Jos polttomoottori keksittäisiin nyt, kytkettäisiinkö sitä enää pyöriin?

Tämä ei ole pelkkä mielikuvitusratkaisu. Sarjahybrideissä ja toimintamatkan jatkajalla varustetuissa autoissa sama periaate on jo käytössä: pyöriä liikuttaa sähkömoottori, ja polttomoottorin tehtävä voi olla sähkön tuottaminen.

Jos sähkömoottori olisi jo auton vakiintunut vetotapa, polttomoottorin ei tarvitsisi syrjäyttää sitä. Se voisi tulla autoon vain tuottamaan sähköä.

Polttomoottori voisi tulla autoon sähköntuottajaksi

Yksinkertaisin lähtökohta olisi sarjahybridi. Polttomoottori pyörittäisi generaattoria, generaattori tuottaisi sähköä ja pyöriä liikuttaisi edelleen vain sähkömoottori. Polttomoottorin ja vetävien pyörien välillä ei tarvittaisi mekaanista yhteyttä.

Kuljettajan näkökulmasta auto voisi käyttäytyä pitkälti sähköauton tavoin. Sähkömoottori vastaisi vedosta ja jarrutusenergian talteenotosta, kun taas polttomoottorin tehtävä olisi huolehtia sähköntuotannosta silloin, kun akun energia ei yksin riitä.

Perinteisessä polttomoottoriautossa moottorin mekaaninen työ pitää välittää voimansiirron kautta pyörille. Sarjarakenteessa tämä yhteys voidaan jättää kokonaan pois.

Generaattorikäyttö muuttaisi polttomoottorin työtä

Kun polttomoottori ei ole mekaanisesti sidottu vetäviin pyöriin, sen kierrosluvun ei tarvitse seurata suoraan auton nopeutta tai jokaista kuljettajan tehopyyntöä. Moottoria voidaan käyttää rajatummilla kierros- ja kuormitusalueilla sen mukaan, missä sähköntuotanto toimii tehokkaasti.

Akun tehtävä olisi samalla muutakin kuin energian varastointi. Kiihdytyksen vaatimaa hetkellistä tehoa voidaan ottaa akusta, vaikka generaattori tuottaisi sillä hetkellä vähemmän sähköä. Kun tehontarve pienenee, generaattori voi tuottaa sähköä akun varaamiseen.

Akku voisi siis toimia energiavaraston lisäksi tehopuskurina. Tämän vuoksi generaattorina toimivaa polttomoottoria ei välttämättä tarvitse mitoittaa auton vetomoottorin hetkellisen huipputehon mukaan.

Jos moottori suunniteltaisiin alusta asti vain generaattorikäyttöön, sen vaatimuksetkin voisivat muuttua. Sen ei tarvitsisi toimia samalla tavalla laajalla kierrosalueella tai sovittautua perinteiseen monivaihteiseen voimansiirtoon. Juuri tätä lähtökohtaa on tutkittu erikseen range extender -käyttöön suunnitelluissa moottoreissa.

Polttomoottorin työ voisi olla paljon nykyistä rajatumpi: sen ei tarvitsisi määrätä, miten pyörät liikkuvat. Sen pitäisi tuottaa sähköä mahdollisimman järkevästi.

Ylimääräinen energiamuunnos aiheuttaa häviöitä

Sarjarakenne näyttää tässä vaiheessa houkuttelevalta. Polttomoottoria voidaan käyttää sille sopivammalla toiminta-alueella, eikä mekaanista voimansiirtoa polttomoottorilta pyörille välttämättä tarvita.

Samalla polttoaineen energia joutuu kulkemaan pidemmän muunnosketjun kautta. Polttomoottorin mekaaninen työ muutetaan generaattorissa sähköksi, sähkö kulkee tehoelektroniikan kautta ja sähkömoottori muuttaa sen jälleen mekaaniseksi työksi pyörille. Jokaisessa vaiheessa syntyy häviöitä.

Parempi polttomoottorin toimintapiste ei tee generaattorin, tehoelektroniikan ja sähkömoottorin häviöistä olemattomia. Tämän merkitys riippuu käyttötavasta. Jos suurin osa ajosta tehdään verkosta ladatulla sähköllä ja generaattori käynnistyy vain harvoin, polttoaineella tapahtuvan energiaketjun hyötysuhde vaikuttaa vain pieneen osaan kaikesta ajosta. Jos polttomoottori käy paljon, häviöiden merkitys kasvaa.

Mekaaninen yhteys voisi palata hyötysuhteen vuoksi

Tästä päästään kiinnostavaan käänteeseen. Jos polttomoottorin tuottamaa energiaa tarvitaan paljon esimerkiksi tasaisessa maantieajossa, voi olla tehokkaampaa välittää osa moottorin mekaanisesta työstä suoraan pyörille kuin muuttaa se ensin sähköksi ja sen jälkeen takaisin liikkeeksi.

