Jak działa napęd hybrydowy Toyoty? Od 25 lat niezmiennie tak samo, co tylko świadczy o geniuszu japońskich inżynierów

Napęd hybrydowy Toyoty kończy już 25 lat i jest to rozwiązanie, które na stałe i dużymi literami zapisze się na kartach historii motoryzacji. Jeśli do tej pory nie rozumieliście, jak działa hybryda Toyoty, to po tej lekturze wszystko powinno stać się jasne.

Inżynierowie z Toyoty nigdy nie uznawali za sensowne stosowania benzynowego silnika o małej pojemności z turbodoładowaniem w samochodzie masowym. Nie przeczytacie tego w żadnym komunikacie prasowym i najpewniej tego zdania nie autoryzuje żaden rzecznik japońskiego giganta, więc możecie to potraktować jako plotkę, którą złapałem nieoficjalnie i przywiozłem z jednej z konferencji prasowych. Toyota na nasz europejski rynek przygotowała tylko jeden taki silnik – 1.2 Turbo, który instalowano w Aurisie i C-HR, ale na przykład nigdy nie trafił do globalnego modelu Corolla (E170), gdzie jego odpowiednikiem był wolnossący wariant 1.6 Valvematic.

Jak twierdzę, Japońscy inżynierowie byli zdania, że mała turbobenzyna nie jest tak wydajna jak większy silnik wolnossący i jedyny jej sens można odnaleźć w bezsensownym otoczeniu, jakim są europejskie normy emisji spalin. Jednak musieli stworzyć taki motor pod rynek europejski, bo był wymagany, ale był to napęd przejściowy. Przejściowy pomiędzy wolnossącą benzyną i dieslem, a hybrydą, do której jeszcze w połowie minionego dziesięciolecia klienci nie mieli przekonania, choć oczekiwali dobrej dynamiki przy niskim zużyciu paliwa. No i przejściowy pomiędzy erą klasycznych napędów spalinowych, a powszechną hybrydyzacją. Po kilku latach od premiery silnik 1.2 T oczywiście przeszedł do historii jako coś, co nigdy nie powinno powstać.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

W jego miejsce na stałe wprowadzono napęd hybrydowy 1.8 Hybrid czwartej generacji, czyli tej, która sprawiła, że niektóre modele Toyoty są chętniej wybierane przez klientów jako hybrydy, niż zwykłe benzyniaki. O ewolucji, która doprowadziła Toyotę do piątej generacji napędu Hybrid Synergy Drive (HSD), przeczytacie w artykule poniżej:

Co więcej, nikt nawet nie zrobił podobnego. I nie, Ford do Mondeo Hybrid otrzymał go od Toyoty właśnie, dlatego działa tak samo, pomimo zastosowania własnego silnika spalinowego.

Japońska firma 25 lat temu wymyśliła tzw. przekładnię e-CVT, która jest sercem tego rozwiązania. Trzeba wiedzieć, że e-CVT po pierwsze jest tylko nazwą marketingową/handlową, a po drugie, nie ma nic wspólnego konstrukcyjnie z klasyczną przekładnią bezstopniową CVT. Jedyne podobieństwa to bezstopniowa praca i podobne subiektywne odczucia dla kierowcy.

Zatem sercem napędu hybrydowego jest przekładnia planetarna, zwana potocznie e-CVT, a najtrafniejszą nazwą jest Power Split Unit (przekładnia rozdziału mocy). Jest to moduł łączący silnik spalinowy i dwa silniki elektryczne, przy czym jeden z nich - MG1 - to głównie generator, zapewniający prąd baterii trakcyjnej i nie służy bezpośrednio do napędzania samochodu. Natomiast drugi - MG 2 - to tylko silnik napędzający samochód, który nie służy do ładowania baterii trakcyjnej. W pierwszej, drugiej i trzeciej generacji wszystkie te elementy były montowane w jednej osi, szeregowo. Dopiero od czwartej generacji MG 2 jest elementem połączonym równolegle, ale mimo to sama zasada działania się nie zmienia.

