Världsrekord - Ford Fusion Hybrid

Kanske har ni läst denna nyhet i något av våra svenska medier. Kanske på Teknikens Värld eller på Auto Motor & Sport.

Ford introducerade 2009 i USA en hybridversion på sin modell kallad Fusion som man menar är riktigt bränslesnål, bland annat snålare än dess konkurenter såsom Toyota Camry Hybrid. För att visa hur snål den är så gav sig Ford ut med en bil med målet att köra över 1000 miles (1610 km) på en tank med bränsle som enligt norm endast skall räcka till 700 miles.
Se Fords pressmeddelande.
Planen var att visa hur snålt det går att köra bilen vid normal körning, men efter att man till sin hjälp tagit Wayne Gerdes som innehar flera rekord i så kallad Hypermiling så blev målsättningen en helt annan. Resultatet blev att man satte nytt rekord i körsträcka på en tank och förbrukningen blev imponerande låga 2,9 l/100km efter en körsträcka på 2326 km. Som sagt mycket imponerande, men frågan är hur relevant det är för en normal ägare av den aktuella bilen.

Körningen företogs på allmän väg och innefattade enligt Ford allt från stadskörning till motorväg, men tillryggaläggandet av rekorddistansen tog hela 69 timmar av vad som uppges ha varit oavbruten körning. Detta betyder då att snitthastigheten var strax över 33 km/h, vilket inte är särskilt högt med tanke på att merparten av körningen skedde på så kallad highway eller landsväg i svenskt dagligt tal. Motorväg menar många att det är, men då highway i USA kan innebära hastighetsbegränsning på 45 mph (72 km/h) så anser jag att landsväg är mer korrekt även om de må ha så många som fyra filer runt stora städer.

När jag såg denna nyhet började jag undersöka saken närmare för att ta reda på hur fort körningen kan ha gått. Detta utifrån den information som går att finna om bilen i fråga samt om andra liknande bilar.
Drivsystemet i bilen är en hybridlösning liknande den i Toyota Prius med en bensinmotor som kör en så kallad Atkinsoncykel som expanderar gasen mer än den komprimerar den. Detta är en motortyp som ger hög verkningsgrad på bekostnad av främst vridmoment på låga varvtal, vilket gör att den passar hybridbilar med vridmomentstarka elmotorer väldigt väl. Även Toyota Prius och Ford Escape Hybrid använder motorer av denna typ. Verkningsgraden hos dessa motorer är i dess bästa driftpunkten begränsad till drygt 38% och detta antagande kommer vi använda oss av lite senare.

Drivlinan är en så kallad "Dual mode"-hybrid som är ett mellanting mellan en seriehybrid och en parallellhybrid. Det innebär att bilen kan drivas på fyra olika sätt beroende på hastighet och effektbehov samt tillgänglig mängd energi i batteriet.
1. Elmotorn ensam driver bilen och förbränningsmotorn är avstängd.
2. Förbränningsmotorn driver bilen samtidigt som den laddar batteriet.
3. Förbränningsmotorn och elmotorn driver bilen tillsammans.
4. Förbränningsmotorn driver ensam bilen via en elektromekanisk steglös växellåda (eCVT).

Man programmerar drivlinans styrsystem så att man vid varje driftfall erhåller så hög verkningsgrad som möjligt. Korrekt optimerat och optimalt kört av föraren så innebär detta att det är relativt riskfritt att göra en enkel uppskattning kring hur snabbt det är möjligt att köra med en uppgiven bränsleförbrukning. Antagandet om att förbränningsmotorn kan drivas nära sin optimala verkningsgrad blir relativt korrekt för ett avancerat hybridsystem som tillåter drift med enbart elmotorn långt upp i hastiget.

För att göra en uppskattning behöves information om bilens luftmotstånd, rullmotstånd och information om verkningsgrader på övriga delar av drivsystemet förutom själva bensinmotorn.

Om vi börjar med bilen så har Ford Fusion Hybrid uppskattningsvis värden för luftmotståndet som likar många andra bilar i samma storleksklass och karossform. Några uppgifter från Ford har jag inte hittat, varför jag antar att bilen är relativt normal. Volvo S80 som ser ut att vara något större i frontaltvärsnitt men nästan exakt lika lång, har ett Cd-värde för luftmotståndet på 0,29 (enligt Volvo) och en frontarea på 2,34 kvadratmeter. Volvo S60 har motsvarande värde på Cd om 0,28 och frontarea på 2,19 kvadratmeter. Vi antar att Ford Fusion är något bättre på Cd än S80 och hamnar på 0,28 som S60 och har en frontarea på 2,25 kvadratmeter mitt imellan S60 och S80.

Däcken som används är av en normal typ men rekordförsöket kördes med högt tryck i däcken, vilket gör att ett rullmotstånd på omkring 0,007 är rimligt.

