Spotkanie na torze Monza: hybrydowe samochody Porsche o wysokich osiągach

Przyszłość samochodów sportowych rysuje się elektryzująco: firma Porsche zdążyła udowodnić to zarówno na torze (dzięki 911 GT3 R Hybrid oraz 919 Hybrid, dwukrotnemu zwycięzcy Le Mans), jak i wśród aut seryjnych. Wraz z premierą 918 Spyder o mocy 652 kW (887 KM) w 2013 r. Porsche dało początek nowej epoce supersamochodów: poza 4,6-litrową jednostką V8 model ten wyposażono w dwa silniki elektryczne. Tak powstały zespół napędowy zapewnia piorunujące osiągi. W przypadku nowego gran turismo Panamera Turbo S E-Hybrid Porsche ponownie ustanawia nowe wzorce. Po raz pierwszy rolę flagowego wariantu jednej z linii modelowych pełni hybryda plug-in. Na horyzoncie jest już również pierwszy czteroosobowy samochód sportowy w historii Porsche z napędem czysto elektrycznym – jego premierę zaplanowano przed końcem tej dekady. Projekt ten zapowiadał prototyp Mission E, zaprezentowany podczas międzynarodowych targów motoryzacyjnych we Frankfurcie w 2015 r.

Wszyscy ci pionierzy hybrydowych osiągów podkreślają szczególne znaczenie elektryfikacji: wszak innowacja jest w Porsche tradycją. Ten nowy rodzaj „E-Osiągów” – wyższej mocy, większej przyjemności z jazdy, niższego zużycia paliwa i mniejszej emisji spalin – Porsche postrzega jako pakiet wydajnościowy na przyszłość. Od samego początku producent traktował technologię hybrydową nie tylko jako esencję zrównoważonej mobilności, ale także jako szczególnie wysoką formę efektywności. Już w 1899 r. Ferdinand Porsche zaprojektował Lohner-Porsche „Mixte”, który dzięki połączeniu napędu elektrycznego i silnika spalinowego uchodzi za pierwszy samochód hybrydowy na świecie.

Porsche 911 GT3 R Hybrid (2010 r.)
W 2010 r. Porsche powróciło do wizjonerskiej koncepcji napędu „Mixte”. Producent sportowych aut po raz kolejny wykorzystał tor wyścigowy jako laboratorium testowe i, po odniesieniu ponad 20 tys. zwycięstw, otworzył nowy rozdział w niezwykle udanej motorsportowej historii Porsche 911 – zaprezentował model 911 GT3 R Hybrid.

Hybrydowy system opracowany specjalnie na potrzeby testowego 911 GT3 R znacznie różnił się od tradycyjnych koncepcji. Napęd przedniej osi z dwoma silnikami elektrycznymi o mocy 60 kW (82 KM) każdy wspomagał umieszczoną z tyłu 6-cylindrową jednostkę typu bokser o pojemności 4 litrów i mocy 480 KM. W wersji Evo, wprowadzonej w 2011 r., każdy z dwóch silników synchronicznych z magnesami trwałymi osiągał już moc 75 kW (102 KM). Podczas hamowania jednostki elektryczne pracowały jako generatory, dzięki czemu odzyskiwały energię, która w przeciwnym razie zostałaby rozproszona w postaci ciepła. Po raz pierwszy w świecie wyścigów można więc było powiedzieć, że kto hamuje, ten wygrywa.

Odzyskiwana energia napędzała mechaniczny system magazynowania energii z kołem zamachowym w postaci kolejnego silnika elektrycznego, który – w połączeniu z innymi komponentami napędu hybrydowego – umieszczono w bezpiecznej, wykonanej z włókien węglowych komorze w kabinie pasażerskiej. System zaprojektowała i wyprodukowała firma Williams Hybrid Power zgodnie ze specyfikacją Porsche. Jego prędkość obrotowa dochodziła do 40 tys. obr./min. Jeśli kierowca chciał wykorzystać zmagazynowaną energię, na przykład w celu uzyskania dodatkowego ciągu podczas przyspieszenia lub wyprzedzania, koło zamachowe było elektromagnetycznie wyhamowywane w trybie generatora. W rezultacie dwa silniki elektryczne przy przedniej osi otrzymywały wystarczającą ilość prądu, aby przez okres do 8 s zapewnić dodatkową moc 120 kW (163 KM), a od 2011 r. – 150 kW (204 KM). Efekt – 911 GT3 R Hybrid tymczasowo zamieniało się w samochód z napędem na obie osie. 