Najłatwiej zrozumieć zasadę działania tego napędu w oparciu o wczesne generacje hybrydy, ponieważ można się tu posłużyć prostym schematem typowej przekładni planetarnej, będącej odzwierciedleniem schematu budowy przekładni e-CVT. Czytając poniższy tekst warto często zerkać na ten szkic. A najlepiej chwilę na niego popatrzeć i dopiero zacząć czytać.

Oto przekładnia z kołem słonecznym i planetarnymi, łączącymi koło słoneczne z kołem koronowym. W napędzie hybrydowym Toyoty koło słoneczne jest połączone z generatorem MG 1, a ten jest połączony z silnikiem spalinowym na wspólnym wałku. Silnik spalinowy jest na stałe połączony jarzmem z kołami planetarnymi. Koła planetarne służą do przenoszenia napędu z koła słonecznego na koronowe, a tym samym dalej na przekładnię walcową która przekazuje napęd na koła pojazdu.

Dzięki takiej konstrukcji, praca generatora MG 1, silnika spalinowego i silnika elektrycznego MG 2 może odbywać się niezależnie. Wszystko zależy od tego, jak zachowuje się generator MG 1. Jest on w tym napędzie sprzęgłem łączącym silnik spalinowy (koła planetarne) z kołem koronowym, czyli silnikiem MG 2. Sprzęgnięcie silnika spalinowego i MG 1 następuje wtedy, kiedy MG 1 przechodzi w tryb pracy prądnicowej (ładowania), a więc stawia większy opór, więc zmniejsza się różnica prędkości obrotowej pomiędzy nim, a silnikiem spalinowym, a więc zwiększa się przełożenie. Kiedy silnik spalinowy i MG 1 mają pełne zasprzęglenie (co oznacza, że obracają się ze zbliżoną prędkością obrotową), wówczas cały moment obrotowy z silnika spalinowego przekazywany jest na koło koronowe. Im większy stopień zasprzęglenia, tym też większe przełożenie w napędzie, czyli niejako wyższy bieg i prędkość jazdy.

Zasprzęglenie przebiega w sposób płynny, co oznacza, że i przełożenie zmienia się płynnie, dlatego mówimy tu o przekładni bezstopniowej. To właśnie na tym polega "magia" napędu hybrydowego Toyoty, że różnice prędkości obrotowych poszczególnych elementów przekładni tworzą konkretne przełożenie. A całością zarządza jednostka sterująca określana mianem Power Control Unit.

Kiedy samochód hybrydowy Toyoty (lub Lexusa) rusza z miejsca, pierwszy do akcji wkracza zawsze silnik elektryczny MG 2. Co więcej, tylko przy mocno rozładowanym akumulatorze trakcyjnym możliwe jest ruszanie hybrydą ze współudziałem silnika spalinowego, ale i tak silnik spalinowy w pierwszej fazie ruszania – kiedy tylko kierowca puści pedał hamulca – nie bierze udziału w przekazywaniu napędu na koła, ponieważ w układzie nie ma sprzęgła. Jest to o tyle istotne, że najbardziej energochłonne dla ruchu pojazdu jest właśnie ruszanie, a jednocześnie silnik spalinowy jest w tej fazie najmniej wydajny.

Oznacza to, że w naszym schemacie pracę wykonuje tylko koło koronowe i to ono przenosi napęd na koła poprzez zewnętrzną (niewidoczną na schemacie) przekładnię walcową, która wyprowadza napęd z przekładni planetarnej już na mechanizm różnicowy i dalej na koła pojazdu. Dzięki kołom planetarnym połączonym z silnikiem spalinowym, które swobodnie się obracają wewnątrz koła koronowego, silnik spalinowy nie musi brać udziału w napędzie pojazdu, a kiedy pracuje, kręci jedynie prądnicą MG 1. Kiedy jest wyłączony, koła planetarne obracają się swobodnie po kole słonecznym i wewnątrz koła koronowego.

