Motohistoria: Żyroskopy w wyścigach

Dalej trzeba siedzieć w domach, sytuacja w kraju i na świecie wygląda słabo. Dlatego wypada zrobić wpis, zeby podczas tego wszystkiego było co poczytać i oderwać nieco myśli od przykrych tematów wirusowych,

W poprzednim wpisie pokazałem Wam historię żyroskopowego autobusu. Wspomniałem też, że opiszę motorsportowe zastosowanie podobnego systemu. Więc opisuję. A Wy czytacie.

W roku 2009 do Formuły 1 wprowadzono obowiązkowy system KERS. W uproszczeniu chodziło o to, że auta F1 mają zyskać pewną formę napędu hybrydowego. Dodatkowy silnik elektryczny miał ułatwić w tym wypadku wyprzedzanie. Oczywiście jak to bywa w F1, ułatwił przede wszystkim obronę przed tym manewrem. Dzięki czemu wyprzedzania było jeszcze mniej. Typowa sytuacja w tej serii wyścigowej.

Typowe było tez podejście większości zespołów do tego rozwiązania: akumulatory litowo-jonowe do magazynowania energii dla elektrycznej części napędu. Ale nie zespół Williams. Zespół który obecnie wygląda jakby przy budowie i projektowaniu swoich aut próbował nieudolnie naśladować Cytryna i Gumiaka, jeszcze nie tak dawno miał dość ciekawy pomysł. 

Otóż uznali oni, ze ładowanie akumulatorów i późniejsze odbieranie z nich energii jest zbyt wolne. Szczególnie jak na standardy F1. Dlatego sięgneli po rozwiązanie analogiczne jak w przypadku szwajcarskich żyroskopowych autobusów. 

Idea bazowo była podobna, ale nie identyczna: koło zamachowe zamknięte w obudowie z panującym w środku bardzo niskim ciśnieniem (ponoć niemal próżni, ale nie znalazłem dokładnych danych), obracało się na ceramicznym łożysku. Elementy owego koła wykonane były z materiału oznaczonego jako MLC (Magnetically Loaded Composite) - do włókien kompozytu dodano cząsteczki metalu i dzięki temu, koło zamachowe można było namagnesować. A to powodowało, że obracajac się, indukowało ono prąd w stojanie. Oddawanie energii z systemu polegało na tym, że prądu tego używano do napędzania silnika elektrycznego, z którego przekazywano napęd na koła. Magazynowane energii zaś było rozwiązane w analogiczny sposób - prąd indukowany w stojanie (dzięki silnikowi pracującemu jako generator) sprawiał że koło zamachowe się kręciło. A jak szybko mogło się kręcić? Inżynierowie Williamsa mówili że od 50 000 do 100 000 obrotów na minutę. Dokładne dane oczywiście zachowywali dla siebie

Cały system ważył relatywnie niedużo. Problemem jednak okazały się jego gabaryty. O ile jako całość nie zajmował zbyt dużo powierzchni w porównaniu do akumulatorów, to te drugie mozna było podzielić i rozłożyć na większej przestrzeni. A w sezonie 2010 (czyli tym, w którym Williams chciał swoje rozwiązanie wprowadzić do użytku) miało to ogromne znaczenie - otóż zakazane było wtedy tankowanie. Co spowodowało, ze zbiorniki paliwa w bolidach F1 musiały stać się sporo większe niż dotychczas. A to niestety sprawiło, że zbiornik zajął miejsce pierwotnie przeznaczone na koło zamachowe. Williams musiał więc porzucić nowatorski pomysł i zająć się opracowywaniem takiego samego systemu KERS jak reszta stawki. Ale swojej pracy nie wyrzucili na śmietnik. Postanowili ją sprzedać.

I sprzedali. Komu? A na przykład firmie Porsche. Tak powstało zaprezentowane w 2010 Porsche 911 GT3 R Hybrid. Moduł z kołem zamachowym był umieszczony w miejscu fotela pasażera i przekazywał energię do dwóch silników elektrycznych napędzających przednie koła. Pozwalało to uzyskać 222 KM. Tylne zaś standardowo dla GT3 R były wprawiane w ruch przez 6-cylindrowy silnik typu bokser o czterech litrach pojemności skokowej i maksymalnej mocy 480 KM. Dzięki czemu ten samochód miał napęd na wszystkie koła. 

