Hybrydy – inne spojrzenie: Volkswagen versus Mercedes
Designed by MagnificJeszcze do niedawna podział wydawał się prosty: hybrydy mild i 48-woltowe to jedno, a pełne hybrydy zdolne do jazdy czysto elektrycznej – to drugie. Dwie premiery ostatnich miesięcy pokazują, że ta granica się zaciera, i to w obie strony.
- Mercedes i Volkswagen inaczej podchodzą do pełnej hybrydy – różnią się architekturą, sposobem pracy i rozwiązaniami technicznymi. Przeanalizuj nasze zestawienie.
- Dwie filozofie, wspólny cel: która z nich lepiej wykorzystuje potencjał napędu hybrydowego? Sprawdzamy rozwiązania oferowane przez znane marki.
Volkswagen, na wiedeńskim sympozjum silnikowym, udowadnia że hybryda szeregowo-równoległa z dwiema maszynami elektrycznymi trafia do seryjnej produkcji – rozwiązanie, które w Europie kojarzyło się dotąd niemal wyłącznie z Hondą – a Mercedes od niedawna oferuje własny, maksymalnie wykorzystany hybryd 48 V, zdolny do realnej jazdy elektrycznej w mieście. Efekt: 2 napędy określane tym samym mianem „pełny hybryd”, zbudowane na zupełnie odmiennych założeniach technicznych.
Mercedes: 48 woltów wykorzystane maksymalnie
Czy 48-woltowy napęd hybrydowy z nowej platformy MMA zasługuje na miano pełnego hybrydu, można dyskutować – ale na pewno spełnia kluczowe kryteria tej kategorii. Bateria o pojemności energetycznej 1,3 kWh (netto dostępna jest w praktyce ok. połowy tej wartości) w połączeniu z maszyną elektryczną o mocy szczytowej 20 kW, dostępnej przez 20 s, pozwala modelom takim jak Mercedes CLA poruszać się w mieście wyłącznie na prądzie.
Przy wyższych prędkościach możliwe jest też żeglowanie ze wspomaganiem elektrycznym. Zarówno silnik spalinowy, jak i zelektryfikowana skrzynia biegów to konstrukcje zupełnie nowe.
Jednostka z rodziny FAME, oznaczona M252, powstała we współpracy Mercedesa z Aurobay – spółką należącą do chińskiego Geely. Produkcja odbywa się w Chinach, natomiast za dostrojenie silnika do konkretnych zastosowań odpowiada już Mercedes.
Silnik o pojemności 1,5 litra osiąga, w zależności od wersji, 100, 120 lub 140 kW mocy. Pracuje w cyklu Millera, co podnosi sprawność termodynamiczną – w najlepszym punkcie pracy sięga ona 39%.
Za utrzymanie odpowiedniego momentu obrotowego mimo ograniczeń cyklu Millera odpowiada turbosprężarka typu twin-scroll: moment 300 Nm dostępny jest już od 2000 obr./min, a powyżej tego zakresu stopniowo maleje do ok. 200 Nm przy 6000 obr./min. Silnik współpracuje z ośmiobiegową, zelektryfikowaną skrzynią dwusprzęgłową 8F-eDCT – konstrukcją dość nietypową jak na tę kategorię napędu.
W typowych hybrydach P2 maszyna elektryczna montowana jest jako „tarcza” między silnikiem spalinowym a skrzynią biegów i obraca się z prędkością wału korbowego, co ogranicza możliwość optymalnego doboru obrotów i zajmuje sporo miejsca przy zabudowie poprzecznej. W 8F-eDCT maszyna elektryczna umieszczona jest równolegle do osi napędu (Mercedes mówi o zabudowie „side -by-side”) i połączona z resztą układu poprzez zestaw kół czołowych.
Dzięki temu możliwe jest dopasowanie prędkości obrotowej i zastosowanie mniejszej, zoptymalizowanej maszyny elektrycznej – a moment obrotowy trafia na główną piastę potrójnego sprzęgła. W praktyce, podobnie jak w klasycznym układzie P2, maszyna elektryczna może wykorzystywać wszystkie 8 biegów nawet podczas jazdy czysto elektrycznej. Za same zmiany biegów odpowiada podwójne sprzęgło (K1/K2) wewnątrz piasty, a dodatkowe sprzęgło K0 (stąd określenie „potrójne sprzęgło”) pozwala całkowicie odłączyć silnik spalinowy, np. podczas żeglowania lub krótkiej jazdy elektrycznej.
Volkswagen: dwie maszyny elektryczne
Znacznie mocniej zelektryfikowany jest nowy pełny hybryd Volkswagena, który trafi na rynek jesienią. To układ szeregowo- równoległy typu P1/P3 z dwiema maszynami elektrycznymi – rozwiązanie funkcjonalnie zbliżone do tego, które od lat stosuje Honda.
Sam moduł napędowy – nie silnik spalinowy – dostarcza Schaeffler. Maszyna elektryczna EM1, w układzie P1, jest na stałe połączona z silnikiem spalinowym i pełni funkcję generatora.
EM2 działa w układzie P3 – czyli oddziałuje bezpośrednio na wyjście napędu, w odróżnieniu od klasycznego P2, gdzie maszyna elektryczna znajduje się przed skrzynią biegów. Volkswagen tłumaczy wybór tej architektury potrzebami globalnego rynku.
