Fizyka pod maską. Efektywność napędu, czyli właściwie co?
Zbliżają się wakacje, a wraz z nimi czas długich, wyczekiwanych tras. Zanim jednak wrzucisz walizki do bagażnika i ruszysz przed siebie, warto uświadomić sobie jedną rzecz: to, jak daleko i jak efektywnie dojedziesz do celu, przestało zależeć wyłącznie od tego, jak delikatnie operujesz pedałem przyspieszenia.
Żyjemy w czasach, w których o realnej ekonomii jazdy decyduje niewidzialny, cyfrowy umysł samochodu, a tradycyjne pojęcie mechaniki ustępuje miejsca architekturze definiowanej przez oprogramowanie.
Kiedyś optymalizacja spalania sprowadzała się do wyłączenia klimatyzacji, zamknięcia szyb i monotonnej jazdy w aerodynamicznym cieniu ciężarówki. Dziś te wspomnienia brzmią jak anegdoty z epoki kamienia łupanego. Spędziłem ostatnio sporo czasu, analizując dokumentację techniczną oraz testując najnowsze rozwiązania koncernu z Wolfsburga z zakresu zarządzania energią i napędami. Wniosek jest jeden: współczesna motoryzacja, niezależnie od tego, czy zasilana prądem z akumulatora wysokonapięciowego, czy tradycyjnym paliwem płynnym, przekształciła się w jeżdżące laboratoria fizyki, termodynamiki i zaawansowanego software’u. Oprogramowanie przestało być jedynie cyfrową nakładką na system informacyjno-rozrywkowy – stało się nadrzędnym systemem operacyjnym sterującym każdym watem i każdym gramem paliwa.
Efektywność bez kompromisów, czyli tajniki napędu elektrycznego
Aby zrozumieć, dlaczego to właśnie elektromobilność jest kluczem do przyszłości transportu, musimy odwołać się do twardych danych z zakresu sprawności energetycznej. W dyskusjach publicznych wciąż przewijają się alternatywne koncepcje, takie jak wodór czy paliwa syntetyczne (e-fuels). Jednak z inżynieryjnego punktu widzenia matematyka jest bezlitosna. Jak zauważa prof. Maximilian Fichtner z Instytutu Technologicznego w Karlsruhe, napęd elektryczny charakteryzuje się najwyższą sprawnością spośród wszystkich znanych nam obecnie rozwiązań.
W samochodzie elektrycznym, takim jak modele z rodziny ID. Volkswagena, co najmniej 70 procent energii zgromadzonej w ogniwach trafia bezpośrednio na koła. Przy czym realnie ona cały czas rośnie, bo elektromobilność jest wciąż na wstępnym etapie rozwoju. Zwłaszcza w kontekście mającej ponad wiek motoryzacji spalinowej. Konkrety? Proszę bardzo, realna efektywność nowego silnika APP550 w połączeniu z bardzo usprawnionym zarządzaniem termicznym, uwzględniająca opory przekładni czy pracę nowego falownika wynosi w ujęciu realnym ok. 85–88%. Gdy spojrzymy na alternatywy, dysproporcja staje się uderzająca. W przypadku napędu wodorowego sprawność ta spada do zaledwie 15–18 procent, klasyczny silnik spalinowy wyciska z benzyny czy oleju napędowego od 20 do 24 procent efektywności, a wdrożenie paliw syntetycznych owocuje spadkiem sprawności do poziomu zaledwie 5–8 procent. Dlaczego tak się dzieje? Odpowiedź tkwi w prostocie łańcucha energetycznego. W przypadku aut elektrycznych czysta energia – na przykład pochodząca z farm wiatrowych czy fotowoltaiki – jest bezpośrednio przesyłana siecią i magazynowana w akumulatorze pojazdu. Wodór natomiast wymaga niezwykle skomplikowanego, energochłonnego procesu produkcji (elektroliza), kompresji, transportu w ekstremalnych warunkach i ponownej konwersji w ogniwach paliwowych, co generuje gigantyczne straty na każdym etapie.
