt
energiával hajtják a villanymotort, ami plusz lóerőket tesz
a benzinmotor mellé. Nemcsak a hajtáslánc, a problémák
is hasonlóak. A villany-KERS-ben az akkumulátor a leggyengébb
láncszem, éppúgy, mint az utcai hibridekben és elektromos autókban.
Durva gyorstöltéssel bő negyed óra alatt feltölthető egy akksi, de ez
még mindig elképesztő hosszú idő ahhoz képest, hogy egy-egy fékezés
mindössze néhány másodpercig tart.
A Formula-1 szabályai szerinti alkalmazáshoz a ma ismert
megoldások közül a lítium-ionos akkumulátor az egyetlen szóba
jöhető energiatároló, bár elvileg a szuperkondenzátorok bevetése
sem kizárt. Az utcai változatoknál pedig úgy oldják meg
a problémát, hogy több száz kilónyi akksi között "terítik szét"
a fékezéskor visszanyert energiát, de a nagy áramerősséggel
végzett töltés és kisütés így is az élettartam (és a hatásfok)
rovására megy.
A BMW és a McLaren saját fejlesztésű akkumulátoros rendszert
használ, míg a Ferrari és a Renault az olasz Marellitől
szerzi be a cuccot. Eközben a Toyota fölényesnek szánt, de
kissé talán kényszeredett mosollyal állítja: a 2009-es szabályok
szerint olyan primitívek a hibridrendszerek a Formula-1-ben,
amilyet ők nem is bírnak gyártani, mert nincs már meg
a pauszpapír, amin anno, sok-sok éve lerajzolták az elsőt.
Tegyük hozzá: a
Supra HV-R-ben használt hibridrendszer, amivel a tokachi 24 órás
futamon 2007-ben tizenkilenc kört vertek a másodikra, jóval több
műszaki csemegét tartogatott: mivel a fékenergia döntő része az
első kerekeken jelentkezik, a hátsó tengelyt hajtó 150 kW-os
főmotor mellett az első kerekekbe is applikáltak egy-egy 10a kW-os
agymotort, s a lassításkor visszanyert energiát
szuperkondenzátorokban tárolták. Hasonló csemegékre az
Ecclestone-cirkuszban még legalább négy évig várni kell.
De lehet-e energiát tárolni másban, mint akkumulátorban?
Már hogyne lehetne. Ott van például a rugó: gondoljunk egy
megfeszített íjra, vagy egy ókori római katapultra. Harmincon felül
esetleg a
hátrahúzós autóra. (Kinek volt utoljára ilyen a kezében?)
A rugóerő járműhajtási célra való felhasználására a játékon
kívül nem találtam példát, bár gyakorlatilag veszteségmentesen, hosszú
ideig képes tárolni az energiát, ami – mint látni fogjuk – komoly
előny. Valószínűleg az elérhető energiasűrűség, azaz az egy kiló (egy
köbméter?) rugóban tárolható energia mennyisége miatt hanyagolják
a kutatók.
Aztán ott a kémiai energia. Ugyan mozgási energiából benzint
előállítani legföljebb a jó tündér képes, de a hidrogén nem
tűnik teljesen reménytelen esetnek: ha a hajtásláncba kapcsolt
generátor által termelt árammal vizet bontunk, majd felfogjuk és
tároljuk a hidrogéngázt, már meg is oldottuk a feladatot.
Németországban az elmúlt napokban került sor az első hasonló
elven működő "hibrid hajtású" erőmű alapkőletételére.
