Technika: Renault E-TECH i klocki LEGO

Grupa Renault wykorzystała swoją bogatą wiedzę i doświadczenie w zakresie samochodów elektrycznych oraz Formuły 1, aby zaprojektować nowatorski napęd hybrydowy E-TECH. Niewiele osób wie, że pomysł na napęd powstał i został rozwinięty w sposób, który jest nie tylko niecodzienny, ale stanowi także źródło inspiracji. Wszystko zaczęło się od modelu z klocków Lego zbudowanego przez Nicolasa Fremau, specjalisty ds. architektury napędów hybrydowych Renault.

Kiedy w 2010 roku koncern Renault wprowadzał na rynek samochód elektryczny, chciał także opracować technologię hybrydową. Umożliwiłaby ona wielu klientom bez problemu przesiąść się na samochód z napędem w pełni elektrycznym. Docelowy napęd miał być tani, lekki, odpowiedni dla dużych i małych samochodów i zapewniać zasięg 50 km w trybie elektrycznym.

Składaj, wierć i klej

Nicolas Fremau musiał zaprojektować elektryczny silnik, który miał się stać główną jednostką napędową odpowiedzialną za rozruch samochodu. Ale jak będzie przenoszony napęd między silnikiem elektrycznym i spalinowym? Ponieważ układ miał być w zamierzeniu prosty, kompaktowy i lekki, Nicolas opracował bardzo radykalne rozwiązanie. Postanowił zrezygnować ze sprzęgła i dodatkowo wyeliminować synchronizator skrzyni biegów. Technologią, która umożliwia wprowadzenie takich zmian, jest przekładnia kłowa wykorzystywana w sportach samochodowych.

Kiedy przyglądałem się w domu synowi, który bawił się zębatkami z zestawu LEGO Technic, pomyślałem sobie, że chciałbym zbudować coś bardzo podobnego. Kupiłem wszystkie potrzebne mi części, żeby złożyć z nich wymyśloną przez siebie konstrukcję.

W taki oto sposób podczas bożonarodzeniowej przerwy Nicolas Fremau zbudował z klocków Lego nowatorską trzybiegową skrzynię biegów. Oczywiście wcześniej ją wymyślił i naszkicował.

Aby uzyskać zamierzony efekt, Nicolas musiał sam zmontować wały napędowe i koła zębate, kleić i przewiercać elementy, żeby trzymały się ramy podwozia i wprawiały napęd w ruch. Było to spore konstrukcyjne wyzwanie. Pozwoliło ono Nicolasowi Fremau przetestować w „praktyce” wszystkie możliwe tryby pracy współpracujących ze sobą jednostek napędowych. Na dodatek okazało się, że są pewne aspekty układu, które umknęły jego uwadze podczas wcześniejszej analizy teoretycznej. To tylko umocniło go w przekonaniu, że prace nad prototypem, najtańszym w całej historii Renault, są na dobrej drodze.

Jeśli można to zbudować z klocków LEGO…

Ale jaka będzie reakcja menedżerów, którym zostanie zaprezentowana makieta?

Grupa Renault była zawsze bardzo otwarta, zwłaszcza jeśli chodzi o badania. W dniu, w którym przyniosłem ze sobą makietę do pracy, żeby zaprezentować ją szefowi projektu, Gérardowi Detourbetowi i Rémiemu Bastienowi, dyrektorowi działu badań, nie miałem pojęcia, jaka będzie ich reakcja. Obaj chodzili wokół makiety i dotykali jej, żeby uwierzyć, że udało się nam wypracować konkretne rozwiązanie. Nigdy nie zapomnę komentarza Gérarda Detourbeta: „Jeśli można to zbudować z klocków Lego, to to musi działać!”.

Zgoda na kontynuowanie prac została udzielona pod pewnym warunkiem. Nicolas i jego koledzy musieli zobowiązać się, że ich koncepcja zostanie wdrożona. I to dodatkowo w samochodzie, którego produkcja miała rozpocząć się za 18 miesięcy!

