Hybrydowy układ napędowy to taki napęd, który może wykorzystywać dwa odmienne źródła energii.
Napęd hybrydowy nie musi składać się z kombinacji napędu silnikiem spalinowym i silnikiem elektrycznym.
Dziś najczęściej stosuje się elektryczny napęd hybrydowy.
Maszyna elektryczna dysponuje dużym momentem obrotowym przy małej prędkości obrotowej.
Hybrydowe napędy łączące silnik elektryczny z silnikiem spalinowym dzieli się na napędy szeregow, równoległe lub ich kombinacje.
Za pierwsze pojazdy hybrydowe można więc uznać greckie i rzymskie statki, w których stosowano do napędu siłę mięśni (napęd wiosłowy) i pęd wiatru (napęd żaglowy).
Statek grecki (Triera). Do napędzania jednostki używano siły mięśni załogi lub pędu wiatru. Źródło: Domena publiczna/F. Mitchell, Department of History, United States Military Academy
Współcześnie napęd hybrydowy popularny jest w łodziach podwodnych. Przy zanurzeniu do napędu śruby używa się tam silników elektrycznych, a przy wynurzeniu śruba napędzana jest silnikiem spalinowym. Innym przykładem jest rower elektryczny, który może być napędzany siłą ludzkich mięśni lub silnikiem elektrycznym.
Najwięcej popularności napędy hybrydowe zdobywają w przemyśle motoryzacyjnym – jako źródła napędu samochodów. Najczęściej silnik spalinowy łączony jest z silnikiem elektrycznym. Wynika to z niewielkich wymiarów silników elektrycznych, dość łatwego magazynowania energii oraz możliwości łatwego sterowania.
Podstawowe funkcje zelektryfikowanego napędu hybrydowego. Energia elektryczna z akumulatorów używana jest tylko w krótkich okresach czasu. Źródło: Domena publiczna
Po co stosuje się napęd hybrydowy?
Napędy hybrydowe pierwotnie miały za zadanie zapewnić napęd pojazdu w warunkach, kiedy niemożliwe było skorzystanie z jednego rodzaju napędu. Jako dodatkowe źródło energii wykorzystywano akumulatory mechaniczne (koła zamachowe), hydrauliczne (akumulator hydrauliczny) czy pneumatyczne (akumulator ciśnienia).
Dziś najczęściej stosuje się elektryczny napęd hybrydowy – przede wszystkim z 3 głównych powodów:
zmniejszenia zużycia paliwa,
zmniejszenia emisji substancji szkodliwych w spalinach,
zwiększenia momentu obrotowego i mocy dostarczanych do kół pojazdu.
Możliwe jest to dzięki wsparciu silnika spalinowego pracą silnika elektrycznego w najbardziej niekorzystnych dla silnika spalinowego warunkach, czyli w najbardziej nieekonomicznych zakresach pracy. Ma to miejsce najczęściej podczas ruszania czy gwałtownego przyspieszania, czyli wtedy, gdy występuje największe zapotrzebowanie na energię do napędzania pojazdu.
Taki napęd ma także za zadanie:
odzyskiwanie energii wynikającej z ruchu pojazdu,
napędzanie pojazdu niezależnie od pierwotnego źródła napędu.
Hybrydy nie tylko elektryczne
Napęd hybrydowy nie musi składać się z kombinacji napędu silnikiem spalinowym i silnikiem elektrycznym. W latach 80. XX w. Volvo prowadziło eksperymenty z autobusami, w których dodatkowym źródłem napędu były silniki hydrauliczne napędzane przepływem cieczy z akumulatorów hydraulicznych. Akumulator hydrauliczny jest potencjalnie tańszy i trwalszy niż akumulatory elektryczne. Wymaga jednak większej ilości miejsca, aby zapewnić ten sam zasięg co napęd elektryczny.