A szélturbinákkal megtermelt elektromos energiával szeles
időben vizet bontanak, majd szélcsendben a tárolt
hidrogénnel hajtott generátorokkal táplálnak energiát
a hálózatba. Már csak az egész cuccot le kéne kicsinyíteni
úgy, hogy elférjen egy aktatáskányi helyen, és képes legyen
tizedmásodpercek alatt alkalmazkodni
a teljesítményugrásokhoz (fékezés/gyorsítás). Érzésem
szerint erre még jó pár évet várni kell…
És ott van ugye a lendkerék, amit eddig szintén leginkább
játékautókban láthattunk energiatárolóként. Ha valaki a 80-as évek
elején azt állította volna, hogy nemsokára százmilliók bámulják
a tévében, amint lendkerekes autók vívnak ádáz csatát
a versenypályán, rokonai és barátai jelentőségteljesen hümmögve
néztek volna össze a háta mögött, egyértelmű kézjelekkel utalva az
illető elmeállapotára. Vigasztaljon minket, hogy hasonló reakciót
kapott volna, ha az egy főre eső hordozható telefonok számát, netán
hazánk NATO-tagságát illetően bocsátkozott volna jóslásokba. Változnak
az idők.
De hogyan működik a lendkerekes versenyautó? Lapozzon, és
kiderül!
Az elektromos-lendkerekes rendszer
Bármilyen rettenetesen hangzik is, a lendkerék bizonyos
szempontból jobb energiatároló, mint az akkumulátor. Fene se gondolta
volna… Tény, hogy a mérnökök az összes szóba jöhető alternatíva
közül ezt találták a legalkalmasabbnak a nagy energiájú,
nagyon gyors energiafelvétel és -leadás megoldására. A malomkő és
a porszívómotor házasságából azonban még nem születik KERS:
rengeteg részletkérdést, apróbb-nagyobb technikai akadályt kell még
leküzdeni ehhez. A veszteségek és a melegedés csökkentése
érdekében kerámia- vagy akár mágneses csapágyakat is alkalmazhatunk,
ahol a tengely egy mágneses mezőben, a felületek közvetlen
érintkezése (továbbá olajkenés, miegymás) nélkül fut. Ez annál is
előnyösebb, mivel az így kialakított csapágyazásnak gyakorlatilag nincs
felső fordulatszámhatára. Jól fog ez még jönni, ha megtudjuk, mennyivel
is pörög a lendkerék: mivel a benne tárolt energia
a fordulatszám négyzetével arányos, sokkal inkább a sebesség,
mint a méretek növelésével igyekeznek emelni a "kapacitást".
Így fordulhat elő, hogy a malomkő percenként akár 160 000
fordulatot is megtesz teljes feltöltöttség mellett, ami egy
turbófeltöltő filigrán forgórészének is becsületére válna.
Ekkora sebességnél egy malom
kő persze egyszerűen szétrepülne, ezért ötvözött acélból vagy
karbonszálas kompozit anyagból készülnek a lendkerekek. Mivel
ilyen magas fordulatszámokon a légellenállás, illetve
a légsúrlódás a legjelentősebb veszteség, a forgórész és
a masszív ház közti térben vákuumot hoznak létre. Ami megint nem
túl egyszerű, ha egy tengellyel ki akarunk hajtani a külvilág felé
– vagy mehet a porszívómotor is a vákuumharang alá. Nem
egyszerű, na.
A Formula-1-ben a Williams csapat
alkalmazza (?)
a megoldást, míg a Bosch tavaly ősszel mutatta be moduláris
felépítésű fékenergia-visszatápláló rendszerét, mely viszonylag könnyen
illeszthető a különböző versenykategóriák igényeihez,
szabályaihoz. Így igazán azon sem lepődnénk meg, ha rövidesen a Le
Mans-ban köröző Audikban, netán DTM vagy WRC autókban is felbukkanna
a lendkerék és a hibrid felirat.
A mechanikus lendkerekes rendszer
Ismerik a történetet az amerikai űrgolyóstollal és az orosz
ceruzával? Városi legenda csupán, de remek tanmese annak bemutatására:
időnként a mezei, "fatengelyes" megoldás lehet
a legcélravezetőbb. Hiszen bármilyen jó is az energiaátalakítás
hatásfoka, a villanyos lendkeréknél legalább négyszer kerül rá sor
(mozgási/autó » elektromos » mozgási/lendkerék/ » elektromos »
mozgási/autó/), és az akkumulátornál sem lenne jobb a helyzet, ha
belegondolunk, hogy az elektromos energiát tulajdonképpen újabb
átalakítással kémiai energia formájában tároljuk.
