Trochę historii – jak rozwinął się napęd hybrydowy Toyoty?

Od jakiegoś czasu prowadzimy C-HR w redakcji. Na co dzień doceniamy zalety napędu hybrydowego w mieście, ale przez chwilę zastanawialiśmy się, jak daleko zaszedł Hybrid Synergy Drive, zanim trafił do najnowszego modelu? Jeśli też jesteś zainteresowany, czytaj dalej.

Czy zastanawiałeś się kiedyś, jak daleko zaszła historia napędów hybrydowych? Wbrew pozorom tego typu wynalazki nie są domeną ostatnich kilkudziesięciu lat. Pierwszy patent na układ napędowy wykorzystujący silnik spalinowy i silnik elektryczny należał do Williama H. ​​Pattona, a pojawił się… przed 128 laty! Ten patent opracował Patton Motor Car, hybrydowy układ napędowy, który był używany do napędzania tramwajów i małych lokomotyw. W 1889 roku powstał prototyp, a osiem lat później seryjna wersja lokomotywy została sprzedana spółce kolejowej.

Rok wcześniej Phaeton wyjechał na drogi przed produkcją kolejki linowej Pattona. Nie, nie ten Volkswagen-Bentley. Armstronga Faetona. Prawdopodobnie pierwszy samochód hybrydowy, a właściwie wózek inwalidzki w historii. Na pokładzie znajdował się 6,5-cylindrowy silnik spalinowy o pojemności 2 litra, a także silnik elektryczny. Koło zamachowe działało również jako dynamo, które ładowało akumulator. Armstrong Phaeton już odzyskiwał energię z hamowania, ale w nieco inny sposób niż dzisiejsze hybrydy. Silnik elektryczny służył do zasilania lamp i rozruchu silnika spalinowego i być może nie byłoby to zaskakujące, gdyby nie fakt, że wyprzedził on automatyczny rozrusznik Cadillaca o 16 lat.

Zainteresowany? Co powiesz na 3-biegową półautomatyczną skrzynię biegów? Biegów nie trzeba było zmieniać całkowicie ręcznie. Na długo zanim wynaleziono synchronizatory i zapomniano o technice podwójnego sprzęgła, silnik elektryczny automatycznie uruchamiał sprzęgło podczas zmiany biegów. Jednak silnik Armstronga Phaetona był… zbyt mocny. Ciągle uszkadzał drewniane koła, co następnie eliminowano, dodając wzmocnienia do kół.

Ferdinand Porsche miał również swoje zasługi w historii samochodów. Lohner-Porsche Mixte Hybrid to pojazd, który w późniejszych wersjach był napędzany silnikami elektrycznymi, po jednym na każde koło. Silniki te były zasilane akumulatorami i momentem obrotowym silnika spalinowego. Pojazd ten mógł przewozić do czterech osób i poruszać się wyłącznie na prąd lub wyłącznie za pomocą silnika spalinowego.

Brzmi wspaniale? Nie całkiem. Baterie Mixte składały się z 44 ogniw 80 V i ważyły ​​1,8 tony. Ogniwa nie były zbyt mocne, więc zamknięto je w odpowiednim etui i zawieszono na sprężynach. Jest to jednak sam akumulator, a dorzućmy do niego sporo silników elektrycznych. Wynalazek Lohnera i Porsche ważył ponad 4 tony. Choć z dzisiejszego punktu widzenia wygląda to na kompletny niewypał, Mixte dał do myślenia wielu inżynierom. Na przykład ci z Boeinga i NASA, którzy bardzo dokładnie przestudiowali ten aparat. Z efektami, ponieważ LRV, z którego misje Apollo 15, 16 i 17 omijały Księżyc, miały wiele rozwiązań zaczerpniętych z hybrydy Lohner-Porsche Mixte.

Historia mieszańców jest dość długa, więc od samego początku przejdźmy od razu do teraźniejszości. Hybrydy, jakie znamy, stały się popularne dopiero pod koniec lat 90., kiedy Toyota Prius weszła na rynek japoński. Wtedy to po raz pierwszy – w 1997 roku – użyto nazwy „Toyota Hybrid System”, która później przekształciła się w „Hybrid Synergy Drive”. Jak wyglądały poszczególne pokolenia?

