Tak zmieniał się napęd hybrydowy Toyoty przez 25 lat - od pierwszej do piątej generacji

Zasadę działania napędu hybrydowego Toyoty (Hybrid Synergy Drive) opisałem już w innym tekście. Warto go przeczytać, by lepiej zrozumieć ewolucję napędu na przestrzeni lat - poniżej.

Pierwszy napęd hybrydowy Toyoty, debiutujący w Priusie z 1997 r., opierał się na silniku benzynowym 1,5 litra o mocy 58 KM oraz silniku elektrycznym generującym 40 KM mocy. Po modernizacji w 2000 r., kiedy wprowadzono do sprzedaży Priusa na innych rynkach niż japoński, zwiększono moc silnika spalinowego do 72 KM, a elektrycznego do 45 KM. Silnik elektryczny charakteryzował się wysokim momentem obrotowym (350 Nm), ale i niską maksymalną prędkością obrotową (do 6000 obr./min), przez co pierwszy Prius na samym prądzie (tryb EV) mógł jechać maksymalnie 50 km/h.

Napięcie akumulatora trakcyjnego wynosi tu 274V i dokładnie takie samo napięcie dostaje silnik elektryczny. Niewielka bateria niklowo-wodorkowa zapewnia sprawną pracę układu oraz skromny zasięg na napędzie elektrycznym. Silnik MG 2 służy tu bardziej do wspomagania pracy silnika spalinowego, niż samego poruszania auta. Choć już wtedy Prius ruszał z miejsca wyłącznie na napędzie elektrycznym, zgodnie z opisaną w oddzielnym artykule zasadą działania. Dzięki temu był bardzo ekonomiczny w mieście, ale na trasie nie przewyższał konkurencji.

Druga generacja, debiutująca w Priusie w roku 2003, wprowadziła dość radykalne zmiany. Największą było zastosowanie falownika z boost converterem, podnoszącego napięcie z akumulatora do zasilania silnika elektrycznego, aby osiągnąć wyższą moc MG 2. Napięcie z 202V na baterii zwiększa się do 500V na silniku. Dzięki temu, pomimo utrzymania podobnych wymiarów, MG 2 generuje moc 68 KM i sprawnie napędza auto bez udziału spalinowego. Nawet pojawił się przycisk uruchamiający tryb EV, choć działa on dość krótko.

W Priusie II i tym samym drugiej generacji hybrydy zastosowano ten sam silnik benzynowy 1.5, ale wzmocniony do 79 KM i po raz pierwszy pozbawiony napędzanego paskami osprzętu. Już w pierwszym Priusie stosowano elektryczne wspomaganie kierownicy, ale w drugim również sprężarkę klimatyzacji. Ładowanie akumulatora 12V w każdej hybrydzie zapewnia układ wysokiego napięcia z baterii trakcyjnej i falownik zmieniający napięcie, więc alternatora też nie ma. Warto wspomnieć, że druga generacja napędu hybrydowego zadebiutowała także w innych modelach Toyoty (głównie Camry) oraz w Lexusie RX.

Oszczędniejszy już nie tylko w mieście

Kolejne poważne zmiany pojawiły się w trzeciej generacji (rok 2009). Silnik 1.5 zastąpiono nowym 1.8 o mocy 99 KM, a elektryczny znów wzmocniono, aż do 82 KM, poprzez podniesienie napięcia do 650 V. Dodatkowo zastosowano przekładnię redukcyjną (drugą planetarną) o przełożeniu 2,5, łączącą koło koronowe z MG2 z przekładnią walcową przekazującą moc na koła, co zwielokrotniło moment obrotowy pochodzący z silnika elektrycznego. Podkreślę jednak, że zasada działania napędu w żaden sposób się nie zmieniła.

Te zmiany wpłynęły na mniejszy udział silnika spalinowego w pracy całego napędu, również w trakcie przyspieszania, co znacząco obniżyło zużycie paliwa, również na trasie. Można powiedzieć, że napęd hybrydowy trzeciej generacji był pierwszym, który był oszczędniejszy od porównywalnego spalinowego w każdych warunkach, również pozamiejskich. Choć tak na dobrą sprawę było to dopiero zapowiedzią tego, co miało nadejść.