Célszerűnek tűnik a felvetés, hogy az autó mozgási energiáját
közvetlenül vigyük át a lendkerékre. Forgómozgást forgómozgássá
alakítani nem nagy ördöngösség. Az egyetlen probléma, hogy a jármű
sebessége a vezető döntésétől függően folyamatosan változik
(fékezéskor ráadásul csökken), míg a lendkerék fordulatszáma csak
az energiatároló töltöttségétől függ (fékezéskor ráadásul nő).
A közvetlen átalakításhoz tehát egy olyan, hihetetlenül rugalmas,
fokozatmentes áttételre van szükség, ami terhelés alatt, pontosan és
iszonyú gyorsan képes változtatni a ki- és bemenő fordulatszám
arányát.
a fokozatmentes váltó (Xtrac)
Erre a problémára talált frappáns megoldást a brit
Torotrak cég, ahol (a szintén angol Xtrac-kel kooperálva) fejlesztik és
szállítják a Flybrid Systemsnek a fokozatmentes váltókat. Az
Audi fokozatmentes (CVT) váltójával szemben ebből sikerült száműzni
mindenféle láncot vagy ékszíjat. A mindössze húszcentis, ötkilós
egységben változtatható szögben forgó görgők viszik át
a nyomatékot. Az áttétel a görgők állásának
változtatásával
állítható be akár néhány századmásodperc alatt. Ehhez az egységhez egy
kuplungon és egy bolygóműves áttételen keresztül csatlakozik
a szénszálas lendkerék, ami egy bombabiztos házban, szintén
vákuumban forog akár 60 000 1/perc sebességgel.
Valahogy csak megoldották a tengelytömítést… Az energiatárolás
és -visszanyerés hatásfoka állítólag 70% körüli, ami messze jobb érték
az akkumulátoros rendszerek összhatásfokánál. A Formula-1-re
jellemző titkolózás sajnos nehezíti a tisztánlátást: ezzel
a rendszerrel tavaly ősszel a Hondát hozták hírbe, s egyelőre
rejtély, hogy végül helyet kapott-e valamelyik autóban, vagy lemaradt
erről a körről, de biztosak lehetünk benne: viszontlátjuk még.
Az ötvenes években a rakétatechnika és a rock and
roll mellett különleges járművekkel is kísérleteztek az
emberek. Ekkor született a lendkerekes autó és
a trolibusz keresztezéséből a
Girobusz,
ami hosszú évekig menetrendszerűen szállította az utasokat
Svájcban és Belgiumban – zaj és dízelfüst nélkül. A másfél
méteres, ezerötszáz kilós lendkereket maximum 3000 1/perces
fordulatszámra pörgették a végállomásokon és az erre
kialakított megállókban. Ilyenkor felcsapódott a tetőn
elhelyezett három áramszedő, és rácsatlakozott az ötszáz
voltos, háromfázisú hálózatra. A Girobusz egy feltöltéssel
maximum hat kilométert volt képes megtenni úgy, hogy fékezéskor
a XXI. század hibrid autóihoz hasonlóan visszatáplálta az
energiát a lendkerekes tárolóba. A nagy tömeg és az
emelkedőn/lejtőn haladáskor fellépő stabilitási problémák miatt
végül kiszorították a közben egyre olcsóbbá váló
robbanómotoros buszok.
A svájci MFO gyár másik, hasonló elven működő járművéből,
a szintén ez idő tájt szolgálatba állt
lendkerekes bányamozdonyból sem vált igazi tömegtermék. Az alternatív hajtással
a több száz méterrel a föld alatt futó vágatokban
megspórolták a dízelfüstöt, illetve a költséges
szellőzőberendezés kiépítését. Az egyik utolsó darabot lelkes svájci
vasútbarátok mentették meg és újították fel 1994-ben; azóta látogatókat
szállít a gonzeni vasércbányában.