Po etapie euforii przyszła kolej na podjęcie wyzwania, które polegało na zaprojektowaniu i wdrożeniu nowatorskiego silnika hybrydowego E-TECH. Nicolas Fremau poprosił kilku swoich kolegów, aby sprawdzili, czy zaprojektowany przez niego nowatorski układ bezsprzęgłowy będzie można montować w seryjnie produkowanych modelach. Czy zapewni on klientom oczekiwane osiągi? Nicolas zwrócił się do Ahmeda Ketfi-Cherifa, specjalisty ds. kontroli, z prośbą, aby upewnił się, że prosty mechanizm kłowy umożliwi przechodzenie do różnych trybów jazdy. Dostępne były wówczas trzy tryby: „jazda po mieście”, „jazda w trybie pozamiejskim” i „jazda po autostradzie”.

Cel – płynna jazda

Uwaga wszystkich skupiła się na mechanizmie kłowym, który w bezsprzęgłowej skrzyni biegów zastąpił zarówno zębatkę, jak i synchronizator. Przekładnia kłowa wyróżnia się doskonałą wydajnością, bo jest w niej niewiele części, które pracując, generują opory tarcia. To technologia powszechnie wykorzystywana w sportach motorowych, gdzie brak płynnych przełożeń nie jest problemem. Natomiast w masowo produkowanych modelach zmiana biegów musi być płynna, bo w przeciwnym razie klienci nie będą zadowoleni z jazdy.

Choć wykorzystywane w Formule 1 płaskie kły lepiej znoszą upływ czasu i są bardziej niezawodne niż kły daszkowe, mają jeden minus – gorzej się zazębiają. Jak się później okazało, pewien prosty zabieg był w stanie poprawić płynność zmiany przełożeń.

HSG – mądry wybór

Koncepcja, która została szybko zatwierdzona przez Ahmeda Ketfi-Cherifa, zakładała, że do opracowywanego układu hybrydowego E-TECH zostanie dodany drugi silnik elektryczny. Drugi silnik miał zastąpić synchronizator montowany w tradycyjnych skrzyniach biegów, aby zoptymalizować pracę sprzęgła i tym samym zmianę biegów. Jednostka współpracuje z elektrycznym silnikiem zasilanym z akumulatora trakcyjnego. Zapewnia ona niezwykle precyzyjne dostrojenie prędkości obrotowej skrzyni biegów, co przekłada się na płynną zmianę przełożeń.

Ahmed i Nicolas Fremau zastosowali to rozwiązanie w zmodyfikowanej przez nich makiecie z klocków Lego. Później natomiast rozpoczęli próby na hamowni i testy drogowe. Dzięki rozbudowaniu układu o drugi silnik elektryczny o nazwie HSG (High-voltage Starter Generator – rozrusznik wysokonapięciowy) uzyskali błyskawiczną dostępność momentu. Sprawia ona, że nawet przy niskich prędkościach jazda jest płynna podczas przyspieszania, a podczas zmiany biegów nie tracimy momentu. Przy niskich prędkościach układ działa jak hybryda szeregowa, zapewniając wyższy poziom komfortu i większą elastyczność. Nie musimy mieć też dużego zapasu zmagazynowanej energii. To pozwoliło zmniejszyć pojemność akumulatora i wyeliminować gniazdo ładowania. Zamiast silnika hybrydowego typu plug-in uzyskano więc „zwykłą” hybrydę.

To naprawdę działa

Kolejnym krokiem było zoptymalizowanie układu, aby poprawić wrażenia z jazdy przy dużych prędkościach.

Po pierwszych testach prototypów, które potwierdziły, że układ E-TECH w pełni działa, zespoły ds. rozwoju zakończyły realizację pierwszego, ważnego etapu. Udało im się zbudować „prawdziwy” samochód w przedziale czasowym określonym przez Gérarda Detourbeta. Pierwsza wersja silnika E-TECH została zamontowana pod maską Dacii Sandero i miała swoją na „wpół oficjalną” premierę w 2012 roku.

EOLAB – Nieuchronne spotkanie

W tym samym czasie koncern Renault prowadził przygotowania, by sprostać zadaniu wyznaczonemu przez rząd. Miał bowiem zaprojektować samochód, który będzie palić mniej niż 2 litry na 100 km. Takim właśnie modelem miał stać się prototyp EOLAB. Kierowany przez Laurenta Taupina zespół skupił się na trzech głównych obszarach. Na zmniejszeniu masy płyty podłogowej i podwozia, zaawansowanych rozwiązaniach z zakresu aerodynamiki i wyborze najbardziej ekonomicznego układu napędowego. Na kolejnym etapie prac konieczne było też spotkanie z zespołami odpowiedzialnymi za rozwój jednostki napędowej E-TECH.

