Układy hybrydowe Toyoty są dziś bardzo cenione wśród nabywców aut, i to niezależnie, czy mowa o nowych egzemplarzach kupowanych wprost z salonów, czy też hybrydowych Toyotach z drugiej ręki. Toyota jest jednym z liderów technologii hybrydowej, jako jedna z pierwszych marek (obok Hondy) wprowadziła na rynek masowy samochody z klasycznym napędem hybrydowym. Dziś silniki spalinowe pracujące w hybrydowych napędach japońskiego producenta uznawane są za najbardziej efektywne termicznie silniki spalinowe w historii. Użytkowników przekonuje też co innego – wyjątkowa trwałość hybryd Toyoty. Pół miliona kilometrów Priusem? Żaden problem mówią warszawscy taksówkarze. Jak zatem działa ten napęd?
Napęd hybrydowy Toyoty – szczypta historii
Aktualnie większość modeli w ofercie japońskiej marki, jest wyposażana w napęd hybrydowy 4. generacji. Są to m.in. Toyota RAV4, Toyota Corolla, czy Toyota Camry. Mniejsze auta, takie jak najnowsza Toyota Yaris czy Toyota Yaris Cross, mają również napęd hybrydowy 4. generacji, ale z pewnymi modyfikacjami, przez co napędy tych modeli często określa się hybrydami generacji 4,5. Toyota pochwaliła się także już modelem z napędem hybrydowym 5. generacji. Będzie nim zapowiedziana już Toyota Corolla Cross. Zanim jednak przejdziemy do technicznych nowinek, wypadało by wyjaśnić, jak Toyota doszła do masowej produkcji napędów hybrydowych?
Zobacz nasz test Toyoty C-HR GR Sport z napędem HSD 4. generacji
Pierwszy napęd hybrydowy Toyoty – nie, to nie Toyota Prius
Powszechnie przyjmuje się, że początek ery hybrydowych napędów nastąpił wraz z rynkowym debiutem pierwszej generacji Toyoty Prius z napędem hybrydowym. Jednak pierwsze prace badawcze nad tego typu napędem inżynierowie japońskiej marki rozpoczęli znacznie, znacznie wcześniej bo… w 1965 roku. Wówczas rozpoczęto pierwsze studium projektowe nowego typu napędu. Jako, że wówczas spalinowa motoryzacja miała się doskonale (kryzysu naftowego, który nastąpił w 1973 roku nikt wówczas nie przewidywał), prace nad napędem hybrydowym nie miały wysokiego priorytetu, w efekcie na jej wyniki trzeba było trochę poczekać. W efekcie, w 1977 roku podczas 21. Targów Motoryzacyjnych w Tokio świat po raz pierwszy zobaczył to cudo:
Wówczas zaprezentowano prototypowy napęd hybrydowy upakowany w produkowane od 1965 sportowe autko japońskie – Toyotę Sports 800. Samochód ten seryjnie wyposażano w silnik benzynowy o mocy do 71 KM, ale w Tokio pokazano go z pierwszym w historii Toyoty napędem hybrydowym, w którym silnik spalinowy zastąpiono jednowałowym silnikiem z turbiną gazową, łączonym z elektrycznym generatorem i baterią.
O ile pomysł w teorii wyglądał dobrze, to na tle seryjnego napędu Toyoty Sports 800 wypadał raczej blado. Auto co prawda było oszczędniejsze od seryjnego benzyniaka, ale moc 30 KM na tle 71 KM w pojeździe bazowym nie wyglądało to dobrze. Była to jednak raczej prezentacja możliwości technicznych japońskiego producenta – nowy napęd, zrobiliśmy, dało się! Jednak do produkcyjnego egzemplarza to była jeszcze daleka droga. Niemniej przynajmniej obrano jeden z obiecujących kierunków rozwoju, nawet gdy okazało się, że turbina to jednak ślepa uliczka, sam pomysł jednostki hybrydowej przetrwał. Zresztą Toyota nie była pierwsza z hybrydowym napędem, długo wcześniej jeszcze w… XIX wieku postał pojazd Armstrong Phaeton z 6,5 litrowym dwucylindrowym silnikiem spalinowym i silnikiem elektrycznym, w którym koło zamachowe pełniło jednocześnie rolę dynamo, ale tę opowieść rozwiniemy innym razem – wróćmy do Toyoty i jej hybryd.