Kiedy układ hybrydowy wymaga doładowania baterii trakcyjnej, ale auto stoi w miejscu, uruchamia się silnik spalinowy. Zajmuje się tym MG 1 pełniący rolę rozrusznika i jednocześnie tylko w tym momencie staje się silnikiem, napędzając właśnie silnik spalinowy. Dzięki kołom planetarnym i zatrzymaniu kół pojazdu, auto nie rusza z miejsca, ponieważ MG 1 nie jest w trybie pracy prądnicowej, więc nie sprzęgnie koła słonecznego z koronowym. Kiedy tylko silnik spalinowy zaczyna pracować, MG 1 ponownie zmienia się w generator i zaczyna ładować akumulator trakcyjny. Warto jeszcze w tym miejscu zaznaczyć, że MG 1 zastępuje rozrusznik, ale obraca silnikiem znacznie szybciej, z prędkością zbliżoną do biegu jałowego. Podczas rozruchu nie ma więc charakterystycznego dla typowego rozrusznika dźwięku.

Kiedy auto hybrydowe toczy się powoli na parkingu czy w korku, z reguły korzysta z napędu elektrycznego, ale gdy brakuje energii w baterii trakcyjnej, uruchamia się silnik spalinowy. Na tej samej zasadzie jak podczas rozruchu na postoju, choć w tym przypadku działa to jeszcze sprawniej, ponieważ cały układ jest już w ruchu obrotowym.

Użytkownicy jeżdżący swoimi hybrydami z niewielką prędkością, pewnie zauważyli, że prędkość obrotowa silnika spalinowego nie zmienia się podczas toczenia, ale jest lekko podwyższona względem obrotów biegu jałowego. Dzieje się tak dlatego, że zadaniem silnika jest jak najsprawniejsze doładowanie akumulatora trakcyjnego, by znów napęd wszedł w tryb EV.

Samochód jedzie napędzany wyłącznie silnikiem elektrycznym. Kiedy mocy nie wystarcza, do pracy dołącza się silnik spalinowy. Wiemy już, jak jest uruchamiany na postoju. Jednak w trakcie jazdy może zostać włączony do ruchu w przekładni planetarnej jeszcze nim zacznie normalnie pracować. Oznacza to, że poprzez MG 1 i jarzmo z kołami planetarnymi jest najpierw rozkręcany, a następnie podawane jest paliwo i włączany zapłon. To dzięki takiej zasadzie rozruchu, kierowca prawie albo w ogóle nie czuje momentu dołączenia silnika spalinowego podczas jazdy, a co więcej – następuje to błyskawicznie. W trybie sportowym jest jeszcze inaczej, bo choć silnik spalinowy nie bierze udziału w przekazywaniu napędu, to pracuje na obrotach biegu jałowego, co pozwala jeszcze szybciej włączyć się w przekazywanie napędu na koło koronowe i tym samym koła pojazdu. Wówczas reakcja na dodanie gazu jest szybsza niż w innych trybach.

Silnik spalinowy już się włączył, ale co dalej, gdy chcemy zwiększyć prędkość? Kiedy kierowca wciska pedał gazu, wprowadza go na wyższe obroty. W tym czasie jednostka zarządzająca pracą całego napędu, dobiera sprzęgnięcie w MG 1 tak, by utrzymać silnik spalinowy w optymalnych dla danego obciążenia obrotach, zmieniając jednocześnie w sposób płynny przełożenie i tym samym zwiększając prędkość jazdy możliwie najbardziej efektywnie.

Zatem w praktyce, podobnie jak w klasycznej przekładni CVT, za rozpędzanie pojazdu odpowiada zasadniczo zmiana przełożenia, a nie prędkości obrotowej silnika, jak w klasycznej skrzyni biegów ze stałymi przełożeniami. W e-CVT panuje pełna symbioza pomiędzy prędkością obrotową a przełożeniem, które zmieniają się niezależnie i bardzo płynnie. Dlatego w przeciwieństwie do CVT, w e-CVT prędkość obrotowa niekoniecznie wędruje w maksymalne dla jednostki spalinowej rejony, nawet podczas dynamicznego ruszania z miejsca.

