ما هو نظام استرجاع الطاقة في السيارات؟

تستطيع محركات الاحتراق الداخلي التقليدية استخراج حوالي 35% فقط من الطاقة المتوفرة في الوقود، وتفقد المتبقي على شكل حرارة تخرج مع الغاز العادم. لذا، وهدفًا لزيادة كفاءة نظام الحركة فقد تم تطوير تقنيات لاسترجاع الطاقة الضائعة، بعضها يسترجع الطاقة الحرارية EGRS، وبعضها يتعدى حدود المحرك ليسترجع الطاقة الحركية KERS. فكيف تعمل هذه الأنظمة، وهل هي مجدية فعلًا؟ سنستعرض هُنا سريعًا الأنظمة المُستخدمة في السيارات لتشكيل صورة أولية عن الفكرة وتطبيقاتها.

هناك نوعان رئيسيان لاسترجاع الطاقة : أنظمة استرجاع الطاقة الحرارية EGRS، وأنظمة استرجاع الطاقة الحركية KERS

فيما يتعلق باسترجاع الطاقة الحرارية، فتقوم الأنظمة -على تنوعها واختلافها- بتحويل حرارة الغاز العادم إلى طاقة. وبهذا يمكن استخدام التقنية في السيارات التقليدية أو الهجينة بحيث يكون ناتج الطاقة المُسترجعة بشكل طاقة كهربائية تشحن البطاريات أو طاقة ميكانيكية تدفع السيارة أو طاقة حرارية تعمل على تسريع تسخين سوائل المحرك مثلًا أو تدفئة المقصورة وغيرها.

أنظمة استعادة الطاقة الحرارية Emission Gas Recovery System EGRS

غالبًا، يتم وضع توربين في مجرى الغاز العادم ليحوّل الطاقة الحرارية إلى حركية، تُدير موّلدًا كهربائيًا إما لشحن البطاريات أو تشغيل محرك كهربائي يُساعد في دفع السيارة. كذلك فهناك ما يُعرف بدورة رانكن Rankine التي تقوم بتبخير سائل مضغوط بفضل غاز العادم، ثم يعمل ضغط البخار على دفع مضخة بمكابس Axial Piston Pump للقيام بحركة دائرة يمكن تحويلها إما لطاقة كهربائية أو حركية.

وكما أشرنا، تأتي بعض أنظمة استعادة الحرارة غاز العادم لتُبقيها بشكل حرارة تعمل على تسريع سوائل المحرك ليصل إلى حرارة التشغيل الأمثل والأعلى كفاءة بشكل أسرع. كما تقوم بعض هذه الأنظمة بتدفئة المقصورة

أنظمة استرجاع الطاقة الحركية بالكبح Kinetic Energy Recovery System KERS

يوجد هنا أيضًا نظامان رئيسيان، الأول يحول الطاقة الحركية إلى طاقة حركية، والثاني يحول الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية. وتقوم هُنا مولّدات كهربائية مربوطة إلى العجلات بتحويل الطاقة الحركية عند الكبح -أو عند اندفاع السيارة ذاتيًا عند نزول منحدر على سبيل المثال- إلى طاقة كهربائية

نظام تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة حركية، حذّافة بورشه

تقوم المولدات الكهربائية هنا بتحويل الطاقة الحركية إلى كهربائية أولًا، وتدفع الكهرباء حذّافة (حدّافة) صغيرة بسرعة عالية جدًا. تستمر الحذافة بالدوران حتى مع توقف الإمداد بالكهرباء بفضل هندستها، وعندما يحتاج السائق مزيدًا من الطاقة، ينعكس النظام لتُولّد الحذافة الكهرباء بسرعة وتنقلها للمحركات الكهربائية مُتيحة قدرة إضافية تصل إلى 160 حصانًا -كما في الفيديو أدناه- لعدة ثوان.

كان أن كشفت بورشه عن نظامها في الاختبارية 918 خلال معرض ديترويت للسيارات 2011، وكان النظام قادرًا على زيادة القدرة القصوى بحوالي 202 حصان.

تحويل الطاقة الحركية إلى كهربائية 

في هذا النظام، تقوم المولدات الكهربائية بتحويل الطاقة الحركية إلى كهربائية أيضًا، ولكن يتم تخزين الطاقة الكهربائية في البطاريات لدفع السيارة وتشغيل أنظمتها المختلفة.

في العام 2008، قدّمت بيجو سيارتها الهجينة المُعدّة للسباقات 908 HY، وكانت آنذاك تستخدم نظام استرجاع الطاقة الحركية وتدّخرها في مكثف فائق Supercapacitor (أسرع بالشحن وبإمداد الطاقة أيضًا)، أما اليوم فتستخدم سيارات الفورمولا 1 هذا النظام بجانب نظام استرجاع الطاقة الحرارية أيضًا. وأدناه توضيح لكيفية عمل نظام استرجاع الطاقة الحرارية والحركية معًا.

أمثلة واضحة على أنظمة استرجاع الطاقة في السيارات

قد تكون الأمثلة الأوضح متعلقة بالسيارات الكهربائية، ففيها يعمل نظام استرجاع الطاقة الحركية – يسمى أيضًا الكبح بالتوليد المُعاكس Regenerative Braking- على إمداد البطارية بالكهرباء مُسببًا تباطؤ السيارة، وبما يعني إمكانية قيادة السيارة بدوّاسة واحدة، فهو في بعض تطبيقاته يُحاكي تأثير المكابح بشكل كبير. وعلى سبيل المثال، ففي كل من أوبل Ampera-e وبي إم دبليو i3 وكذلك نيسان ليف يمكن إيقاف السيارة بشكل كامل حتى عند السير على منحدرات.

محاولات أخرى لاسترجاع الطاقة الحركية المهدورة 

هناك عدة أنظمة وأفكارًا أخرى تحاول استرجاع الطاقة الحركية أو الحرارية المهدورة، قد يكون أكثرها طرافة نظام المخامد الإلكتروميكانيكية من أودي، فالفكرة تنص على استبدال المخامد Dampers التقليدية بأخرى تنقل الحركة الميكانيكية الناتجة عن تحرك العجل للأعلى والأسفل – بحسب تضاريس الطريق – تنقلها إلى محرك كهربائي لتتحول إلى كهرباء ويتم تخزينها.

ما زال النظام حالياً في مرحلة التجريب وتحت التسمية eROT وهو يعمل بطاقة 48 فولط ويولد طاقة راجعة مقدارها 3 واط في حال السير على الطرقات المعبدة حديثاً ترتفع إلى 613 واط عند السير على الطرقات الوعرة. أما الطاقة الكهربائية التي يتم تخزينها فقد تستخدم لادارة المحركات الهجينة أو الانظمة الالكترونية داخل السيارة. وفي النهاية يُتوقّع أن يوفر النظام من استهلاك الوقود بما يقدر بـ 0.7 لتر / 100 كلم.

أما أودي Audi e-tron القادمة فتعدنا بقدرتها على قطع كيلومتر إضافي لكل كيلومتر تقطعه السيارة على طريق منحدرة

وللعلم فيقوم نظام استرجاع الطاقة الحركية في أودي إي ترون القادمة بشحن البطارية لتوفير مدى سير إضافي يصل إلى 30%.