Bardzo szybko stało się jasne, że technologia E-TECH zostanie wykorzystana w prototypie EOLAB. Zakończenie projektu zależało od połączenia prac. Ich celem było odchudzenie pojazdu i zastosowanie w nim odpowiedniego układu napędowego z wykorzystaniem innowacyjnej technologii. Dzięki temu udało się nam wypracować dwa rozwiązania, które pozwoliły spełnić wymagania Renault. Zaprojektować inteligentny i oszczędny samochód, który byłby przystępny cenowo dla wszystkich. Powiedział Laurent Taupin, kierownik projektu EOLAB

Prototyp EOLAB miał swoją premierę podczas targów motoryzacyjnych w Paryżu w 2014 roku. W tym samym czasie dziennikarze zostali zaproszeni na tor Mortefontaine na jazdy próbne wersją „demonstracyjną”. Miały one stać się praktycznym sprawdzianem jednostki E-TECH.

Czwarty bieg

Prototyp EOLAB nie tylko spełnił oczekiwania, ale spotkał się także z doskonałym przyjęciem. Dziennikarze byli pod wrażeniem rekordowo niskiego zużycia paliwa (finalnie 1 litr/100 km!). Nie wpływało ono negatywnie na dynamikę jazdy prototypu (przyspieszenie od 0 do 100 km w 9,2 sekundy) i właściwości jezdne. Ale Nicolas Fremau i członkowie zespołów ds. rozwoju nie byli w pełni zadowoleni. Musieliśmy opracować efektywne rozwiązanie, które przyspieszyłoby rozruch silnika spalinowego i tym samym zoptymalizowało pracę układu przeniesienia napędu. Wszystko aby zapewnić użytkownikom doznania znane z samochodów elektrycznych, czyli wrażenie, że moment jest dostępny już w chwili, gdy wciskamy pedał gazu.

To z kolei wymagało modyfikacji wybranych elementów układu napędowego. Rozwiązaniem było dodanie do skrzyni kłowej, która miała oryginalnie tylko trzy przełożenia, czwartego biegu połączonego z silnikiem spalinowym. Dodatkowo czwarty bieg umożliwił wyłączanie głównego silnika elektrycznego, kiedy ten nie był używany, czyli głównie podczas jazdy na autostradzie. To rozwiązanie wyeliminowało opór aerodynamiczny i pozwoliło zmniejszyć zużycie paliwa o około 1 kW albo 3 do 4%.

Krótka przygoda z Formułą 1

Prace rozwojowe nad technologią E-TECH posuwały się więc do przodu. Kolejny etap wymagał nawiązania ścisłej współpracy z zespołami Renault Sport Racing. Inżynierowie specjalizujący się w układach zarządzania energią, którzy pracowali nad jednostką E-TECH poprosili o merytoryczne wsparcie swoich kolegów z teamu Renault F1, czyli poprzednika zespołu znanego dzisiaj jako Alpine F1 Team.

W układance brakowało jeszcze jednego elementu: członkowie zespołu musieli zdecydować się na konkretny silnik spalinowy. Ich wybór padł na HR16 – czterocylindrowy wolnossący silnik z banku jednostek napędowych Aliansu. To z kolei wymagało też wprowadzenia wielu zmian do jego konstrukcji. Zwłaszcza zmiany wymagał cykl pracy, który umożliwił pełne wykorzystanie potencjału nowatorskiej przekładni kłowej, czyli rozwiązania wymyślonego przez Nicolasa Fremau. Była to także odpowiedź na potrzebę związaną z optymalizacją kosztów napędu E-TECH montowanego w modelach ze średniej półki.

Surrealistyczna przygoda

W chwili obecnej, kiedy jednostki E-TECH zostały wprowadzone do masowej produkcji, silniki są montowane w wersji „prostej hybrydy” w modelach Clio, Captur i Arkana oraz pełnej hybrydy plug-in pod maską modeli Captur i Mégane. To było także spełnienie marzeń Nicolasa Fremau. Wszystko zaczęło się od skromnego pomysłu, który został rozwinięty przez dział inżynierii, by dać początek pełnej gamie silników.

Informacja prasowa

Pozostałe wiadomości tutaj

---