Toyota Auris - jak działa hybryda?

Hybrydy są wśród nas. Ich liczba - szczególnie w Polsce - jeszcze nie poraża, ale czy nam się to podoba, czy nie, z roku na rok jest ich na drogach coraz więcej. Wiemy, że te samochody mają kilka niekwestionowanych zalet, zwłaszcza jeśli chodzi o ekonomię jazdy. Skąd się wzięły? Spróbujemy odpowiedzieć sobie na to pytanie, analizując jak działa napęd hybrydowy.

Choć modelową hybrydą, która bije rekordy realnej, codziennej oszczędności jest Toyota Prius, za przykład posłuży nam hybrydowa Toyota Auris. To z tym samochodem obcujemy codziennie w ramach testu długodystansowego. Mówi się, że aby hybryda odwdzięczyła się odpowiednią ekonomią jazdy, trzeba nauczyć się nią jeździć. Czasem dziwimy się, jak powoli zużywają się hamulce w hybrydach. Dlaczego tak jest? O tym przeczytacie w tym artykule.

Musimy na wstępie zrozumieć, że napędy hybrydowe, jak choćby Hybrid Synergy Drive w Toyotach, to dość skomplikowane układy. „Synergia” to słowo, które świetnie nakreśla charakter takiego napędu. Zobaczymy tu wiele elementów, które wykonują różne zadania, niektóre z nich kilka jednocześnie, dla większego dobra. Ku chwale oszczędności. Jeśli pewien element napędowy pełni w danym momencie określoną funkcję, nie znaczy to, że za chwilę nie będzie pełnił innej. W hybrydzie nic nie jest stałe. Nawet prąd.

Co dwa silniki, to nie jeden

Silnik spalinowy testowej Toyoty Auris to wolnossące 1.8 VVT-i o mocy 99 KM. Choć wygląda jak najzwyklejszy w świecie silnik o spalaniu wewnętrznym, to jednak pracuje w cyklu Atkinsona, a nie Otta, jak większość. Cykl Atkinsona wykorzystuje się przede wszystkim w generatorach zasilających maszyny stacjonarne. Wykazuje największą sprawność cieplną w zakresie średnich obrotów, a za tą sprawnością idzie mniejsze zapotrzebowanie na paliwo. Mniej energii mechanicznej produkowanej przez silnik jest zamieniane na energię cieplną, czyli paliwo jest wykorzystywane bardziej efektywnie. Silnik pracujący w takich warunkach jest też o wiele bardziej trwały. No dobrze, ale zakres obrotów, w którym taki silnik „lubi” pracować jest wąski. Powyżej i poniżej tego przedziału nie mamy z niego zbyt wiele pożytku. Trzeba więc mu jakoś pomóc.

Tutaj wkracza „silnik elektryczny”. Używam tu cudzysłowu celowo, bowiem pod tym pojęciem kryją się właściwie dwa silniki elektryczne - główny i pomocniczy. Te silniki będą się stale wymieniać zadaniami. Czasem to silnik pomocniczy będzie generował prąd dla głównego, czasem będzie odwrotnie. W skrócie - silnik pomocniczy odpowiada za rozruch silnika spalinowego, pełni funkcję alternatora ładującego baterie i na podstawie jego prędkości obrotowej i momentu obliczane jest aktualne przełożenie bezstopniowej skrzyni biegów. Silnik główny charakteryzuje się wyższym momentem obrotowym i będzie realizował takie zadania jak: hamowanie silnikiem, jazda do tyłu, a ogółem - wspomaga silnik spalinowy, zwiększając moment obrotowy, jaki trafia do układu przeniesienia napędu.

