Reklama

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.

Toyota Prius pierwszej generacji

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, jednak Japończycy uporczywie trwali przy swoim.

Reklama
Toyota Sports 800 Gas Turbine Hybrid / Toyota
Toyota Prius - cztery generacje / Toyota

25-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.

Toyota hybryda, jak działa taki samochód?

Toyota razem z Lexusem oferuje obecnie ponad 40 modeli 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

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

W 4. generacji (Yaris, Yaris Cross czy Corolla) 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).

Przekładnia hybrydowa, czyli jak to działa?

Zasady działania przekładni hybrydowej nie zmieniły się od 25 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.

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.

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.

Falownik 4. generacji - nowa Toyota Yaris / Toyota

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 i Yaris Cross dostał jeszcze lepszą odmianę – inżynierowie określają ten układ jako 4.5 Hybrid Dynamic Force. Za jego produkcję odpowiada wyłącznie fabryka w Wałbrzychu.

Toyota Yaris Cross / dziennik.pl
Toyota Yaris Cross / Toyota

Toyota Corolla Cross z hybrydą 5. generacji imponuje osiągami

Najnowszym popisem Toyoty jest Corolla Cross, która jako pierwsza została obdarowana zupełnie nowym napędem hybrydowym 5. generacji. Zespół wykorzystuje litowo-jonową baterię lżejszą aż o 40 proc. od starszego rozwiązania w tradycyjnej Corolli. Silnik benzynowy 2.0 Dynamic Force i jednostka elektryczna także zyskały na sile, czego efektem jest większa o 8 proc. łączna moc całego układu. W wersji z napędem na przednie koła nowa 2-litrowa hybryda wytwarza 197 KM (+13 KM) i zapewnia przyspieszenie od 0 do 100 km/h w 8,1 sekundy – to osiągi na poziomie RAV4 2.5 Hybrid Dynamic Force 222 KM.

Toyota Corolla Cross 2.0 Hybrid / Tomasz Sewastianowicz

Toyota Corolla Cross z elektrycznym napędem 4x4

Wariant 4x4 AWD-i ma dodatkowy 40-konny silnik elektryczny przy tylnej osi (dołączany automatycznie w razie utraty przyczepności). Corolla Cross AWD-i przyspiesza jak auto z napędem na przód, za to trakcja na mokrym, śliskim czy grząskim będzie nieporównywalna.

– Napęd hybrydowy piątej generacji ma jeszcze bardziej dopracowane właściwości jezdne. Przyspieszanie jest bardziej liniowe, przewidywalne i kontrolowalne. System lepiej też dopasowuje obroty silnika do prędkości auta, by dawać bardziej intuicyjne i naturalne wrażenia z jazdy. Osiągnięto to dzięki przekalibrowaniu zależności między wciśniętym pedałem gazu a reakcją układu napędowego – wyjaśnił Harold Paton, szef produktu i marketingu Toyota Motor Europe.

Toyota Corolla Cross: hybryda 5. generacji vs hybryda 4. generacji / Tomasz Sewastianowicz

Toyota Corolla Cross i jaka cena w Polsce?

Toyota Corolla Cross 2.0 Hybrid w polskich salonach pojawi się we wrześniu 2022 roku. Cena? Taniej niż hybrydowy RAV4 i więcej od C-HR 2.0 Hybrid. A to oznacza znalezienie złotego środka odpowiednio między kwotą 150 100 zł i 137 800 zł. Jeśli brać pod uwagę perspektywę wprowadzenie napędu 1.8 Hybrid także 5. generacji wówczas może być jeszcze mniej.

Toyota Corolla Cross 2.0 Hybrid / Tomasz Sewastianowicz
Toyota Corolla Cross 2.0 Hybrid / Tomasz Sewastianowicz

Hybryda plug-in, czyli próbka zalet samochodu elektrycznego

Hybryda plug-in, czyli ładowana z gniazdka, to kolejny sposób Toyoty na wykorzystanie duetu spalinowo-elektrycznego. Rozwiązanie przywidziano dla kierowców, którzy mają gdzie doładowywać większy niż w tradycyjnej hybrydzie akumulator.

Najnowszym przykładem wykorzystania takiego układu jest Toyota RAV4 Plug-in Hybrid. Japoński SUV skrywa pod karoserią 2,5-litrowy benzyniak (182 KM) pracujący w ekonomicznym cyklu Atkinsona ze wspomagającym go silnikiem elektrycznym (182 KM). Oba przekazują moc na przednie koła. Tylną oś napędza dodatkowy silnik-generator (54 KM), który współpracuje z układem hybrydowym. W ten sposób kierowca dostanie 306 KM mocy systemowej i wsparcie elektrycznego układu 4x4. Sprytnie pomyślany system potrafi dostarczyć 100 proc. momentu obrotowego na przód lub przekierować do 80 proc. na tył (20:80). Funkcja "Trail Mode" kontroluje dodatkowo uślizg w mechanizmie różnicowym (blokuje koło bez przyczepności, napędzając drugie).

