Hybrydowe rozwiązania Toyoty
Od dłuższego czasu mam niewątpliwą przyjemność obcowania z rozwiązaniami, które są efektem najwyraźniej bardzo dobrze przemyślanej strategii rozwoju technologii łączącej napęd klasyczny (silnik spalinowy) z napędem elektrycznym (auta hybrydowe). Dlaczego uważam, że zespół odpowiedzialny za rozwój jednostek hybrydowych wie co robi? Z bardzo prostego powodu – przez ponad 20 lat rozwoju udało im się nie wdrożyć żadnego „podejrzanego” patentu, który z biegiem czasu stał by się solą w oku użytkowników pojazdów tego producenta, każąc im płacić ciężkie pieniądze za naprawę błędów projektowych, konstrukcyjnych czy też wykonawczych, za które odpowiedzialny tak naprawdę jest tylko i wyłącznie producent auta.
Gama rozwiązań hybrydowych koncernu Toyota nie jest szczególnie bogata. Kilka jednostek napędowych, o pojemnościach od 1.5 litra wzwyż, niezbyt mocne parcie w kierunku pluginów, konsekwentne stosowanie jednego typu skrzyń biegów – bezprzełożeniowych CVT, próżno więc na pierwszy rzut oka oczekiwać spektakularnych zmian czy też drastycznych różnic w osiągach wraz z kolejnym prezentowanym modelem samochodu. Silniki 1.8, chyba obecnie najczęściej spotykane, to jednostki pamiętające technologicznie pierwsze lata roku 2000, dopiero w 2019 roku w ofercie pojawiły się dwulitrówki, a obecnie w całej gamie modelowej mamy do wyboru praktycznie tylko 4 możliwości – silniki 1.5, 1.8, 2.0 oraz 2.5. Wszystkie czterocylindrowe. Wszystkie „słabe”, patrząc na ofertę konkurencji. 1.8 i niespełna 100KM mocy? Kto teraz coś takiego robi? No właśnie. Prawie nikt. Tyle, że w latach 90-tych takie moce z podobnych pojemności nie były niczym dziwnym. I silniki osiągały bez większego problemu przebiegi grubo ponad 300 tysięcy kilometrów, nie generując żadnych niespodziewanych awarii.
Jest w tym podejściu pewna logika – duża pojemność wymaga zastosowania odpowiednio większych komponentów do zbudowania jednostki napędowej. Jeśli nie będziemy nadmiernie tych komponentów obciążać – to szansa, że taka niewysilona jednostka zrobi duży przebieg, jest zdecydowanie wyższa, niż w przypadku silnika o pojemności 1.0, który za pomocą turbosprężarki wygeneruje zbliżoną moc, ale będzie miał o niebo większe zmęczenie materiałów wraz z upływem lat.
Toyota w swoim „szaleństwie” poszła jeszcze dalej – silniki spalinowe stosowane w układach HSD (Hybrid Synergy Drive) mają inny cykl spalania, niż w klasycznej jednostce benzynowej. Mowa tutaj o cyklu Atkinsona – a żeby się nie wdawać w szczegóły techniczne – zwrócę uwagę na dwie istotne cechy tego cyklu:
- Jednostka napędowa jest efektywniejsza w zakresach średnich prędkości obrotowych (czyli z określonej ilości paliwa jest w stanie wygenerować większą energię) niż klasyczny silnik pracujący w cyklu Otto,
- Zmniejszony jest moment obrotowy, w szczególności przy niskich prędkościach obrotowych silnika.
Łatwo zauważyć, że mamy jedną istotną zaletę i jedną istotną wadę – silnik jest ekonomiczniejszy, ale tylko w wąskim zakresie prędkości obrotowych. I tutaj z pomocą przychodzi… jednostka napędowa elektryczna. Dzięki załączaniu się silnika elektrycznego podczas rozpędzania samochodu – niski moment obrotowy jego spalinowego brata przestaje być problemem. Ale czy jest coś jeszcze? Oczywiście. To coś to znienawidzona przez wielu skrzynia biegów.
