"Żeglowanie" hybrydą

Otóż za wynalazcę tego systemu napędowego uznawany jest Ferdinand Porsche. Już w 1900 roku skonstruował on Lohner-Porsche Mixte, który określany byłby dzisiaj jako szeregowa hybryda: czterocylindrowy silnik o mocy 15 KM był połączony bezpośrednio z 80-woltowym dynamo. Wygenerowany prąd przepływał do silników elektrycznych przyłączonych do piast przednich kół lub był kierowany do baterii buforowej. Samochód ten jest uznawany za pierwsze seryjne auto hybrydowe na świecie.

Teraz Porsche wspólnie z Volkswagenem ponownie opracowało samochód seryjny z napędem hybrydowym, który pojawi się na rynku jeszcze w tym dziesięcioleciu.

W przeciwieństwie do Mixte jest to pełna hybryda równoległa, która pozwala na jazdę wyłącznie z silnikiem elektrycznym. Podstawowe prace rozwojowe wraz z przygotowaniem wszystkich komponentów są już zakończone. Porsche zastosuje ten system w cayenne: głównym silnikiem napędowym cayenne S Hybrid będzie trzylitrowy V6 ze sprężarką i bezpośrednim wtryskiem benzyny. Będzie on połączony z silnikiem elektrycznym o mocy 38 kW, który może być używany dodatkowo w celu podniesienia mocy silnika spalinowego lub jako samodzielny napęd. Ponadto służy on jako prądnica i rozrusznik.

Silnik elektryczny jest połączony z baterią niklowo - wodorkową (NiMH), która podczas hamowania i w określonych warunkach jazdy będzie magazynowała uzyskaną energię elektryczną.

Za przenoszenie siły odpowiedzialna jest ośmiobiegowa przekładnia automatyczna ze sprzęgłem będącym połączeniem sprzęgła mechanicznego i hydrokinetycznego. Sterowane przez Hybridmanager cayenne S Hybrid będzie zużywać poniżej dziewięciu litrów na 100 km, co odpowiada emisji dwutlenku węgla mniejszej niż 210 g/km. Jest to około 20 procent mniej, niż przy tradycyjnym samochodzie o porównywalnej mocy.

Sześciocylindrowy cayenne S Hybrid dysponuje zatem mocą silnika ośmiocylindrowego przy spalaniu porównywalnym z silnikiem czterocylindrowym.

Mimo, że mechaniczna koncepcja pełnej hybrydy równoległej jest prosta, jednak wymagania stawiane poszczególnym komponentom i systemowi sterowania są bardzo wysokie. Współpraca głównych podzespołów - silnika spalinowego, elektrycznego i baterii jest niezwykle skomplikowana. Koordynuje ją tak zwany Hybridmanager - można powiedzieć "serce" cayenne S Hybrid. Otrzymuje on wszystkie informacje związane z jazdą i energią i w każdej sytuacji steruje silnikiem elektrycznym i spalinowym w sposób optymalny dla zużycia paliwa. Przy tym bateria ani nie może być za bardzo rozładowana, ani zbyt często ładowana i rozładowywana. To niełatwe zadanie obliczeniowe. Dlatego konieczne było zdefiniowanie dla około 20.000 parametrów wykorzystywanych przez Hybridmanagera. Dla porównania: tradycyjny układ sterowania silnika wymaga tylko około 6.000 parametrów.

Kluczowym elementem równoległego pełnego systemu hybrydowego jest sprzęgło między silnikiem spalinowym a elektrycznym.

Ciąg dalszy na następnej stronie

By system ten mógł być wprowadzony na rynek musi pracować tak precyzyjne, aby kierowca ani pasażerowie nie zauważali rozruchów i wyłączeń silnika spalinowego. Kierowca musi jednak mimo to mieć do dyspozycji w każdej chwili i bez żadnych opóźnień pełną siłę przyspieszenia obu silników. Oznacza to, że przy wyłączonym silniku spalinowym po wciśnięciu pedału gazu w ciągu ekstremalnie krótkiego czasu jednostka napędowa musi zostać uruchomiona i osiągnąć żądaną prędkość obrotową, a sprzęgło powinno zamknąć się sposób niezauważalny dla kierowcy.

Porsche cayenne S Hybrid potrzebuje na wykonanie tego zadania 300 milisekund. W tym czasie przebiega symultanicznie wiele procesów: przy dołączaniu silnika spalinowego sprzęgło mostkujące przekładni hydrokinetycznej w automatycznej skrzyni biegów otwiera się i moment obrotowy silnika elektrycznego zostaje na krótki czas podwyższony, w celu rozruchu silnika benzynowego. Jednocześnie sprzęgło między silnikiem elektrycznym i spalinowym zamyka się z dokładnie określonym przebiegiem docisku.

Obok współpracy silnika spalinowego i elektrycznego, za proces ten odpowiedzialny jest innowacyjny aktuator wrzecionowy układu sterowania sprzęgłem. Reguluje on ciśnienie hydrauliczne uruchamiające sprzęgło z nieosiągalną dotychczas precyzją.

Dzięki tej funkcji udało się uzyskać jedną z największych zalet porsche cayenne S Hybrid: tzw. "żeglowanie", czyli toczenie się z wyłączonym i odsprzężonym silnikiem spalinowym, które jest możliwe także przy wyższych prędkościach - do 138 km/h. Przy jeździe na autostradzie ze stosunkowo równomierną prędkością możliwe jest dzięki temu uzyskanie znacznych oszczędności paliwa. Przyspieszenie, nawet przy tej szybkości, dzięki błyskawicznej reakcji Hybridmanagera, sprzęgła, silnika spalinowego i elektrycznego jest tak samo dynamiczne, jak w Cayenne z tradycyjnym napędem.