Innym przykładem może być koncepcyjna ciężarówka Ford F-350 Mighty Tonka, zaprezentowana w 2002 r. Wyposażona jest w akumulator hydrauliczny, który jest połączony ze skrzynią biegów. Ciśnienie w układzie hydraulicznym jest magazynowane podczas hamowania samochodu. Natomiast w chwili ruszania silnik hydrauliczny sprzężony ze skrzynią biegów może napędzać samochód przez maksymalnie 15 s, wykorzystując tylko energię z układu hydraulicznego. W tym czasie silnik spalinowy nie bierze udziału w napędzaniu samochodu.
Popularne było także magazynowanie energii mechanicznej za pomocą koła zamachowego. Ze względu na dużą masę wirującą spotkać je można było głównie w sprzęcie wojskowym i pojazdach ciężkich, takich jak autobusy (Gyrobus). Rozwiązanie stosowane w 1951 r. w autobusie Gyrobus polegało na zabudowaniu w podwoziu koła zamachowego o średnicy 160 cm i masie 1,5 t. Koło było napędzane do prędkości obrotowej równej 3000 obr./min z sieci trakcyjnej na przystanku. Po odłączeniu od sieci trakcyjnej napędzało zainstalowany na jego wale generator, który zasilał silniki trakcyjne autobusu.
Układ napędowy autobusu Gyrobus (a) i koło zamachowe z prądnicą (b). 1 – koło zamachowe z generatorem
Rozwiązanie to jednak nie przyniosło spektakularnych efektów. Koło zamachowe było ciężkie, a efekt żyroskopowy wpływał na prowadzenie autobusu. Ponadto łożyska koła zamachowego ulegały częstej awarii, co przy prędkości obwodowej koła zamachowego wynoszącej ok. 900 km/h stanowiło istotny problem związany z bezpieczeństwem.
Dlaczego napęd elektryczny?
Połączenie silnika spalinowego z silnikiem elektrycznym okazało się rozwiązaniem skuteczniejszym z kilku powodów:
maszyna elektryczna dysponuje dużym momentem obrotowym przy małej prędkości obrotowej i w ten sposób może idealnie uzupełnić silnik spalinowy , w którym moment obrotowy zwiększa się dopiero w zakresie średnich prędkości obrotowych,
, w którym moment obrotowy zwiększa się dopiero w zakresie średnich prędkości obrotowych, wspomaganie silnikiem elektrycznym umożliwia pracę silnika spalinowego w zakresie największej sprawności lub najmniejszej emisji substancji szkodliwych w spalinach,
zastosowanie silnika elektrycznego umożliwia użycie mniejszego silnika spalinowego,
przy obecnym rozwoju elektroniki możliwe jest łatwe sterowanie układem napędowym,
sterowanie łatwo można zintegrować z pozostałymi komponentami samochodu,
można stosować źródła energii, które są w stanie szybko przyjąć i szybko oddać zgromadzoną energię (kondensatory, superkondensatory),
niewielkie gabaryty przy dużej mocy silników elektrycznych.
Charakterystyka napędowa samochodu z silnikiem spalinowym i elektrycznym. Parabole określają zmianę przebiegu momentu obrotowego w funkcji prędkości pojazdu na poszczególnych biegach – przy napędzie silnikiem spalinowym – co bezpośrednio wynika z oporów jazdy. Linia przerywana przedstawia zmianę momentu obrotowego dla silnika elektrycznego. Źródło: Domena publiczna
Rodzaje elektrycznych napędów hybrydowych
Hybrydowe napędy łączące silnik elektryczny z silnikiem spalinowym dzieli się na napędy:
Szeregowe – silnik spalinowy pracuje cały czas w optymalnym zakresie obrotów, napędzając generator prądu. Energia elektryczna z generatora jest przekazywana do silnika lub silników elektrycznych napędzających koła, a nadmiar energii przekazywany jest do akumulatorów. Możliwy jest odzysk energii przez rekuperację, czyli w trakcie hamowania pojazdem. Energia kinetyczna zamieniana jest w energię elektryczną przez silnik trakcyjny, który pracuje jako generator. Silnik elektryczny w razie potrzeby może również korzystać z energii zgromadzonej w akumulatorach i napędzać pojazd niezależnie od silnika spalinowego. W tym przypadku nie ma bezpośredniego przeniesienia momentu obrotowego z silnika spalinowego na koła. Przykłady zastosowania: BMW i3 z Range Extenderem, Fisker Karma.