Działanie skrzyni bezprzełożeniowej pozwala na bardzo szybkie ustawienie „biegu” w taki sposób, aby silnik cały czas pracował przy optymalnej w danym momencie prędkości obrotowej. Skrzynia typu CVT (Continously Variable Transmission – bezstopniowa skrzynia biegów) różni się od klasycznego automatu tym, że możemy płynnie sterować przełożeniem – które decyduje o różnicy w szybkości obrotów wałka wejściowego do skrzyni w stosunku do wałka wyjściowego z niej. Działa to trochę tak, jakbyśmy mieli 2 zębatki połączone ze sobą i możliwość płynnej zmiany rozmiarów każdej z nich. Kręcąc jedną ze stałą prędkością (napęd ze strony silnika) i dobierając sobie płynnie rozmiary obu z nich – jesteśmy w stanie finalnie osiągnąć praktycznie dowolną prędkość obrotową drugiej zębatki. W skrzyniach CVT w benzynowych Toyotach zastosowano „pas napędowy” oraz 2 pary stożków, które odsuwając lub przysuwając się do siebie – zmieniają przełożenie. Ustawiamy więc taką prędkość silnika spalinowego, żeby pracował on w najlepszych dla siebie w danym momencie warunkach, a sterując płynnie stożkami – zmieniamy przełożenie skrzyni biegów i pozwalamy na to, żeby samochód przyspieszał. Wersje hybrydowe mają rozwiązanie nazwane e-CVT, w którym nie ma pasa napędowego, a za zmianę przełożenia odpowiada tzw. mechanizm planetarny. Skrzynia taka jest o wiele mniejsza, lżejsza i mniej skomplikowana, niż nawet najprostszy automat oraz ma ograniczoną do minimum liczbę elementów trących o siebie.
Co to wszystko razem daje? Po pierwsze – mamy dużą pojemność silnika i niewielkie jego wysilenie. Po drugie – przez znakomitą większość czasu silnik spalinowy pracuje przy optymalnych obrotach pod kątem zapotrzebowania na moc. Po trzecie – zostaje do absolutnego minimum ograniczona możliwość powstania gwałtownych obciążeń dla jednostki napędowej i współpracujących z nią elementów (bo elektronika sterująca pracą silnika i sama budowa oraz zasady pracy skrzyni na to nie pozwolą). I na koniec – braki mocy w określonych sytuacjach mogą być skompenstowane wspomaganiem z silnika elektrycznego. Idea prosta? Tak. Skuteczna? Bardzo. A żywotność? Wręcz niewiarygodna.
Hola hola, ale jak się to zepsuje? Taka skrzynia e-CVT to pewnie kosztuje majątek w naprawie. A te wszystkie konwertery, baterie, silnik elektryczny, przecież to musi się częściej psuć, niż normalne auto spalinowe! Otóż nie. A dzieje się tak dzięki kilku sprytnym „sztuczkom” inżynierskim oraz odrobinie zdrowego rozsądku:
1. W układach HSD nie ma rozrusznika. Jego rolę pełni silnik elektryczny, który po podaniu napięcia zaczyna rozpędzać silnik spalinowy. A ponieważ dysponuje mocą kilkudziesięciu koni mechanicznych – to uruchomienie silnika spalinowego jest dla niego praktycznie nieodczuwalną pracą.
2. W układach HSD nie ma alternatora. Jego rolę pełni… ha, silnik elektryczny, który generuje napięcie, gdy zaczyna nim obracać silnik spalinowy.
Czyli wyeliminowano 2 urządzenia, zastępując je jednym. Tyle, że klasyczny alternator i rozrusznik są niewielkich rozmiarów, w stosunku do silnika elektrycznego większej mocy. I ten duży, elektryczny silnik, wykonując pracę typowego alternatora czy rozrusznika – wykorzystuje nikły procent z potencjału swoich możliwości. I trudno takim małym obciążeniem go zepsuć.
3. Silnik elektryczny ma funkcję wspomagającą napęd – używa się go w razie potrzeby, a nie cały czas.
4. Silnik elektryczny służy także do hamowania – podczas delikatnego hamowania tylko on odpowiedzialny jest za zmniejszanie prędkości, odzyskując tym samym energię elektryczną i przekazując ją do baterii. Dodatkowy plus – oszczędność klocków i tarcz hamulcowych.
5. Przetwornik napięcia nie musi wygenerować mocy kilkuset kilowatów, tylko kilkudziesięciu – i dopóki ktoś nie zacznie zbyt przesadnie oszczędzać przy doborze komponentów do budowy tego pozespołu – to jego awaryjność pozostanie na dotychczasowym poziomie – czyli bliskim zeru.