Co bardziej świadomi Czytelnicy mogą w tym momencie zaprotestować, że przecież wiele marek komunikuje sprawność nowoczesnych silników spalinowych sięgającą nawet 40 procent. I rzeczywiście – takie wartości są dziś osiągalne, szczególnie w układach hybrydowych, gdzie jednostka spalinowa może pracować w najbardziej efektywnym zakresie obciążeń, wspierana przez odzysk energii oraz silnik elektryczny. Nie zmienia to jednak faktu, że pod względem całkowitej sprawności energetycznej napęd elektryczny pozostaje wyraźnie bardziej efektywny.
Istnieją co prawda wysokoprężne silniki o sprawności przekraczającej nawet 50 procent, ale nie znajdziemy ich w samochodach. Mowa tutaj o ogromnych, wolnoobrotowych jednostkach napędzających kontenerowce i masowce. Ich wysoka wydajność wynika z pracy przy niemal stałym obciążeniu, bardzo niskich obrotów oraz konstrukcji zoptymalizowanej wyłącznie pod maksymalną efektywność energetyczną, a nie dynamikę czy komfort jazdy.
Wysoka efektywność samego silnika to jednak dopiero połowa sukcesu. Prawdziwym wyzwaniem dla inżynierów jest optymalne zarządzanie tą energią podczas dynamicznie zmieniających się warunków drogowych. W trasie rewelacyjnie sprawdza się system inteligentnej rekuperacji. Oprogramowanie Volkswagena nie działa w sposób reaktywny – ono antycypuje. Wykorzystując dane z radarów frontowych oraz predykcyjne dane map nawigacji (uwzględniające topografię terenu, zakręty, ronda czy ograniczenia prędkości), auto doskonale wie, kiedy zbliża się do punktu, w którym konieczne będzie wytracenie prędkości. Zamiast gwałtownego, marnotrawnego aktywowania klasycznych hamulców hydraulicznych, system odpowiednio wcześniej inicjuje hamowanie elektrodynamiczne. Silnik elektryczny przechodzi wówczas w tryb generatora, zamieniając energię kinetyczną pojazdu z powrotem w prąd, który zasila baterię. Wszystko to dzieje się płynnie, często bez konieczności dotykania pedału hamulca przez kierowcę.
Co więcej, świadomy użytkownik może aktywnie wpływać na ten proces poprzez odpowiedni dobór trybów pracy przekładni. Podczas pokonywania autostradowych odcinków, gdzie kluczowe jest utrzymanie pędu, najbardziej efektywny okazuje się tryb D (Drive). Pozwala on na swobodne „żeglowanie” – po odpuszczeniu pedału przyspieszenia samochód toczy się z minimalnymi oporami, maksymalnie wykorzystując swoją masę i aerodynamikę. Sytuacja zmienia się znacznie, gdy wjeżdżamy w teren górzysty lub wbijamy się w gęsty, miejski korek. Wtedy optymalnym wyborem staje się tryb B (Brake). Wymusza on intensywny odzysk energii tuż po zdjęciu nogi z gazu, umożliwiając jazdę z ograniczonym użyciem klasycznych hamulców, co w warunkach miejskich pozwala na odzyskanie cennych kilowatogodzin, które normalnie zostałyby bezpowrotnie rozproszone w postaci ciepła na tarczach hamulcowych.
Termodynamika w służbie oprogramowania: mózg układu napędowego
Jednym z najważniejszych czynników determinujących zasięg oraz czas spędzony przy ładowarce HPC (High Power Charging) jest temperatura. Akumulatory litowo-jonowe cechują się bardzo wąskim przedziałem temperaturowym, w którym pracują z optymalną wydajnością – wynosi on około 20–25°C. Poza tym oknem, zarówno podczas zimowych mrozów, jak i letnich upałów, sprawność ogniw spada, a opór wewnętrzny rośnie.
W tym miejscu do gry wkracza najnowsza odsłona ID.Software. System zarządzania termicznego Volkswagena nieustannie monitoruje i koryguje temperaturę modułów baterii. Kluczową funkcjonalnością jest tutaj wstępne kondycjonowanie baterii. Gdy w fabrycznej nawigacji zaplanujemy trasę uwzględniającą postój na szybkiej ładowarce, system automatycznie oblicza czas dojazdu i z wyprzedzeniem uruchamia proces podgrzewania lub chłodzenia akumulatora. Dzięki temu w momencie podłączenia wtyczki ogniwa znajdują się w idealnym stanie termicznym, co pozwala na natychmiastowe osiągnięcie maksymalnej krzywej ładowania. Dla kierowcy oznacza to zauważalne skrócenie czasu postoju – optymalizujemy więc nie tylko zużycie energii, ale przede wszystkim czas podróży.