Pierwsza generacja napędów hybrydowych Toyoty
Zanim jeszcze na tylnych pasach nadwozi hybrydowych Toyot zaczął pojawiać się doskonale rozpoznawalny napis Hybrid Synergy Drive, japoński producent używał po prostu nazwy Toyota Hybrid System – tak właśnie nazywał się napęd Toyoty Prius I generacji z 1997 roku, która przez pierwsze trzy lata była oferowana wyłącznie na wewnętrznym rynku japońskim, a do reszty świata trafił już model po pewnych modyfikacjach (NHW11). Jednak już ta pierwsza generacja zawierała pewne elementy obecne we wszystkich nowszych generacjach hybryd japońskiego producenta.
Pod maską pierwszego Priusa znajdował się silnik 1.5 VVT-i. Jednostka ta pracowała w cyklu Atkinsona, nieco innym niż powszechny w silnikach spalinowych cykl Otto. Zaletą cyklu Atkinsona jest większa efektywność energetyczna w stosunku do cyklu Otto (mówiąc wprost: mniej energii pochodzącej ze spalenia mieszanki paliwowo-powietrznej się marnuje), ale wadą jest mniejsza moc z jednostki pojemności. Niedostatek mocy w napędzie hybrydowym jest jednak kompensowany przez obecność silnika elektrycznego. Już pierwszy Prius miał dwa takie silniki – jeden pełnił rolę generatora i rozrusznika, drugi był odpowiedzialny za przeniesienie dodatkowej mocy na oś napędową pojazdu. Niestety pierwszy Prius miał też wady – zastosowane w nim akumulatory NiMH były znacznie mniej efektywne od później stosowanych baterii litowo-jonowych. Pierwsza generacja napędów hybrydowych Toyoty miała też problemy z wyciszeniem (wspomaganie elektryczne było naprawdę słychać!) i z utrzymaniem temperatury akumulatorów, w efekcie nie dorównywała trwałością późniejszym generacjom. No i najważniejsze: pierwszy Prius nie zawsze ruszał wyłącznie za pomocą silnika elektrycznego – co jest znakiem rozpoznawszym dzisiejszych hybryd japońskiej marki.
Druga generacja – Hybrid Synergy Drive
Kolejna generacja napędu hybrydowego Toyoty, nazwana już Hybrid Synergy Drive, zadebiutowała wraz z nową generacją Toyoty Prius w 2003 roku. Wraz z tą generacją Toyota zarejestrowała ponad 500 nowych patentów. Zmiany objęły sposób synchronizacji potencjału silnika spalinowego i elektrycznego, dzięki czemu napęd pracował bardziej efektywnie, a pojazd był w stanie ruszać wyłącznie za pomocą silnika elektrycznego, ten spalinowy załączał się przy zapotrzebowaniu na moc i pracował w optymalnym dla efektywności energetycznej zakresie obrotów. Kolejną zmianą było wprowadzenie elektrycznego kompresora klimatyzacji – to rozwiązanie stosowane do dziś. Od drugiej generacji, czyli od wprowadzenia Hybrid Synergy Drive zwiększenie komfortu termicznego w kabinie nie wymaga pracy silnika spalinowego. Akumulatory wciąż były NiMH, ale już o wyższej gęstości elektrolitu i większej pojemności, co pozwoliło na jazdę wyłącznie na napędzie elektrycznym.
Trzecia generacja – pierwsza z trybami jazdy
Wraz z pojawieniem się na rynku Toyoty Prius III generacji w 2009 roku, otrzymaliśmy kolejną generację hybrydowego napędu Hybrid Synergy Drive. Zmian było mnóstwo, wymieniono praktycznie wszystkie (90 proc.) komponentów. Wzrosła pojemność silnika spalinowego do 1.8, wzrosła także moc systemowa hybrydy do 136 KM, a mimo to zużycie paliwa w stosunku do poprzedniej generacji okazało się o niecałe 10 proc. niższe.
