Turbodmychadla budoucnosti: Opravdu budou elektrická? A k čemu budou elektromobilům?

Proč pohánět kompresor výfukovými plyny, případně řemenem od motoru, když to jde elektromotorem? Dle vyjádření Craiga Baise, vedoucího technika firmy Honeywell, která je předním dodavatelem turbodmychadel pro široké uplatnění, mají elektricky poháněné kompresory jasný potenciál do budoucna. Firma Honeywell věří v jejich masovější nasazení už v horizontu čtyř let.

Elektrický kompresor – nejen rychlejší rozjezd

Elektrické turbo, kompresor nebo dmychadlo? Prvně uvedené spojení je trochu zavádějící, neboť pod výrazem „turbo“ si představujeme zařízení poháněné výfukovými plyny od motoru. K čemu by tu ale pak byl ten elektromotor? Druhé dva výrazy jsou správné, avšak každý se používá ve spojení s jinou technikou.

V úvodu vzpomínané Audi SQ7, respektive jeho přeplňovaný osmiválec TDI, využívá kromě dvojice turbodmychadel poháněných výfukovými plyny (sekvenční přeplňování) také elektrický kompresor EAV. V první fázi v nízkých otáčkách pracuje jedno výfukové turbodmychadlo spolu s elektrickým kompresorem. Druhé turbodmychadlo stojí. Ve vyšších otáčkách dojde k přemostění elektrického kompresoru a současně k roztočení druhého turbodmychadla. Celý proces je ale poměrně složitý. Od té chvíli pracují obě turbodmychadla současně, naopak elektrický kompresor stojí.

Palubní napětí 48 voltů: Kdy se opravdu rozšíří? A co přinese?

Elektricky poháněný kompresor se pojí se 48voltovou palubní sítí. Důvodem je značný příkon (energetická náročnost) jeho elektromotoru. Při použití 12voltového napětí by to znamenalo použít příliš tlusté vodiče z důvodu velmi vysokého napájecího proudu. Vyšší napětí umožňuje snížit proud a tudíž zmenšit průřez elektrických vodičů. A tím také jejich hmotnost a nároky na zástavbu do vozidla.

Elektrický kompresor má ale ještě jednu funkci. Může pracovat také v roli generátoru a tedy vyrábět elektrický proud, čímž pomáhá konvenčnímu alternátoru. Alespoň tak to vidí firma Honeywell. „Elektrický kompresor má méně součástí než turbodmychadlo hnané výfukovými plyny. A dále pracuje s nižšími otáčkami, přibližně 100.000 za minutu. Konvenční turbodmychadla, přesněji jejich rotor, točí až 200.000 otáček za minutu,“ dodává Baise. I elektrický kompresor ale produkuje odpadní teplo. Však také je u osmiválce SQ7 jeho skříň zařazena do okruhu chlazení motoru.

Nahradí tedy elektrický kompresor turbodmychadlo? Jednou možná ano, i když je otázkou, zda v celé šíři. Spíše bude k dispozici u lepších aut v kombinaci s turbodmychadlem. Důvodem jsou nižší pracovní otáčky, z nichž pramení menší plnicí tlak (při obdobných rozměrech). Plošné zavedení elektrických kompresorů by také znamenalo zapracovat do vozidel sít s napětím 48 voltů, minimálně pro pohon kompresoru.

Elektrické dmychadlo – dodává palivovým článkům kyslík

Firma Honeywell má však pro elektrický kompresor ještě jedno využití. A sice coby elektrické dmychadlo jej vyvinula pro potřeby elektromobilů, využívajících energii z palivových článků. Aby mohl palivový článek pracovat a tedy vyrábět elektrickou energii, potřebuje k chemické reakci kromě vodíku, katody a anody také okysličovadlo. A právě kyslík dodává článku elektrické dmychadlo.

Proč vymírá přeplňování kompresorem? Tady jsou důvody!

Zařízení, dodávající vzduch v podobě elektricky hnaného dmychadla není ničím novým. V letectví se používá již řadu let. Nyní je však poprvé použito také v automobilu, konkrétně ve druhé generaci Hondy FCX Clarity. Spolu s konkurenční Toyotou Mirai jde o jediná sériově vyráběná auta získávající elektrickou energii pro pohon elektromotoru z palivového článku. Obě japonské automobilky navíc mají s touto technologii bohaté zkušenosti.

Elektrické dmychadlo pro palivový článek hondy dodává právě společnost Honeywell, jejíž součástí je také slavná firma Garrett, vyrábějící kromě turbodmychadel také letecké turbodmychadlové (reaktivní) motory. Elektrické dmychadlo dodávané Honeywellem pro FCX Clarity je dvoustupňové koncepce. Hlavním cílem snažení vývojářů Honeywellu a Hondy bylo zmenšit rozměry jednotky s palivovým článkem. Dle údajů firmy Honeywell je nyní srovnatelná s malým vidlicovým šestiválcem. Nebo jinak řečeno, celé zařízení na výrobu elektrické energie je o značných 33 procent menší, než tomu bylo u předchůdce, první generace FCX Clarity, s níž jsem kdysi měl tu čest jezdit v okolí Neratovic. První FCX Clarity měla „bednu“ s palivovým článkem umístěnou „nastojato“ ve středovém tunelu mezi předními sedadly. Druhá generace má obal s palivovým článkem výrazně nižší, takže neomezuje prostornost v kabině v příčném směru. V neposlední řadě je nové řešení palivového článku o značných 60 procent výkonnější, což při výrazném zmenšení rozměrů znamená obrovský pokrok.

Olej není potřeba

U elektrického dmychadla pro FCX Clarity stojí za zmínku také ložiska jeho rotoru. Jedná se o aerodynamická, takzvaná fóliová ložiska, vynález již zmíněné firmy Garrett, respektive její někdejší dceřiné společnosti AirResearch z konce 50. let. K prvnímu uplatnění došlo v průběhu 60. let u letadel Boeing 727 a 737 společnosti United Airlines, kde se to používalo ke chlazení turbín motorů. Později na sklonku 60. let se to dalo vidět na klimatizačním a přetlakovém systému letounu Douglas DC-10.

K prvnímu použití v automobilovém průmyslu dochází až teď ve spojení s vodíkovou hondou. Předností tohoto typu ložiska je jednak menší náročnost na přesnost výroby a tedy sesazení rotoru a jeho obalu, kdy geometrie ložiskové mezery se dokáže přizpůsobit provozním podmínkám. Kromě folie je zde totiž plynová (vzduchová) výplň, přes kterou tlak generovaný v ložisku folii deformuje.

Velký přehled všech typů turbodmychadel. V čem se liší?

K čemu je to u palivového článku dobré? Ložisko je jednak velmi dobře chlazeno vlastním stlačeným vzduchem. Výhodou je dále extrémní čistota „mazání“ ložiska, které nepotřebuje olej či plastické mazivo. Jejich použití by totiž mohlo způsobit doslova otrávení palivového článku. Jak dodává Craig Baise, v neposlední řadě je předností elektrického dmychadla v podání Honeywellu jeho cena.

Zbývá dodat, že elektrické dmychadlo pro FCX Clarity II pracuje s maximálním tlakem 4 bary (400 kPa) a nabízí maximální výkon 20 kW. Tedy více než dvojnásobný v porovnání s běžnými palivovými články současnosti.