Warto podkreślić, że Volkswagen odszedł od kupowania gotowych, uniwersalnych komponentów od zewnętrznych dostawców na rzecz budowy własnych, autorskich rozwiązań. Koncern rozwija od podstaw własne przetwornice impulsowe oraz zintegrowane moduły termiczne. Przetwornica impulsowa to faktyczny mózg układu elektrycznego – odpowiada za konwersję prądu stałego z baterii na prąd zmienny zasilający silnik. Zaprojektowana przez inżynierów z Wolfsburga modułowa platforma pozwala na jej implementację w każdym segmencie, od aut miejskich po modele o mocy przekraczającej 500 kW. Z kolei nowa generacja zarządzania termicznego zastępuje dotychczas stosowaną, skomplikowaną sieć przewodów i pojedynczych modułów jednym, niezwykle kompaktowym i zintegrowanym modułem termicznym. Steruje on chłodzeniem i ogrzewaniem całego pojazdu, jest znacznie lżejszy, a Volkswagen deklaruje, że optymalizacja tych płaszczyzn może przełożyć się na zauważalne zwiększenie wydajności całego układu napędowego nawet o 20 procent.
Dopełnieniem tego ekosystemu jest pompa ciepła. Zamiast energochłonnych, klasycznych grzałek oporowych, które potrafią drastycznie obniżyć zasięg zimą lub w chłodniejsze letnie wieczory, pompa ciepła działa jak zaawansowany agregat klimatyzacyjny pracujący w odwróconym cyklu. Wykorzystuje ona ciepło odpadowe generowane przez elementy elektroniki mocy oraz silnik elektryczny do ogrzewania kabiny. Efekt? Oszczędność cennych kilowatogodzin, które zamiast na walkę z temperaturą, mogą zostać spożytkowane na napędzanie osi pojazdu. Dzięki temu widmo „zasięgowego niepokoju” staje się znacznie mniej odczuwalne, a deklarowany przez normy WLTP zasięg (np. 629 km dla nowego Volkswagena ID.3 Neo z baterią 79 kWh) staje się bliższy realiom w codziennej, spokojnej eksploatacji.
Ślad węglowy i transformacja energetyczna
Projektowanie wydajnych samochodów to także odpowiedzialność wykraczająca poza sam moment ruszania z miejsca. Analizując transformację transportu, warto oprzeć się na przekrojowych badaniach europejskich instytutów naukowych (m.in. z Poczdamu czy Instytutu im. Paula Scherrera). Wynika z nich jednoznacznie, że pojazdy w pełni elektryczne charakteryzują się najniższym śladem węglowym w całym swoim cyklu życia.
Choć prawdą jest, że wyprodukowanie akumulatora generuje wyższy początkowy ślad węglowy niż odlanie bloku silnika spalinowego, to bilans ten zmienia się diametralnie w trakcie eksploatacji. Uwzględniając postęp technologiczny, dłuższą żywotność ogniw oraz stale rosnący udział odnawialnych źródeł energii w europejskim miksie energetycznym, korzyść ekologiczna jest bezdyskusyjna. Według analizy organizacji Transport & Environment, pojazd elektryczny ładowany średnim unijnym miksem przewidywanym na 2030 rok wygeneruje aż o 78 procent mniej emisji gazów cieplarnianych w porównaniu do swojego spalinowego odpowiednika. Co więcej, całkowite przejście na napęd elektryczny zmniejszyłoby globalne zapotrzebowanie transportu na energię pierwotną – właśnie ze względu na opisywaną wcześniej wysoką sprawność napędu. Jednak auta spalinowe
nie znikną prędko, ale i tu nauka i inżynieria mają coś do powiedzenia.