Kolejnym elementarnym zadaniem Hybridmanagera jest tak zwane przesunięcie punktu obciążenia podczas jazdy z wykorzystaniem silnika spalinowego.

Każda jednostka napędowa ma określony zakres obciążeń, w którym pracuje najoszczędniej. Jeżeli silnik cayenne S Hybrid pracuje z częściowym obciążeniem poniżej tego zakresu, Hybridmanager przełącza silnik elektryczny na pracę w trybie prądnicy i jednocześnie dodaje gazu. Elektryczny pobór mocy i otwarcie przepustnicy są tak regulowane, aby silnik spalinowy pracował w zakresie swojej najwyższej sprawności. W ten sposób spalane paliwo jest optymalnie wykorzystywane, a część energii jest przekazywana jako energia elektryczna do baterii. Kierowca tego nie zauważa, ponieważ ani nie zmienia się prędkość obrotowa silnika, ani prędkość jazdy. Cayenne zachowuje się zatem tak, jakby z włączonym układem regulacji prędkości i przy niezmienionej prędkości wjeżdżał z płaskiego terenu na wzniesienie.

Hybridmanager dba także o to, aby przy wciśnięciu pedału hamulca możliwie dużo energii przepływało do baterii dzięki pracy silnika elektrycznego w trybie prądnicy. W tym celu system sterowania ustawia natężenie prądu elektrycznego prądnicy odpowiednio do pozycji pedału hamulca i odzyskuje całą energię hamowania. Dopiero przy ostrzejszym hamowaniu włącza się dodatkowo układ hamulców tarczowych.

Ciąg dalszy na następnej stronie

Silnik spalinowy V6 z cayenne S Hybrid pochodzi z Audi. W rozwidleniu między rzędami cylindrów, w miejscu doprowadzania powietrza między przepustnicą a zaworami dolotowymi umieszczona jest sprężarka napędzana pasem. Zaleta: także przy niewielkim obciążeniu, a więc małym stopniu otwarcia przepustnicy, nie jest wykonywana niepotrzebna praca sprężania. Pozwala to na zaoszczędzenie energii napędowej, a tym samym paliwa.

Dzięki doładowaniu i bezpośredniemu wtryskowi benzyny jednostka napędowa z pojemności 2.995 centymetrów sześciennych uzyskuje moc nominalną 333 KM (245 kW) między 5.500 a 7.000 obr./min. Już od 2.900 obr./min sześciocylindrowy silnik osiąga 440 Nm, dostępne do 5.300 obr./min. Stały poziom momentu obrotowego przez szeroki zakres prędkości obrotowych jest charakterystyczny dla silnika z mechanicznym doładowaniem

i doskonale pasuje do koncepcji cayenne S Hybrid: wspomaga oszczędną jazdę na niskich obrotach, a mimo to gwarantuje doskonałe rezerwy mocy.

We współpracy z partnerami uczestniczącymi w pracach rozwojowych inżynierowie Porsche zmodyfikowali tę jednostkę napędową tak, by mogła być zastosowana w cayenne S Hybrid. Opracowano zatem całkiem nowy system sterowania silnikiem podporządkowany Hybridmanagerowi. Napęd pasowy agregatów pomocniczych został również zmodyfikowany - sprężarka klimatyzacji i pompa wspomagania układu kierowniczego są teraz napędzane elektrycznie. Zmiany w gospodarce olejem doprowadziły do obniżenia ciśnienia oleju wytwarzanego przez dwustopniową pompę. Aby zredukować tarcie wewnętrzne, zastosowano pierścienie uszczelniające tłoków o mniejszym naprężeniu wstępnym i bardziej miękkie sprężyny zaworów. Wynik tych zmian: dalsza redukcja zużycia paliwa.

Temu samemu celowi służy Thermomanagement z dołączaną pompą wodną, która przy zimnym silniku nie pompuje cieczy chłodzącej do obwodu. Silnik osiąga szybciej temperaturę roboczą, szczególnie w mieście i przy jeździe na krótkich odcinkach przy niskich temperaturach, co obniża spalanie.

Jako napęd elektryczny Porsche zastosowało w cayenne S Hybrid trójfazowy silnik synchroniczny, który przy napięciu 288 wolt daje maksymalnie 38 kilowatów. Dużym plusem tego silnika jest jego nadzwyczajny moment obrotowy: silnik ten rozwija do 285 Nm, i to praktycznie już od zerowej prędkości obrotowej. Przez krótki czas, poniżej 1.140 obr./min może być dostępnych nawet 300 Nm.

W praktyce daje to cayenne S Hybrid dwie duże zalety: podczas jazdy tylko z silnikiem elektrycznym, na przykład w mieście, samochód porusza się nie tylko bezgłośnie, ale także nie emituje żadnych substancji szkodliwych.

We współpracy z silnikiem spalinowym silnik elektryczny działa jako "booster" zwiększający moc i udowadnia, że hybrydowe cayenne łączy w sobie oszczędność z siłą: oba silniki osiągają łącznie maksymalną moc 374 KM (275 kW) i 550 Nm momentu obrotowego przy 1.500 obr./min. Przyspieszając do 100 km/h w 6,8 sekundy hybrydowa wersja ma takie samo przyspieszenie, jak siostrzany model z silnikiem V8 - dlatego też nosi takie samo określenie modelu.