Toyota Sports 800 Gas Turbine Hybrid była pierwszym prototypem hybrydy – samochód pojawił się w 1977 roku. A prace nad nim trwały od 1969 roku – już wtedy japońska marka poszukiwała rozwiązań obniżających zużycie paliwa i niekorzystny wpływ aut na środowisko naturalne. Pod maską Sports 800 pracował silnik elektryczny, dla którego prąd wytwarzał generator napędzany turbiną gazową.
Konstruktorom japońskiej firmy tak spodobały się eksperymenty z elektryfikacją napędu, że po 20 latach testów na samej górze Toyoty zapadła decyzja, by na poważnie rozpocząć prace nad wdrożeniem rozwiązania hybrydowego do produkcji seryjnej. Wtedy to Takeshi Uchiyamada został szefem zespołu, którego zadaniem było opracowanie niskoemisyjnego samochodu XXI wieku. I wreszcie nadszedł przełomowy 10 grudnia 1997 roku – wtedy właśnie w sprzedaży pojawiła się pierwsza na świecie masowo produkowana hybryda, czyli Toyota Prius I generacji (obecnie w sprzedaży jest już Prius IV). Pierwszy Prius wszedł na rynek w czasie podpisywania protokołu z Kioto, w którym państwa z całego świata zobowiązały się do przeciwdziałania globalnemu ociepleniu. Ale nawet wtedy mało kto wierzył w połączenie silnika spalinowego i elektrycznego. Japończycy jednak uporczywie trwali przy swoim.
23-letnia konsekwencja i japońska pracowitość przyniosły owoce. Hybrydy to dziś najważniejszy napęd Toyoty. Koncern właśnie podliczył, że przez ponad dwie dekady sprzedał na całym świecie ponad 15 mln aut z napędem hybrydowym (czterech generacji), z czego na europejskim rynku ponad 3 mln. Samochody pozwoliły uniknąć emisji ponad 120 mln ton CO2. Japończycy twierdzą, że to tak, jakby ustawić obok siebie 24 tryliony półlitrowych butelek napoju gazowanego, który zawiera 5 g CO2. Pojazdy te jednak zdobyły uznanie nie tylko ze względu na niskoemisyjność, lecz także dzięki trwałości i niezawodności.
Samochód hybryda. Jak działa?
Dziś Toyota razem z Lexusem oferuje 44 modele z napędem spalinowo-elektycznym. Jak działa współczesna hybryda opracowana przez inżynierów i czym różni się od pierwszych rozwiązań? O tym można napisać pracę naukową – mimo, że Japończycy mają swoje tajemnice – a w skrócie wygląda to tak…
Hybryda Toyoty łączy silnik benzynowy i elektryczny, generator oraz akumulator trakcyjny. Całością steruje komputer za pośrednictwem przekładni planetarnej, która stanowi serce układu. Przekładnia planetarna składa się z kilku kół zębatych. Jest zwarta, lekka i nie zawiera sprzęgieł ani pasów. Układ poszczególnych zębatek jest kluczowy dla funkcjonalności tego napędu i jest objęty patentem. Jak wskazują inżynierowie, to dzięki przekładni samochód hybrydowy może ruszyć bez uruchomienia silnika benzynowego, korzystać w pełnym zakresie prędkości auta z wąskiego przedziału najbardziej efektywnych obrotów jednostki spalinowej oraz ładować baterię podczas postoju samochodu.
Równie ważną rolę odgrywają dwa silniki elektryczne. Silnik MG1 pełni rolę generatora, który zmieniając swoje obroty może przekierowywać część energii z silnika spalinowego do ładowania baterii w czasie jazdy. Generator MG1 pełni także rolę rozrusznika. MG2 jest na stałe połączony z kołami, a wsparcie z silnika benzynowego jest do niego dołączane poprzez układ zębatek.
Przekładnia hybrydowa nowej generacji kontra pierwsze rozwiązanie
Przekładnia hybrydowa to połączenie w jednej obudowie przekładni planetarnej i dwóch maszyn elektrycznych MG1 i MG2. Aż do 3. generacji układu hybrydowego Toyoty silniki elektryczne były ułożone na jednej osi.
W najnowszej 4. generacji (Corolla, Yaris) konstruktorzy umieścili silniki MG1 i MG2 na dwóch równoległych osiach, co pozwoliło zmniejszyć szerokość przekładni o 47 mm i jej masę o 20 proc.
Silniki elektryczne również zostały mocno przebudowane - są mniejsze i lżejsze, a ich uzwojenie zmieniono na segmentowe. W 1. generacji drut w zwoju miał 1 mm2 w przekroju, dziś 4. generacja wykorzystuje splot prostokątnego drutu, który w przekroju ma 7 mm2 – taka zmiana umożliwiła zwiększenie natężenia prądu. To z kolei przekłada się na większą moc i moment obrotowy, a jednocześnie ogranicza straty i ryzyko zwarcia. W porównaniu z pierwszym Priusem, hybrydy 4. generacji dysponują silnikami elektrycznymi o niemal trzykrotnie większej maksymalnej prędkości obrotowej (wzrost z 6 tys. obr./min do 17 tys. obr./min). Stąd prędkość maksymalna samochodu w trybie EV wzrosła z 50 km/h (pierwszy Prius) do 130 km/h (nowy Yaris). Zastosowanie najnowszej generacji systemu redukcyjnego zwiększyło z kolei maksymalny moment obrotowy na kołach o 60 proc.