Reklama

W przypadku hybrydy ładowanej z gniazdka kluczowe znaczenie mają parametry jazdy w trybie EV. Toyota z litowo-jonowej baterii 18,1 kWh płasko umieszczonej pod podłogą deklaruje 75 km elektrycznego zasięgu WLTP, a w mieście auto ma pokonać rekordowe 98 km! Zaletę zasięgu docenią osoby, które na co dzień mają gdzie ładować baterie (dom, biurowiec), wtedy RAV4 Plug-in Hybrid może być wykorzystywana jako samochód elektryczny.

Toyota RAV4 Plug-in Hybrid / Toyota

Toyota RAV4 Plug-in Hybrid zużywa 1 litr benzyny na 100 km, ale...

Szczególnie, że RAV4 Plug-in Hybrid jest tak ustawiony fabrycznie, że domyślnie wybiera tryb EV. Wtedy spalinowe serce odpoczywa, a SUV rusza dzięki energii akumulatora, by zmienić się w bezszelestny samochód na prąd, który może jechać 135 km/h wyłącznie "na baterii". Nawet jeśli kierowca mocniej wciśnie gaz, jednostka benzynowa nie da się wciągnąć do roboty. A do akcji wchodzi dopiero wtedy, gdy w baterii nie ma dość prądu, żeby auto poruszało się wyłącznie na elektronach – wtedy system przechodzi w stan pracy hybrydowej (HV).

Samochód pozwala też ręcznie wybrać jeden czterech programów jazdy (domyślny EV, Auto EV/ HV, HV oraz tryb ładowania akumulatora). Dzięki temu RAV4 Plug-in Hybrid ma osiągać spalanie na poziomie – uwaga! – 1 litra benzyny na 100 km. I żeby nie było, że nie ostrzegaliśmy – ten bajeczny wynik jest możliwy pod warunkiem podróżowania z akumulatorem naładowanym w 100 proc. Jeśli jednak ktoś nie dopilnuje uzupełniania prądu w baterii wówczas musi liczyć się ze znacznie szybszym osuszaniem zbiornika paliwa.

Możliwości? Japoński SUV z wtyczką ma temperament auta sportowego. Popędzony przez kierowcę zachowuje się jak ekolog na dopalaczach. Od 0 do 100 km/h przyspiesza w 6 sekund, czyli jest to trzeci najszybszy model Toyoty po takich autach, jak GR Supra i GR Yaris. Prędkość maksymalną ograniczono do 180 km/h.

Toyota RAV4 Plug-in Hybrid / Toyota
Toyota RAV4 Plug-in Hybrid / Toyota

Nie tylko hybrydy, czyli prąd z akumulatora lub ogniw paliwowych (wodór jako paliwo)

Toyota rozwijając hybrydy podkreśla jednocześnie, że w przyszłości wszyscy zaczniemy jeździć autami w pełni elektrycznymi – czy to z dużymi akumulatorami ładowanymi z zewnątrz, czy też z ogniwami paliwowymi, produkującymi prąd na bieżąco z wodoru. Oba rozwiązania są już dostępne jako w 100 proc. elektryczna Toyota bZ4x oraz wodorowa Toyota Mirai.

Toyota bZ4x samochód elektryczny nowej ery

Toyota bZ4x to też pierwszy z 30 nowych samochodów na prąd z baterii, które w najbliższym czasie wprowadzą marki Toyota i Lexus. Lista obejmuje SUV-y i crossovery, auta sportowe, sedany, dostawczaki, a także terenowego SUV-a i pickupa. A czego już dziś mogą spodziewać się kierowcy po bZ4X?

Toyota bZ4X / Tomasz Sewastianowicz
Toyota bZ4X już dostępna w Polsce / Toyota / Jayson Fong

Japoński elektryk powstał na specjalnie opracowanej platformie e-TNGA (korzysta z niej też Lexus RZ 450e). Pod podłogą skrywa litowo-jonowy akumulator o pojemności 71,4 kWh. Samochód w wersji bazowej z 204-konnym silnikiem (265 Nm) napędzającym przednie koła ma zapewnić do 516 km zasięgu, średnio zużywając 14,3 kWh energii na 100 km – wynika z danych homologacyjnych na Europę. Wcześniej inżynierowie japońskiego producenta obiecywali ok. 450 km (zgodnie z normą WLTP). Stąd ta konfiguracja napędu elektrycznego SUV-a zapewni mu pełną funkcjonalność na co dzień i swobodę poruszania się nawet na długich trasach. Takim autem bez przystanku na ładowanie można np. przejechać z Gdańska do Lublina lub z Paryża do Amsterdamu – przynajmniej teoretycznie. Samochód od 0 do 100 km/h przyspieszy w 8,4 s.