Szeregowy napęd hybrydowy. Źródło: Domena publiczna
Szeregowo-równoległe – kombinacja napędu szeregowego z równoległym polega na tym, że silnik spalinowy i silniki elektryczne mogą niezależnie napędzać koła pojazdu, ale mogą też napędzać je wspólnie. Główna różnica w stosunku do napędu szeregowego polega na zastosowaniu sprzęgła między silnikiem elektrycznym a generatorem. Napęd ten jest napędem kombinowanym, co oznacza, że silnik spalinowy może bezpośrednio napędzać koła pojazdu przez przekładnię mechaniczną, ale może też pracować jako napęd generatora, który napędzają trakcyjne silniki elektryczne. Przykłady zastosowania: Lexus GS450h.
Szeregowo-równoległy napęd hybrydowy z rozdziałem mocy. Źródło: Fred the Oysteri The source code of this SVG is valid. This vector image was created with Adobe Illustrator., CC BY-SA 4.0
Równoległe – napędy równoległe można podzielić na napędy o jednym sprzęgle, dwóch sprzęgłach i rozdzielonych osiach. W układach hybrydowych o jednym i dwóch sprzęgłach silnik elektryczny i silnik spalinowy z założenia napędzają jedną oś pojazdu. Aby mieć możliwość rozdzielenia prędkości obrotowych silnika spalinowego i silnika elektrycznego, oba silniki muszą być od siebie mechanicznie rozdzielone. W napędzie równoległym jest to możliwe przez fizyczne oddzielenie napędu spalinowego od napędu elektrycznego. Gdy potrzebna jest duża moc, silnik elektryczny i spalinowy mogą pracować równolegle. Podczas hamowania silnik elektryczny jest generatorem energii elektrycznej. Napęd silnikiem elektrycznym realizowany jest przez rozsprzęglenie silnika spalinowego w celu uniknięcia niepotrzebnych strat energii. Z tego powodu sprawność napędu równoległego jest większa niż innych odmian napędu hybrydowego.
Napęd równoległy umożliwia fizyczne rozdzielenie napędu silnikiem spalinowym od napędu silnikiem elektrycznym. Źródło: CC BY-SA 2.5,
W napędzie z rozdzielonymi osiami silnik spalinowy napędza oś przednią, natomiast silnik elektryczny – oś tylną. Przez oś tylną następuje też ładowanie akumulatorów podczas odzysku energii hamowania. W sytuacji, gdy oba napędy są aktywne, mamy do czynienia z napędem na 4 koła. Napędy na poszczególne osie mogą działać w tym układzie niezależnie i mogą być niezależnie odłączane.
Napędy o rozdzielonej mocy, dwuzakresowy i z dwusprzęgłową skrzynią biegów – połączenie silnika elektrycznego z dwusprzęgłową skrzynią biegów daje pewne możliwości optymalizacji pracy silnika spalinowego.
Dwusprzęgłowa skrzynia biegów umożliwia połączenie silnika elektrycznego z jednym z zespołów skrzyni biegów, pracę tego silnika przy innej wartości przełożenia niż wartość przełożenia drugiego zespołu skrzyni biegów, z którym połączony jest silnik spalinowy. To umożliwia ustalenie optymalnych warunków pracy maszyny elektrycznej, niezależnie od punktów pracy silnika spalinowego.
W napędzie o rozdzielonej mocy punktem centralnym jest przekładnia planetarna, która odpowiada za podział mocy z silnika spalinowego na dwie drogi – do napędu kół i do napędu generatora. Dzięki przekładni planetarnej maszyna elektryczna dopasowuje prędkość obrotową i moc silnika spalinowego do zapotrzebowania na prędkość obrotową kół i moment napędowy. W tym układzie przekazywanie mocy drogą mechaniczną jest możliwe tylko wtedy, gdy jest napędzana maszyna elektryczna, czyli gdy występuje obciążenie elektryczne generatora.
