Porsche Cayenne S Hybrid

Porsche Cayenne S Hybrid18.05.2009 Napęd hybrydowy ma w Porsche długą tradycję: założyciel firmy Ferdinand Porsche uznawany jest za wynalazcę tego systemu napędowego. 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.

Porsche Cayenne S Hybrid 1 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 w Nowym Europejskim Cyklu Jazdy (NEFZ) 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. Ponadto Cayenne S Hybrid spełnia zarówno europejską normę emisji spalin Euro 5 jak i amerykańską ULEVII.

Porsche Cayenne S Hybrid 2 Przy opracowywaniu technologii hybrydowej Porsche i Volkswagen podążają własnymi drogami i zamiast popularnego napędu hybrydowego z rozdziałem mocy stosują tak zwaną pełną hybrydę równoległą. Koncepcja ta niesie z sobą wiele korzyści:
• Duża kompatybilność komponentów hybrydowych z podstawową platformą Cayenne. Pełna hybryda równoległa minimalizuje ryzyko konieczności ograniczenia na przykład pojemności bagażnika lub rezygnacji z napędu na wszystkie koła.
• Większe oszczędności paliwa w przypadku pokonywania dłuższych odcinków i jazdy na autostradach. W przeciwieństwie do innych koncepcji hybrydowych, których zalety ujawniają się przede wszystkim w ruchu miejskim, opracowany przez Porsche system daje możliwość swobodnego toczenia się bez silnika spalinowego lub – w języku inżynierów – „żeglowania” przy prędkości do maksymalnie 138 kilometrów na godzinę. Przy płynnej jeździe i umiarkowanych przyspieszeniach, w odpowiednich warunkach możliwe jest rozwinięcie wyłącznie na prądzie prędkości ponad 50 km/h.
• Równoległy napęd hybrydowy pozwala na znaczną poprawę przyspieszenia i elastyczności. Koncepcja ta pasuje zatem doskonale do filozofii Porsche: doskonałe osiągi przy maksymalnej efektywności.

W przeciwieństwie do wszystkich systemów hybrydowych wprowadzonych już na rynek lub będących w fazie opracowywania pełna hybryda równoległa ma prostą i czytelną konstrukcję mechaniczną: moduł hybrydowy jest zamontowany na wale napędowym między silnikiem spalinowym a przekładnią, zgodnie z zasadą modułową. Składa się on z silnika synchronicznego o kształcie pierścienia i sprzęgła rozdzielającego po stronie połączenia z jednostką spalinową.

Porsche Cayenne S Hybrid 3Dzięki temu przebieg napędu pozostaje niezmieniony i nie ma żadnej dodatkowej przekładni lub sprzęgieł. Możliwe są wszystkie trzy klasyczne hybrydowe sposoby napędu:
• Napęd wspólny przez silnik spalinowy i elektryczny.
• Napęd z wykorzystaniem tylko silnika spalinowego.
• Napęd silnikiem elektrycznym przy wysprzęglonym, nieruchomym silniku spalinowym.
Ponieważ silnik elektryczny pracuje również jako prądnica, w określonych zakresach częściowego obciążenia silnika spalinowego i przy hamowaniu generuje on prąd magazynowany w baterii.

Pionierskie rozwiązanie: inteligentne sterowanie przez Hybridmanager
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. 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 4 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 przemyślanej we wszystkich szczegółach 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.

Wyjątkowe: “żeglowanie” bez silnika spalinowego do prędkości 138 km/h
Dzięki tej wyjątkowej 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.

Oszczędność paliwa dzięki wytwarzaniu prądu
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.

Porsche Cayenne S Hybrid 5 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.

Najnowocześniejsza technologia: trzylitrowy silnik ze sprężarką i bezpośrednim wtryskiem benzyny
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 doładowaniemi 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.

Porsche Cayenne S Hybrid 6 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.

Kompaktowy silnik elektryczny 38 kW z funkcją prądnicy
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 Cayenne S Hybrid łączy w sobie wzorcową wprost oszczędność z ponadprzeciętną siłą: oba silniki osiągają łącznie maksymalną moc 374 KM (275 kW) i 550 Nm momentu obrotowego przy 1.500 obr./min. Cayenne S Hybrid robi zatem wrażenie już na pierwszych metrach pełnego przyspieszenia niezwykłym „rozpędem”, zwanym przez inżynierów „take-off”. 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.

Kompletny moduł hybrydowy, składający się z silnika elektrycznego i sprzęgła, jest niezwykle zwarty – ma długość zaledwie 147,5 milimetra. Dzięki temu bez większych problemów mógł zostać umieszczony w klasycznym układzie napędowym Cayenne, między silnikiem spalinowym a przekładnią. Podczas prac konstrukcyjnych udało się inżynierom Porsche jeszcze bardziej zoptymalizować sprawność silnika elektrycznego. Ponadto zmniejszono o 30 procent masę układu elektroniki mocy odpowiedzialnego za sterowanie modułem hybrydowym. Wszystkie te posunięcia mają bezpośredni wpływ na redukcję zużycia paliwa.

