Víte, jak funguje Porsche 919 Hybrid?

Na úvod je nutné uvést, že technické předpisy pro pohonné jednotky závodních speciálů kategorie LMP1 uvádí možnost využití buď jen klasických spalovacích motorů a nebo hybridních pohonných ústrojí. V případě hybridů je kategorie dále rozdělena dle maximálních limitů pro spotřebu elektrické energie. Technické předpisy také stanoví kritéria, která omezují maximální spotřebu paliva u motoru s vnitřním spalováním (lze použít zážehový nebo vznětový motor a pro každý se tyto limity liší). Nastavením těchto základních kritérií se dosáhlo jakéhosi rovnovážného stavu tak, aby celkové výkony pohonných soustav mezi jednotlivými kategoriemi byly srovnatelné. Uvedené limity spotřeby paliva a el. energie jsou vztaženy na ujetí jednoho kola a jsou odlišné pro každý závodní okruh. Výchozím základem je nejdelší okruh celého seriálu, kterým je závodní dráha de la Sarthe (délka okruhu je 13 629 m), na které se jede závod 24h Le Mans. Na této dráze je v průběhu zajetí jednoho okruhu možné spotřebovat maximálně 2,22 kWh (8 MJ) elektrické energie. Od této hodnoty je odvozen název výkonnostní kategorie, pro kterou jsou homologovány vozy Porsche 919 Hybrid. Ve stejné kategorii s vozy Porsche jsou homologovány vozy Toyota, naproti tomu vozy týmu Audi jsou homologovány v kategorii s maximální energetickou spotřebou 1,7 kWh (6 MJ) el. energie. Pro tuto kategorii tedy logicky platí i jiné (vyšší) limity spotřeby paliva ve spalovacím motoru.

Na okruhu Nürburgring jsou energetické limity v kategorii 8 MJ nastaveny takto: spotřeba paliva v zážehovém motoru nesmí v průběhu jednoho kola překročit množství 1,8 litru, a zároveň vůz nesmí pro akceleraci využít více než 1,38 kWh (4,68 MJ) elektrické energie (opět vztaženo na projetí jednoho okruhu). Pokud tyto limity překročí, je penalizován, pokud těchto limitů nedosáhne, ztrácí výkon a nezíská potřebnou rychlost.

Pohonná jednotka vozu 919 Hybrid pro sezónu 2016 je sestavena ze spalovacího motoru, kterým je zážehový přeplňovaný čtyřválec do V (maximální výkon 368 kW), kterému sekunduje pomocný elektromotor (výkon 294 kW), pro který energii dodávají dva různé rekuperační systémy. Jeden z těchto rekuperačních systémů generuje elektrickou energii při brzdění. Tímto způsobem se získává 60% celkového množství rekuperované energie. Druhý systém rekuperace představuje turbína, která je vestavěna do výfukového potrubí za turbodmychadlem. Tato turbína přeměňuje zbytkovou tepelnou energii výfukových plynů na elektrickou a do systému dodává zbylých 40% elektrické energie. Veškerá energie, kterou „vyrobí“ tyto uvedené systémy, se ukládá do lithium-iontové baterie. Pomocný elektrický pohon ovládá jezdec stiskem příslušného ovladače na volantu a využívá jej převážně při akceleraci. V té chvíli elektromotor pomáhá spalovacímu motoru a dodává do celého pohonného ústrojí tolik potřebný točivý moment.

Jak už bylo uvedeno výše, jedna část systému generuje elektrickou energii při brzdění. Generátor je připojený na přední nápravu a při sešlápnutí brzdového pedálu přeměňuje kinetickou energii vozu na energii elektrickou. Neznamená to však, že vůz nemá klasické hydraulické brzdy na předních kolech. Tyto brzdy jsou však menší a lehčí a díky tomu snižují neodpruženou hmotu a přispívají tak k lepší dynamické stabilitě vozu. Druhý systém je tvořený turbínou, která je vložena do výfukového systému za turbodmychadlo. Proud výfukových plynů roztáčí tuto turbínu, která svůj točivý pohyb přenáší na generátor. Tímto způsobem se z výfukových plynů odebírá část tepelné energie, která by jinak bez využití odešla ve formě tepla do ovzduší, přeměňuje se na energii elektrickou a ukládá se do baterie k dalšímu využití.

Celý systém je však velice náročný na sladění jednotlivých částí a toků energie. Turbína pracuje po celou dobu, kdy je v činnosti spalovací motor, který generuje výfukové plyny pohánějící turbínu. Proud plynů ale není konstantní a tudíž celý systém pracuje v proměnných podmínkách, přesto však nepřetržitě. Naproti tomu brzdný generátor pracuje jen v okamžiku, kdy jezdec šlape na brzdový pedál. Práce tohoto systému je tedy v porovnání s výfukovou turbínou velice nárazová a pouze v relativně krátkém časovém úseku, ale naproti tomu velmi intenzivní, protože závodní jezdec většinou brzdí velmi ostře a co nejkratší nutnou dobu. Konkrétně na okruhu Nürburgring brzdí před jednotlivými zatáčkami jezdci v průběhu jednoho kola 17x. Při výjezdu ze zatáčky jezdec aktivuje elektrický pohon hybridního systému a dosahuje tak většího zrychlení po průjezdu zatáčkou.