W napędzie dwuzakresowym zastosowano dwie przekładnie planetarne, z czego jedna jest napędzana mechanicznie, a druga elektrycznie. Rozwiązanie to pozwala na zwiększenie sprawności dzięki zwiększeniu możliwości realizacji połączeń wałów wejściowych i wyjściowych. Bezpośrednie przełożenie mechaniczne jest tutaj możliwe dzięki zastosowaniu dwóch sprzęgieł blokujących jarzma satelit.
Hybrydy typu Plug-In – samochody typu Plug-In Hybrid (PHEV) mają dwie charakterystyczne cechy:
– można je ładować z sieci zewnętrznej,
– mogą poruszać się z wykorzystaniem napędu elektrycznego.
Pojazdy PHEV mogą być wyposażone w napęd szeregowy lub równoległy, jednak dodatkowo są wyposażone w akumulatory o większej pojemności, które mogą być doładowywane z sieci zewnętrznej. Na pewnych dystansach mogą być zupełnie niezależne od zasilania paliwem ciekłym.
Mitsubishi Outlander PHEV. Z przodu samochodu znajduje się silnik spalinowy z generatorem prądu, pod podłogą – bateria akumulatorów, natomiast w tylnej części – zbiornik paliwa, a za nim silnik elektryczny napędzający tylną oś. W trakcie jazdy z wykorzystaniem silnika spalinowego akumulatory są doładowywane przez generator. W trakcie hamowania silnik elektryczny pracuje jako generator, ładując akumulatory przez odzysk energii. Podczas przyspieszania silnik spalinowy napędza koła przednie, a silnik elektryczny napędza koła tylne. To rozwiązanie pozwala też na napędzanie równocześnie 4 kół bez stosowania dodatkowego przeniesienia napędu na tylną oś. Dodatkowo w tym modelu możliwe jest doładowywanie akumulatorów z sieci elektrycznej. Źródło: Mitsubishi
Mild Hybrid, start-stop, Power Assist – „mild hybrid” („łagodna hybryda”) oznacza, że samochód nie jest wyposażony w niezależne dodatkowe źródło napędu, czyli musi stale korzystać z pierwotnego napędu silnikiem spalinowym. Sterowanie silnikiem spalinowym jest jednak zmodyfikowane, aby możliwe stało się spełnienie norm emisji spalin. Pierwszym systemem z rodziny „łagodnej hybrydy” jest system „start-stop”, który polega na automatycznym wyłączaniu silnika spalinowego podczas postoju – np. na światłach. Aby jednak systemy elektryczne i komfortu działały w czasie postoju, osprzęt silnika musiał zostać zmodyfikowany. Przede wszystkim zastosowano elektrycznie napędzany kompresor układu klimatyzacji. Kolejnym rozwiązaniem jest funkcja „Power Assist”, która polega na zastosowaniu dodatkowego silnika elektrycznego sprzężonego z silnikiem spalinowym. Silnik elektryczny nie jest jednak silnikiem trakcyjnym, lecz pełni funkcję wspomagającą wtedy, gdy występuje duże zapotrzebowanie na moment obrotowy. Silnik elektryczny jest połączony przekładnią pasową z wałem korbowym silnika spalinowego i pełni też funkcję generatora prądu, pozwalając na odzyskiwanie energii podczas hamowania silnikiem. Silnik ten pełni także funkcję rozrusznika dla silnika spalinowego.
Silnik elektryczny wspomagający silnik spalinowy jest rozwiązaniem typu „mild hybrid”. Źródło: Raven Media – Maciej Blum
Mimo potocznego nazywania tych systemów hybrydowymi nie są one napędami hybrydowymi, ponieważ głównym i jedynym źródłem napędu samochodu jest silnik spalinowy. Silnik elektryczny pełni natomiast funkcję wspomagającą.
