Flywheel Hybrid System – Setrvačníky

Princip setrvačníkového hybridního pohonu je jednoduchý, rekuperací energie se setrvačník roztočí a pak v případě potřeby většího výkonu naopak energii poskytuje…

Vcelku jednoduché, ale teprve vyspělá elektronika umožnila realizaci prototypu osobního automobilu, který využívá tohoto kombinovaného pohonu. Postavení funkčního vzorku na základě sedanu Jaguar, vyvinutého konsorciem britských firem, podpořila britská vládní organizace The Technology Strategy Board. První zkoušky prokázaly, že mechanické hybridy jsou alternativou dražších elektrických s akumulátory; spotřeba paliva s využitím systému Stop/Start u spalovacího motoru se snížila o 11,9 procenta v klasickém testu NEDC, resp. o 22,4 % v novém testu ARTEMIS Cycle, lépe reprezentujícího typický druh dnešního provozu. Uspořádání setrvačníkové jednotky přinášíme na názorných obrázcích.

Celé zařízení programu FHSPV (Flywheel Hybrid System for Pre­mium Vehicles) slouží pouze k re­kuperaci kinetické energie (zpo­malování, brzdění), žádné ztráty z přeměny na elektrickou a chemickou akumulaci a zpět se tedy nekonají; systém využívá pouze mechanického spojení. Výkon je až 60 kW (82 k), které lze ze setrvačníku odebrat v případě většího zatížení, či zrychlení vozu, a tak podpořit kla­sický spalovací motor. Upravený ­diferenciál pohonu zadní nápravy je propojen vzestupným převodem přes dvo­jici spojek a převodovku CVT (s plynulou změnou převodu) se setrvačníkem z uhlíkových kompozitů, který rotuje otáčkami až 60 000 min^‑1 v částečném vzduchoprázdnu (ze skříně setrvačníku vzduch odčerpává podtlakové čerpadlo pro snížení odporu). Celé zařízení o hmotnosti 80 kg v experimentálním automobilu Jaguar zaujímá prostor běžně určený náhradnímu kolu, takže pro jeho zástavbu nebylo zapotřebí velkých změn.

Také klasická poháněcí soustava (motor vpředu, převodovka, spojovací hřídel a rozvodovka) zůstala zachována. Setrvačníkovou jednotku vyvinula společnost Flybrid Systems, která se od roku 2007 angažovala také ve vývoji mechanického systému KERS (Kinetic Energy Recovery System), jenž proti elektro-chemickému ­(generátor/akumulátory) sice měl větší účinnost, ale nakonec nebyl v závodech for­mule 1 nasazen. Zkušenosti z vývoje se ovšem nyní uplatňují v silničních vozidlech, z nichž prototyp Jaguar FHSPV je první vlaštovkou. Využívá plynulé převodovky CVT s toroidním převodem jako KERS od britských firem XTrac a Torotrak (viz též AR 6/’11), vložené mezi spojky setrvačníku a nápravy (diferenciálu), která přenáší točivý moment oběma směry (od nápravy k setrvačníku při rekuperaci, od setrvačníku k hnacím kolům při potřebě většího výkonu).

Specializovaná firma Prodrive vyřešila kalibraci řídicí jednotky a zástavby do vozu, a to za spolupráce s dalším specialistou Ricardo a automobilkou Ford Motor Company. Využití setrvačníků láká konstruktéry od ­nepaměti. Ve Švýcarsku jezdily v polovině minulého století trolejbusy využívající energie roztočeného setrvačníku (Oerlikon) pro pohon mimo elektrické vedení, či pro podporu ve stoupání; naopak setrvačník jako akumulátor elektrické energie z rekuperace využila firma Porsche pro závodní typ 911 GT3 R Hybrid (pracuje jako motor/gene­rátor bez mechanického spojení s koly, viz AR 12/’10).

Mechanický systém pro autobusy však znovuobjevilo britské konsorcium Flybus, které podobně jako Prodrive u Jaguaru spojilo setrvačník prostřednictvím převodovky Torotrak CVT se standardní poháněcí jednotkou autobusu Optare Solo Midibus. Úspora spotřeby motorové nafty činí 10 %, ale zařízení je mnohem levnější než elektrický hybrid a lze je namontovat na běžný výstup pomocných pohonů PTO (Power Take Off) z převodovky. Setrvačník je typu Ricardo Kinergy s patentovanou magnetickou spojkou; standardní samočinná převodovka pochází od americké firmy Allison Transmission, Inc.

Také tento projekt v rámci iniciativy Low Carbon Vehicle podporuje The Technology Strategy Board; na projektu Flybus se podílejí především výzkumná a vývojová společnost Ricardo, továrna na autobusy Optare, specializovaný výrobce toroidních plynulých převodovek Torotrak a výrobce samočinných převodovek Allison pro užitková vozidla. Britská společnost Ricardo je vedoucí poskytovatel inovativních technických řešení s vývojovými středisky ve Velké Británii, USA, ­Německu, České republice (Praha), Indii, Japonsku a Číně. Na vývoji ­vysokootáčkových setrvačníků pracuje řadu let, vyvinula systém Kinergy s kompaktními kompozitovými setrvačníky rotujícími ve vzduchoprázdné komoře otáčkami až 60 000 min‑1, a vypracovala možnosti jejich použití od automobilů, výtahů a průmys­lových zařízení až po vysokorychlostní vlaky (jejich aplikací lze uspořit 75 litrů nafty při každé zastávce vlaku). Do výzkumného ­projektu KinerStor (rekuperace, akumulace a opětné využití kinetické energie setrvač­níky) se vedle firmy Ricardo zapojily například společnosti Jaguar Land Rover, JCB (stavební stroje), SKF (ložiska), Torotrak, Williams Hybrid Power a další.

Fotogalerie