W Chinach obok napędów w pełni elektrycznych wciąż poszukiwane są hybrydy plug-in i range extendery, w obu Amerykach – plug-iny i pełne hybrydy, w Europie natomiast, mimo regulacyjnego nacisku na elektryki, wciąż liczy się miejsce na efektywne hybrydy pełne i plug-in – tym bardziej że nie wiadomo jeszcze, czy planowany na 2035 r. zakaz rejestracji nowych aut spalinowych rzeczywiście wejdzie w życie w obecnym kształcie.
Nowy napęd VW ma być skalowalny do różnych zastosowań: w Europie na start trafi wyłącznie w wersji pełnego hybrydu – najpierw do modeli T-Roc i Golf, natomiast w Chinach posłuży też jako baza dla wersji plug-in z odpowiednio większą baterią. Zapowiadane są kolejne warianty.
Napęd VW pracuje w trzech trybach. Podczas jazdy czysto elektrycznej sprzęgło K0 – normalnie otwarte, mokre sprzęgło wielopłytkowe – jest rozłączone, odcinając silnik spalinowy wraz z EM1.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Podobnie w trybie szeregowym: K0 pozostaje otwarte, ale EM1 wytwarza wówczas prąd, który napędza maszynę EM2 odpowiedzialną za napęd kół. W obu tych trybach moment obrotowy trafia na koła praktycznie bez strat, bez udziału jakiejkolwiek przekładni.
Trzeci tryb to praca równoległa – sprzęgło K0 zostaje zamknięte, a silnik spalinowy i EM2 napędzają pojazd wspólnie. Do dyspozycji jest tu tylko jeden „bieg”, w praktyce prosty przekład osiowy, użyteczny od ok. 60 km/h, aż do prędkości maksymalnej (180 km/h).
Nawet w trybie równoległym EM1 może częściowo „dogenerowywać prąd” albo obracać się bez obciążenia. Bateria ma pojemność brutto 1,6 kWh, z czego użytecznych jest 0,64 kWh – różnica wynika z konieczności ochrony bardzo wydajnych ogniw „od góry i od dołu” odpowiednim zapasem bezpieczeństwa. EM2 osiąga 125 kW, generator i silnik spalinowy – po 110 kW każdy, a moc systemowa to, w zależności od wersji wyposażenia, 100 lub 125 kW.
Przyspieszenie 0–100 km/h w Golfie wynosi odpowiednio 8,5 lub 7,4 sekundy. Sama bateria nie jest w stanie samodzielnie zapewnić mocy systemowej – wymaga to jednoczesnego udziału trybu szeregowego.
Dlatego w pełni elektryczny tryb jazdy VW przewidział głównie do prędkości poniżej 60 km/h, choć technicznie możliwa jest jazda elektryczna także przy wyższych prędkościach i niskim obciążeniu. Silnik spalinowy to sprawdzony 1.5 TSI Evo2 z doładowaniem i cyklem Millera, zaadaptowany na potrzeby pełnej hybrydyzacji – m.in. zrezygnowano z wyłączania cylindrów, bo przesunięcie punktu pracy można teraz realizować za pomocą EM1 w trybie szeregowym.
Zmieniono też fazy rozrządu. Maksymalna prędkość obrotowa wynosi 4500 obr./min, a szczytowa sprawność sięga 39,2%.
Względem klasycznej, mild-hybrydowej wersji 1.5 TSI Evo2 zużycie paliwa w całym zakresie pracy ma być niższe o 2–3%. Warto zwrócić uwagę na proporcje pracy poszczególnych trybów: w cyklu WLTC VW deklaruje 66% jazdy elektrycznej, 16% w trybie szeregowym i 18% w równoległym.
W bardziej realistycznym cyklu testowym, jaki koncern prowadzi w okolicach Wolfsburga, wartości te wynoszą odpowiednio 59, 18 i 23%. Konkretnych danych o zużyciu paliwa jeszcze nie podano, ale dzięki wysokiej sprawności silnika i braku wielobiegowej skrzyni napęd powinien być oszczędny również na autostradzie – największą przewagę pokaże jednak w mieście i na trasie, gdzie klasyczne napędy tracą efektywność przy częściowym obciążeniu.
Dwie filozofie, wspólny cel
Napęd z dwiema maszynami elektrycznymi i podwójną elektroniką mocy jest siłą rzeczy droższy, ale w zamian oferuje znacznie prostszą konstrukcję samej skrzyni biegów. Mercedes w swoim 48-woltowym rozwiązaniu wykorzystał niemal wszystkie dostępne w tej architekturze możliwości, jednak pozostaje to klasyczny hybryd P2 – ze znanym z takich układów zachowaniem podczas zmiany biegów.
Hybryd VW, testowany podczas jazd na wiedeńskim sympozjum, nie wykazuje żadnych szarpnięć przy zmianie trybu pracy i dzięki układowi P3 prowadzi się niemal jak samochód elektryczny – momentami jedynie słychać w tle pracujący, dobrze wyciszony silnik spalinowy. Ponieważ w trybie szeregowym silnik może pracować przy dowolnych obrotach, inżynierowie dobrali jego charakterystykę akustycznie: w praktyce najczęściej pracuje w okolicach 2000–3000 obr./min, rzadko zbliżając się do maksimum.
To właśnie sposób prowadzenia, a nie tylko zużycie paliwa, może zdecydować o tym, który z tych napędów lepiej przyjmie się na rynku – Volkswagen zapowiada już wdrożenie swojego rozwiązania w kolejnych modelach koncernu, w tym w wersji plug-in.
Artykuł opracowano na podstawie publikacji kfz-betrieb „Vollhybrid vs. Vollhybrid”, autorstwa Gernota Goppelta.
O Autorze