Zależnie od sytuacji na torze Porsche mogło wykorzystać napęd hybrydowy albo do poprawienia swoich osiągów, albo do obniżenia zużycia paliwa. Pozwalało to strategom na wybór lżejszego zbiornika paliwa lub możliwość „wykręcenia” większej liczby okrążeń pomiędzy pit stopami. I chociaż zwycięstwo 911 GT3 R Hybrid w 24-godzinnym maratonie na Nürburgringu nie było głównym celem, mistrz innowacyjnej technologii niemal dokonał tego już w 2010 r., czyli w roku swojej premiery. Pomarańczowo-białe 911 GT3 R Hybrid wycofało się z rywalizacji po 22 godzinach i 15 minutach z powodu usterki mechanicznej silnika spalinowego. Do tamtej chwili przez osiem godzin znajdowało się na prowadzeniu, udowadniając, że opracowana przez Porsche technologia hybrydowa jest wysoce konkurencyjna na torze i reprezentuje znaczną przewagę w postaci „Porsche Intelligent Performance” – inteligentnych osiągów Porsche. Jeszcze w tym samym roku 911 GT3 R Hybrid bez żadnych problemów ukończyło długodystansowe wyścigi na torach Road Atlanta (USA) i Zhuhai (Chiny). W trakcie 24-godzinnego maratonu na Nürburgringu w 2011 r. w hybrydowym samochodzie wyścigowym wystąpiły przejściowe problemy w napędzie mechanicznym, udało mu się jednak wrócić na tor i dojechać do mety na 28. miejscu.

Porsche 918 Spyder (2013 r.)
Wraz z wprowadzeniem hybrydowego modelu 918 Spyder w 2013 r. Porsche zainicjowało projekt, który przed końcem dekady doprowadzi do zbudowania pierwszego w historii firmy czysto elektrycznego samochodu sportowego. 918 Spyder oferuje wysokie osiągi na torze, ale może też „sunąć” po mieście bez emisji spalin i praktycznie bezgłośnie. Zaawansowany napęd hybrydowy łączy moc systemową 652 kW (887 KM) z prędkością maksymalną 345 km/h i średnim zużyciem paliwa w cyklu NEDC na poziomie 3,1 l/100 km. W 2013 r. 918 Spyder jako pierwszy seryjny samochód sportowy pokonał Północną Pętlę Nürburgringu w ciągu mniej niż 7 minut. Jego rekordowy czas okrążenia – 6 min i 57 s – to m.in. zasługa dwóch silników elektrycznych i doświadczenia z napędami hybrydowymi, które wcześniej inżynierowie Porsche zdobyli przy 911 GT3 R Hybrid.

Szczególną cechą dwuosobowego, produkowanego seryjnie auta supersportowego są trzy niezależne silniki z możliwością indywidualnego sterowania. Tworzą one bazę dla unikalnej koncepcji napędu na obie osie i pozwalają wykorzystać pełnię możliwości napędu hybrydowego. Główną rolę odgrywa tu 4,6-litrowy, wysokoobrotowy silnik V8 o mocy 447 kW (608 KM). Za pomocą suchego sprzęgła rozłącznego bezpośrednio łączy się on z ustawioną równolegle jednostką elektryczną o mocy 115 kW (156 KM). Oba mogą napędzać tylną oś – indywidualnie lub wspólnie – za pośrednictwem 7-biegowej przekładni Porsche Doppelkupplung (PDK). Jeśli kierowca nie potrzebuje siły napędowej, jednostki mogą być całkowicie odłączone – nawet do prędkości 150 km/h. Pozwala to na typowe dla Porsche „żeglowanie”, z wyłączonym silnikiem spalinowym.