Czwarta generacja – dalsze usprawnienia
Wraz z debiutem, czwartej i wciąż aktualnej dla wielu modeli Toyoty, generacji Hybrid Synergy Drive udało się uzyskać dalsze zwiększenie efektywności tego napędu. Toyota chwali się, że napęd hybrydowy 4. generacji jest o 41 proc. bardziej wydajny od napędu wspomnianego wcześniej Priusa I z 1997 roku. W tym napędzie wciąż mamy doskonale już znane, cztery zasadnicze komponenty układu hybrydowego: silnik spalinowy, silnik elektryczny, generator (czyli kolejny silnik elektryczny) oraz akumulator trakcyjny. Całością steruje komputer za pośrednictwem przekładni planetarnej. Podczas postoju hybrydowa Toyota nie zużywa w ogóle energii napędu. Owszem, wciąż działają multimedia, czy klimatyzacja, ale do tego wystarcza akumulator (litowo-jonowy). Przekładnia planetarna od strony użytkownika zachowuje się jak bezstopniowa przekładnia CVT, ale de facto działa zupełnie inaczej. Na dodatek w czwartej generacji całkowicie ją przeprojektowano – wcześniej silniki elektryczne w układach hybrydowych Toyoty były ułożone na jednej osi. W 4. generacji silniki MG1 i MG2 są umieszczone na dwóch równoległych osiach, co pozwoliło zmniejszyć masę przekładni o 20 proc. i zmniejszyć jej rozmiary.
W czwartej generacji zmianom poddano także same silniki elektryczne. Przeprojektowano ich uzwojenie (zastosowano po raz pierwszy uzwojenie segmentowe), co pozwoliło na ich pracę z większymi natężeniami prądu, a to oznacza większy moment obrotowy i moc silników elektrycznych. To czuć podczas jazdy. Bardziej zwarta i kompaktowa budowa jednostek elektrycznych nie pozostała bez wpływu dla ich wytrzymałości, nawet przy większych obciążeniach. O ile w pierwszym Priusie silnik elektryczny rozpędzał się do prędkości obrotowej rzędu 6000 obr./min. to w dzisiejszych CH-R, czy Corolli z HSD nawet 17 tys. obr./min. nie robi na tej konstrukcji większego wrażenia.
Rozruch silnika benzynowego odbywa się za sprawą generatora MG1. W tym czasie napędowa jednostka elektryczna MG2 jest kontrolowana tak, aby uniemożliwiać ruch samochodu. Dzięki temu auto hybrydowe nie potrzebuje systemu wspomagania ruszania na wzniesieniu. Podczas postoju z włączonym silnikiem benzynowym (np. w trybie Sport), MG1 służy za generator, ładując baterię. W sytuacji, gdy nie korzystamy z dynamiki, auto startuje i jest napędzane wyłącznie przez silnik elektryczny MG2. Podczas szybszej jazdy w napędzie auta biorą udział wszystkie jednostki, ale mają różne role: silnik spalinowy i MG2 napędzają koła, a regulacja prędkości generatora MG1 powoduje rozdział energii wytworzonej przez silnik spalinowy – ta część energii pochodzącej ze spalania mieszanki paliwowo-powietrznej, która nie trafia na koła jest przetwarzana na prąd i zasila akumulator trakcyjny pojazdu.
Jednostka MG2 również może działać jak generator, odpowiada bowiem za rekuperację, czy odzyskiwanie energii kinetycznej pojazdy podczas zwalniania, zjazdu ze wzniesienia czy hamowania. Faktyczne hamulce są angażowane jedynie w przypadku mocniejszego naciśnięcia pedału hamulca. To z kolei wpływa na wolniejsze zużycie tarcz, klocków i innych komponentów układu hamulcowego.
Zobaczcie nasz test Toyoty RAV4 Black Edition by JBL z napędem hybrydowym
5. generacja Hybrid Synergii Drive – debiutuje w najnowszej Toyocie Corolli Cross
Japończycy mają już gotową kolejną generację swojego flagowego, hybrydowego napędu. Jej piąta odsłona trafi do najnowszej, już zapowiedzianej w grudniu ubiegłego roku (zobaczcie ogłoszone wówczas nowości japońskiej marki) Toyoty Corolli Cross, która z samochodu kompaktowego stała się kompaktowym SUV-em, nieco mniejszym od Toyoty RAV4.
Pojemny i znacznie lżejszy akumulator
Bardzo istotne zmiany w tym napędzie dotyczą akumulatora trakcyjnego napędu hybrydowego. Jest on nie tylko znacznie lżejszy (Toyota twierdzi, że o 40 proc.) w stosunku do poprzedniej generacji napędu hybrydowego, ale jest też w stanie oddawać większą moc. Nowy akumulator składa się ze 180 ogniw litowo-jonowych pracujących z napięciem 3,7 V, co razem daje ciekawą liczbę 666 V. Tak wysoki woltaż przy obniżonym natężeniu prądu oznacza mniejsze straty energii na przewodach. Bateria ta ma pojemność 4,08 Ah – to sporo jak na baterię klasycznej hybrydy. Żeby przeliczyć to na kWh wystarczy przemnożyć 666 przez 4,08 otrzymując w ten sposób 2,7 kWh.