Z trzecią generacją po raz pierwszy implementowano napęd hybrydowy do popularnych w Europie modeli Yaris i Auris, a także odpowiednika tego drugiego, czyli Lexusa CT 200h. Moc systemowa kompaktowych aut wynosi 136 KM, czyli jest wyższa nie tylko od wcześniejszych generacji, ale nawet niż w nowszej Corolli w wersji 1.8 Hybrid. A jak to możliwe?

W czwartej generacji największą zmianą była nowa konstrukcja przekładni. "Wyjęto" z układu szeregowego silnik MG 2, dzięki czemu długość przekładni się zmniejszyła, co pozwoliło swobodniej projektować samochody. Tu również chcę podkreślić, że pomimo przeniesienia MG 2 w układ równoległy, zasada działania nie zmieniła się. Z układu zniknął łańcuch napędzający przekładnię walcową, ponieważ to ona od czwartej generacji łączy MG 2 z kołem koronowym przekładni planetarnej (jest pomiędzy nimi). A jednocześnie odbiera moc z przekładni i przekazuje ją dalej na koła.

Kolejne zmiany zaszły w układzie wysokiego napięcia. Uzwojenie silnika MG 2 zmieniono na wyraźnie grubsze - ma 7-krotnie większą powierzchnię. Dużo mniejszy niż wcześniej silnik MG 2 generuje… mniej mocy! Już nie 82, lecz tylko 72 KM (napięcie 600V), co – jak już wspomniałem – sprawiło, że Corolla 1.8 Hybrid (122 KM) jest słabsza od Aurisa 1.8 Hybrid (136 KM). Jednak w nowym modelu postawiono na niższe opory i redukcję obciążeń silnika spalinowego w całym cyklu jazdy, a także podniesienie wydajności baterii trakcyjnej.

Opracowano baterię litowo-jonową, choć jeszcze zamiennie stosowano z niklowo-wodorkową. Pracowano również nad tym, by przyspieszyć proces ładowania baterii w trakcie jazdy. To wszystko sprawiło, że w tych samych warunkach nowa Corolla może przejechać 72 proc. dystansu na napędzie EV w porównaniu do 64 proc. w Aurisie z trzecią generacją hybrydy. Co więcej, czwarta generacja pozwala jechać w trybie elektrycznym z prędkością 130 km/h.

Kolejną nowością czwartej generacji jest silnik 2.0, jako mocniejszy wariant dla 1.8 Hybrid. Motor ten znacząco różni się od 1.8, ma m.in. podwójny rodzaj wtrysku –pośredni i bezpośredni. Z tą jednostką napęd generuje łącznie 184 KM mocy. Taki sam pojawił się w Toyocie C-HR po faceliftingu. Wspomnę krótko o dwóch kolejnych masowych napędach hybrydowych, jakie pojawiły się wraz z czwartą generacją tego rozwiązania. Do małych samochodów (Yaris) użyto kompaktowego silnika 3-cylindrowego 1.5, natomiast do dużych, jak Camry, RAV-4 czy Highlander zastosowano silnik 2.5. Szczególnie jeśli chodzi o ten mniejszy napęd, to jego przygotowanie było możliwe właśnie dzięki przeniesieniu silnika MG 2 na zewnątrz przekładni i umieszczenie go w sposób równoległy.

Piąta generacja hybrydy Toyoty to najmniejsze zmiany konstrukcyjne w historii, choć wyraźnie odczuwalne względem poprzedniej generacji dla kierowcy. Układ wysokiego napięcia pozostaje bez zmian, poza tym, że nie ma już w nim akumulatora niklowo-wodorkowego. Napięcie 207 V jest konwertowane na 600 V jak wcześniej, ale nowy silnik MG 2 daje już nie 72 KM, lecz 95 KM mocy. Poprawiło to wydajność całego napędu, ale i zwiększyło moc systemową w wariancie 1.8 do 140 KM, a w wariancie 2.0 do 196-197 KM. Ten mocniejszy wariant i jednocześnie debiut piątej generacji hybrydy na rynku europejskim miał miejsce w modelu Corolla Cross.

W efekcie udział napędu elektrycznego jest wyraźnie większy w piątej generacji w stosunku do czwartej, a nieporównywalnie większy względem trzeciej. Pierwsze wrażenie jest takie, że jedziemy samochodem elektrycznym, do momentu włączenia się silnika spalinowego. Natomiast przesiadka np. z Aurisa do nowej Corolli dla niejednego klienta będzie szokiem, nawet jeśli wybiorą oni słabszy wariant 1.8. Więcej na ten temat przeczytacie w tekście poniżej.