Hybrydy to dziś najważniejszy napęd Toyoty
23 lata rozwoju technologii hybrydowej – napęd hybrydowy 4. generacji jest o 41% bardziej wydajny od Priusa z 1997 roku
Wszystkie komponenty napędu hybrydowego 4. generacji zostały gruntownie przeprojektowane – to najbardziej zaawansowany technicznie hybrydowy układ napędowy na rynku
Prosta i dopracowana konstrukcja gwarantuje bardzo wysoką niezawodność hybryd
Hybrydy obniżają emisję szkodliwych substancji dzięki niższemu spalaniu oraz mniejszym emisjom niespalinowym
Hybrydy to dziś najważniejszy napęd w gamie Toyoty. W ciągu 23 lat doświadczeń Toyota opracowała 4 generacje napędu hybrydowego, a wspólnie z marką Lexus oferuje obecnie 44 modele hybrydowe i sprzedała ponad 15 milionów tych samochodów. Hybrydy obu marek pokonują łącznie 0,5 miliarda kilometrów dziennie.
Hybrydy 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 oraz substancji toksycznych – zapewniając Toyocie i Lexusowi spełnienie nowych bardzo rygorystycznych norm emisji spalin. Hybrydy przyczyniają się także do radykalnego obniżenia emisji niespalinowych – dzięki hamowaniu z wykorzystaniem rekuperacji zostało znacząco ograniczone ścieranie klocków hamulcowych. Jednocześnie prostota konstrukcji hybrydowego układu napędowego gwarantuje wysoką niezawodność.
Konstrukcja napędu hybrydowego Toyoty
Hybryda to połączenie silnika benzynowego i elektrycznego, generatora oraz akumulatora trakcyjnego. Całością steruje komputer za pośrednictwem przekładni planetarnej, która stanowi serce układu. Przekładnia planetarna 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.
To dzięki przekładni samochód hybrydowy może ruszyć bez uruchomienia silnika benzynowego, korzystać w pełnym zakresie prędkości auta z wąskiego przedziału najbardziej efektywnych obrotów jednostki spalinowej oraz ładować baterię podczas postoju samochodu.
Równie istotną rolę odgrywają 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. Generator MG1 pełni także rolę rozrusznika. MG2 jest na stałe połączony z kołami, a wsparcie z silnika benzynowego jest do niego dołączane poprzez układ zębatek.
Przekładnia hybrydowa nowej konstrukcji
Przekładnia hybrydowa to połączenie w jednej obudowie przekładni planetarnej i dwóch maszyn elektrycznych MG1 i MG2. Aż do 3. generacji układu hybrydowego Toyoty silniki elektryczne były ułożone na jednej osi. Opracowując najnowszą generację, konstruktorzy umieścili silniki MG1 i MG2 na dwóch równoległych osiach, co pozwoliło zmniejszyć szerokość przekładni o 47 mm i jej masę o 20%.
Silniki elektryczne również zostały mocno przebudowane. Są mniejsze i lżejsze, a ich uzwojenie zmieniono na segmentowe, co zwiększa jego przekrój i umożliwia większe natężenia prądu. To przekłada się na większą moc i moment obrotowy, a jednocześnie ogranicza straty i ryzyko zwarcia. W porównaniu z pierwszym Priusem, hybrydy 4. generacji dysponują silnikami elektrycznymi o niemal trzykrotnie większej maksymalnej prędkości obrotowej (wzrost z 6 000 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%.
Dzięki szczególnej budowie przekładni planetarnej 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 nieporównanie 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, wydłużając jego żywotność.
Działanie przekładni hybrydowej
Zasady działania przekładni hybrydowej nie zmieniły się od 23 lat. Rozruch silnika benzynowego odbywa się za sprawą MG1. W tym czasie MG2 jest kontrolowany tak, aby uniemożliwiał ruch samochodu. Dzięki temu auto hybrydowe nie potrzebuje systemu wspomagania ruszania na wzniesieniu. Podczas postoju z włączonym silnikiem benzynowym, MG1 służy za generator, ładując baterię.
Hybryda 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.
Podczas zwykłej jazdy wszystkie komponenty uczestniczą w działaniu napędu. Regulacja prędkości MG1 powoduje rozdział energii wytworzonej przez silnik spalinowy. Część trafia na koła, a pozostała część może zostać zmagazynowana w baterii.