Właśnie wprowadziliśmy do gry bezstopniową przekładnię e-CVT. Ta przekładnia planetarna łączy napęd elektryczny i spalinowy, ale silnik spalinowy nie jest jej wcale do szczęścia potrzebny - będzie pracować i przekazywać moment do kół i bez niego. Samochód wyposażony w Hybrid Synergy Drive, przynajmniej w teorii, jest w stanie przejechać jeszcze parę kilometrów, w zależności od stopnia naładowania akumulatora, kiedy zużyjemy całe paliwo z baku. Nie jest natomiast w stanie przejechać nawet metra, jeśli całkowicie rozładujemy akumulatory i tym samym unieruchomimy silniki elektryczne.

Kompletne rozładowanie akumulatorów nie jest jednak takie proste. Choć główny silnik elektryczny czerpie energię głównie z nich, to posiłkuje się jeszcze silnikiem pomocniczym - który to z kolei może być napędzany przez silnik spalinowy. Napęd pozostaje więc sprawny, dopóki działają silniki elektryczne. A te przestają działać, jeśli wybierzemy bieg neutralny. Pozostawiając samochód na dłuższy czas w tym trybie, powiedzmy, że jadąc z bardzo wysokiej góry, narażamy się właśnie na kompletne rozładowanie akumulatora. Użytkując jednak hybrydę w sposób, do którego została stworzona, a więc po prostu do jeżdżenia, nie musimy się tego obawiać. Podobnie, jak nie musimy obawiać się spadku efektywności baterii wraz z wiekiem. To kompletnie inny układ niż w laptopie czy telefonie. Jeśli jego efektywność spadnie choć o kilka procent, uznaje się, że nadaje się do wymiany. Znaczna większość samochodów hybrydowych przez całe swoje „życie” takowej wymiany jednak nie wymaga.

W przypadku hybryd mówimy o ciągłym przekazywaniu energii elektrycznej z baterii do silników elektrycznych i z powrotem. Ale silniki elektryczne zasila prąd zmienny, a baterię ładuje się prądem stałym. Płynący z baterii prąd stały o napięciu 288 V zamieniany jest więc przy pomocy przetworników na prąd zmienny, którego napięcie może sięgać nawet 650 V - i vice versa. Ten prąd zmienny płynie w kablach o pomarańczowej izolacji - tak wysokie napięcie znajdziemy w sieciach zakładów przemysłowych, gdzie kable oznaczane są w podobny sposób.

Właściciele samochodów hybrydowych czasem dziwią się, jak to możliwe, że ich klocki hamulcowe zużywają się tak powoli. Wynika to z budowy Hybrid Synergy Drive. Otóż wciskając pedał hamulca, do pewnego stopnia operujemy tylko siłą hamowania zapewnianą przez silnik elektryczny. To on spowalnia koła, zamieniając energię kinetyczną na elektryczną. Dopiero mocniejsze wciśnięcie hamulca powoduje dociśnięcie klocków do tarcz. W samochodach Toyoty to przejście jest praktycznie niewyczuwalne. Praca pedału została tak dostrojona, że wydaje się kompletnie naturalna - być może część właścicieli nawet nie zdaje sobie sprawy z tego, jak rzadko używa „prawdziwych” hamulców, a jak często hamuje silnikiem elektrycznym.

Skomplikowane, ale pożyteczne

Napędy hybrydowe to dość skomplikowane rozwiązania, które trzeba zrozumieć, jeśli chcemy jeździć oszczędniej. Dostosowanie stylu jazdy do możliwości hybryd zaowocuje mniejszym zużyciem paliwa i niektórych podzespołów. I już pobieżne prześledzenie budowy takiego napędu pokazuje, że nikt nie poszedł tu na skróty. Oszczędność jest, owszem, ale przede wszystkim hybryda jest skonstruowana tak, by służyć właścicielowi jak najdłużej - czy to pierwszemu, czy każdemu kolejnemu. W końcu Toyoty Prius biją rekordy przebiegów i mogą pochwalić się trwałością niemal dorównującą legendarnym Mercedesom W123 i W124 - a przecież to dość nowe rozwiązanie, jeśli porównamy je do samochodów z silnikami wyłącznie benzynowymi lub Diesla.