Spalovací motor pohání zadní nápravu, pomocný elektromotor roztáčí přední kola. Ve chvíli, kdy jezdec uvede v činnost pomocný elektrický systém, je tedy točivý moment přiváděn na všechna 4 kola, což přispívá k větší stabilitě závodního speciálu při akceleraci ze zatáček. Dá se zjednodušeně říci, že jezdec při výjezdu ze zatáčky využívá energii, kterou si předem „vyrobil“ při brždění před zatáčkou. Do systému je však energie dodávána ne jen při brzdění, ale kontinuálně a to pomocí již zmíněné výfukové turbíny. Ta, na rozdíl od brzdného generátoru, získává energii kontinuálně a nejvíce jí generuje právě při akceleraci. V této fázi je do spalovacího motoru vstřikováno maximální množství paliva. Účinnost spalovacího motoru se však pohybuje na hranici 40% a zbylých 60% energie obsažené v palivu odchází bez užitku výfukovým systémem pryč. Část této energie se získá zpět v turbodmychadle, ale ještě stále je zde její velké množství, které by se ve formě tepla rozplynulo v okolní atmosféře. Proto technici za turbodmychadlo vestavěli další turbínu, která dokáže další část jinak zmařené energie získat zpět a využít jí k pohonu vozu.

Při stanovení základní koncepce stavby pohonného hybridního systému museli technici Porsche zvážit několik variant. Předem bylo jasné, že rekuperační systém bude připojen na přední nápravu. Při brzdění odvádí přední brzdy více výkonu, přední kola jsou více zatěžována a díky „pomoci“ rekuperačního systému nemusí být tak dimenzovány, jak jsme již zmínili dříve. U tohoto systému plní použitý elektromotor 2 funkce: při brzdění pracuje jako dynamo, které vyrábí el. energii, při akceleraci pohání v tomto případě přední nápravu. Druhý systém však nabízel 2 řešení. První z variant spočívala v instalaci podobného rekuperačního zařízení připojeného ke kolům zadní nápravy. Brzdný systém však pracuje velmi nárazově, hůře se ovládá a doba práce (rekuperace) je omezena pouze časem, po který jezdec šlape na brzdový pedál. Tento časový úsek je velmi krátký a opakovaný (jezdec brzdí v podstatě jen před zatáčkami a většinou ještě ne před všemi, které na okruhu jsou). V režimu akcelerace by, stejně jako u přední nápravy, přidával by tento elektromotor svou dávku točivého momentu na připojenou zadní nápravu, která je ale již primárně poháněna spalovacím motorem. Docházelo by tedy ke skokovému navýšení točivého momentu a tím i k možné nestabilitě vozu hlavně v okamžiku akcelerace. Za jízdy v dešti by to přinášelo výrazný sklon ke ztrátě adheze a zadní pneumatiky by po celou dobu jízdy trpěly výrazně vyšším opotřebením.Druhá verze využívá turbínu umístěnou ve výfukovém potrubí. Tato turbína pracuje nepřetržitě po celou dobu, kdy je v činnosti spalovací motor, tedy po celou dobu jízdy vozu po závodní dráze. Turbína tak poskytuje kontinuální dodávku energie pro dobíjení baterie hybridního systému. Další výhodou výfukové turbíny je její nižší hmotnost v porovnání s prvním uvažovaným systémem. V neposlední řadě turbína nepřenáší na zadní kola žádný točivý moment a vůbec tak nezatěžuje pneumatiky ani jinak neovlivňuje stabilitu a jízdní vlastnosti vozu. Po rozboru předností i záporů obou řešení se konstruktéři přiklonili k výfukové turbíně.

Další strategickou oblastí bylo určení provozního napětí hybridního systému. To určuje a ovlivňuje vlastní stavbu jeho elektrické části, hlavně konstrukci baterie, řídící elektroniky, konstrukci elektromotoru a dobíjecí soustavy. Vývojoví pracovníci zvolili maximální úroveň napětí na hranici 800 Voltů. V dalším kroku bylo nutné učinit rozhodnutí o nejvhodnější podobě vlastního úložiště energie: setrvačníkový generátor nebo superkondenzátor nebo baterie? Nakonec inženýři zvolili vodou chlazenou Lithium-iontovou baterii složenou z několika stovek článků, každý o průměru 18 mm a výšce 70 mm.

Konstrukce závodního prototypu Porsche 919 Hybrid a jeho výkony a provoz na závodní dráze přinesly vývojovým pracovníkům automobilky mnoho nových zkušeností, které se již začínají promítat do konstrukce sériových vozů pro každodenní civilní použití - i když zrovna v případě Porsche je nutné zmíněný slovní obrat brát s určitým nadhledem. Příkladem je koncept Mission E, ve kterém je zabudovaná elektrická pohonná jednotka pracující s napětím 800 V. Koncept bude sloužit jako základní stavební kámen pro vývoj zcela nové modelové řady vozů Porsche, první s čistě elektrickým pohonem, která se má na trhu objevit v horizontu 10 let.