Legomobilele viitorului: combinaţii de structuri şi de sisteme de propulsie

Marea menire a mobilităţii este de a traversa stări, adică aparente imobilităţi, care au, în general, particularităţi complet diferite una de alta, de la forme şi culori, până la temperaturi sau caractere.

Un vehicul, ca realizator de mobilitate, ar trebui, în mod ideal, să se adapteze fiecărei stări în care ajunge, sau prin care trebuie să treacă. Aşa cădem în păcatul diametral opus celui atât de des postulat, vizând automobilul universal, cu structură unică: deci acum vrem automobilul cameleon – perfect adaptat oricărei stări – iarna siberiană, vara africană, strada asfaltată, ori mai desfundata, soferaşi mai mititei, dar şi cowboys mari şi grei, New York, Rio, Tokyo, Bragadiru, Waterloo.

Atât configuraţia universală, cât şi cea la infinit adaptabilă constituie scenarii extreme. Optimizarea între aceste limite se bazează pe bun simţ şi experienţă, ca elemente indispensabile ale unei tratări fenomenologice a problemei:

Un transportator între stări trebuie să fie adaptat unui grup cât mai mare de stări cu proprietăţi similare sau destul de asemănătoare. Pe de altă parte, cât mai multe dintre modulele funcţionale ale diferiţilor transportatori prin stări trebuie să fie, pe cât posibil, standardizate, deci universalizate. Aşa am împăcat şi capra, şi varza.

În articolele precedente am prezentat succint diversitatea automobilelor, de la SUV, la cabriolet şi pick-up, diversitatea structurilor de caroserie şi a materialelor, de la oţel la fibră de carbon, diversitatea în antrenarea roţilor anterioare, posterioare sau a tuturora, diversitatea în plasarea motoarelor în faţă, în spate, sau la mijloc. Ce ne mai lipsea? Diversitatea sistemelor de propulsie! Aşa chiar ajungem la legomobile! Am constatat faptul că propulsia cu motor electric alimentat de baterie are limite, care includ un număr mult prea restrâns din stările posibile, reale. Putem lărgi aceste limite, aşa cum am menţionat în articolul anterior, prin generarea de energie electrică la bord cu ajutorul unui motor termic lucrând la punct fix. Aceste două configuraţii de sisteme de propulsie nu sunt însă, pe departe, suficiente pentru nenumăratele aplicaţii în care sunt necesare vehicule cât de cât adaptate.

Aşadar, motoarele termice trebuie, în multe cazuri, să contribuie la propulsie, alături de motoarele electrice, împreună, sau separat!

Independent de cuplul maxim al respectivului motor termic sau electric, dezvoltarea acestui cuplu în funcţie de turaţie este complet diferită:

• un motor electric dezvoltă cuplul maxim începând de la prima rotaţie, până spre 2000 de rotaţii pe minut, după care acesta descreşte vertiginos;  
• un motor cu piston dezvoltă cuplul maxim începând de la aproximativ 2000 de rotaţii pe minut (Diesel), respectiv după 4000 de rotaţii pe minut (motor cu aprindere prin scânteie).  

Bineînţeles că deficitul de cuplu la turaţii mari (motorul electric) sau la turaţii mici (motoarele termice) pot fi compensate prin ridicarea cuplului maxim al motorului respectiv, ceea ce înseamnă însă, practic, o creştere cam fără sens a puterii, folosind motoare mult mai mari şi mai grele.

Aşadar, să purcedem la combinaţii: două electrice în faţă şi unul termic în spate, sau invers, sau ambele în faţă, cuplate prin angrenaje sau ambreiaje? Împreună cu caroserii de forme şi structuri diferite, din materiale diferite, ajungem la un puzzle, respectiv la un lego extrem de captivant, care nu-l mai preocupa pe minor, ci pe senior, nu, nu pe cel ieşit la pensie, ci pe cel care şi-a luat doctoratul în asemenea jocuri, cu care trebuie să-şi câştige pâinea zilnică.

Sisteme de propulsie, rezervoare de energie la bord, metode de transformare a energiei stocate în lucru mecanic, generând cuplu

Aici revenim la modulele funcţionale standardizate, universalizate, care duc la micşorarea notabilă a numărului de combinaţii posibile:

• sistemele, respectiv modulele de siguranţă activa şi pasivă, de climatizare şi încălzire, de comfort, conectivitate, stabilizare, direcţie, amortizare sau transmitere a cuplului spre roţi;  
• caroserii modulare, în care, prin adăugare de elemente, capota, habitaclul sau portbagajul pot fi prelungite, sau viceversa.

Deci până acum am avut un motor brav cu 4 cilindri sub capotă, la care-i mai schimbăm bujiile sau segmenţii, acum, mai bine nu deschidem capota, ca să nu ne curentăm de atâta high-tech?

