Trochę historii - jak rozwijał się napęd hybrydowy Toyoty?

Zastanawialiście się kiedyś, jak daleko sięga historia napędów hybrydowych? Wbrew pozorom, tego typu wynalazek wcale nie jest domeną ostatnich parunastu lat. Pierwszy patent na układ napędowy wykorzystujący silnik spalinowy i elektryczny należał do Williama H. Pattona, a pojawił się… aż 128 lat temu! Na tym patencie powstał Patton Motor Car, hybrydowy układ napędowy, który wykorzystywano do napędzania tramwajów i małych lokomotyw. W 1889 roku powstał prototyp, a już 8 lat później wersja produkcyjna lokomotywy została sprzedana firmie kolejarskiej.

Rok wcześniej, przed produkcją kolejki Pattona, na drogi wyjechał Phaeton. Nie, nie ten Volkswageno-Bentley. Armstrong Phaeton. Prawdopodobnie pierwszy hybrydowy samochód - czy raczej wózek - w historii. Na pokładzie pracował 6,5-litrowy 2-cylindrowiec o spalaniu wewnętrznym, jak i silnik elektryczny. Koło zamachowe pełniło jednocześnie rolę dynamo, które ładowało akumulator. Armstrong Phaeton już wtedy odzyskiwał energię z hamowania, jednak w nieco inny sposób niż dzisiejsze hybrydy. Silnik elektryczny wykorzystywany był do zasilania lamp i rozruchu silnika spalinowego i może nie byłoby w tym nic dziwnego, gdyby nie fakt, że wyprzedził powstanie automatycznego rozrusznika Cadillaca o 16 lat.

Zainteresowani? To co powiecie na 3-biegową półautomatyczną skrzynię biegów? Biegów nie trzeba było zmieniać całkowicie manualnie. Na długo przed powstaniem synchronizatorów i zapomnieniem techniki podwójnego wysprzęglania, silnik elektryczny automatycznie operował sprzęgłem przy zmianach biegu. Silnik Armstronga Phaetona był jednak… za mocny. Stale niszczył drewniane koła, co dopiero później zostało wyeliminowane poprzez dodanie wzmocnień w kołach.

Swoje zasługi w historii samochodów miał też Ferdynand Porsche. Lohner-Porsche Mixte Hybrid to automobil, który w późniejszych wersjach napędzany był silnikami elektrycznymi - po jednym na każde koło. Te silniki zasilane były akumulatorami i momentem silnika spalinowego. Pojazd ten mógł przewieźć nawet cztery osoby i poruszać się wyłącznie siłą prądu lub wyłącznie z wykorzystaniem silnika spalinowego.

Brzmi świetnie? Nie do końca. Akumulatory Mixte składały się 44 80-woltowych ogniw i ważyły pokaźne 1,8 tony. Ogniwa nie były zbyt wytrzymałe, więc zamknięto je w stosownej obudowie i zawieszono na sprężynach. To jednak sam akumulator, a dodajmy do tego jeszcze masę silników elektrycznych. Wynalazek Lohnera i Porsche ważył ponad 4 tony. Choć z dzisiejszej perspektywy wygląda to jak kompletny niewypał, Mixte dał do myślenia wielu inżynierom. Na przykład tym z Boeinga i NASA, którzy bardzo dokładnie studiowali ten pojazd. Z efektami, bo łazik księżycowy LRV, którym poruszali się po księżycu członkowie misji Apollo 15, 16 i 17 miał bardzo wiele rozwiązań zaczerpniętych z Lohnera-Porsche Mixte Hybrid.

Historia hybryd jest dość długa, więc od początków przejdźmy od razu do czasów współczesnych. Hybrydy takie, jakie znamy, stały się popularne dopiero pod koniec lat 90 wraz z wejściem na japoński rynek Toyoty Prius. Wtedy też po raz pierwszy - w 1997 roku - użyto nazwy „Toyota Hybrid System”, która później przekształciła się w „Hybrid Synergy Drive”. Jak wyglądały poszczególne generacje?​

Pierwsza Toyota Prius - Toyota Hybrid System

Wiemy już, że idea samochodu hybrydowego nie jest nowa. Musiało minąć jednak ponad 100 lat, zanim koncept stał się naprawdę popularny. Pierwszym samochodem hybrydowym, który produkowany był na masową skalę była Toyota Prius. I być może to właśnie dlatego wszystkie hybrydy jednoznacznie kojarzą nam się z Priusem. Przyjrzyjmy się jednak rozwiązaniom technicznym.

