Wspólny projekt przyniósł napęd hybrydowy o sprawności 98,2 procenta
Połączenie sił francuskiego producenta samochodów z chińskim partnerem zaowocowało hybrydowym układem napędowym, który w warunkach laboratoryjnych osiąga sprawność na poziomie 98,2 procenta. Sekret tak niskiego zużycia energii tkwi w niekonwencjonalnym materiale zastosowanym w stojanie silnika.
Jeśli te wyniki potwierdzą się w produkcji seryjnej, konkurencja będzie musiała znacząco przyspieszyć prace nad własnymi rozwiązaniami. Pod wspólną marką Horse powstał silnik elektryczny przeznaczony do samochodów hybrydowych, który podczas testów osiąga sprawność 98,2 procenta — wynik lepszy niż większość aktualnie produkowanych jednostek napędowych. Kluczem do tego sukcesu ma być nowy rodzaj stali użytej w stojanie.
Silnik Amorfo — owoc współpracy Renault i chińskiego koncernu Geely
Horse to spółka założona przez Renault oraz chiński koncern Geely, skupiona na opracowywaniu nowoczesnych układów napędowych. Najnowszym efektem pracy tamtejszych inżynierów jest silnik o nazwie Amorfo, zaprojektowany przede wszystkim z myślą o hybrydach i samochodach z wydłużonym zasięgiem.
Nazwa nie jest przypadkowa. Nawiązuje bezpośrednio do materiału stojana — zastosowana stal amorficzna charakteryzuje się nieuporządkowaną strukturą atomową. W klasycznych silnikach używa się stali krystalicznej, w której atomy układają się w regularną sieć przestrzenną. Fizyczne właściwości stali amorficznej pozwalają ograniczyć straty związane z oddziaływaniem pola magnetycznego, szczególnie przy wysokich częstotliwościach.
Według spółki Horse nie chodzi wyłącznie o chwyt marketingowy. Silnik Amorfo osiąga sprawność 98,2 procenta, co przekłada się na mniej więcej o połowę mniejsze straty wewnętrzne niż w typowym napędzie elektrycznym. Deklarowana moc wynosi 190 koni mechanicznych, a moment obrotowy — 360 niutonometrów, co w pełni wystarcza dla hybrydowych SUV-ów, samochodów kompaktowych oraz większych limuzyn z napędem elektrycznym.
Blaszki cieńsze niż ludzki włos — jak ogranicza się straty energii
Szczególnie robi wrażenie grubość elementów, z których zbudowany jest stojan. Każda pojedyncza blaszka mierzy zaledwie 0,025 milimetra — to mniej więcej dziesięć razy cieniej niż w typowych silnikach elektrycznych montowanych w samochodach. Tak cienkie warstwy skutecznie ograniczają powstawanie prądów wirowych.
To zjawisko polega na indukowaniu w metalu niepożądanych przepływów prądu, które zamieniają się w ciepło i powodują straty energetyczne. Im cieńsze elementy, tym słabiej ono występuje i tym sprawniej napęd przekształca prąd w ruch. Spółka Horse deklaruje redukcję strat w samym silniku o około 50 procent w porównaniu z referencyjną konstrukcją, przy zachowaniu tych samych parametrów mocy i momentu.
W praktyce oznacza to, że przy tym samym poborze energii elektrycznej silnik wykonuje więcej użytecznej pracy. Mniej energii ucieka w postaci ciepła, co zmniejsza wymagania stawiane układowi chłodzenia. Cienkie blaszki ze stali amorficznej stanowią wyzwanie technologiczne w produkcji, gdyż wymagają precyzyjniejszej obróbki i delikatniejszego montażu niż materiały standardowe.
Jak ten wynik wypada na tle innych silników elektrycznych
Współczesne napędy elektryczne w samochodach osobowych osiągają zazwyczaj sprawność w przedziale od 93 do 97 procent. Różnice wynikają z obciążenia, temperatury, prędkości obrotowej oraz konkretnego rozwiązania konstrukcyjnego. Na papierze wzrost o jeden czy dwa punkty procentowe nie robi takiego wrażenia jak na przykład podwojenie mocy.
W energetyce jednak każdy procent to realne oszczędności — zwłaszcza gdy mówimy o dużych flotach pojazdów i milionach przejechanych kilometrów. Dla producentów to także narzędzie budowania przewagi konkurencyjnej, szczególnie gdy zbliżone parametry mocy i zasięgu można uzyskać przy mniejszym akumulatorze.
- Nowoczesne silniki elektryczne w samochodach osobowych mają sprawność od 93 do 97 procent
- Silnik Amorfo deklaruje 98,2 procenta w warunkach laboratoryjnych
- Każdy procent oszczędności przekłada się na mniejszy pobór energii z baterii lub silnika spalinowego
- Wyższa sprawność pozwala zmniejszyć akumulator przy zachowaniu tego samego zasięgu
- W praktyce oszczędności ujawniają się przy długotrwałym użytkowaniu pojazdu
- Floty firmowe najmocniej odczują różnicę w kosztach eksploatacji
- Mniejsze straty energii oznaczają również mniejsze obciążenie układu chłodzenia
Całościowy obraz komplikują warunki pomiarów. Podana sprawność 98,2 procenta pochodzi z testów przeprowadzonych przez firmę w ściśle kontrolowanych warunkach. W codziennej eksploatacji pojawiają się czynniki, które trudno idealnie odtworzyć na stanowisku badawczym.
