Audi R18 e-tron quattro – ekstremalna hybryda

17 czerwca 2013

Audi R18 e-tron quattro, zwycięzcę 24-godzinnego wyścigu Le Mans w 2012 roku, skonstruowano w myśl bardzo indywidualnej koncepcji. Hybrydowy napęd bolidu LMP1 dopasowano do wymogów sportu motorowego – najbardziej wymagającego laboratorium badań nad nowymi rozwiązaniami seryjnymi.

Sport motorowy jest integralną częścią łańcucha DNA Audi. Od wielu lat, marka z czterema ringami w warunkach wyścigów testuje nowe rozwiązania techniczne. Początek badaniom, ponad 30 lat temu, dało wprowadzenie stałego napędu na cztery koła quattro. 24-godzinny wyścig Le Mans, to szczególnie emocjonująca możliwość zaprezentowania wszelkich nowinek, ponieważ organizator, Automobile Club de l’Ouest (ACO), ustalając reguły wyścigu, wspiera wprowadzanie nowych rozwiązań technicznych.

Począwszy od swojego pierwszego startu w roku 1999, Audi zanotowało na swoim koncie jedenaście zwycięstw. Kilka z nich było efektem wprowadzenia sporych innowacji. Tryumf Audi R8 w 2001 roku, to zasługa zastosowania silnika benzynowego TFSI z bezpośrednim wtryskiem paliwa. W 2006 roku, Audi R10 TDI było pierwszym samochodem z silnikiem diesla, zwyciężającym w Le Mans, a w roku 2012, Audi R18 e-tron quattro – pierwszą zwycięską hybrydą wyścigową. Kilka miesięcy temu, jury ACO zaliczyło ten samochód oraz Audi R10 TDI, do dziesięciu pojazdów, które odegrały największą rolę w historii wyścigu Le Mans.

Koncepcja Audi R18 e-tron quattro nie ma sobie równych w LMP, jest wysoce pionierskim osiągnięciem. W pierwszym etapie prac rozwojowych, inżynierowie Audi Sport i ich partnerzy przyjrzeli się najróżniejszym rozwiązaniom, w tym też hybrydzie równoległej, w której oba rodzaje napędu działają na oś tylną. Uwzględniając trakcję, dynamikę jazdy i rozłożenie ciężaru, zdecydowali, by odseparować od siebie oba rodzaje napędu. Stąd w R18 e-tron quattro silnik spalinowy napędza tylną oś, a silnik elektryczny, aktywny w niektórych momentach, oś przednią.

Silnik spalinowy, jednostkę V6 TDI o pojemności 3,7 l, należało w tej edycji wyścigu nieco zmodyfikować. Obowiązkowy w 2013 roku ogranicznik przepływu powietrza o średnicy 45,1 mm, jest o 0,7 mm cieńszy od ograniczników stosowanych w ubiegłym sezonie. Element ten zmniejsza moc do ok. 360 kW (490 KM). Przy tym udało się jednak zachować moment obrotowy – 850 Nm. Specjalna konstrukcja umożliwia krótkie drogi przepływu powietrza. Stronę wydechową umieszczono w wewnętrznym kącie pomiędzy rzędami cylindrów. Dzięki temu, że kąt ma 120 stopni, zapewnia niskie położenie środka ciężkości. Dużych rozmiarów turbosprężarka, ze sprężaniem ograniczonym do 2,8 bara, dzięki swej zmiennej geometrii, wspiera spontaniczne wytwarzanie momentu obrotowego. Zbiornik paliwa ma pojemność – jak przed rokiem – 58 litrów.

Sekwencyjna, sześciostopniowa przekładnia, za pośrednictwem mechanizmu różnicowego, kieruje siły napędowe na tylne koła. Obudowę skrzyni biegów wykonano z ultralekkiego tworzywa wzmocnionego włóknem węglowym (CRP) ze wstawkami z tytanu. Takie rozwiązanie, podobnie jak zastosowanie nadwozia monocoque, składającego się z matrycy z CRP z aluminiowym wypełnieniem w kształcie plastra miodu, pomaga w utrzymaniu niewielkiego ciężaru pojazdu.

Waga 915 kg to dolna granica dopuszczalna w regulaminie ACO dla bolidów kategorii LMP1. Ciężar Audi R18 e-tron quattro jest niższy od tej wartości, co pozwala na operowanie balastami, które można optymalnie rozmieszczać. Wyścigowa hybryda jest o wiele bardziej złożona niż jej poprzednik z napędem konwencjonalnym z 2011 roku, ale dzięki technice wytwarzania ram i nadwozi z jak najlżejszych materiałów, tak by osiągnąć jak najmniejszą wagę pojazdu, nie jest od niego cięższa.

