Menjalnik je srce sistema

O tem, zakaj Renaultov E-Tech v svet hibridnih avtomobilov prinaša pomembno novost na področju prenosa moči, odzivnosti, hitrosti in učinkovitosti.

Menjalnik je srce sistema (foto: Renault) Renault
22. 10. 2020

Čeprav veliko ljudi meni, da sta zmogljivost in masa baterij eden ključnih izzivov, s katerimi se srečujejo inženirji pri konstruiranju hibridnih avtomobilov, to vendarle ni povsem natančno. Eden ključnih inženirskih izzivov je namreč – menjalnik.

Zakaj menjalnik? Že od nekdaj je ključna naloga menjalnika, da s pomočjo ustreznega prestavnega razmerja omogoča optimalno učinkovitost motorja. Voznik mora vedeti, ali pa vsaj na podlagi izkušenj dognati, da je motor njegovega avtomobila v določenem režimu najbolj učinkovit. To velja, ne glede na to, ali je motor bencinski, dizelski in celo (čeprav precej manj) električni. No, glede menjalnika je po dobrih 125 letih avtomobila jasno, da ta sam po sebi ne predstavlja posebne težave.

Vendar to velja le, če je ta povezan z enim motorjem. S pojavom hibridnih avtomobilov pa se je pojavila tudi potreba po tem, da sta tako motor z notranjim zgorevanjem kot tudi elektromotor sinhronizirana s skupnim menjalnikom, ki je zadolžen za prenos energije iz obeh virov na kolesa avtomobila. Tudi to ne bi predstavljalo velikega inženirskega problema, če bi oba motorja ves čas delovala hkrati (ali povsem ločeno) in bi bila tudi hitrost vrtenja enaka.

Medtem ko pri klasičnem hibridu elektromotor v glavnem pomaga motorju z notranjim zgorevanjem in prevzame pogon na krajših razdaljah in manjših hitrostih, pa ima pri priključnem hibridu (omogoča polnjenje zmogljivejše baterije iz zunanjega vira, torej omrežja) precej pogosto tudi vlogo primarnega pogona. Inženirji so za preklope in sinhrono delovanje obeh motorjev našli številne rešitve. Tako na primer pri večini japonskih proizvajalcev hibridne avtomobile praviloma povezujemo z brezstopenjskimi CVT-menjalniki (čeprav s planetarnim ozobljenjem), pri nemških proizvajalcih pa z dvosklopčnim oziroma klasičnim avtomatskim menjalnikom. Pri Renaultu pa so se tega lotili nekoliko drugače.

E-Tech – menjalniški sklop nove generacije

Renaultov E-Tech s svojo zasnovo predstavlja povsem nov pristop na področju hibridizacije osebnih avtomobilov. Pogonski sklop združuje kar 150 patentov (od tega jih tretjina odpade neposredno na menjalnik), kot ideja in zasnova prihaja neposredno iz formule 1. Prve ideje in prvi prototipi tega menjalnika so bili sicer predstavljeni že leta 2010, štiri leta pozneje pa je Renault napovedal, da je prav to tehnologija, ki bo poganjala njihove hibride.

V osnovi gre za štiristopenjski menjalnik z ravnim ozobljenjem (za čim manjše izgube, brez sinhronskih prstanov, znan predvsem iz moto športa) brez sklopke, ki sta mu dodana dva elektromotorja. Manjši elektromotor služi tudi kot zaganjalnik (in alternator) motorja, poleg te osnovne pa mu je zaupana tudi naloga, da med delovanjem prilagaja tudi hitrost vztrajnika. In seveda skrbi za regeneracijo zavorne energije.

V vožnji torej E-Tech deluje podobno kot vsa preostala hibridna vozila. Glede na razpoložljivost električne energije v baterijah se avtomobil samodejno (hibrid) ali pa tudi s pomočjo voznika (priključni hibrid) odloča o posamičnem ali kombiniranem viru energije za pogon koles. Voznik lahko sicer izbira med tremi načini vožnje:

Pure – izključno električni pogon, ki glede na napolnjenost baterij omogoča do 50 kilometrov avtonomije in največjo hitrost do 135 km/h, oziroma do 65 kilometrov avtonomije v mestu, kjer so hitrosti manjše

MySense – hibridni način vožnje z uporabo vseh motorjev, pri čemer pa je poudarek na ohranjanju vsaj 40-odstotne napolnjenosti baterije - če namerava voznik v neki fazi vožnje preklopiti izključno na električni pogon (ko prispe v center mesta itd.)

Sport – namenjen bolj dinamični vožnji, pri kateri želi voznik izkoristiti potencial vseh treh motorjev.

Drugi, večji in močnejši elektromotor, pa je namenjen samostojnemu ali pa dodatnemu pogonu avtomobila. Posebnost tega menjalnika je, da nima sklopke, saj je ne potrebuje. Avto namreč vedno spelje izključno s pomočjo elektromotorja, medtem pa eden od elektromotorjev uskladi hitrost vrtenja gredi v menjalniku s hitrostjo glavne gredi motorja, zaradi česar je prestavljanje enostavno, hkrati se lahko praktično v hipu električnemu pogonu pridruži tudi bencinski motor. Vzvratne prestave menjalnik nima, saj za vožnjo nazaj uporablja enega od elektromotorjev.

Če se vam v dobi sedem-, osem- in večstopenjskih menjalnikov dozdeva, da so E-Techove štiri stopnje premalo, naj vas potolaži dejstvo, da je z različnimi kombinacijami delovanja in sodelovanja bencinskega in obeh elektromotorjev pravzaprav na voljo 15 različnih prestavnih razmerij, bolje rečeno kombinacij med izvorom moči in izbrane prestave v menjalniku. Da so prestavljanja praktično popolnoma nezaznavna, pa skrbi zahtevana nadzorna elektronika.

Menjalniški sklop E-Tech je sicer povezan s preizkušenim, zanesljivim in z vidika tehnike relativno preprostim atmosferskim 1,6-litrskim štirivaljnikom. Torej s po dvema ventiloma na valj, brez variabilnega krmiljenja in brez prisilnega polnjenja. Motor je kljub temu zaradi izdatne pomoči elektromotorjev izredno učinkovit, poleg tega pa je tudi brez pasastega pomožnega jermena, saj so vodna črpalka, kompresor klimatske naprave in 'servo' volan električno gnani in ga ne obremenjuje po nepotrebnem.

Seveda je ključni del sistema pri obeh modelih, ki si delita identično shemo pogona in prenosa (le z različnimi močmi e-motorja), še baterija. Zmogljivost baterije pri različici HEV (hibrid) tako znaša 1,2 kWh/230 V, pri različici PHEV (priključni hibrid) pa 9,8 kWh/400V.

Poraba goriva je seveda odvisna tudi od načina vožnje, tovarniški podatek pa navaja, da pri mešanem ciklu vožnje po standardu WLTP priključni hibrid porabi zgolj 1,3 litra goriva na sto kilometrov (izpust CO2 pa znaša 28 g/km), ob tem, da lahko prevozi do 65 km (po mestu) zgolj na elektriko, hibridni Clio pa porabi le 4,3 litra na 100 km (96 g/km).