Pierwsza Toyota Prius - system hybrydowy Toyoty

Wiemy już, że pomysł na samochód hybrydowy nie jest nowy. Jednak minęło ponad 100 lat, aby ta koncepcja stała się naprawdę popularna. Toyota Prius stała się pierwszym masowo produkowanym samochodem hybrydowym. Być może dlatego wszystkie hybrydy są wyraźnie kojarzone z Priusem. Spójrzmy jednak na rozwiązania techniczne.

Chociaż produkcja Priusa rozpoczęła się w 1997 roku, ta część sprzedaży była przeznaczona wyłącznie na rynek japoński. Eksport na inne rynki, głównie do USA, rozpoczął się dopiero w 2000 roku. Jednak model eksportowy NHW11 został nieco zmodernizowany w stosunku do swojego poprzednika (NHW10).

Pod maską japońskiej hybrydy znajdował się silnik 1.5 VVT-i ze zmiennymi fazami rozrządu, pracujący w cyklu Atkinsona. Założenia były mniej więcej takie same jak obecnie – silnik benzynowy wspierały dwa silniki elektryczne – jeden pracujący jako generator, a drugi napędzający koła. Za prawidłowy rozkład pracy silników odpowiadała przekładnia planetarna, która służyła jako bezstopniowa przekładnia CVT.

Nie był to bardzo szybki samochód, o mocy 58 KM. i 102 Nm przy 4000 obr./min. Dlatego przyspieszenie było raczej skromne, podobnie jak maksymalna prędkość 160 km/h. To, co mnie ucieszyło, to niskie zużycie paliwa, które średnio mogło spaść poniżej 5 l/100 km.

W wersji NHW11 większość komponentów została ulepszona, aby zapewnić lepszą wydajność. Moc silnika elektrycznego została zwiększona o 3 kW, a moment obrotowy o 45 Nm. Zmniejszono straty mechaniczne i hałas. Maksymalna prędkość obrotowa silnika również została zwiększona o 500 obr/min.

Pierwszy Prius nie był jednak pozbawiony wad - nie był tak niezawodny jak dzisiejsze modele, występowały problemy z przegrzewającymi się akumulatorami, a niektóre podzespoły elektryczne (np. silnik elektryczny) były zbyt głośne.

Prius II, czyli Hybrid Synergy Drive

W 2003 roku pojawił się kolejny Prius z silnikiem THS drugiej generacji. Po raz pierwszy nazwano go Hybrid Synergy Drive. Zanim wsiądziemy do podjazdu, warto wspomnieć o kultowym kształcie. Nie powstał od zera, a nawet ma własną nazwę – „Kammbak”. Został opracowany w latach 30. XX wieku przez inżyniera aerodynamiki Wunibalda Kamma. Nadwozie z wysokim, wyciętym tyłem jest bardziej opływowe, za autem nie ma turbulencji.

Podczas prac nad drugą generacją Priusa Toyota zarejestrowała aż 530 patentów. Chociaż koncepcja jako taka była podobna do dysku THS, dopiero w HSD możliwości systemu dyskowego zostały właściwie wykorzystane. Wyrównano potencjał silnika elektrycznego i spalinowego, w przeciwieństwie do wcześniejszego pomysłu, który polegał na zwiększeniu mocy silnika spalinowego w celu zwiększenia wydajności. Drugi Prius ruszył i przyspieszył częściowo za pomocą silnika elektrycznego. Moc części elektrycznej napędu zostaje zwiększona o 50%.

W tej generacji wprowadzono również elektryczną sprężarkę klimatyzacji, która nie wymagała silnika spalinowego do chłodzenia lub ogrzewania wnętrza. Tak pozostało do dziś. Prius otrzymał również lżejsze akumulatory NiMH w 2003 roku. Zmniejszono liczbę ogniw i zwiększono gęstość elektrolitu. Również w tym modelu po raz pierwszy wprowadzono tryb EV, który pozwala na jazdę tylko na silniku elektrycznym.