Widać to szczególnie w modelach z obrotomierzem, np. w Lexusie RX 450h, gdzie silnik spalinowy V6 generuje sam w sobie dużą moc. Kiedy ruszamy z wciśniętym w podłogę gazem, sinik nie wchodzi natychmiast na najwyższe obroty (jak miałoby to miejsce z CVT), lecz sukcesywnie do zmiany przełożenia nabiera prędkości obrotowej. W ten sposób maksymalnie wydajnie przyspiesza, a jednocześnie dobrze kontrolowana jest trakcja bez samego udziału systemu przeciwpoślizgowego (hamulców).

Kiedy kierowca zdejmuje nogę z pedału przyspieszenia albo zaczyna hamować, zazwyczaj silnik spalinowy wyłącza się lub wchodzi na obroty biegu jałowego (zależnie od wybranego trybu jazdy). Co nie oznacza, że napęd jest bezczynny. Poprzez koła planetarne i pracę przekładni, w czasie wytracania prędkości przez pojazd MG 1 ładuje akumulator trakcyjny. Wówczas napęd na MG 1 przekazuje koło koronowe MG 2, oczywiście za pośrednictwem jarzma z kołami planetarnymi. Ponowne uruchomienie silnika spalinowego, kiedy kierowca zmieni zdanie i wciśnie pedał przyspieszenia, jest natychmiastowe, ponieważ on już się kręci w układzie.

Warto w tym miejscu wspomnieć o stosowanym we wcześniejszych generacjach trybie B (zwiększonej rekuperacji) oraz we współczesnych generacjach trybie S. Przez zmianę położenia drążka, kierowca może wywołać większe obciążenie na MG 1 (niższe przełożenie napędu), tym samym generując większą siłę hamowania samym tylko napędem, a przy okazji intensywniej ładując akumulator trakcyjny. Dodatkowo w samochodach z trybem S może zmieniać to, wybierając jeden z dostępnych poziomów rekuperacji. Jednak tryb S pozwala także na zmianę przełożenia nie tylko w czasie hamowania, ale i rozpędzania, choć jest to raczej umowne, bo i tak o wszystkim decyduje komputer sterujący.

Najwięcej dzieje się, kiedy kierowca lub tempomat stara się utrzymać stałą prędkość jazdy. Wbrew pozorom to wtedy jednostka sterująca pracą napędu ma najwięcej pracy, a wzajemna współpraca poszczególnych mechanizmów zmienia się najczęściej. Silnik spalinowy może bowiem napędzać auto samodzielnie, ale w Toyocie, zwłaszcza napędzie nowych generacji, raczej się tego unika.

Kiedy silnik spalinowy jest nisko obciążony, do pracy wchodzi generator MG 1, który doładowuje baterię trakcyjną. Bateria może być naładowana, a silnik na tyle obciążony, że nie ma sensu dociążać go pracą generatora, więc wtedy pracuje samodzielnie. Kiedy obciążenie się zwiększy, np. zaczynamy jechać pod górkę, dołącza się napęd elektryczny z MG 2. To samo będzie się działo wtedy, gdy tempomat zwiększając obciążenie dąży do utrzymania zadanej prędkości.

Tu można odczuć najbardziej różnicę pomiędzy e-CVT, a klasycznym CVT. Otóż jadąc ze stałą prędkością autem z CVT i włączonym tempomatem, często zmienia się prędkość obrotowa silnika (obroty falują), ponieważ w niewielkim zakresie prędkość względem obciążenia regulowana jest tylko zmianą przełożenia. Innymi słowy i w dużym uproszczeniu, w aucie z CVT tempomat nie zmienia prędkości obrotowej silnika, by delikatnie przyspieszyć lub zwolnić, wprowadzając korektę prędkości jazdy, tylko zmienia przełożenie w przekładni, przez co samoczynnie zmienia się prędkość obrotowa silnika. W hybrydowym napędzie Toyoty silnik może pracować ze stałą prędkością obrotową, a napęd dopędza się silnikiem elektrycznym MG 2, kiedy trzeba zwiększyć moc lub obciąża generatorem MG 1, kiedy trzeba zmniejszyć moc. Dzięki czemu trudniej zaobserwować zmianę prędkości obrotowej jadąc ze stałą prędkością. Kiedy następuje, to w niewielkim zakresie - szczególnie od czwartej generacji.