- Bensinmotorn antar vi har en verkningsgrad på 36%, alltså något under optimum.
- Elmotorerna antar vi har en verkningsgrad på 95% vid de aktuella driftfallen.
- Generatorerna antar vi har en verkningsgrad på 94% vid de aktuella driftfallen.
- Kraftelektroniken som styr flödet av el till och från batteri och mellan generator och elmotor vid olika driftfall antar vi har en verkningsgrad på 95%.
- Batteriets verkningsgrad vid in- och urladdning antar vi är totalt 88%, alltså att man förlorar 6% vid både inladdning som urladdning.
- Växellådans verkningsgrad inklusive förluster i drivaxlar och hjullager antar vi till 90%.
Allt som allt ger detta en uppskattad total verkningsgrad hos kraftöverföringen på 82% som medelvärde för alla de olika driftmoderna hos systemet. Detta värde tillsammans med verkningsgraden hos förbränningsmotorn ger oss alla förutsättningar som behövs för att göra en uppskattning av hur mycket energi som måste tas från bränslet och driva bilen framåt i olika hastigheter.

Utifrån denna information kan vi nu räkna ut vilken högsta hastighet denna bil kan haft om den framfördes som mest optimalt för den aktuella förbrukningen.
Eftersom så gott som alla antagande som gjorts runt verkningsgrader är optimistiska så innebär det man kan göra en bedömning om rekordet är just bara ett rekord eller om det har en bärighet för verklig körning.

Efter beräkning enligt konstens alla regler får jag det till att bränsleförbrukningen vid nedanstående hastigheter blir.
5 km/h : 5,3 l/100km
10 : 3,4
15 : 2,8
20 : 2,5
30 : 2,3
40 : 2,4
50 : 2,6
60 : 2,9
70 : 3,2
80 : 3,6
90 : 4,1
100 : 4,7
110 : 5,3
120 : 6,0

Baserat på ovanstående simulerade idealfall med konstanta hastigheter och optimal verkningsgrad i alla hastigheter så är det möjligt att finna många lösningar som på 69 timmar avverkar en körsträcka om 2328 km med en snittfart på 33 km/h och en snittförbrukning på 2,9 l/100km. Klart är dock att körningen inte kan ha varit dominerad av en normal fördelning av hastigheter över 80 km/h på landsväg/motorväg och hastigheter under 30 km/h i tät stadstrafik. Stadstrafik för nämligen med sig effekter som inte tas i beaktande i ovanstående uträkning. Normal stadskörning ger inte i närheten rätt förutsättningar för att driva bilen med optimal verkningsgrad såsom vi antar i uppskattningen. Därmed känns det rimligt att merparten av körningen utöver viss del stadstrafik har varit fokuserad runt 50-70 km/h där förbrukningen är som lägst och körningen kan antas ha skett i jämn hastighet.

Som man kan se är detta ingen magisk bil, för vid lite högre hastigheter så närmar sig förbrukningen nivåer som är att betrakta som normala för en icke hybrid. Hybrider har sin styrka i att de sänker förbrukningen drastiskt vid körning i låga hastigheter. En normal bil utan hybridteknik har sin lägsta förbrukning omkring 70-80 km/h och därunder ökar den, detta för att lasten på motorn blir för låg för att den skall kunna arbeta effektivt. Just denna brist råder ett bra hybridsystem bot på genom ett effektivt utnyttjande av styrkorna hos de i systemet ingående delsystemen.

Hybridsystemet i Ford Fusion Hybrid tillåter drift på enbart elmotorn upp till en hastighet av 75 km/h (47 mph) under optimala förhållande. Vid sådan körning kommer driften av bilen växla mellan elmotorn och förbränningsmotorn genom att bilen drivs på elmotorn tills batteriet är slut, då förbränningsmotorn startas och tar över driften av bilen samtidigt som den laddar batteriet för att sedan stängs av när batteriet åter är fullt och elmotorn tar över jobbet.

Denna växeldrift är en optimal driftprincip hos hybridsystem när lasten på förbränningsmotorn vid direktdrift med hjälp av laddning kan höjas till det arbetsområde där den är som mest effektiv. Vid låga hastigheter är det inte självklart att den effekt som kan tas ut för laddning räcker för att höja motorns driftpunkt ända upp till optimum och därmed är det främst vid lägre hastigheter som mina antagande om systemets verkningsgrad är för optimistisk. Vid lägre hastigheter blir därför troligtvis inte förbrukningen så låg som anges i tabellen ovan. Detta gör att marginalen för högre hastigheter inom en snittförbrukning på 2,9 l/100km blir mer begränsad utöver det faktum att körning med accelerationer och retardationer ökar förlusterna i systemet.