De unde high-tech, tot old-tech, ca şi propulsia curat electrică. Henri Piper construise în Belgia, deja în 1900, un automobil cu un motor pe benzină sub capota şi un motor electric sub scaunul şoferului, soluţie patentată în 1905. Motorul termic funcţionând la regim constant era menit să încarce bateria pentru motorul electric, cel care asigura propulsia. La accelerări sau în pante, motorul termic contribuia, împreună cu cel electric, la propulsie. Firma belgiană Auto-Mixe a construit între 1906-1912 automobile de serie cu asemenea sisteme de propulsie. Dezvoltarea spectaculară a motoarelor cu piston, coroborată cu preţul scăzut al petrolului au pus însă repede în umbră asemenea soluţii ingenioase, dar tehnic mai complicate şi mai scumpe, aşa cum s-a întâmplat şi cu propulsia electrică.

Diversificarea notabilă a condiţiilor de utilizare, dar şi cerinţa de putere, mai bine zis de cuplu, la consum cât mai scăzut şi la emisii strict limitate, a relansat conceptele de hibridizare a propulsiei. Meritul acestei relansări îi revine, pe plan internaţional, fără discuţie, companiei Audi, care a pus în practică, între 1989-1997, concepte de sisteme de propulsie absolut inedite, la care a renunţat însă ulterior. Acestea sunt acum, din nou, de mare actualitate, după cum veţi vedea.

• Audi a realizat mai întâi (1989) o primă variantă cu un motor cu piston de 100 kW care antrena puntea din faţă, şi cu un motor electric de 9 kW care antrena puntea din spate, fără cuplaj mecanic între ele;  
• apoi (1991) cu un motor cu piston acţionând pe ambele punţi, ajutat la puntea din spate de un motor electric de 21 kW;  
• a treia variantă (1997) consta din cuplarea unui motor Diesel de 66 kW cu un motor electric de 21 kW, acest sistem antrenând puntea din faţă.

Cea de-a treia variantă a fost introdusă în producţia de serie în 1997, fiind însă retrasă după numai câteva luni: pe de o parte, cuplul şi consumul nu erau notabil superioare celor obţinute cu acelaşi motor Diesel, fără componenta electrică, echipând acelaşi tip de automobil; pe de altă parte, preţul noului sistem era destul de mare în comparaţie cu varianta clasică.

De aici istoria trece de la inginerie la filosofie. În această turnură Audi a pierdut şi Toyota a câştigat: menţionasem mai sus faptul că un motor Diesel atinge cuplul maxim la o turaţie mult mai joasă decât un motor cu aprindere prin scânteie – rotunjit, la 2000 de turaţii pe minut în comparaţie cu 4000. Motorul electric are cuplul maxim tot la turaţie joasă. Atunci, cine Dumnezeu i-a mânat pe filosofii de la Audi să completeze ce nu era de completat, adică maximul cu maximul, după care prăpastia cuplului. Era, poate, încântarea pentru grozavul lor motor Diesel de 1,9 litri, care echipa Golfuri şi Audi-uri, hai să-l punem acum peste tot, că ştie să facă de toate. Cuplu mare, consum într-adevăr mic.

Şi exact de cuplul şi de consumul unui asemenea motor erau foarte încântaţi americanii, la care benzină şiroia că din fântâni arteziene în cei 6 sau 8 cilindri în general destul de leneşi de sub capotele şalupelor stradale în care aceşti oameni din lumea nouă se simţeau aşa de liberi! Doar că americanii urau Dieselul, aşa cum îl urăsc şi acum. Aveau şi de ce: autobuzele uriaşe semănând a blindate, cu motoare Detroit-Diesel în doi timpi au infestat mulţi ani America, nu numai cu zgomot, ci şi cu jeturi de fum şi funingine. Astea sunt imagini care rămân. Cuplu mare şi consum mic da, Diesel, niciodată, sau numai pentru puţinii experţi în materie sau admiratori ai tehnicii germane.

Filosofii de la Toyota au priceput însă bine situaţia: americanii vor motoare cu un consum tot la fel de mic ca cele Diesel, dar nu Diesel. Unde e problema motoarelor cu benzină? La turaţii mici, deci tocmai în faza de acceleraţie, unde e nevoie de cuplu, drept care forţăm motorul, înrăutăţind consumul. Păi atunci, auziţi, filozofilor de la Audi (Audi - în latină auzi), de ce să punem cuplurile unul peste altul, vârf peste vârf, când putem să le punem vârf lângă vârf, lăsând doar o mică să între ele. La şase luni după ce Audi scosese hibridul nenorocos din producţia de serie, Toyota a lansat pe piaţă modelul Prius (Prius - în latină primul, chiar dacă nu a fost primul): motor pe benzină de 43 kW cuplat cu un motor electric de 30 kW, pentru antrenarea punţii din faţă. Cuplarea acestora se face printr-o transmisie planetară, în care rotile dinţate montate pe axa motorului electric, respectiv termic, se cuplează că planete, în interiorul unei mari roti dinţate. Tot acolo poate fi cuplat şi generatorul de curent pentru încărcarea bateriei.