Lexus opracował własne warianty układu napędowego tej generacji. W 2005 roku zastosował kolejny silnik elektryczny na tylnej osi i w ten sposób stworzył hybrydę z napędem na wszystkie koła. Trzeci silnik pracował niezależnie od polecenia na przednią oś - choć oczywiście był sterowany przez sterownik regulujący moment obrotowy i różnicę prędkości.

Pierwsze Lexusy GS 450h i LS 600h pokazały, jak HSD może współpracować z mocnymi silnikami i tylnym napędem. Ten system był jeszcze bardziej złożony - zwłaszcza w dziedzinie transmisji. Przekładnia planetarna Ravigneaux z czterema wałkami, dwoma sprzęgłami zmieniającymi przełożenie drugiego silnika względem kół - nie było jasne, żeby wchodzić w szczegóły. Powinien to wyjaśnić inżynier mechanik.

Hybrydowy napęd synergiczny III

Docieramy do przedostatniej generacji napędu hybrydowego. Tu miała miejsce prawdziwa rewolucja. Wymieniono 90% części. Silnik spalinowy zwiększył objętość roboczą do 1.8 litra, ale silniki elektryczne zostały zmniejszone. Moc wzrosła do 136 KM, a zużycie paliwa spadło o 9%. W tej generacji mogliśmy wybrać tryb jazdy – normalny, eko i dynamiczny.

HSD ma stałe przełożenie, więc przekładnia planetarna, choć podobna do CVT, jest czymś zupełnie innym. Zewnętrzny pierścień przekładni to silnik MG2, koło słoneczne to silnik MG1, a ICE jest połączony „planetami”. Kierowca może w jakiś sposób wpływać na pracę silnika spalinowego i elektrycznego, ale pedał gazu służy jedynie do komunikacji z komputerem. Mówimy, jak chcielibyśmy przyspieszyć, a komputer obliczy, jakie są warunki drogowe i jak najefektywniej połączyć pracę silnika elektrycznego i spalinowego.

Toyota C-HR lub HSD IV

Czwarta generacja napędu pojawiła się… w czwartej generacji Priusa. Jednak zdążył już zakorzenić się w innych modelach - na przykład w C-HR. Kwartet mocno opiera się na HSD III, ale wyciska z niego jeszcze więcej przy mniejszym zużyciu paliwa. Jednak „więcej” nie oznacza mocy, gdyż została ona zmniejszona do 122 KM.

Przede wszystkim poprawiono charakterystykę ładowania akumulatorów – nowe hybrydy są w stanie wchłonąć duże dawki energii w krótszym czasie. Falownik ma oddzielny system chłodzenia i zajmuje 30% mniej miejsca. Przekładnia planetarna została zastąpiona przez cylindryczną. Cała skrzynia biegów została przeprojektowana, dzięki czemu generuje o 20% mniej odpadów.

Podsumowanie

Widzieliśmy fragmenty podróży Toyoty do pojazdów, które łączą zalety silników elektrycznych z wszechstronnością silników spalinowych. Jednak to nie sam dysk się zmienia. Zmienia się też koncepcja samochodu hybrydowego. Ten już dawno przestał być Priusem i trafia do samochodów, które wyglądają nieco bardziej konwencjonalnie. Hybrydy stopniowo stają się częścią codziennego życia. Widzimy je wszędzie w dużych miastach. 

Jednym z nich jest Toyota C-HR, która przypadnie do gustu tym, którzy chcą poruszać się po mieście ciekawym crossoverem, ale cenią sobie niskie spalanie i bezgłośność. Rośnie też świadomość potrzeby ograniczania zanieczyszczenia – i choć samochody nie są tutaj źródłem wszelkiego zła, to są jego częścią, więc trzeba coś z tym zrobić. Toyota odnotowuje znaczący wzrost sprzedaży pojazdów hybrydowych rok do roku. Nie dzięki Priusowi – dzięki samochodom takim jak Auris czy C-HR – wciąż dostępnym w portfelu, w zwykłym opakowaniu, ale z ulepszonym układem napędowym, którego wartością dodaną jest sprawdzona niezawodność.

Kiedy jest następne pokolenie? Nie wiemy. Prawdopodobnie poczekamy jeszcze kilka lat. Jednak układ napędowy najnowszych hybryd Toyoty już osiąga niewiarygodnie wysoki poziom zaawansowania.