Silnik, który zainspirowały klocki Lego. Jaka jest tajemnica napędu E-TECH?

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

Nicolas Fremau, specjalista ds. architektury napędów hybrydowych Renault,  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, którą wcześniej 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, które pozwoliło 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.

Ale jaka będzie reakcja menedżerów, którym zostanie zaprezentowana makieta?

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 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 i 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”).

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.

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 i zapewnia 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, a później 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, która sprawia, że nawet przy niskich prędkościach jazda jest płynna podczas przyspieszania, a podczas zmiany biegów nie mamy wrażenia utraty 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.

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.

Prace rozwojowe nad technologią E-TECH posuwały się do przodu, a 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.

Bolid Alpine F1 x Felipe Pantone – zobaczcie artystyczną wizję znanego artysty w skali 1:2!

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 wprowadzenia wielu zmian do jego konstrukcji, zwłaszcza cyklu pracy, które umożliwiły 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.

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. Miałyśmy okazję przekonać się, jak technologia „z klocków” Lego, sprawdza się na polskich drogach! Jeśli jesteście ciekawi naszych wrażeń z jazdy, koniecznie przeczytajcie poniższy tekst!

Nowe hybrydowe modele Renault – Clio E-TECH, Captur E-TECH i Megane E-TECH. Nasze wrażenia z jazdy