– powiedział dziennik.pl Maciej Kilim, szef produktu i marketingu Toyota Motor Poland. – – wskazał.
Przekładnia hybrydowa. Jak to działa?
Zasady działania przekładni hybrydowej nie zmieniły się od 23 lat. Rozruch silnika benzynowego odbywa się za sprawą MG1. W tym czasie MG2 jest kontrolowany tak, aby uniemożliwiał ruch samochodu. Dzięki temu auto hybrydowe nie potrzebuje systemu wspomagania ruszania na wzniesieniu. Podczas postoju z włączonym silnikiem benzynowym, MG1 służy za generator, ładując baterię.
Hybryda może ruszyć i nabierać prędkości z małym obciążeniem także w trybie EV. Wówczas jedynym źródłem napędu jest silnik MG2. Generator MG1 obraca się w tym czasie swobodnie, nie generując prądu.
W trakcie zwykłej jazdy wszystkie komponenty uczestniczą w działaniu napędu. Regulacja prędkości MG1 powoduje rozdział energii wytworzonej przez silnik spalinowy. Część trafia na koła, a pozostała część może zostać zmagazynowana w baterii. Podczas zwalniania lub hamowania, koła obracają silnikiem MG2 i zaczyna on działać jak generator, ładując baterię. To powoduje, że samochód wytraca prędkość bez użycia hamulców, które włączają się tylko pod koniec procesu zatrzymywania lub przy gwałtownym hamowaniu.
wskazał Kilim. – dodał.
Przy czym nawet naukowcy podają, że za emisje szkodliwych substancji z transportu w mieście tylko w połowie odpowiadają spaliny, natomiast druga połowa to emisje niespalinowe, z których 50 proc. to pył z klocków hamulcowych, 10 proc. pochodzi ze ścierania opon, a 40 proc. stanowi wzbity kurz. podkreślił nasz rozmówca.
Falownik i konwerter Boost
Falownik to niezbędny komponent układu hybrydowego, który zmienia prąd stały na zmienny i odwrotnie. Dzięki temu jest możliwe ładowanie i rozładowywanie baterii. W napędzie hybrydowym 4. generacji Toyota stosuje kompaktowe i lekkie urządzenie składające się z falownika i konwertera typu Boost, które jest o połowę lżejsze (waży ok. 9 kg) od samego falownika z pierwszej generacji hybryd. Nowy falownik jest też bardzo wydajny – dokonuje do 10 tys. operacji na sekundę. Ponadto ma niezależne chłodzenie oparte na oddzielnej pompie elektrycznej, która obniża jego temperaturę do 50°C – tymczasem system chłodzenia silnika utrzymuje temperaturę 82°C.
– stwierdził Kilim. – wyjaśnił.
Nowy akumulator litowo-jonowy
Z osi czasu japońskiej marki wynika, że Toyota wprowadziła konwerter Boost do swojego układu hybrydowego w Priusie 2. generacji. Ta zmiana pozwoliła zastosować baterię trakcyjną nawet o 3-krotnie mniejszym napięciu nominalnym niż napięcie silników elektrycznych. Zmniejszono także liczbę ogniw baterii z 228 do 168, co pozwoliło ograniczyć jej wielkość i umieścić pod podłogą.
– wytłumaczył ekspert i wskazał, że nowa bateria ma wyższą sprawność – szybciej przyjmuje i oddaje energię. Dzięki temu może obsłużyć mocniejszy silnik elektryczny. O jej trwałość dba system, który utrzymuje poziom jej naładowania w zakresie 20-80 proc.
zauważył Kilim.
Silnik Hybrid Dynamic Force z Wałbrzycha
Nowe silniki Hybrid Dynamic Force, podobnie jak wszystkie montowane w hybrydowych samochodach Toyoty, wykorzystują cykl Atkinsona, w którym zawory dolotowe są otwarte dłużej, przez co suw sprężania jest opóźniony. Oznacza to odprężenie silnika, poprawę wydajności i zmniejszenie zużycia paliwa, przy nieco mniejszej mocy, którą kompensuje moc silników elektrycznych. Nowe jednostki wykazują się sprawnością cieplną na poziomie aż 41 proc., co przykładowo w nowym Yarisie pomogło w obniżeniu zużycia paliwa i emisji CO2 aż o 20 proc. w porównaniu do poprzednika. I jeszcze jedno, jeśli pod maską nowej Corolli pracuje hybryda 4. generacji, to Yaris dostał jeszcze nowszą odmianę – inżynierowie określają ten układ jako 4.5 Hybrid Dynamic Force. A za jego produkcję odpowiada wyłącznie fabryka w Wałbrzychu.
.skwitował Maciej Kilim.
Najnowszy Yaris wykorzystuje zespół złożony z trzycylindrowego silnika benzynowego 1.5 o długim skoku tłoka i wysokim stopniu sprężania (14:1), dwóch silników elektrycznych, sterownika, przekładni planetarnej i akumulatora litowo-jonowego o wyższej mocy (w porównaniu do dotychczas stosowanych akumulatorów niklowo-wodorkowych nowe rozwiązanie jest lżejsze o 12 kg). System generuje 116 KM, czyli o 16 KM więcej niż poprzednie rozwiązanie. W mieście, czyli naturalnym środowisku nowy napęd imponuje zarówno niskim spalaniem (3,6-4 l/100 km), jak i błyskawicznym startem spod świateł oraz komfortem akustycznym. Na autostradzie apetyt rośnie do ok. 5 l/100 km, co też jest do przyjęcia.