Przekładnia planetarna Toyoty nie ma biegu wstecznego, a więc jazdę do tyłu realizuje sam silnik elektryczny MG 2. Wystarczy, że jednostka sterująca zmieni fazy i ten zaczyna obracać się w przeciwnym kierunku. W praktyce dzieje się to wtedy, kiedy kierowca zmieni położenie drążka przekładni na R. To dlatego zmiana kierunku jazdy w hybrydach Toyoty następuje niemal bez opóźnień. Podobnie jak w niektórych przekładniach CVT, ale zawsze dużo szybciej niż w hybrydach, w których używa się klasycznych przekładni automatycznych z biegiem wstecznym.

Zawsze należy pamiętać, że podczas jazdy do tyłu, silnik MG 2 ma ograniczoną moc. W pierwszej generacji Priusa cofanie pod wzniesienie było nawet utrudnione, a np. na ulicach San Francisco niemożliwe. W drugiej generacji, po zwiększeniu mocy silnika MG 2 i umożliwieniu doładowania baterii generatorem MG 1, cofanie stało się łatwiejsze. Jeszcze łatwiejsze stało się, kiedy zastosowano przekładnię redukcyjną w trzeciej generacji.

Jeśli chcielibyście uzupełnić informacje zaczerpnięte z tekstu wiedzą z materiału wideo z ruchomymi schematami, to polecam wideo nagrane przez polskiego importera Toyoty, wyjaśniające działanie napędu hybrydowego oraz różnice pomiędzy wczesnymi jego generacjami, a czwartą.

Przede wszystkim dlatego, że to wbrew pozorom niezwykle prosta konstrukcja. Nawet teoretycznie prosty napęd hybrydowy np. Hyundaia Ioniqa jest dużo bardziej skomplikowany, ponieważ za przeniesienie momentu obrotowego na koła odpowiada tam przekładnia dwusprzęgłowa. W planetarnej przekładni Toyoty mamy niemal wszystkie komponenty w jednym miejscu, zazębione solidnymi kołami zębatymi, dzięki czemu jest to element całkowicie niezawodny i niezwykle trwały.

Nawet łańcuch łączący przekładnię planetarną z walcową (we wczesnych generacjach), z której moment jest przekazywany na mechanizm różnicowy, jest bardzo solidny, ale też krótki i bez żadnych napinaczy. Dzięki czemu może przenosić duże siły, pracuje zawsze z odpowiednim naciągiem i nie ma tendencji do luzowania się. Przypomina łańcuch w reduktorze auta terenowego.

Sama idea pracy przekładni bezstopniowej od zarania dziejów była w teorii najbardziej wydajną metodą przeniesienia napędu z silnika na koła samochodu. Problemem zawsze była realizacja. Japońskie przekładnie CVT miewały problemy z pasami napędowymi, kiedy współpracowały z mocniejszymi silnikami, ale np. Audi zrobiło to świetnie w przekładni Multitronic stosując łańcuch i dokładając do przekładni mocnego diesla. To niedocenione z powodu – pomimo stosowania łańcucha - niskiej trwałości rozwiązanie, w praktyce (czyt. kiedy działa) spisuje się bardzo dobrze – kto jeździł takim autem, ten wie.

W hybrydzie Toyoty niedobór mocy silnika wolnossącego przy niskich obrotach rekompensuje wspomaganie silnikiem elektrycznym. Niewielkie straty mocy dzięki konstrukcji planetarnej przekładni sprawiają, że na chwilę obecną jest to najbardziej wydajna, powszechnie stosowana konstrukcja napędu na rynku.