Prawie ćwierć wieku hybryd – Toyota miała dużo czasu, by udoskonalić swój napęd. Oto, jak się zmienił

Ciężko uwierzyć, że od rynkowej premiery Priusa, pierwszej masowo produkowanej hybrydy, minęły 23 lata. W tym czasie Toyota zrobiła ogromny krok w technologii, która zagościła już w ok. 15 mln aut koncernu, wliczając w to modele Lexusa. Jak wygląda dziś, a jak wyglądała podczas debiutu?

Elektryfikacja aut to nowość? Bynajmniej. I wcale nie mówię tu o śmiałych elektrykach jeszcze z lat 70. czy 80. jak np. elektryczny Mercedes W123, czy VW T2 Elektro Transpoter, które nigdy nie wyszły ze świata eksperymentalnego do codziennego. Pierwszym globalnie oferowanym autem hybrydowym była Toyota Prius, która w 1997 roku rozpoczęła zelektryfikowaną przygodę japońskiego koncernu.

Patrząc z dzisiejszego punktu widzenia, jej osiągi były raczej marne – hybrydowy układ opierał się na benzynowej jednostce 1.5 o mocy zaledwie 58 lub 72 KM i elektrycznym silniku generującym od 40 do 44 KM. Przyspieszenie do setki trwało prawie 14 s, a prędkość maksymalna wynosiła niecałe 160 km/h. Ale pamiętajmy, że była to 2. połowa lat 90. Technologia hybrydowa była wtedy czymś zupełnie nowym.

Swoją drogą, pierwszy Prius nie zrobił spektakularnej kariery. Wyprodukowano "tylko" nieco ponad 70 tys. sztuk. Ale Toyota brnęła dalej, a II generacja Priusa na dobre spopularyzowała hybrydowy napęd, który przez lata był udoskonalany, a potem też wykorzystywany w kolejnych autach. I tak dziś koncern Toyoty oferuje aż 20 modeli z mieszanym napędem.

Z każdym rokiem ich sprzedaż rośnie, a w 2019 r. hybrydy stanowiły większość (52 proc.) sprzedaży koncernu w Europie. Również w Polsce auta świetnie sobie radzą, a większość egzemplarzy Yarisa (80 proc.) czy C-HR (90 proc.) wyjeżdża z salonów właśnie z napędem hybrydowym.

Zanim przejdę do szczegółów dotyczących różnic między podzespołami pierwszej i czwartej generacji napędu, najpierw pokrótce wyjaśnię, jak on w ogóle działa. Z grubsza wiadomo, jest silnik spalinowy, jest elektryczny, czary-mary i jakoś ze sobą współpracując, powodują, że koła się kręcą, samochód jedzie, a okoliczna flora jest szczęśliwa z mniejszej emisji szkodliwych substancji.

Na wstępie trzeba zaznaczyć, że w napędzie hybrydowym silnik spalinowy nie pracuje w cyklu Otta, a w cyklu Atkinsona, co oznacza, że zawór dolotowy pozostaje nieco dłużej w pozycji otwartej podczas suwu sprężania. Dzięki temu, co prawda końcowa moc silnika jest nieco niższa, ale jednostka charakteryzuje się większą sprawnością (41 proc.).

Współpracę silnika spalinowego i elektrycznego spina tzw. przekładnia hybrydowa. Składa się ona z 2 generatorów – MG1 i MG2 oraz przekładni planetarnej (MG1 połączony jest z kołem koronowym, a MG2 – z kołem słonecznym). Pierwszy z nich zastępuje rozrusznik, a także służy jako generator prądu podczas postoju z włączonym silnikiem spalinowym. W tym czasie MG2 uniemożliwia ruch samochodu. Inaczej jest jednak przy ładowaniu baterii podczas hamowania – wtedy to koła obracają MG2, który ładuje akumulatory.

Za ruch samochodu z wykorzystaniem wyłącznie prądu odpowiada z kolei generator MG2 (połączony na stałe z kołami), zaś MG1 obraca się w tym czasie swobodnie, nie generując prądu. Nieco inaczej jest przy jeździe z wykorzystaniem obu napędów – wówczas do pracy dołącza MG1, który reguluje, czy całą energię wytworzoną przez silnik spalinowy przekazać na koła, czy część przekazać do akumulatorów.

Jakie jeszcze znajdziemy ważne podzespoły w napędzie hybrydowym? M.in. falownik, który odpowiada za zamianę prądu stałego na prąd zmienny i odwrotnie. Jest to niezbędne, ponieważ energia kumulowana jest w bateriach jako prąd stały, a podzespoły napędzane są prądem zmiennym.

W napędach spotkamy też tzw. konwerter Boost, który pozwala na ponad 2-krotne podniesienie napięcia prądu, przekazywanego do silnika. Dzięki temu baterie pracują na niższym napięciu, a cała operacja przekłada się na większą moc oraz rozszerzenie zakresu maksymalnych obrotów silnika elektrycznego.

Jedną z najważniejszych zmian jest wzajemne ułożenie generatorów MG1 i MG2 – dopiero w obecnej, 4. generacji napędu, zostały umieszczone równolegle, wcześniej ulokowane były szeregowo. Dzięki temu udało się nie tylko zredukować masę o 20 proc., ale także poprawić kompaktowość przekładni – jej szerokość zmniejszyła się o prawie 5 cm.

Z kolei w silniku elektrycznym, poza tym, że jest mniejszy i lżejszy, zmieniono uzwojenie na segmentowe, dzięki czemu możliwa jest praca z wykorzystaniem większego natężenia. To nie tylko bezpośrednio przekłada się na ograniczenie strat w układzie (o 46 proc.), ale także większą moc – pierwszy silnik elektryczny w Priusie miał 40-44 KM, teraz jednostka ma 72 KM. Wpływ na to ma także zastosowanie wcześniej wspomnianego konwertera Boost – silnik elektryczny w 1997 r. pracował pod napięciem nieco ponad 270 V – dziś jest to już 600-650 V.

Dzięki konwerterowi możliwe było też zmniejszenie liczby ogniw w akumulatorach – z 228 do 168, co wpłynęło na mniejszą wielkość i masę oraz umożliwiło zamontowanie jej pod podłogą – pierwszy Prius miał ją za tylnymi siedzeniami.

Dodatkowo maszyna elektryczna pracuje na znacznie większych obrotach – w połowie lat 90. było to 6 tys. obr/min., teraz osiąga nawet 17 tys. obr/min., dzięki czemu wzrosła maksymalna możliwa prędkość jazdy wyłącznie na prądzie – z 50 do 130 km/h. Zmienił się również falownik – jest nie tylko wydajniejszy (do 10 tys. operacji/s), ale też o połowę lżejszy od tego, wykorzystanego w pierwszym Priusie. Co więcej, ma własny, niezależny układ chłodzący, który utrzymuje go w temperaturze 50 st. C.

Wszystko to pozwoliło na maksymalne skompensowanie różnic między klasyczną wersją spalinową a hybrydową. Obecna generacja Corolli w wersji hybrydowej jest 20 kg cięższa od benzynowej odmiany, a pod względem miejsca dla pasażerów czy pojemności bagażnika nie różni się w ogóle. Ogrom zmian, jakich przez te 23 lata dokonała Toyota, jest naprawdę imponujący. Aż trudno sobie wyobrazić, co by było, gdyby po pierwszej generacji Priusa menadżerowie zdecydowali o zakończeniu tego epizodu. W końcu powstała w czasach, gdy ekolodzy mogli tylko pomarzyć o tak ostrych normach emisji spalin, jakie dziś obowiązują.