Tým studentů Fakulty dopravní ČVUT v Praze se letos poprvé zúčastnil prestižní mezinárodní soutěže Shell Eco-marathon. Tu založili v roce 1939 vědci energetické společnosti Shell. Od počátku v ní jde o jediné: urazit ve svém vozidle co nejmenší spotřebou paliva co nejdelší vzdálenost.
Dříve vědci využívali svá vlastní auta, dnes se soutěže účastní mladí konstruktéři a inženýři z celého světa. Utkávají se v navrhování a stavbě vozidel, která mají dosáhnout maximální energetické efektivity.
Glider z ČVUT: Superúsporná tříkolka z karbonu a kevlaru
Vysokoškolští studenti z českého týmu Green Gliders pod vedením Michala Cenknera postavili během jednoho roku unikátní vozítko Glider vybavené samonosnou karbon-kevlarovou karoserií.
Soutěžili v kategorii Prototypů, kde se konstruktéři mohou opravdu vyřádit a zkoušet ta nejodvážnější řešení. Závodní speciál proto není „auto“ v běžném smyslu slova. Velkou část dílů podvozku si půjčuje z jízdního kola – třeba kola a brzdy. To je primárně kvůli co nejnižší hmotnosti.
Ze stejného důvodu se také jedná o tříkolku, která má jedno kolo vzadu a dvě vpředu. Pravidla soutěže totiž vyžadují 3 až 4 kola. Vozidlo však zároveň nesmí být vybaveno ničím, čím by jeho výkon mohl řidič ovlivňovat, jako jsou třeba šlapky.
Konstrukce Glideru: 500W motor, cyklo brzdy a bezpečnostní prvky
Skořepina vozítka Glider je tvořena několika vrstvami karbonu, kevlaru a pórovitých desek. To zajišťuje pevnost a nízkou hmotnost. O pohon se stará elektromotor v zadním kole. Jedná se o efektivní elektromotor s permanentní magnetem o výkonu 500 W. Tento typ elektromotorů, i když mnohem výkonnější, využívají i některé elektromobily, například Tesla Model 3.
O řízení elektromotorů se stará řídicí jednotka vyrobená speciálně pro tuto soutěž. Pro řízení a brzdy byly použity cyklokomponenty včetně ráfků, plášťů, kotoučů a brzdových třmenů.
Bezpečnost řidiče pak zajišťuje vnější a vnitřní bezpečnostní spínač, certifikované šestibodové bezpečnostní pásy, helma, kombinéza a rukavice. Všechny tyto prvky splňují přísné standardy pro závody tohoto typu, protože bezpečnost závodníka je vždy na prvním místě.
Jak se zrodil tým Green Gliders na ČVUT
Základna týmu je na katedře dopravních prostředků Fakulty dopravní ČVUT v Praze. Tam už nějakou dobu vzniká studentský elektromobil. Ten sice nebyl podle Michala Cenknera vhodný pro účast na soutěži, ale bylo díky němu jednodušší přesvědčit studenty, kteří se na jeho vývoji podílejí, aby se pustili do stavby podobného vozidla pro soutěžní účely Shell Eco-marathonu. Tým má dnes necelých deset členů. Každý je zodpovědný za vývoj jiné části vozidla.
Kdo stojí za Gliderem? Každý má svůj úkol
Illia Melnyk se stará o výrobu karoserie, Lubomír Krajňák řeší pasivní bezpečnost a marketing týmu, František Vaněk má za úkol pohon, Vojtěch Špitálský řeší geometrii a konstrukci řízení.
Vojtěch Frait pomáhal s návrhem a realizací pohonu a David Rothbauer, jediný člen týmu z jiné fakulty ČVUT, a to konkrétně z elektrotechnické, dokončil celý pohon a elektroinstalaci. Řidičkou se stala Liubov Kozlová, která zároveň řeší dohled nad plněním pravidel. Vedoucím týmu je už zmíněný Michal Cenkner.
Při vývoji musí překonávat výzvy: Od financování po řízení týmu
Postavit úplně nové vozidlo, navíc s tak extrémními parametry, které jsou pro soutěž potřeba, není jen čistě technická záležitost. Bylo potřeba sestavit samotný vývojářský tým a sehnat finance na stavbu. To obnáší neustálou komunikaci se sponzory a potenciálními partnery.
Když si nějakou součástku nedokáže tým vyrobit sám, je třeba oslovit firmy, které to umí. Klíčem k úspěchu je pak samotný management týmových prací. Každý jednotlivý člen řeší svou část vozidla. Vedoucí týmu zajišťuje, že si vzájemně předávají důležité informace, aby se nakonec nestalo třeba to, že motor a baterie do vozidla nebudou pasovat.
Úspěch na Shell Eco-marathonu: Výsledek 171 km/kWh
Letošního ročníku závodu Shell Eco-marathon se zúčastnilo 122 týmů z 25 zemí Evropy a Afriky. V kategorii Prototypů s elektrickým pohonem se umístili na 19. místě s výsledkem 171 km na 1 kWh. To je jako ujet vzdálenost mezi Prahou a Českým Krumlovem za 5 korun.