Toyota bZ4x z Gdańska do Lublina na jednym ładowaniu, jaki zasięg?

Auto z elektrycznym napędem 4x4 to 217 KM oraz 336 Nm momentu obrotowego. Zastosowano tu dwa silniki elektryczne o mocy 80 kW – jeden przy przedniej osi, drugi przy tylnej. Mocniejszy wariant bZ4X podczas homologacji uzyskał wyniki do 470 km zasięgu i 15,8 kWh/100 km zużycia energii. Kilka miesięcy temu producent deklarował 410 km. Przyspieszanie bZ4X 4x4 od 0 do 100 km/h trwa 7,7 s.

Naładowanie do poziomu 80 proc. można osiągnąć w 30 minut przy użyciu systemu szybkiego ładowania o mocy 150 kW (CCS2). Toyota obiecuje, że po 10 latach lub 240 tys. km (w zależności, co nastąpi pierwsze) bateria utrzyma 90 proc. pierwotnej pojemność (gwarancja na akumulatory trakcyjne to 8 lat, z limitem przebiegu do 160 tys. km). Pomoże w tym m.in. aktywne zarządzanie termiczne z pompą ciepła i chłodzeniem cieczą (pierwsze dla Toyoty) czy proces produkcyjny zabezpieczony tak, by żadne obce ciała nie dostały się do baterii.

Toyota bZ4X / Toyota
Toyota bZ4X / Tomasz Sewastianowicz
Toyota bZ4X / Tomasz Sewastianowicz

Toyota Mirai, samochód elektryczny na prąd z wodoru

Wreszcie Toyota Mirai nowej generacji. To niemal 5-metrowa elektryczna limuzyna w stylu coupe. Samochód powstał na tylnonapędowej platformie GA-L (z rodziny TNGA), którą japoński koncern wykorzystuje w modelach Lexusa. Do produkcji prądu wykorzystuje ogniwa paliwowe. Zbiorniki mieszczą 5,6 kg wodoru (142,2 l), czyli o 1 kg więcej niż w pierwszym modelu. Tankowanie pod ciśnieniem 700 barów trwa ok. 5 minut. Same pojemniki na wodór mają mocniejszą, wielowarstwową konstrukcję - są bardzo lekkie i odporne na przestrzelenie. Wodór stanowi 6 proc. łącznej masy paliwa i zbiorników. Architektura TNGA umożliwiła także przesunięcie zestawu ogniw paliwowych z dotychczasowego miejsca pod podłogą kabiny do przedniej części samochodu pod maską. Bardziej kompaktową baterię trakcyjną oraz silnik elektryczny ukryto nad tylną osią. Korzyściami z takiej konfiguracji są obniżony środek ciężkości oraz idealny rozkład masy (Mirai II waży ok. 1,9 t) między przodem i tyłem w proporcji 50:50 – oba te czynniki mają kapitalne znaczenie dla właściwości jezdnych.

Osiągi? Silnik synchroniczny z magnesami stałymi produkuje 182 KM i 300 Nm. Taki potencjał ma sprawić, że to auto od zera do 100 km/h przyspieszy w 9 sekund. Prędkość maksymalną ograniczono do 175 km/h. Zasięg? Na poziomie 650 km. Możliwość pokonania takiego dystansu oznacza zużycie 0,85 kg wodoru na 100 km.

Toyota Mirai / dziennik.pl

Toyota Mirai oczyszcza powietrze

Mirai nie tylko nie emituje spalin, ale też oczyszcza powietrze podczas jazdy. Nowy model został wyposażony w katalityczny filtr wbudowany we wloty powietrza, które jest doprowadzane do ogniw paliwowych. Filtr z włókniny wychwytuje mikroskopijne cząsteczki zanieczyszczeń, w tym dwutlenek siarki (SO2), tlenki azotu (NOx) i cząstki stałe PM 2.5. Rozwiązanie to usuwa od 90 do 100 proc. zanieczyszczeń o średnicy od 0 do 2,5 mikrona z powietrza przelatującego przez system ogniw paliwowych. Ryotaro Shimizu, główny inżynier Mirai nowej generacji, pokazał egzemplarz, który do tej pory oczyścił już 728 tys. lirów powietrza. Jak wyjaśnił, to ekwiwalent powietrza pozwalającego oddychać 40 osobom przez rok.

Toyota Mirai / dziennik.pl
Toyota Mirai / dziennik.pl