Zaawansowana inżynieria: eTSI oraz rewolucja platformy MQB evo
Volkswagen nie zapomina o kierowcach, którzy wciąż decydują się na napędy tradycyjne lub zelektryfikowane (hybrydy). Tutaj walka o wydajność przenosi się na poziom precyzyjnej inżynierii materiałowej oraz zaawansowanej elektroniki sterującej pracą zaworów. Fundamentem dla nowej gamy modelowej marek koncernu (takich jak chociażby odświeżony Golf czy nowy T-Roc) stała się zmodernizowana, modułowa platforma konstrukcyjna MQB evo. Choć gołym okiem widać zmiany w designie, to kluczowe innowacje zaszły w architekturze elektronicznej pojazdu, która została zaprojektowana jako struktura definiowana przez software.
W obszarze klasycznych jednostek spalinowych TSI inżynierowie wdrożyli system ACT (Active Cylinder Management), czyli system inteligentnego zarządzania pracą cylindrów. Podczas płynnej jazdy, gdy poruszamy się ze stałą prędkością i obciążenie silnika jest niewielkie, komputer sterujący w ułamku sekundy odcina dopływ paliwa i zamyka zawory ssące oraz wydechowe na drugim i trzecim cylindrze. Silnik przechodzi w tryb dwucylindrowy. Dzięki zaawansowanemu wyważeniu jednostki oraz precyzyjnemu sterowaniu fazami rozrządu, kierowca nie jest w stanie
wyczuć momentu przejścia – nie pojawiają się żadne dodatkowe wibracje ani zmiany w akustyce kabiny. Wynik na komputerze pokładowym jest jednak widoczny natychmiast: zużycie paliwa spada w tym trybie o zauważalne wartości.
Sama konstrukcja mechaniczna silników TSI evo2 również została zoptymalizowana pod kątem wydajności poprzez zastosowanie cyklu Millera. W przeciwieństwie do klasycznego cyklu Otto, w cyklu Millera zawory ssące są zamykane znacznie wcześniej, jeszcze zanim tłok osiągnie dolne martwe położenie. Pozwala to na uzyskanie wysokiego stopnia rozprężania przy stosunkowo niskim stopniu sprężania. Mówiąc prostym językiem: silnik jest w stanie wycisnąć znacznie więcej energii z tej samej, pojedynczej kropli benzyny, podnosząc efektywność termodynamiczną całego procesu spalania.
Idąc krok dalej w stronę elektryfikacji, platforma MQB evo wprowadza zaawansowane układy miękkiej hybrydy (mHEV / eTSI). Układ ten bazuje na 48-woltowym alternatorze-generatorze rozruchowym (BSG) połączonym z wałem korbowym za pomocą paska oraz kompaktowym akumulatorze litowo-jonowym. System ten umożliwia realizację zaawansowanej funkcji żeglowania. Gdy puszczasz pedał gazu przy prędkościach autostradowych, silnik spalinowy nie przechodzi w tryb obrotów biegu jałowego – on zostaje całkowicie wyłączony. Samochód sunie siłą pędu, a wszystkie systemy pokładowe, w tym elektryczne wspomaganie układu kierowniczego czy pompa hamulcowa, są zasilane z instalacji 48V. Gdy tylko dotkniesz pedału gazu, generator BSG w sposób absolutnie niezauważalny i bezgłośny uruchamia silnik spalinowy w czasie mniejszym niż mrugnięcie oka. To energooszczędne „żeglowanie” radykalnie obniża realne spalanie w długich trasach.
Dla osób poszukujących złotego środka, Volkswagen przygotował dwie zupełnie nowe koncepcje hybrydowe na platformie MQB evo. Pierwszą z nich jest dedykowany układ pełnej hybrydy (HEV), który zadebiutuje w modelach Golf i T-Roc pod koniec 2026 roku. Integruje on silnik elektryczny, generator, zaawansowaną elektronikę mocy oraz przekładnię w jeden, zwarty moduł współpracujący z jednostką 1.5 TSI evo2. Układ ten wykorzystuje akumulator wysokonapięciowy niklowo-manganowo-kobaltowy (NMC) o pojemności 1,6 kWh brutto i działa w trzech automatycznych trybach: czysto elektrycznym, szeregowym (gdzie silnik spalinowy napędza jedynie generator prądu, a koła napędza silnik elektryczny) oraz równoległym (gdzie obie jednostki wspólnie przekazują moment obrotowy na oś). System ten nie wymaga zewnętrznego ładowania z sieci – opiera się wyłącznie na inteligentnej rekuperacji.