„Výsledek je pro nás obrovským úspěchem a důkazem, že i bez předchozích zkušeností dokážeme postavit spolehlivé a efektivní vozidlo. Tento start bereme jako pevný základ, na kterém chceme dál stavět,“ říká Michal Cenkner.
Pro srovnání, francouzský tým Polyjoule dosáhl výsledku 1221 km na 1 kWh. Jenže zatímco tým Green Gliders se účastnil poprvé, Polyjoule se na Univerzitě v Nantes vyvíjí už od roku 2005, tedy dvacet let!
Budoucnost týmu Green Gliders: Projekt je maraton, ne sprint
Parta z ČVUT dobře ví, že tohle je skutečný maraton, tedy běh na dlouhou trať. Nejde o jednorázovou účast, ale o dlouhodobý projekt a závazek neustále se zlepšovat. Michal Cenkner bere první výsledek jako pevný základ, na kterém chtějí dál stavět.
Uvědomují si totiž, že ačkoliv v průběhu vývoje získali spoustu nových znalostí a zkušenosti, pořád jsou teprve na začátku. Zejména v porovnání s týmy, které se soutěže účastní již dlouhá desetiletí – jako je třeba právě ten z Nantes, ale třeba i týmy dánské a jiné.
Jak Glider dosahuje efektivity: Snížení odporu vzduchu a valivého odporu
Podle Michala Cenknera je důležité především chápat, jak fungují věci, které ovlivňují spotřebu vozidla, tedy jízdní odpory, spotřeba motoru a také jízdní strategie. Například valivý odpor tým minimalizoval využitím hladkých pneumatik nahuštěných na 5,5 baru (v běžném autě to bývá 2,5 baru).
Používala se také kvalitní ložiska. Další důležitý odpor je ten aerodynamický – tedy odpor vzduchu. Nebylo možné počítat ho pomocí simulací, a tak byl řešen jen „pocitovým“ tvarováním karoserie nebo třeba přelepováním spár na karoserii lepenkou pro zmírnění víření vzduchu.
Klíčová strategie: „Plachtění“ (coasting) s vypnutým motorem
Spotřeba pohonu je další klíčový parametr. Pohon je potřeba spínat jen na velmi krátké časy potřebné pro nabrání rychlosti. Po zbytek času zůstává motor vypnutý, a tak vozidlo jen plachtí a spotřeba je nulová. To je také součástí jízdní strategie, která je možná nejdůležitější.
Dle profilu trati si tým dopředu naplánoval, kdy bude nejlepší přidávat plyn a kdy naopak jen plachtit. Také jak projíždět zatáčky, protože při příliš agresivním zatáčení se pneumatiky začnou lehce smýkat, a tak spotřebovávají drahocennou kinetickou energii.
Proč pomalejší jízda znamená nižší spotřebu?
Celá strategie se však může měnit při měřené jízdě na trati, protože vozidlo není v tu chvíli nikdy na trati samo. Řidička si tak musí neustále hlídat, kde jsou ostatní vozidla a kdy ideálně předjíždět. Dalším faktorem je časový limit pro zajetí měřeného pokusu.
Podle pravidel musí průměrná rychlost během závodu být cca 25 km/h a na základě toho se určí maximální čas pro zajetí daného počtu kol. Letos to bylo například jedenáct kol o celkové délce 14,5 km a stanoveném čase 45 minut. Proto je potřeba měřený pokus rozplánovat tak, aby byl využit ideálně do poslední sekundy, jelikož čím bude průměrná rychlost nižší, tím nižší bude spotřeba.
Plány na Glider 2: Nový motor, poloviční hmotnost a lepší aerodynamika
Na příští rok plánují mladí konstruktéři postavit zcela nový závodní speciál, Glider model 2. Aktuálně se vzdělávají ve výpočtech aerodynamiky pomocí simulací ve virtuálním větrném tunelu.
Dále řeší změnu metody výroby karosérie vozidla a celkové odlehčení. Konstruktéři by se chtěli dostat na polovinu aktuální hmotnosti. Vymění také motor, který už nebude umístěn v zadním kole. A zároveň si postaví vlastní lehčí baterii s vyšším napětím.
Shell Eco-marathon
Závody v maximální efektivitě
Představ si závod, kde nezáleží na rychlosti, ale na tom, kdo ujede nejdál na co nejmenší množství paliva nebo energie. Přesně o tom je Shell Eco-marathon – jedna z nejnáročnějších studentských soutěží na světě. Každý rok se koná v Evropě, Severní Americe i Asii a utkávají se v něm týmy mladých inženýrů a vědců. Ti si sami navrhnou a postaví superúsporná vozidla a pak je vyzkouší na závodní trati.
Celý nápad má hodně zajímavou historii. Vše začalo už v roce 1939, kdy se zaměstnanci firmy Shell v USA mezi sebou vsadili, kdo ujede dál s co nejmenším množstvím paliva. Z jednoduché sázky se časem stala velká tradice.
První oficiální závody proběhly v roce 1985 ve Francii – tehdy závodilo 25 zvláštních vozítek, často ještě dřevěných! Od té doby se soutěž pořádně rozrostla: Dnes už se jí zúčastnilo přes 100 000 studentů z více než šedesáti zemí světa.