Cei trei participanţi la împărţirea puterii pot fi cuplaţi şi decuplaţi după scenarii energetice eficiente, în funcţie de cerinţele vehiculului.

Toyota Prius

Acest concept a avut un răsunător succes, nu numai în America şi Japonia, ci în toate ţările care preferă motoarele pe benzină celor pe motorină. Sistemul a fost preluat şi de Honda, iar mai apoi, la alţi parametri, de Lexus, care a adăugat însă sistemului un motor electric de propulsie suplimentar, independent, pe puntea posterioară, rezultatele fiind notabile.

În variante mai noi, soluţia de cuplare a motorului electric cu cel termic s-a schimbat, acestea fiind dispuse pe aceeaşi axă şi conectabile prin ambreiaje în loc de cutii planetare cu roţi dinţate, cu avantaje în ceea ce priveşte lanţul de transmisie a cuplului, gabaritul şi greutatea. Şi dacă tot am menţionat gabaritul şi greutatea, puteţi compara, pe baza figurilor, şi motoarele electrice aferente celor două soluţii.

Porsche Panamera S

Bineînţeles că şi în această nouă variantă se poate adăuga sistemului un motor electric suplimentar şi independent, pe cealaltă punte, similar soluţiei Lexus. O asemenea configuraţie a fost realizată în Porsche 918 Spyder, prezentat în figură introductivă, care are în hibrid, în acest caz pe puntea posterioară, un motor termic de 447 kW, cuplat cu un motor electric de 15 kW; puntea anterioară poate fi antrenată, după cerinţe, de un motor electric independent, de 95 kW.

Între timp. În asemenea sisteme au reapărut şi motoarele Diesel, dar cu grijă de a completa cuplurile în loc de a le suprapune.

Dar cum era cu prima soluţie pusă în practică de Audi, în 1989? Motor cu piston acţionând puntea din faţă şi motor electric acţionând puntea din spate. Ei, drăcie! Începând în 2011, Peugeot oferă un model 3008 cu motor Diesel de 120 kW acţionând puntea din faţă şi motor electric de 27 kW acţionând puntea din spate, fără cuplaj mecanic între ele. În fond, o soluţie atât viabilă, cât şi pragmatică pentru condiţiile actuale: prin oraş numai propulsie electrică, fără poluare locală, în afară cu motorul Diesel, cu un consum net inferior celui al unui motor pe benzină. La acceleraţii şi la deal fratele electric mai mic îşi ajută colegul cu pistoane. Rezultatul: un consum de 3,8 litri de benzină pe sută de kilometri.

Peugeot 3008

Cea mai nouă invenţie din această categorie: Volvo Polestar, cu un motor cu piston pe puntea din faţă şi două motoare electrice pe puntea din spate, realizând împreună un cuplu cât patru limuzine de talie medie. Autonomia cu propulsie pur electrică poate atinge 150 de kilometri, declară constructorii. Introducerea în serie este prevăzută pentru anul 2019.

Toate aceste soluţii, în care motorul electric ajuta motorul termic, au într-adevăr avantajul reducerii consumului de combustibil, în majoritatea cazurilor chiar cu 30-40%. Cu ce preţ? Cu preţul preţului! O asemenea variantă costă cu 4.000-8.000 euro mai mult decât cea de bază, nehibridizată. Aceste sisteme sunt aşadar aplicabile în special automobilelor mari şi scumpe, dar mai ales grele, care au nevoie de susţinere la accelerare.

Dar dacă tot am ajuns la asemenea soluţii, să reluăm ideea cu funcţii modulare: ZF, unul dintre cei mai mari, dacă nu cel mai mare producător mondial de cutii de viteze manuale şi automate pentru automobile, oferă punţi posterioare complete, cu motor electric de propulsie integrat, care pot echipa cam orice fel de automobil cu motor termic acţionând pe puntea anterioară.

Ce mai lipseşte oare? O pilă de combustie la bord, alimentată cu acelaşi combustibil ca şi motorul termic de propulsie, aptă de a genera 6-7 kW, buni pentru toate funcţiile electrice din automobil, dar şi pentru multe funcţii ale motorului termic. Idee năstruşnică? Da' de unde! BMW a realizat acest concept, cu mult succes, în cadrul proiectului de automobil cu motor cu piston alimentat cu hidrogen, pe care l-am menţionat într-un articol anterior.

Axă cu motor electric ZF

Legomobilele sunt în plină expansiune, pietricelele din care sunt compuse devin din ce în ce mai standardizate, mai compacte, mai ieftine. Rămâne la mintea inginerului sau a ingeniosului să le combine în sisteme elegante sau extravagante. Şi dacă nu iese berlineta, poate măcar o bicicletă! Ca la propulsia electrică: am vrut neapărat multe automobile electrice şi acum avem o droaie de biciclete electrice prin toată Europa.