Drugi napęd elektryczny działa mechanicznie, niezależnie od tylnej osi. Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi z wewnętrznym wirnikiem jest mały, lekki i łączy maksymalną prędkość na poziomie 16 tys. obr./min z wysoką wydajnością. Za pomocą przekładni jednostopniowej przekazuje moc 95 kW (129 KM) na przednie koła. Oznacza to, że 918 Spyder tymczasowo dysponuje napędem na obie osie, który zapewnia lepszą trakcję i dodatkowe zalety w zakresie dynamiki jazdy. Przedni silnik elektryczny jest odłączany za pośrednictwem zintegrowanego sprzęgła kłowego wyłącznie przy prędkościach powyżej około 265 km/h. W rezultacie funkcja napędu na cztery koła jest dostępna praktycznie w każdym momencie.

Poza dodatkową siłą napędową oba silniki elektryczne mogą również odzyskiwać energię. Prąd trafia do akumulatora litowo-jonowego o pojemności 6,8 kWh. Umieszczony za siedzeniami, pod kątem w podłogowej części monokoka, wyróżnia się on specjalnymi indywidualnymi ogniwami. Typowo dla hybryd plug-in może być ładowany także z gniazdka, za pomocą ładowarki pokładowej prądem przemiennym (maksymalnie 3,8 godziny) lub opcjonalnej szybkiej ładowarki prądem stałym (25 min).

Porsche 919 Hybrid (od 2014 r.)
Doświadczenia zgromadzone przy okazji 911 GT3 R Hybrid oraz 918 Spyder wpłynęły także na rozwój Porsche 919 Hybrid. Wraz z wyścigowym prototypem sportowa marka powróciła w 2014 r. do czołowej klasy Długodystansowych Mistrzostw Świata (WEC), a co za tym idzie – do rywalizacji w 24-godzinnym wyścigu Le Mans. Przy mocy systemowej przekraczającej 900 KM (662 kW) opracowane od podstaw i niezwykle skomplikowane 919 Hybrid jest najszybszym jeżdżącym laboratorium i najbardziej innowacyjnym samochodem wyścigowym zbudowanym kiedykolwiek przez Porsche.

Od samego początku ta śmiała koncepcja technologiczna ma jasny cel: optymalną wydajność energetyczną za pomocą możliwie największej efektywności wszystkich komponentów. Odnosi się to zarówno do aerodynamiki prototypów Le Mans, jak i do bezkompromisowo lekkiej konstrukcji wszystkich elementów, zwłaszcza układu napędowego oraz systemów odzyskiwania energii – najnowocześniejsze rozwiązania mają ogromne znaczenie przy zastosowaniu w modelach seryjnych. Ich lista obejmuje technologię 800 V, która wyróżnia także w pełni elektryczny prototyp Mission E. Produkcja seryjnej wersji czterodrzwiowego samochodu sportowego rozpocznie się przed końcem dekady.

Od 2014 r. w mistrzostwach WEC obowiązują przepisy dające inżynierom Porsche wyjątkową swobodę projektowania kreatywnych rozwiązań. Z tego względu firma obrała nietypową drogę: hybrydowy napęd 919 bazuje na dwóch systemach odzyskiwania energii. Pierwszy działa stosunkowo konwencjonalnie i pochodzi z 911 GT3 R Hybrid: podczas hamowania umieszczony przy przedniej osi generator zamienia energię kinetyczną w elektryczną. Drugi, bardziej zaawansowany, nawet dzisiaj nie ma swojego odpowiednika w stawce Długodystansowych Mistrzostw Świata – korzysta bowiem z energii wewnętrznej gazów spalinowych. Umożliwia to dodatkowa turbina, pełniąca funkcję zaworu wastegate: zawór sterujący chroni układy turboładowania przed przeciążeniami poprzez rozpraszanie ciśnień szczytowych. Z energii spalin, wcześniej bezpowrotnie traconej, jednostka określana jako MGU-H (Motor Generator Unit Heat) generuje prąd. W rezultacie Porsche 919 Hybrid to jedyny sportowy samochód w topowej klasie LMP1-H, który odzyskuje nadmiar energii nie tylko podczas hamowania, ale również w trakcie przyspieszania.