Hybrydowe 911 miało pojechać przede wszystkim w edycji 2010 24-godzinnego wyścigu na torze Nurburgring-Nordschleife (tak, 24h po całej pętli najbardziej znanego toru świata, bardzo polecam oglądać te zawody - co roku jest transmisja online). W ramach testów wystawiono go też w rozgrywanych na tej samej trasie wyścigach serii VLN (wyścigi kilkugodzinne, również po Nordschleife). Mimo testów, w najważniejszym występie nie poszło dobrze. Podczas dwudziestu czterech godzin Porsche borykało się z wieloma problemami technicznymi. Co ciekawe, spora część z nich dotyczyła silnika spalinowego. Samochód został sklasyfikowany na 28-mym miejscu. Na pocieszenie udało się zdobyć jedno zwycięstwo w serii VLN w sezonie 2011. W tym samym roku auto dopusczono do startu w wyścigu serii American Lemans Series na torze w Monterey. Jechało jednak poza klasyfikacją (regulamin serii nie dopuszczał takiego wynalazku). Warto jednak odnotować, ze mimo startu z ostatniej pozycji było to zdecydowanie najszybsze auto GT w całych zawodach. Po tym starcie 911 GT3 R Hybrid zostało wycofane z użytku. Jednak nie było to ostatnie niemieckie auto wyscigowe z systemem odzyskiwania energii wykorzystującym koło zamachowe.

System opracowany przez Williamsa znalazł następnie zastosowanie w zespole Audi który przez długi czas dominował w wyscigach długodystansowych. Po pewnych modyfikacjach, wykorzystano go w modelu R18 e-tron quattro, gdzie pozwalał odzyskać 500 kJ energii. W odróżnieniu od F1, napęd z silnika elektrycznego był przekazywany na przednie koła. Tylne zaś napędzał 3,7-litrowy turbodiesel V6. Dzięki temu "quattro" w nazwie auta było w pełni uzasadnione. Jednak ze względu na cheć zachowania konkurencyjności wszystkich aut biorących udział w zawodach, regulamin techniczny wyścigów długodystansowych (a konkretnie najwyższej klasy, LMP1) stanowił, że owego dodatkowego napędu na przednią oś można używać wyłacznie powyżej predkości 120 km/h. 

Te przepisy jednak nie powstrzymały dominacji Audi. R18 e-tron quattro ruszyło do rywalizacji w roku 2012 i wygrało zarówno wyścig 24h Le Mans, jak i pozwoliło niemieckiemu producenowi wygrać całe mistrzostwa. Identyczna sytuacja powtórzyła sie w roku 2013. 

R18 e-tron quattro w drodze po zwycięstwo w 24h Le Mans 2012

Na sezon 2014 R18 e-tron quattro dostał nieco większy, 4-litrowy silnik (nadal V6 turbodiesel), a sam system KERS został nieco poprawiony. Dodano też odzyskiwanie energii cieplnej z układu wydechowego, która po przekształceniu w elektryczną mogła być skierowana do systemu KERS, albo do dodatkowego napędzania turbosprężarki silnika spalinowego. Pozwoliło to na wygranie 24h Le Mans w tym roku, ale już w całym sezonie Audi musiało uznać wyższość Toyoty.

Na sezon 2015 FIA pozwoliło Audi zwiększyć ilość odzyskiwanej energii z systemu do 700 kJ. Mimo tego, oraz pozostałych poprawek samochodu, zarówno w 24h Le Mans jak i w całym sezonie Audi zostało pokonane przez powracający do najwyższej klasy wyscigów długodystansowych zespół Porsche. Który również zbudował auto hybrydowe (919 Hybrid), jednak korzystając już z akumulatorów litowo-jonowych.

Na sezon 2016 Audi zdecydowało się zmienić system gromadzenia energii na taki sam jak używała konkurencja - z wykorzystaniem akumulatorów litowo-jonowych (w przypadku Toyoty nawet superkondensatorów, ale to zupełnie inna historia).

I to wszystko? Nie, skądże. System Williamsa znalazł jeszcze jedno zastosowanie. Otóż został on zmodyfikowany w firmie GKN Hybrid Power i ma pracować w londyńskich autobusach. Tym razem dając nie osiagi, a zmniejszone zużycie paliwa. Znów więc mamy pomysł na autobusy wykorzystujące wirujące koło zamachowe do gromadzenia i odzyskiwania energii. Historia zatoczyła koło (zamachowe?): autobusy, F1, wyścigi aut GT, LeMans i znów autobusy.