Choć produkcja Priusa ruszyła w 1997 roku, ta część sprzedaży dotyczyła jedynie rynku japońskiego. Eksport na pozostałe rynki, w tym przede wszystkim do USA, rozpoczął się dopiero w 2000 roku. Model eksportowy NHW11 był jednak lekko zmodernizowany względem poprzednika (NHW10).

Pod maską japońskiej hybrydy znajdował się silnik 1.5 VVT-i ze zmiennymi fazami rozrządu, który pracował w cyklu Atkinsona. Założenia były mniej więcej te same, co teraz - silnik benzynowy wspierały dwa silniki elektryczne - jeden pełniący rolę generatora, a drugi napędzający koła. Za odpowiedni rozkład pracy silników odpowiadała przekładnia planetarna, która służyła jako bezstopniowa skrzynia biegów CVT.

Nie był to zbyt szybki samochód, bo z wyjściową mocą na poziomie 58 KM i 102 Nm przy 4000 obr/min. Przyspieszenie było więc raczej skromne, podobnie jak prędkość maksymalna, która wynosiła 160 km/h. Cieszyło za to niskie zużycie paliwa, które mogło schodzić poniżej 5 l/100 km średnio.

W wersji NHW11 poprawiono większość komponentów, by zapewnić lepsze osiągi. Moc silnika elektrycznego wzrosła o 3 kW, a moment o 45 Nm. Zredukowano straty mechaniczne i ograniczono hałas. Podniesiono też maksymalną prędkość obrotową o 500 obr/min.

Pierwszy Prius nie był jednak wolny od wad - nie był tak niezawodny, jak dzisiejsze modele, pojawiały się problemy z przegrzewaniem akumulatorów, a niektóre z komponentów elektrycznych (np. silnik wspomagania elektrycznego) pracowały zbyt głośno.

Prius II, czyli Hybrid Synergy Drive

Rok 2003 przyniósł kolejnego Priusa, który napędzany był drugą generacją THS. Po raz pierwszy nazwano go wtedy Hybrid Synergy Drive. Zanim przejdziemy do napędu, warto wspomnieć o ikonicznym kształcie. Nie wziął się znikąd i nawet ma swoją nazwę - „Kammback”. Opracował go w latach 30. XX wieku inżynier aerodynamiki, Wunibald Kamm. Nadwozie z wysokim, ściętym tyłem jest bardziej opływowe, a za samochodem nie pojawiają się turbulencje.

Przy okazji pracy nad drugą generacją Priusa Toyota zarejestrowała aż 530 patentów. Choć koncepcja jako taka była podobna już od napędu THS, to dopiero w HSD wykorzystano możliwości układu napędowego w odpowiedni sposób. Wyrównano potencjał silnika elektrycznego i spalinowego, w przeciwieństwie do wcześniejszego pomysłu, który zakładał podnoszenie mocy silnika spalinowego w celu poprawy osiągów. Drugi Prius ruszał i częściowo przyspieszał przy wykorzystaniu silnika elektrycznego. Moc elektrycznej części napędu wzrosła o 50%.

W tej generacji wprowadzono też elektryczny kompresor klimatyzacji, który nie wymagał pracy silnika spalinowego do chłodzenia czy nagrzewania kabiny. Tak zostało do dzisiaj. Prius otrzymał również w 2003 roku lżejsze akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe. Zmniejszono liczbę ogniw przy zwiększeniu gęstości elektrolitu. To też w tym modelu po raz pierwszy pojawił się tryb EV, który pozwala jeździć wyłącznie na silniku elektrycznym.

Na bazie tej generacji napędu Lexus stworzył własne warianty. W 2005 roku przyłożył kolejny silnik elektryczny do tylnej osi i w ten sposób stworzył hybrydę z napędem obu osi. Trzeci silnik pracował niezależnie względem zespołu przy przedniej osi - choć oczywiście jego pracą zarządzał sterownik, który regulował moment i różnicę prędkości obrotowych.