Jeśli chodzi o nośnik magazynowania energii 919, początkowo najlepszym wyborem wydawał się system z kołem zamachowym z 911 GT3 R Hybrid. Porsche po raz kolejny zdecydowało się wdrożyć jednak innowacyjną koncepcję: opracowane samodzielnie, chłodzone cieczą akumulatory litowo-jonowe bazujące na technologii ogniw dostarczonej przez firmę partnerską A123 Systems. Łączy ona stosunkowo wysoką pojemność ze znaczną gęstością mocy i oferuje w ten sposób najlepszy kompromis pomiędzy szybkim zużyciem energii oraz mocą wyjściową. W fazach przyspieszenia energia przepływa do przedniego generatora, który następnie działa jako jednostka elektryczna i napędza przednie koła za pośrednictwem mechanizmu różnicowego. Zapewnia to 919 Hybrid tymczasowy napęd na obie osie, ponieważ siła napędowa z zaledwie 2-litrowego silnika V4 trafia wyłącznie do tylnych kół.

Co warto podkreślić, regulacje WEC dla klasy LMP1-H zakładają ograniczenie ilości energii elektrycznej odzyskanej i ponownie wykorzystanej w trakcie każdego okrążenia. W 2015 r. Porsche 919 Hybrid zostało pierwszym prototypem w najwyższej kategorii 8 MJ. Oznacza to, że na liczącej 13,629 km długości pętli toru Circuit des 24 Heures w Le Mans prototyp może wykorzystać 2,22 kWh energii i zużyć ekwiwalent 8 MJ (1 MJ = 0,28 kWh) oraz maksymalnie 4,31 l benzyny. Co ciekawe, energia elektryczna, którą Porsche 919 Hybrid odzyskało w każdym ze zwycięskich 24-godzinnych wyścigów Le Mans w latach 2015 i 2016, wystarczyłaby do pokrycia 3-miesięcznego zapotrzebowania typowego domu rodzinnego.

Porsche Panamera Turbo S E-Hybrid (2017 r.)
Najnowsza hybrydowa gwiazda Porsche o wysokich osiągach to Panamera Turbo S E-Hybrid. Czterodrzwiowa limuzyna świętowała swoją globalną premierę podczas targów motoryzacyjnych na początku marca. Jako topowy wariant linii modelowej Panamera, korzysta ona z 4-litrowego silnika V8 z wersji Turbo, połączonego z jednostką elektryczną o mocy 100 kW (136 KM). W efekcie generuje moc systemową 500 kW (680 KM) i niespotykany ciąg: już przy obrotach ledwie przekraczających prędkość biegu jałowego moment obrotowy wynosi 850 Nm. Pozwala to na przyspieszenie od 0 do 100 km/h w 3,4 s oraz uzyskanie prędkości maksymalnej 310 km/h.

Chłodzony cieczą akumulator litowo-jonowy zamontowany z tyłu pojazdu ma pojemność 14,1 kWh. Przy korzystaniu z gniazdka 230 V i prądu o natężeniu 10 A jego ładowanie trwa 6 h. Opcjonalna ładowarka pokładowa o mocy 7,2 kW skraca ten czas do 2,4 h.

Podobnie jak w przypadku modelu Panamera 4 E-Hybrid w module hybrydowym Porsche zastosowano sprzęgło rozłączne z elektromechanicznym sterowaniem za pomocą elektrycznego siłownika sprzęgła (ECA). Przynosi to korzyści w postaci krótkich czasów reakcji i wysokiego poziomu komfortu. Strategia doładowania czteronapędowej limuzyny Panamera – oferującej możliwość pokonania dystansu do 50 km wyłącznie siłą napędu elektrycznego – bazuje na tej z supersportowego 918 Spyder.

Standardowo Panamera Turbo S E-Hybrid uruchamia się w czysto elektrycznym trybie „E-Power”. Gdy kierowca wciśnie pedał gazu dostatecznie mocno, by przekroczyć punkt oporu, lub gdy poziom naładowania akumulatora spadnie poniżej wartości minimalnej, pojazd przełącza się w tryb Hybrid Auto, w którym dostępna jest siła napędowa obu silników. 

Wszystkie cztery hybrydowe modele Porsche o wysokich osiągach dowodzą, że połączenie dwóch źródeł mocy pozwala pogodzić osiągi z efektywnością – zarówno na drodze, jak i na torze.