Na jednym okrążeniu toru w Le Mans, o długości 13,629 km, gdzie przez ok. 70 procent odcinków jedzie się na pełnym gazie, zużywa się 200 megadżuli energii pozyskiwanej z paliwa. Organizatorzy wyścigu udostępnili samochodom hybrydowym siedem specjalnych stref, w których podczas przyhamowywania przed zakrętem, mogą odzyskać do 0,5 megadżula (ok. 0,14 kWh) energii. W Audi R18 e-tron quattro, część odzyskiwanej energii przekazywana jest do umiejscowionego przy przedniej osi zespołu silnika MGU (ang. Motor Generator Unit). Dwie stale aktywne jednostki synchroniczne wchodzące w jego skład, za pomocą specjalnego układu elektronicznego przetwarzają odzyskaną energię w prąd stały. Prąd z kolei zasila akumulator energii kinetycznej, który umiejscowiono po lewej stronie w kokpicie, w miejscu bardzo korzystnym pod względem rozłożenia punktów ciężkości.

Prąd napędza wykonane z lekkiego CRP koło zamachowe, obracające się z prędkością nawet 45 tys. obr./min. Koło rotuje prawie bez tarcia, w próżni wytwarzanej przez dwie pompy. Akumulator energii kinetycznej, którego obudowę wykonano z aluminium, łączy w sobie duże zagęszczenie energetyczne z dużą pojemnością.

Najszybsze odcinki trasy w Le Mans znajdują się przed dwiema szykanami zakrętu Mulsanne i zakrętu Indianapolis oraz przed pierwszym zakrętem Porsche. To właśnie strefy rekuperacji. Audi R18 e-tron quattro, w ciągu trzech, czterech sekund przyhamowuje tu z prędkości 300 km/h lub nawet wyższej, poddając kierowcę przeciążeniom o wartości 3 do 4 g.

Przy tak dużych prędkościach rekuperacja, przynajmniej na suchej nawierzchni, nie ma wpływu na siłę hamowania. Moc hydraulicznych hamulców z ich tarczami wykonanymi z tworzywa wzmocnionego włóknem węglowym, jest o wiele większa niż energia przekazywana silnikowi MGU.

Gdy prędkość bolidu przekracza 120 km/h, energia zgromadzona w akumulatorze ponownie zostaje użyta. Po zamianie jej przez specjalny układ elektroniczny na prąd zmienny, dociera do obu elektrycznych silników MGU. One napędzają koła przednie, przenosząc na nie moc 160 kW, za pomocą jednostopniowych przekładni planetarnych. Centralny sterownik zarządza liczbą obrotów i momentem obrotowym, dopasowując je do warunków panujących na tylnej osi. Przez chwilę Audi R18 e-tron quattro jest więc pojazdem quattro, z napędem na cztery koła.

Przy pomocy przełącznika, kierowca wybiera jeden spośród kilku stopni rekuperacji i doładowania, określając ich intensywność oraz reakcje pedałów hamulca i gazu. Musi przy tym uwzględnić wiele czynników, np. aktualną taktykę jazdy, stan hamulców i opon oraz przyczepność nawierzchni. Ekipa techniczna nieprzerwanie monitoruje wszystkie parametry i przekazuje kierowcom szczegółowe informacje na ten temat.

Komponenty hybrydowe Audi R18 e-tron quattro są bardzo lekkie – ważą jedynie 70 kg. Dysponują własnym chłodzeniem cieczą z obiegiem niskich temperatur. Olejowo-wodny wymiennik ciepła chłodzi akumulator energii kinetycznej. Elementy układu wysokiego napięcia starannie odizolowano od konwencjonalnych elementów pojazdu.

Zwycięstwo w Le Mans w roku 2012, podkreśla potencjał techniki hybrydowej Audi. Kierowcy bolidu, André Lotterer, Marcel Fässler i Benoît Tréluyer, byli znacznie szybsi niż rok wcześniej. Ich średnia prędkość wyniosła 214,468 km/h, podczas gdy w roku 2011 – 201,266 km/h. Mimo to, zużycie paliwa w Audi R18 e-tron quattro spadło o ok. 10 procent. Połączenie mocy, prędkości, efektywności i niezawodności przeszło pozytywnie także próbę w Mistrzostwach Świata na Długich Dystansach (WEC), rozgrywanych pod egidą FIA. Jesienią 2012, Audi zdobyło w tym cyklu tytuł mistrzowski dla kierowców i dla marki.

W bieżącym sezonie dokonano kolejnych ulepszeń Audi R18 e-tron quattro. Dotyczą one aerodynamiki, ultralekkiej konstrukcji i bezpieczeństwa. Regulowane reflektory diodowe wykonane w technice matrix beam, doskonale doświetlają zakręty. Dodano także cyfrowe lusterko wsteczne, zbudowane w innowacyjnej technice AMOLED (ang. Active Matrix Organic Light Emitting Diode).

Audi R18 e-tron quattro jest pod względem ultralekkiej konstrukcji i w strategii hybrydowej inspiracją dla nowych modeli seryjnych. W 2014 roku w życie wejdą zupełnie nowe zasady, które jeszcze bardziej zbliżą do siebie sport motorowy i produkcję seryjną. Organizatorzy określą ilość paliwa, z której każdy uczestnik będzie musiał uzyskać maksymalny wynik. W kwestii silników i systemów hybrydowych będzie obowiązywała większa swoboda. Celem jest zmniejszenie zużycia paliwa o kolejne 30 procent.

Audi R18 e-tron quattro: dane techniczne