Siksi kaikki hybridijärjestelmät eivät ole puhtaita sarjahybridejä. Joissakin rakenteissa auto voi hyödyntää sähköistä vetoa, mutta antaa polttomoottorille tietyissä tilanteissa myös mekaanisen yhteyden vetäviin pyöriin.

Jos polttomoottori keksittäisiin sähköisen voimansiirron jälkeen, mekaaninen yhteys pyöriin voisi syntyä myöhemmin uudelleen yhdestä arkisesta syystä: joissakin tilanteissa se säästää energiaa.

Skenaarion johtopäätös ei siis ole, että nykyinen insinööri tekisi varmasti puhtaan sarjahybridin. Sähköinen lähtökohta vain muuttaisi kysymysten järjestystä: ensin tutkittaisiin, tarvitseeko polttomoottorin ylipäätään vetää pyöriä, ja mekaaninen yhteys lisättäisiin silloin, kun siitä saadaan riittävä hyöty.

Samaa periaatetta käytetään jo oikeissa autoissa

BMW i3 Range Extender oli sähköautosta johdettu ratkaisu, jossa pieni bensiinimoottori tuotti sähköä generaattorin avulla akun varaustason laskiessa. Auton vetämisestä vastasi sähkömoottori. BMW:n alkuperäiset tekniset tiedot havainnollistavat samalla akun tehopuskurin merkitystä: vetomoottorin huipputeho oli 125 kW ja polttomoottorin generaattorikäyttöön ilmoitettu teho 28 kW.

Mazda MX-30 e-Skyactiv R-EV käyttää samaa perusajatusta erilaisessa toteutuksessa. Sen wankelmoottori toimii generaattorina, ja auton koko vetovoima tuotetaan sähkömoottorilla. Mazda määrittelee auton sarjaan kytketyksi ladattavaksi hybridiksi.

Nissan e-POWER näyttää puolestaan, ettei sähkömoottoriveto ja generaattorina toimiva polttomoottori edellytä suurta ladattavaa ajoakkua. e-POWERissa bensiinimoottorin tehtävä on tuottaa sähköä ja pyöriä liikuttaa sähkömoottori. Nämä autot eivät ole keskenään sama ratkaisu, mutta ne osoittavat, että polttomoottori voidaan erottaa pyörien vetämisestä myös sarjatuotantoautossa.

Esimerkit eivät todista, että sarjarakenne olisi aina paras. Ne osoittavat, että skenaarion perusajatus on teknisesti toteutettavissa eikä vain vaihtoehtoisen historian kuvitelma.

Pelkkä voimansiirto ei tee autosta yksinkertaista

Sarjarakenne voi poistaa polttomoottorin ja pyörien välisen mekaanisen voimansiirron, mutta koko auto ei siksi muutu yksinkertaiseksi. Autossa ovat edelleen ajoakku, sähkömoottori, invertteri ja korkeajännitejärjestelmä, ja niiden lisäksi tulevat polttomoottori, generaattori, polttoainejärjestelmä, pakokaasujen käsittely, voitelu, jäähdytys ja muut polttomoottorin vaatimat järjestelmät.

Mekaanisesti yksinkertaisempi voimansiirto voi tarkoittaa kokonaisuutena monimutkaisempaa autoa. Kahden energiajärjestelmän mukana tulevat myös niiden massa, tilantarve, huolto ja mahdolliset vikakohteet.

Tämä ei tarkoita, että hybridi olisi automaattisesti epäluotettava. Järjestelmien määrä ei yksin kerro vikojen todennäköisyyttä, mutta lisätekniikan kustannusta ja riskiä ei myöskään voi jättää vertailusta pois.

Ratkaisevaa olisi, kuinka usein polttomoottoria tarvitaan

Sarjarakenteen järkevyys muuttuu olennaisesti sen mukaan, onko polttomoottori auton arkinen energianlähde vai harvoin tarvittava toimintamatkan jatkaja.

Jos päivittäinen ajo hoituu akulla ja polttomoottori käynnistyy vain muutamilla pitkillä matkoilla, generaattori voi tuoda autoon lisäjoustoa ilman, että se osallistuu tavalliseen ajamiseen. Vastineeksi auto kuljettaa suuren osan vuodesta mukanaan moottoria, generaattoria, polttoainesäiliötä ja muuta lisätekniikkaa.

Jos polttomoottori taas käy suuren osan ajasta, polttoaineenkulutus, muunnoshäviöt ja kahden rinnakkaisen energiajärjestelmän massa sekä kustannus painavat vertailussa paljon enemmän.

Tekniikan järkevin rakenne riippuu lopulta siitä, kumpi on auton normaalitila ja kumpi poikkeus: sähköajo vai polttoaineella tuotettu sähkö.