2020-11-12
Toyota od 23 lat rozwija technologię hybrydowej. W swoich hybrydach montuje już 4. generację napędu hybrydowego – o 41% bardziej wydajną od tej, która była montowana w Priusie w 1997 roku. Prosta i dopracowana konstrukcja tego systemu gwarantuje bardzo wysoką niezawodność hybryd.
Hybrydy odgrywają dziś najważniejszą rolę w gamie Toyoty. W ciągu 23 lat doświadczeń Toyota opracowała cztery generacje napędu hybrydowego. Wspólnie z marką Lexus oferuje obecnie 44 modele hybrydowe. Liczba sprzedanych hybryd przekroczyła już ponad 15 milionów. Łącznie pokonują one 0,5 miliarda kilometrów dziennie.
Samochody Toyoty wyposażone w napęd hybrydowy 4. generacji w czasie jazdy po mieście są w stanie pokonać większość czasu wyłącznie na silniku elektrycznym. Wykazują się rekordowo niskim spalaniem i emisją CO2, zapewniając Toyocie i Lexusowi spełnienie bardzo rygorystycznych norm emisji spalin. Jednocześnie prostota konstrukcji hybrydowego układu napędowego gwarantuje wysoką niezawodność.
Napęd hybrydowy Toyoty
Hybryda to połączenie jednostki benzynowej, silników elektrycznych, generatora oraz akumulatora trakcyjnego. Całością steruje komputer za pośrednictwem przekładni planetarnej, która składa się z kilku kół zębatych. Jest zwarta, lekka i nie zawiera sprzęgieł ani pasów. Układ poszczególnych zębatek jest kluczowy dla funkcjonalności napędu hybrydowego Toyoty i jest objęty patentem.
Dzięki przekładni pojazd hybrydowy może ruszyć bez uruchomienia silnika benzynowego, a także ładować baterię podczas postoju samochodu.
Bardzo ważną rolę odgrywają również 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. MG1 pełni także rolę rozrusznika. MG2 jest na stałe połączony z kołami, a wsparcie z silnika benzynowego jest do niego dołączane poprzez układ zębatek.
Nowa przekładnia hybrydowa
Jak jest zbudowana przekładnia hybrydowa? Stanowi ona połączenie w jednej obudowie przekładni planetarnej i dwóch silników elektrycznych MG1 i MG2. Aż do 3. generacji układu hybrydowego Toyoty silniki elektryczne były ułożone na jednej osi. W 4. generacji konstruktorzy umieścili silniki MG1 i MG2 na dwóch równoległych osiach. Pozwoliło to zmniejszyć szerokość przekładni o 47 mm, a jej masę – o 20%.
Przebudowane zostały również silniki elektryczne. Są one teraz mniejsze i lżejsze, a ich uzwojenie zmieniono na segmentowe. Przełożyło się to na większą moc i moment obrotowy, a jednocześnie ograniczyło straty i ryzyko zwarcia.
W porównaniu z Priusem z 1997 roku hybrydy 4. generacji dysponują silnikami elektrycznymi o niemal trzykrotnie większej maksymalnej prędkości obrotowej (wzrost z 6000 obr./min do 17 000 obr./min). Dzięki temu prędkość maksymalna samochodu w trybie EV wzrosła z 50 km/h do 130 km/h. Zastosowanie najnowszej generacji systemu redukcyjnego zwiększyło z kolei maksymalny moment obrotowy na kołach o 60%.
Specyficzna budowa przekładni planetarnej sprawiła, że możliwa jest praca w trybie bezstopniowym. Pozwala to uniknąć pracy silnika benzynowego w nieoptymalnym zakresie.
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 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, a także wydłużyć jego żywotność.
Jak działa przekładnia hybrydowa?
Zasady działania przekładni nie zmieniły się od 23 lat. Rozruch silnika benzynowego odbywa się za pomocą MG1. W tym czasie MG2 jest kontrolowany tak, aby uniemożliwiał ruch samochodu. Dzięki temu hybrydy nie potrzebują systemu wspomagania ruszania na wzniesieniu. Podczas postoju z włączonym silnikiem benzynowym MG1 służy za generator, ładując baterię.
Samochód z napędem hybrydowym 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 część może zostać zmagazynowana w baterii.
Gdy chcemy zwolnić lub zahamować, koła obracają silnikiem MG2 i zaczyna on działać jak generator, ładując baterię. To powoduje, że auto 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, co przekłada się na niższe koszty użytkowania.