Podczas zwalniania lub hamowania, koła obracają silnikiem MG2 i zaczyna on działać jak generator, ładując baterię. To powoduje, że samochód 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. Przekłada się to zarówno na niższe koszty użytkowania auta, jak i na znacznie mniejszą emisję cząstek stałych niepochodzących ze spalin.
Za emisje szkodliwych substancji z transportu w mieście 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 niezbędny komponent układu hybrydowego, który zmienia prąd stały na zmienny i odwrotnie. Dzięki temu jest możliwe ładowanie i rozładowywanie baterii. W napędzie hybrydowym 4. generacji Toyota stosuje kompaktowe i lekkie urządzenie składające się z falownika i konwertera typu Boost, które jest o połowę lżejsze od samego falownika z pierwszej 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.
Jednym z atutów napędów hybrydowych Toyoty, które decydują o przewadze tej technologii nad rozwiązaniami innych producentów, jest 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 V-650 V (silnik elektryczny Priusa 1. generacji miał napięcie 273,6 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.
Nowy akumulator litowo-jonowy
Toyota wprowadziła konwerter Boost do swojego układu hybrydowego 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, choć stosunkowo niewielka, jest cały czas doładowywana dzięki wydajnemu systemowi odzyskiwania energii, opartemu na pracy obu silników elektrycznych. Jej wysoka wydajność sprawia, że służy nie tylko do zasilania silnika elektrycznego, ale także elektrycznych pomp chłodzenia falownika i motoru benzynowego oraz systemów i urządzeń pokładowych takich jak radio czy klimatyzacja, które mogą długo działać na postoju.
Nowa bateria 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%. To wraz z wydajnym niezależnym chłodzeniem sprawia, że baterie hybrydowe Toyoty bardzo często są sprawne tak samo długo jak cały samochód. Gdyby jednak potrzebna byłą ich konserwacja, Toyota ma do zaoferowania specjalną gwarancję do 10 lat oraz możliwość wymiany pojedynczych modułów.
Silnik Hybrid Dynamic Force
Całkowicie 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. Ponadto silnik 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. Ma to tym większe znaczenie, że hybrydy 4. generacji przez większość czasu poruszają się z wyłączonym silnikiem benzynowym.
Silniki Hybrid Dynamic Force, podobnie jak wszystkie montowane w hybrydowych samochodach 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 na rynku
Nieustanny rozwój technologii hybrydowej Toyoty, trwający ponad 2 dekady, sprawił, że hybrydy marki 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. Dla przykładu Corolla Hybrid 1.8 waży tylko o 20 kg więcej od benzynowej Corolli 1.2 Turbo. 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.
Hybrydy 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 milionów ton CO2 do atmosfery. Dopracowana przekładnia planetarna z mocniejszym silnikiem elektrycznym i ultra szybkim sterowaniem za pośrednictwem falownika i konwertera sprawiają, że hybrydy 4. generacji poruszają się w miejskich warunkach na samym silniku elektrycznym przez większość czasu jazdy. 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.
Komponenty hybrydowe - Galeria
Napęd hybrydowy w samochodzie
Samochody hybrydowe to prosty sposób na oszczędność i ekologię. Napęd hybrydowy zużywa mniej paliwa dzięki temu, że wykorzystuje energię, która w zwykłych samochodach spalinowych jest marnowana. Po pierwsze, odzyskują energię z hamowania. Po drugie, utrzymują silnik benzynowy w optymalnym zakresie obrotów, kiedy jest najbardziej wydajny i najmniej pali. A jeśli tak pracujący silnik generuje więcej mocy niż samochód potrzebuje do jazdy, to nadwyżka również jest odzyskiwana. Trzeci sposób zapobiegania niepotrzebnym stratom kryje się w samym silniku benzynowym. W hybrydach Toyoty ma on wyjątkowo wysoką sprawność – czyli więcej energii z paliwa przekazuje na koła, a mniej marnuje w postaci ciepła.