Biztonság és környezetvédelem
Az FIA szabályai az idei szezonban körönként 400 kilojoule energia
tárolását és maximum 60 kW (82 LE) villamos teljesítmény kivételét
engedélyezik. A 400 kJ legföljebb egy lámpától lámpáig gyorsulásra
elég a Váci úton, és jóval kevesebb, mint amennyi egy öreg,
pislákoló lámpájú 120-as Skoda akksijában elfér. Ehhez képest
a benzintankban akár 1 000 000 kJ-nyi kémiai energia is
lötyöghet. Nem a tárolt energia mennyisége a gond tehát,
hanem a tárolás és az energiaátalakítás szokatlan, kiforratlan
módszerei. Ne feledjük: a legtöbb gyártó mindössze másfél-két éve
foglalkozik igazán intenzíven a KERS-szel.
Nem a BMW-csapat szerelőjének
tavaly nyári balesete volt az első a sorban: hallottunk
szétrepült lendkerékről,
kigyulladt fékpadról és sajnos halálos kimenetelű balesetről is.
A gyártók, a csapatok és az FIA is egyre komolyabban veszi
a biztonságot: így kerültek az autókra a KERS meglétét,
illetve töltöttségi állapotát jelző eszközök, a speciális,
elektromosan szigetelő kesztyűk és cipők, és az atombiztos
lendkerékházak, melyek ütközés vagy a kerék törése esetén is
megvédenek a súlyos sérüléstől. A szénszálas forgórész
alkalmazásának további előnye, hogy túlpörgés, esetleges sérülés esetén
nem repeszgránátként darabokra szakadva próbálja átütni
a lendkerékház falát, hanem szálaira bomolva, viszonylag
kontrolláltan lassul le.
Mindezek tükrében talán érthető az óvatos, fokozatos bevezetés, és
remélhetőleg 2013-ra, az energialimit 1600 kJ-ra és a teljesítmény
200 kW-ra történő emelésének évére napi rutinná válik a dolog, s
nem jelent majd lényegesen nagyobb rizikót a jól ismert folyékony
üzemanyag kezelésénél és tárolásánál.
Az akkumulátorok a rendkívül intenzív igénybevétel miatt néhány
verseny alatt elhasználódnak – dacára annak, hogy a Formula-1-ben
körönként csak egy töltési ciklus engedélyezett. Cseréjük nemcsak
tízmillió forintos nagyságrendű kiadást jelent esetenként
a csapatoknak, hanem jelentős környezetszennyezést is.
A lendkerekes megoldások vitathatatlan előnye ezzel szemben, hogy
nincs szükségük akkumulátorokra. Hátrány, hogy a mechanikai
veszteségek miatt viszonylag rövid idő alatt csökken a tárolt
energia mennyisége, de két fékezés között, rövid távon (újra) ígéretes
megoldásnak tűnik.
Egyetért? Vitatkozna vele? Véleményét elmondaná másoknak
is?
Tegye meg a publikáció
blogposztján!
A színfalak mögött intenzív kutatások és tárgyalások folynak az
autógyárakkal, hiszen ez a technológia elvileg lehetővé tenné
a valódi, feltételek nélkül környezetkímélő
fékenergia-visszanyerést a szériaautókban is. Addig persze sok
víznek le kell még lefolynia a Dunán, hiszen a költségek
mellett arra is választ kell kapjunk, hogyan viselkedik
a percenként sok tízezret forgó lendkerék tíz év vagy százezer
kilométer futásteljesítmény után, és pontosan mi történik velük valós
baleseti helyzetekben.
De nem kizárt, hogy tíz év múlva ugyanolyan természetes lesz
a lendkerekes autó az utakon, mint ma a versenypályán. Ekkor
pedig beteljesedhet minden férfi titkos álma, hogy mint régen Májkül
Knájt, maga is benyomhassa a
Turbo Boost gombot a műszerfalon.
További cikkeink