Z kolei druga generacja napędów hybrydowych typu plug-in (eHybrid / PHEV) to propozycja dla tych, którzy chcą połączyć zalety pełnego elektryka z uniwersalnością auta spalinowego. Dzięki zwiększeniu pojemności akumulatorów, zasięg w trybie czysto elektrycznym wzrósł do ponad 140 kilometrów, co pozwala na codzienną, bezemisyjną jazdę miejską. Co najważniejsze w kontekście wakacyjnych podróży, nowy układ eHybrid po raz pierwszy wspiera szybkie ładowanie prądem stałym (DC) przez złącze CCS z mocą do 50 kW. Oznacza to, że podczas krótkiej przerwy na kawę i posiłek przy stacji ładowania jesteś w stanie naładować baterię do pełna, by po zjechaniu z autostrady poruszać się po docelowym kurorcie wyłącznie na prądzie.
Płynna jazda i tarcza aerodynamiczna
Efektywność napędu zdałaby się na nic, gdyby samochód musiał bezustannie walczyć z oporami powietrza oraz chaotycznym stylem jazdy. Dlatego Volkswagen zintegrował mechanikę z oprogramowaniem asystującym w ramach systemu Predictive Travel Assist. Tajniki tego systemu w szerszym kontekście wyjaśniałem już wam w poprzednim wydaniu iMagazine, dlatego tutaj w skrócie o istotnych funkcjach względem efektywności napędu. Układ ten łączy działanie predykcyjnego tempomatu adaptacyjnego (ACC), asystenta utrzymania pasa ruchu oraz systemu rozpoznawania znaków drogowych. System precyzyjnie analizuje profil drogi przed pojazdem. Zamiast gwałtownie i nieefektywnie dohamowywać przed fotoradarem, zakrętem czy zmianą ograniczenia prędkości, Travel Assist z wyprzedzeniem odcina napęd, pozwalając pojazdowi na swobodne wytracenie prędkości masą własną. To podróżowanie bez zmęczenia, które odciąża układ nerwowy kierowcy, a jednocześnie gwarantuje zauważalną oszczędność energii.
Ostatnim istotnym elementem tej układanki jest zarządzanie aerodynamiką. Przy prędkościach autostradowych opór powietrza rośnie nieliniowo – jest największym wrogiem wydajności. Projektanci Volkswagena spędzili tysiące godzin w tunelach aerodynamicznych, dopracowując geometrię nadwozi. Efekty są imponujące. Flagowa limuzyna Volkswagen ID.7 legitymuje się współczynnikiem oporu powietrza na poziomie zaledwie Cd=0,23. Nawet w segmencie SUV-ów, reprezentowanym przez nową konstrukcję MQB evo (nowy T-Roc), udało się obniżyć ten współczynnik do wartości Cd=0,29, co oznacza redukcję oporu o około 10 procent względem poprzednich rozwiązań. Kluczem do sukcesu okazały się detale: optymalny kształt obudów lusterek bocznych, całkowicie płaskie podwozie redukujące zawirowania powietrza pod autem oraz sterowane elektronicznie żaluzje w przednim zderzaku. Pozostają one zamknięte przez większość czasu, tworząc gładką płaszczyznę aerodynamiczną, a otwierają się tylko wtedy, gdy chłodnice wymagają dopływu powietrza do termoregulacji układu.
Wyprawiając się w te wakacje w długą trasę za kierownicą nowoczesnego Volkswagena, warto mieć świadomość, że w każdym momencie podróży nad Twoim komfortem, bezpieczeństwem i przede wszystkim nad kieszenią czuwają setki tysięcy linii kodu oraz zoptymalizowane do granic możliwości układy napędowe. Czysta, technologiczna wydajność przestała być jedynie pieśnią przyszłości – stała się nowym, namacalnym standardem współczesnego podróżowania. Ciesz się drogą, odkrywaj nowe miejsca – o optymalizację reszty zadba technologia.
Materiał powstał przy współpracy z marką Volkswagen.