Pierwsze Lexusy GS 450h i LS 600h pokazały, jak może wyglądać współpraca HSD z mocnymi silnikami i napędem na tylną oś. Ten system był jeszcze bardziej skomplikowany - szczególnie w obszarze układu przeniesienia napędu. Przekładnia planetarna typu Ravigneaux z czterema wałkami, dwa sprzęgła zmieniające przełożenie drugiego silnika względem kół - wchodzenie w szczegóły mogłoby być niezrozumiałe. To powinien tłumaczyć inżynier mechanik.

Hybrid Synergy Drive III

Docieramy do przedostatniej generacji napędu hybrydowego. Tutaj nastąpiła prawdziwa rewolucja. Wymieniono 90% części. Silnik spalinowy zwiększył pojemność do 1.8 litra, ale silniki elektryczne zmalały. Moc wzrosła do 136 KM, a jednak zużycie paliwa spadło o 9%. W tej generacji mogliśmy już wybrać tryb jazdy - normalny, eko i dynamiczny.

HSD ma stałe przełożenie przekładni, dlatego też przekładnia planetarna, choć przypomina skrzynię bezstopniową CVT, jest czymś zupełnie innym. Zewnętrzny pierścień przekładni stanowi silnik MG2, koło słoneczne to silnik MG1, a silnik spalinowy podłączony jest jako „planety”. Kierowca może w pewien sposób wpłynąć na pracę silnika spalinowego i elektrycznego, ale pedał gazu służy jedynie do komunikacji z komputerem. My mówimy, jak chcielibyśmy przyspieszać, a to komputer obliczy, jakie są warunki na drodze i jak najefektywniej połączyć pracę silnika elektrycznego i spalinowego.

Toyota C-HR, czyli HSD IV

Czwarta generacja napędu pojawiła się… w czwartej generacji Priusa. Zdążyła już jednak zadomowić się w innych modelach - jak choćby w C-HR'ze. „Czwórka” mocno opiera się na HSD III, ale wyciśnięto z niego jeszcze więcej przy mniejszym zużyciu paliwa. „Więcej” nie oznacza jednak mocy, bo ta została zredukowana do 122 KM.

Przede wszystkim poprawiono charakterystykę ładowania akumulatora - nowe hybrydy są w stanie przyjąć w krótszym czasie większe dawki energii. Falownik zyskał osobny układ chłodzenia i zajmuje 30% mniej miejsca. Przekładnia redukcyjna planetarna została zastąpiona przekładnią walcową. Cała przekładnia została zaprojektowana od nowa, dzięki czemu generuje o 20% mniejsze straty.

Podsumowanie

Poznaliśmy fragmenty drogi Toyoty do samochodów, które coraz lepiej łączą zalety silników elektrycznych z wszechstronnością silników spalinowych. Jednak to nie sam napęd się zmienia. Zmienia się też koncepcja samochodu z napędem hybrydowym. Ten już dawno przestał być domeną Priusa i trafia do samochodów, które wyglądają nieco bardziej zwyczajnie. Hybrydy powoli stają się elementem życia codziennego. W dużych miastach spotykamy je już wszędzie. 

Jedną z nich jest Toyota C-HR, która przemawia do tych, którzy chcą poruszać się po mieście ciekawym crossoverem, ale cenią sobie niskie zużycie paliwa i ciszę. Wzrasta też świadomość potrzeby ograniczenia zanieczyszczania środowiska - i choć samochody nie są tutaj źródłem całego zła, to jednak są jego częścią, więc trzeba coś z tym zrobić. Toyota z roku na rok notuje znaczne wzrosty sprzedaży samochodów z napędami hybrydowymi. Nie dzięki Priusowi - właśnie dzięki takim samochodom, jak Auris czy C-HR - jeszcze w zasięgu portfela, w konwencjonalnym opakowaniu, ale z zaawansowanym napędem, którego wartością dodaną jest potwierdzona niezawodność. ​

Kiedy kolejna generacja? Tego nie wiemy. Zapewne poczekamy jeszcze kilka lat. Jednak układ napędowy w najnowszych hybrydach Toyoty osiąga już w tym momencie niesamowicie wysoki stopień zaawansowania.