Teraz powstaje pytanie, co hybryda robi z tą całą odzyskiwaną energią. Otóż jest ona magazynowana w baterii trakcyjnej, a następnie służy do zasilania silnika elektrycznego. System ten jest na tyle wydajny, że hybrydy Toyoty potrafią poruszać się w bezemisyjnym trybie elektrycznym, czyli przy wyłączonym silniku spalinowym, średnio przez połowę czasu jazdy. W mieście czas jazdy na samym silniku elektrycznym sięga nawet 70-80 procent. I to bez ładowania baterii z zewnętrznej sieci. A niższe spalanie przekłada się na mniejszą emisję CO2 oraz szkodliwych substancji. Wybierając hybrydy, wybieramy ekologię – nie tylko oszczędzamy na paliwie, ale także przyczyniamy się do ograniczenia smogu i wpływu motoryzacji na klimat.
Auta hybrydowe są dostępne na rynku od 1997 roku, a zatem od 24 lat. W Polsce technologia ta zadebiutowała 17 lat temu wraz z premierą Priusa drugiej generacji. Początki były skromne – w pierwszym roku polscy kierowcy kupili tylko 48 egzemplarzy Priusa, jednak wraz z rozbudową gamy modelowej hybryd Toyota weszła z tą technologią na masowy rynek. Obecnie już ponad połowa sprzedaży tej marki w Polsce to samochody hybrydowe, a ich gama obejmuje wszystkie najważniejsze segmenty. Otwiera ją tegoroczny Samochód Roku, czyli Yaris Hybrid czwartej generacji, do którego po wakacjach dołączy SUV Yaris Cross. W klasie kompaktowych hybryd mamy Corollę z nadwoziem Hatchback, Sedan i TS Kombi oraz crossovera Toyota C-HR. Średniej wielkości auta to sedan Camry, liftback Prius i SUV RAV4 – dwa ostatnie oferowane zarówno jako pełna hybryda nieładowana z gniazdka, jak i hybryda plug-in. Największym modelem w gamie hybryd Toyoty jest duży SUV Highlander z 7-miejscowym nadwoziem i hybrydowym napędem na cztery koła w standardzie.
Silnik wodorowy czy napęd wodorowy – jak działają elektryczne samochody na wodór?
Samochody hybrydowe są oszczędne i niskoemisyjne, a jednocześnie oswajają kierowców z elektryfikacją. Jednak ostatecznym celem w perspektywie następnych 30 lat jest osiągnięcie całkowitej bezemisyjności. Obecnie rozwijane są dwie uzupełniające się technologie bezemisyjnego napędu – auta elektryczne na baterie oraz na wodór. Różnica między nimi sprowadza się do tego, skąd silnik elektryczny czerpie energię podczas jazdy. W przypadku samochodów bateryjnych (BEV), zasilany jest dużą baterią, którą trzeba regularnie ładować, co trwa zwykle kilka godzin – w zależności od pojemności baterii i mocy ładowarki. Samochód na wodór ma własną elektrownię – ogniwa paliwowe, w których prąd jest generowany w reakcji wodoru i tlenu. Jedno tankowanie zbiorników wodoru trwa kilka minut i wystarcza na kilkaset kilometrów – Toyota Mirai ma średni zasięg 650 km (wg WLTP), a niedawno pobiła rekord 1003 km przejechanych na jednym tankowaniu.
Choć technika zna takie rozwiązanie jak silnik wodorowy, czyli jednostka spalinowa, w której zamiast benzyny czy oleju napędowego spalany jest wodór, w praktyce nie jest ono stosowane na rynku. Zamiast tego producenci samochodów postawili na dużo bardziej wydajną technologię, czyli elektryczny napęd na wodorowe ogniwa paliwowe.
Motoryzacja oparta na wodorze w ostatnich latach nabiera rozpędu. Na przełomie 2020 i 2021 roku na rynku zadebiutował najnowszy elektryczny samochód wodorowy – Toyota Mirai drugiej generacji, który zastąpił model z 2014 roku. Samochód ten jest nie tylko całkowicie bezemisyjny, ale podczas jazdy oczyszcza powietrze. Wynika to z samej istoty działania elektrycznego napędu wodorowego. Ogniwa paliwowe potrzebują tlenu, który łączy się w nich z wodorem, uwalniając elektrony i tworząc cząsteczki wody. Czerpią go z powietrza, które przed dostaniem się do ogniw musi zostać dokładnie oczyszczone. Służą do tego filtry katalityczne, które usuwają od 90 do 100% zanieczyszczeń o średnicy do 2,5 mikronu z powietrza przelatującego przez system ogniw paliwowych, w tym dwutlenku siarki (SO2), tlenków azotu (NOx) i cząstek stałych PM 2.5.