Laboratorium a rzeczywistość na drodze
W normalnych warunkach pracy pojazdu na rzeczywistą sprawność układu napędowego wpływa wiele zmiennych. Należą do nich wahania temperatury — od zimowego mrozu po rozgrzany asfalt latem. Silnik nie pracuje w jednym optymalnym punkcie, lecz przy częściowym obciążeniu w szerokim zakresie.
Dochodzi do tego starzenie się materiałów, w tym izolacji i samej stali. Napięcie i wydajność trakcyjnego akumulatora ulegają wahaniom. Producenci podają zazwyczaj maksymalną sprawność osiągniętą w określonym zakresie pracy, a nie średnią z całego cyklu jazdy. Niezależne laboratoria często uzyskują wyniki niższe niż te z materiałów reklamowych.
Spółka Horse nie podaje na razie, w jakich samochodach i w jakiej konfiguracji zostanie zastosowany ten silnik, co utrudnia ocenę jego zachowania w gotowym pojeździe. Firma kierująca projektem szacuje, że po uwzględnieniu całego układu hybrydowego — łącznie z akumulatorem, falownikiem, skrzynią biegów i pozostałymi podzespołami — realna oszczędność energii wynosi około jednego procenta.
Realna oszczędność energii — około jednego procenta w całym układzie
Redukcja zużycia energii w hybrydzie o jeden procent może wydawać się nieistotna w skali jednego auta, ale w skali tysięcy egzemplarzy przekłada się na ogromne ilości zaoszczędzonej energii elektrycznej lub paliwa. Przy rocznym przebiegu rzędu 20 do 30 tysięcy kilometrów, w przypadku flot firmowych i długiego okresu użytkowania, taka różnica zaczyna mieć realne znaczenie — zarówno dla kierowcy, jak i dla bilansu emisji CO₂.
Dla producentów liczy się każdy ułamek procenta, bo może ułatwić spełnienie coraz surowszych norm efektywności energetycznej. Silnik Amorfo figuruje już w katalogu spółki Horse, co oznacza, że jej klienci mogą go zamawiać do swoich projektów w dowolnym momencie. Pierwszym odbiorcą będzie najprawdopodobniej sam koncern Renault wraz z zależnymi markami.
Pod uwagę wchodzą również inne firmy należące do grupy kapitałowej Geely, jak choćby Volvo. Ten typ silnika nadaje się szczególnie do nowej generacji plug-in hybrydy, w której priorytetem jest niskie zużycie energii, a nie rekordowa moc. Jeśli deklaracje potwierdzą się w pojazdach seryjnych, użytkownik odczuje to przede wszystkim jako niższe zużycie energii podczas codziennej jazdy.
W przypadku hybrydy może to oznaczać rzadsze tankowanie w ciągu roku lub dłuższy zasięg na jednym naładowaniu trakcyjnego akumulatora. Dodatkową korzyścią jest mniejsza ilość ciepła wydzielanego przez sam silnik. Sprawniejszy napęd nagrzewa się mniej intensywnie, więc układ chłodzenia może pracować przy mniejszym obciążeniu — a to z kolei pozwala uprościć konstrukcję całego pojazdu lub zmniejszyć masę niektórych komponentów.
Dlaczego producenci ścigają się w sprawności układów napędowych
Rynek systemów napędowych do samochodów zmienia się szybciej niż dekadę temu. Obok akumulatorów i elektroniki sterującej to właśnie silniki elektryczne stały się areną rywalizacji. Chińskie marki prezentują coraz bardziej zaawansowane konstrukcje — od jednostek spalinowych o rekordowo wysokiej sprawności termicznej po innowacyjne napędy elektryczne.
Europejskie i japońskie firmy, które przez lata dominowały w dziedzinie układów napędowych, muszą reagować. Wprowadzenie silnika o bardzo wysokiej sprawności to sposób na utrzymanie pozycji i zademonstrowanie, że wciąż mają wiele do powiedzenia w kwestiach technicznych. Badacze z obu spółek pracowali nad projektem przez kilka lat, testując różne warianty materiałów amorficznych.
Rozwój jednostek napędowych wpływa na całą architekturę pojazdu. Wzrostowi sprawności towarzyszą często zmiany w oprogramowaniu sterującym, strategii rekuperacji energii podczas hamowania lub doborze skrzyni biegów. Końcowy efekt kierowca odczuje jako płynniejszą pracę napędu i lepszą reakcję na naciśnięcie pedału przyspieszenia.
Warto podkreślić, że postęp w konstrukcji silników przekłada się na ogólne wrażenia z jazdy. W pojeździe pokonującym 200 tysięcy kilometrów przez cały okres użytkowania różnice rzędu jednego do dwóch procent potrafią się skumulować do zauważalnych wartości. Odbija się to zarówno na kosztach eksploatacji, jak i na śladzie węglowym konkretnego auta. Z perspektywy użytkownika warto zwracać uwagę nie tylko na moc i moment obrotowy, ale też na to, jak producent opisuje sprawność samego napędu i całego układu.
