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.

Reklama
Toyota Sports 800 Gas Turbine Hybrid / Toyota

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.

Toyota Prius - cztery generacje / Toyota

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.

Toyota Corolla 2.0 Hybrid Dynamic Force / dziennik.pl
Toyota Corolla GR Sport / dziennik.pl

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.

Toyota Prius 1 - przekładania hybrydowa 1. generacji / Toyota
Reklama

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.

Toyota Yaris / Toyota

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.

– Dzięki szczególnej budowie przekładni planetarnej możliwa jest praca w trybie bezstopniowym. Pozwala to uniknąć pracy silnika benzynowego w nieoptymalnym zakresie – powiedział dziennik.pl Maciej Kilim, szef produktu i marketingu Toyota Motor Poland. – Dla porównania, konwencjonalne skrzynie biegów istnieją po to, żeby sparowany z nimi silnik mógł osiągnąć punkt najwyższej sprawności (i najniższego zużycia paliwa) przy różnych prędkościach auta. Przekładnia planetarna jest pod tym względem nieporównanie bardziej skuteczna – płynnie dostosowuje obroty generatora tak, aby obroty silnika spalinowego były stale utrzymywane w punkcie najwyższej sprawności. To pozwala oszczędzić paliwo i ograniczyć zużycie silnika, wydłużając jego żywotność – wskazał.

Toyota Yaris / dziennik.pl

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.

– Dzięki temu klocki hamulcowe ścierają się nieporównanie wolniej niż w konwencjonalnych samochodach. Nawet trzy razy wolniej, a 120 tys. km na jednym komplecie klocków i tarcz w hybrydzie Toyoty nie jest niczym nadzwyczajnym wskazał Kilim. – Przekłada się to zarówno na niższe koszty użytkowania auta, jak i na znacznie mniejszą emisję cząstek stałych niepochodzących ze spalin – 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. – Radykalne ograniczenie zużycia klocków hamulcowych przekłada się zatem na zauważalne zmniejszenie emisji generowanych przez samochody – podkreślił nasz rozmówca.

Toyota Corolla GR Sport / dziennik.pl

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.

– Jednym z atutów napędów hybrydowych Toyoty, które decydują o przewadze tej technologii nad rozwiązaniami innych producentów, jest konwerter Boost – stwierdził Kilim. – Przekazując energię z baterii do silnika, podnosi on napięcie ponad dwukrotnie. Dzięki temu bateria pracuje przy niższym napięciu, zaś silnik elektryczny z nowym uzwojeniem korzysta z bardzo wysokiego napięcia do 600 V-650 V (silnik elektryczny Priusa 1. generacji miał napięcie 273,6 V). To przekłada się na większą moc silnika (72 KM zamiast 45 KM) i pozwala na powiększenie zakresu obrotów z maksymalnym momentem obrotowym silnika elektrycznego – wyjaśnił.

Falownik 4. generacji - nowa Toyota Yaris / Toyota

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.

Bateria litowo-jonowa nowy Yaris / Toyota

– Bateria, choć stosunkowo niewielka, jest cały czas doładowywana dzięki efektywnemu systemowi odzyskiwania energii, opartemu na pracy obu silników elektrycznych. Jej wysoka wydajność sprawia, że służy nie tylko do zasilania silnika elektrycznego, ale także elektrycznych pomp chłodzenia falownika i motoru benzynowego oraz systemów i urządzeń pokładowych takich jak radio czy klimatyzacja, które mogą długo działać na postoju – 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.

– To wraz z wydajnym niezależnym chłodzeniem sprawia, że baterie hybrydowe bardzo często są sprawne tak samo długo jak cały samochód. Akumulatory trakcyjne stosowane w Priusie wytrzymują ponad 400 tys. km. W Polsce znany jest przypadek Lexusa, który bezproblemowo przejechał już 700 tys. km. A pewien austriacki taksówkarz Priusem drugiej generacji pokonał ponad milion kilometrów i to jak twierdzi bez żadnej poważnej usterki. Gdyby jednak potrzebna była ich konserwacja, Toyota ma do zaoferowania specjalną gwarancję do 10 lat oraz możliwość wymiany pojedynczych modułów – zauważył Kilim.

Toyota Yaris / dziennik.pl

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.

– W silnikach Hybrid Dynamic Force zastosowano wyższy stopień sprężania 14:1 oraz węższe i dłuższe cylindry, co przyspieszyło spalanie. Zaletą tego rozwiązania jest lepsza kontrola temperatury i ciśnienia. Ponadto silnik jest chłodzony układem z elektryczną pompą, która pracuje również wtedy, gdy silnik jest wyłączony. To zwiększa jego trwałość i pozwala na częste wyłączanie go podczas jazdy bez obawy o uszkodzenie. Ma to tym większe znaczenie, że hybrydy 4. generacji przez większość czasu poruszają się z wyłączonym silnikiem benzynowym. Nowy Yaris niemal 80 proc. czasu jazdy po mieście potrafi być w trybie elektrycznym. W poprzedniku było to 50 proc. skwitował Maciej Kilim.

Toyota Yaris / Toyota

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.

Toyota Yaris Hybrid / dziennik.pl