Porsche Cayenne S Hybrid 7 W pełni zintegrowana bateria NiMH
Przy Cayenne S Hybrid Porsche postawiło na sprawdzone w motoryzacji baterie niklowo – wodorkowe: są one bezobsługowe i szczelne na przenikanie gazów. Ich wymiary 347x633x291 milimetrów pozwalają na ulokowanie we wnęce koła zapasowego. Dzięki temu nie ucierpiała pojemność bagażnika Cayenne. Akumulator pracuje z mocą 38 kilowatów i magazynuje energię dostarczaną do niego przy hamowaniu i w wyniku zoptymalizowanego pod kątem zużycia paliwa przesunięcia punktu obciążenia silnika spalinowego. Zmagazynowana energia może być wykorzystywana do poruszania się wyłącznie z silnikiem elektrycznym, bez spalinowego, lub do wspierania pracy silnika benzynowego. Na samym prądzie można pokonać odcinek do dwóch kilometrów.

Bateria razem z obudową waży prawie 70 kilogramów i składa się z 240 ogniw, które dają wymagane napięcie 288 wolt. Jej zakres roboczy rozpoczyna się przy minus 30 stopniach, zatem doskonale sprawdza się przy rozruchu w niskich temperaturach. Podczas ładowania i rozładowywania w wyniku wewnętrznego oporu bateria wytwarza ciepło, które działając przez dłuższy czas mogłoby zaszkodzić przebiegowi procesów chemicznych w ogniwach. Temperatura powyżej 50 stopni Celsjusza mogłaby skrócić żywotność baterii. Dlatego też chłodne powietrze z bagażnika i kabiny pasażerskiej jest zasysane tak, by opływało baterię.

Optymalnie przystosowana do napędu łączonego: ośmiobiegowa przekładnia automatyczna
Cayenne S Hybrid będzie dostępne wyłącznie z automatyczną, ośmiobiegową przekładnią. Aby sprostać wymaganiom napędu hybrydowego, inżynierowie Porsche uzupełnili tradycyjną pompę olejową wariantem napędzanym prądem. Jest to niezbędne, aby mogły być realizowane procesy sprzęgania i zmiany biegów w przekładni, także przy wyłączonym silniku spalinowym. Przekładnia jest tak zestopniowana, by maksymalna prędkość uzyskiwana była na szóstym biegu, dwa górne biegi służą do obniżania prędkości obrotowej i redukcji spalania. Ósmy bieg pozwala zatem na „żeglowanie”, czyli toczenie się z wyłączonym silnikiem spalinowym, z prędkością nawet 138 km/h. Ponadto szerokie rozłożenie przełożeń na osiem biegów pozwala – szczególnie na niższych biegach i podczas jazdy tylko z silnikiem elektrycznym oraz przy „boostowaniu” – na lepsze wykorzystanie dodatkowego momentu obrotowego generowanego przez silnik synchroniczny.

Porsche Cayenne S Hybrid 8Także sprawność przekładni w porównaniu ze stosowaną dotychczas sześciobiegową skrzynią automatyczną uległa znacznej poprawie.

Agregaty pomocnicze dla napędu hybrydowego z własnymi możliwościami oszczędności
W klasycznym pojeździe z silnikiem spalinowym nie tylko trakcja, lecz także cały szereg systemów wspomagania i zwiększających komfort zależy od pracującej jednostki napędowej: na przykład wspomaganie układu kierowniczego i klimatyzacja są napędzane paskami klinowymi. Układ hamulcowy w modelach Cayenne, podobnie jak w samochodach sportowych, wykorzystuje podciśnienie wspomagania nie z układu ssącego silnika, lecz z pompy podciśnieniowej na wałkach rozrządu. Wszystkie te systemy zostały dla Cayenne S Hybrid przerobione na systemy z napędem elektrycznym, ponieważ muszą one bez ograniczeń spełniać swoje zadania również podczas jazdy bez silnika spalinowego. Sprężarka klimatyzacji, jako odbiornik o największym poborze mocy, została podłączona do sieci 288 V baterii NiMH. Zaletą wysokiego napięcia jest fakt, że przekroje przewodów zasilających mogą być stosunkowo małe, co wpływa na redukcję masy pojazdu.

Po raz pierwszy w tej klasie samochodów Porsche zastosowało elektrohydrauliczny układ kierowniczy gwarantujący precyzję typową dla Porsche. Dzięki specjalnym funkcjom, takim jak tryb Stand-By przy jeździe na wprost wpływa on na zmniejszenie zużycia paliwa. W porównaniu z klasycznym hydraulicznym wspomaganiem układu kierowniczego zużycie energii w cyklu NEFZ zostało zredukowane o 93 procent.

Perspektywa: Panamera S Hybrid
Zgodnie z zapowiedziami nowy Gran Turismo Panamera pojawi się na rynku jesienią 2009 roku, początkowo z tradycyjnymi rodzajami napędu.

Jeszcze w pierwszej generacji wprowadzona zostanie wersja hybrydowa, wykorzystująca tę samą koncepcję, co Cayenne S Hybrid.

Źródło: Porsche