Podczas jazdy po mieście za emisje szkodliwych substancji tylko w połowie odpowiadają spaliny, natomiast druga połowa to emisje niespalinowe, z których 50% to pył z klocków hamulcowych, 10% pochodzi ze ścierania opon, a 40% stanowi wzbity kurz. Radykalne ograniczenie zużycia klocków hamulcowych przekłada się zatem na zauważalne zmniejszenie emisji generowanych przez samochody.
Falownik i konwerter Boost
Falownik to niezastąpiony element układu hybrydowego, który zmienia prąd stały na zmienny i odwrotnie. Dzięki temu jest możliwe ładowanie i rozładowywanie baterii.
W 4. generacji napędu hybrydowego Toyota stosuje kompaktowe i lekkie urządzenie składające się z falownika i konwertera typu Boost. Jest ono o połowę lżejsze od samego falownika znanego z 1. 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.
Ważną rolę w najnowszym napędzie hybrydowym Toyoty odgrywa konwerter Boost. 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 600–650 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.
Akumulator litowo-jonowy
Konwerter Boost został wprowadzony do układu hybrydowego już w Priusie 2. generacji. Była to rewolucyjna zmiana, która 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 może być cały czas doładowywana dzięki wydajnemu systemowi odzyskiwania energii, opartemu na pracy obu silników elektrycznych. Służy ona nie tylko do zasilania silnika elektrycznego, ale także elektrycznych pomp chłodzenia falownika i motoru benzynowego oraz systemów i urządzeń pokładowych, które mogą długo działać na postoju (np. radio czy klimatyzacja).
Nowa generacja baterii ma wyższą sprawność – szybciej przyjmuje i oddaje energię. Dzięki temu może obsłużyć mocniejszy silnik elektryczny. O jej trwałość dba sprawdzony system, który utrzymuje poziom jej naładowania w zakresie 20-80%.
Jednostka napędowa Hybrid Dynamic Force
Nowe silniki Hybrid Dynamic Force wykazują się sprawnością cieplną na poziomie aż 41%. Zastosowano w nich wyższy stopień sprężania 14:1 oraz węższe i dłuższe cylindry, co przyspieszyło spalanie. Zaletą tego rozwiązania jest lepsza kontrola temperatury i ciśnienia.
Silnik ten 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. Jest to o tyle ważne, że hybrydy 4. generacji przez większość czasu poruszają się z wyłączonym silnikiem benzynowym.
Nowe silniki Hybrid Dynamic Force – podobnie jak wszystkie montowane w hybrydach 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, kompensowanej mocą silników elektrycznych.
Najnowocześniejszy napęd hybrydowy
Trwający od ponad 2 dekad rozwój technologii hybrydowej sprawił, że hybrydy Toyoty nie mają sobie równych pod względem zaawansowania, oszczędności, wydajności i wrażeń z jazdy. Dopracowanie każdego elementu i dbałość o najwyższą jakość produkcji przekładają się także na ich niezawodność.
Miniaturyzacja komponentów napędu hybrydowego, uzyskana przy jednoczesnym wzroście sprawności i osiągów, przekłada się na długą listę przewag konkurencyjnych hybryd względem ich konwencjonalnych odpowiedników.
Mniejsze elementy pod maską pozwoliły na bardziej optymalne mocowanie zawieszenia, co przekłada się na większą zwrotność. Nowy Yaris Hybrid ma promień skrętu tylko 5,2 m, o 0,3 m mniej od poprzedniej generacji.
Miniaturyzacja sprawia także, że hybrydy mają tak samo przestronne wnętrze i bagażnik jak konwencjonalne samochody, a pojazd tylko zyskuje na stabilności dzięki obniżonemu środkowi ciężkości oraz optymalnemu rozkładowi elementów.
Samochody hybrydowe 4. generacji są o 41% bardziej wydajne od słynnego Priusa z 1997 roku. W wyniku niskiego zużycia paliwa oraz ogromnej popularności, hybrydy Toyoty pozwoliły do dziś uniknąć emisji ponad 120 mln ton CO2 do atmosfery.
Potwierdzana przez lata niezawodność wywołuje duże zainteresowanie hybrydami na rynku wtórnym – chętnie sięgają po nie taksówkarze, którzy szczególnie cenią w swojej pracy Priusy, Aurisy i Corolle.