Komponenty spalinowe 5. generacji Hybrid Synergy Drive
Toyota Corolla Cross będzie wyposażona w dwulitrowy, czterocylindrowy silnik benzynowy ze zmiennymi fazami rozrządu (sterowanie hydrauliczne po stronie zaworów wydechowych i elektroniczne po stronie zaworów ssących, co ma zapewnić wyższą precyzję sterowania). To jednostka z serii określanej przez Toyotę nazwą Dynamic Force, choć patrząc na liczby nie wygląda jakoś ultradynamicznie. W wersji przednionapędowej silnik ten ma 171 KM przy 6600 obr./min i do 202 Nm w zakresie od 4400 do 4900 obr./min i charakteryzuje się wysokim stopniem sprężania 13:1. Z kolei jednostka dla wersji AWD (napęd na wszystkie koła) ma jeszcze wyższy stopień sprężania (14:1), ale… jest słabsza i ma 152 KM przy 6600 obr./min. oraz do 190 Nm w zakresie od 4400 do aż 5200 obr./min. Tak wysoki zakres obrotów dla maksymalnego momentu obrotowego może wydawać się bez sensu, ale tak nie jest, bo ideą napędu hybrydowego Toyoty jest, by silnik spalinowy w ogóle nie pracował w nieoptymalnym dla niego zakresie obrotów, wówczas pierwsze skrzypce gra elektryka.
Zanim jednak przejdziemy do elektryki, warto podkreślić jeszcze jedną subtelną, ale mającą znaczenie zmianę. Toyota przeprojektowała przedni, poprzecznie montowany napęd spalinowy w ten sposób, aby można było stosować w nim smarowanie środkami o obniżonej lepkości, co ma wpływ na mniejsze opory i straty energii mechanicznej podczas tej jednostki. Ma to też znaczenie o tyle, że główna przekładnia tego napędu, to wciąż znana nam już przekładnia planetarna, a nie – jak np. w hybrydach Hondy – elektroniczna przekładnia eCVT. Jeżeli działanie tej przekładni nie jest dla Was do końca zrozumiałe, bardzo dobrze pokazuje to poniższe wideo przygotowane przez Wydział Inżynierii Lądowej i Transportu Politechniki Poznańskiej:
Komponenty elektryczne Hybrid Synergy Drive 5. generacji
Udział komponentów elektrycznych w rozdziale potencjału tego napędu jeszcze wzrósł w stosunku do poprzedniej generacji, o czym świadczy choćby taka ciekawostka, że mimo różnic w mocy jednostki spalinowej wersje FWD i AWD najnowszej Toyoty Corolli Cross dysponują identyczną mocą systemową 197 KM (146 kW) i identycznie przyśpieszają do setki – w 8,1 sekundy. Jak to uzyskano? W wersji przednionapędowej, na koła przednie oprócz mocy generowanej przez komponent spalinowy trafia także moc powstała z pracy jednostki elektrycznej o mocy 113 KM (83 kW) i 206 Nm, tym razem dostępnych praktycznie od zera (jak to w elektrykach).
Z kolei tylnonapędową odmianę tego układu wspiera dodatkowo jeszcze jeden silnik elektryczny na tylnej osi, który dysponuje mocą maksymalną 41 KM (30 kW) i 84 Nm momentu obrotowego – nie jest to dużo, ale widać inżynierowie Toyoty uznali, że tyle wystarczy by zapewnić autu lepszą trakcję podczas tras wymagających wsparcia tylnej osi.
Dzięki mocniejszym komponentom elektrycznym, 5. generacja Hybrid Synergy Drive powinna jeszcze rzadziej aktywować napęd spalinowy, co powinno przełożyć się na dalsze obniżenie spalania. Ponadto wyższa moc komponentu elektrycznego oznacza również mocniejszą i bardziej efektywną rekuperację.
Ile realnie pali hybryda 5. generacji? Na to pytanie nie znamy jeszcze odpowiedzi. Danych homologacyjnych jeszcze nie ma, a na test pierwszego modelu z tym napędem, czyli Toyoty Corolli Cross właśnie, będziemy musieli jeszcze poczekać. Producent deklaruje, że auto trafi do polskich salonów realnie dopiero pod koniec tego roku (choć przedsprzedaż tego modelu ma ruszyć w maju 2022 roku).