Toyota Mirai
Toyota Mirai drugiej generacji to duży, prawie 5-metrowy sedan klasy premium z tylnym napędem, zaprojektowany na tej samej platformie co limuzyna Lexus LS oraz luksusowe coupe Lexus LC. Platforma GA-L z serii TNGA zapewnia nisko położony środek ciężkości, świetne właściwości jezdne oraz wyjątkową sztywność nadwozia, która zwiększa odporność na zderzenia. Pięcioosobowa kabina jest przestronna i wykończona na wysokim poziomie.
Mirai jest napędzany elektrycznym silnikiem o mocy 182 KM, zasilanym ogniwami paliwowymi. To moc wystarczająca, by 5-metrowego sedana rozpędzić od 0 do 100 km/h w 9 sekund. Na przejechanie 100 km Mirai zużywa średnio 0,84 kg wodoru, co przekłada się na zasięg 650 km na jednym tankowaniu. Toyota Mirai jest oferowana na polskim rynku i kosztuje od 299 900 zł w wersji Prestige, zaś w wersji Executive od 314 900 zł. Szczegółowe informacje na temat wodorowej Toyoty Mirai znajdziecie tutaj.
Podejście Toyoty do kwestii ekologii
Toyota jest pierwszą marką motoryzacyjną, która na serio potraktowała zadanie obniżenia zużycia paliwa i ograniczenia emisji spalin, rozpoczynając epokę elektryfikacji samochodów. W 1997 roku wprowadziła na rynek Priusa pierwszej generacji, a od 2000 roku rozpoczęła ekspansję technologii hybrydowej na wielu światowych rynkach za sprawą napędu hybrydowego drugiej generacji, który obok Priusa trafił do wielu innych modeli. Napęd hybrydowy trzeciej generacji sprawił, że hybrydowe samochody weszły do głównego nurtu motoryzacji, ich ceny zrównały się z cenami diesli, a Prius o charakterystycznym nadwoziu w kształcie klina stał się synonimem ekologicznego auta.
Obecnie Toyota oferuje na rynku hybrydy czwartej generacji, które są na tyle zaawansowane i wydajne, że w miejskich warunkach poruszają się w bezemisyjnym trybie elektrycznym przez 70-80 procent czasu jazdy – bez ładowania akumulatora z gniazdka czy ładowarki. To przekłada się na bardzo niskie spalanie i sprawia, że Toyota bez trudu mieści się w europejskich limitach emisji CO2. Do tej pory Toyota sprzedała na świecie ponad 18 milionów hybryd, co pozwoliło uniknąć emisji 140 milionów ton CO2.
Choć hybrydy skutecznie obniżają zużycie paliwa i emisję spalin oraz CO2, wiadomo, że głównym celem jest ograniczenie emisji do zera i uniezależnienie świata od paliw kopalnych. Równie ważne jest odzyskanie równowagi w przyrodzie i odtworzenie ekosystemów. Dlatego w 2015 roku japoński koncern ogłosił Toyota Environmental Challenge 2050 – długofalową strategię osiągnięcia neutralności węglowej oraz wprowadzenia takich zmian w funkcjonowaniu firmy na całym świecie, aby nie tylko nie stanowić obciążenia dla środowiska, ale by mieć na nie pozytywny wpływ. Ten ambitny plan można podsumować jednym hasłem – Beyond Zero. Przykładem jego realizacji jest nowa Toyota Mirai – elektryczny samochód na wodór, który nie tylko nie emituje CO2 ani żadnych spalin, ale podczas jazdy oczyszcza powietrze. Przeczytaj więcej na temat technologii wodorowych w świecie motoryzacji.