6. Bateria to klasyczna konstrukcja oparta o ogniwa litowo-jonowe, a poziom jej naładowania jest utrzymywany cały czas w optymalnym zakresie dla żywotności tych ogniw – sterownik nie dopuszcza do nadmiernego rozładowania czy tez przeładowania baterii. Nikt bowiem nie powiedział, że powinniśmy mieć możliwość jazdy wyłącznie na silniku elektrycznym aż do momentu całkowitego rozładowania baterii – skoro w odwodzie jest jednostka spalinowa.
7. Bateria nie ma pojemności typowej dla aut elektrycznych, bo nie potrzeba w aucie HSD takiej wielkiej i ciężkiej cegły. Parę kilowatogodzin w zupełności wystarcza. Dlatego nawet wtedy, gdy użytkownik stanie przed koniecznością wymiany całej baterii (a nie następuje to szybko) – koszt tej operacji nie jest szokujący.
8. Bateria ma budowę segmentową – co oznacza, że nie trzeba wymieniać jej całej, a wystarczy zmienić lub naprawić jedną lub kilka z uszkodzonych sekcji. I w praktyce serwis baterii hybrydowej Toyoty zamyka się w kilku tysiącach złotych. A robi się go raz na średnio 250 tysięcy kilometrów.
9. Skrzynia e-CTV jest jedną z niewielu skrzyń automatycznych, którą można nazwać naprawdę bezobsługową. Nie wymaga żadnych regularnych wymian oleju, bez problemu znosi przebiegi ponad pół miliona kilometrów, nie ma praktycznie takiej możliwości, aby ją zepsuć nawet przy dużej dawce samozaparcia. Prędzej ktoś zatrze silnik, albo wyląduje na drzewie, nim zamęczy ten komponent.
10. Zużycie oleju – zjawisko nieznane posiadaczom hybrydowych Toyot i Lexusów. Za to bardzo dobrze znane posiadaczom niskopojemnościowych, turbodoładowanych, nowoczesnych jednostek benzynowych.
11. Interwały wymiany oleju – pomimo naprawdę bardzo sprzyjających warunków pracy silników spalinowych w układach hybrydowych – producent nie zdecydował się na wydłużenie interwału wymiany oleju ponad rozsądne 15 tysięcy kilometrów. Co więcej – koszt takiej wymiany to paręset złotych, a dostępność do kluczowych elementów podlegających wymianie (filtr oleju, powietrza i kabinowy) jest wręcz wzorcowa. Każdy mechanik sobie poradzi.
Jeżeli więc ktoś szuka samochodu, który realizuje podstawowe zadanie stawiane przed środkiem transportu – czyli transportuje z punktu A do punktu B – to technologia HSD jest obecnie jedną z najlepszych technologii w motoryzacji. Połączenie sprawdzonego rozwiązania w postaci niewysilonej jednostki benzynowej wspomaganej przez niedużej mocy napęd elektryczny, plus bezobsługowy automat – to jest przepis na setki tysięcy kilometrów jazdy bez konieczności negocjowania z mechanikiem stawki za roboczogodzinę. W silnikach nie ma powstają nagary, wycieki pojawiają się bardzo, ale to bardzo sporadycznie i przy naprawdę bardzo dużych przebiegach, a układ hybrydowy nie wymaga żadnej specjalnej obsługi – tak naprawdę wystarczy raz na jakiś czas wyczyścić z kurzu filtr sekcji chłodzenia baterii (który jest łatwo dostępny).
I teraz pytanie – skoro coś działa – i to działa długo i dobrze – po co na siłę wprowadzać jakieś rozwiązania, które dodadzą parę koni mechanicznych, ale mogą istotnie zaważyć na trwałości i bezobsługowości danych rozwiązań technologicznych? Na pewno praktycznie żadna z hybryd nie sprawdzi się jako auto do ostrej, sportowej jazdy, ale nie z takim zamiarem powstało takie połączenie benzyny i prądu. Na pewno trzeba się przyzwyczaić do specyficznej pracy skrzyni CVT, ale odwdzięcza się ona abstrakcyjnie wręcz wysoką trwałością i niezawodnością. Dlatego jeśli ktoś jeździł 15-letnią Toyotą Prius 1.8, to po zakupie nowego modelu np. C-HR 1.8 może być pewien, że jeździ to praktycznie dokładnie tak samo – po prostu do znudzenia poprawnie. Zmiany ograniczają się do poprawy pracy skrzyni CVT, do jak najefektywniejszego zarządzania energią i momentami załączania się silnika wspomagającego, a jeśli ktoś zdecyduje się na napęd 4×4 – realizowany jest on przez dodatkowy silnik elektryczny przy tylnej osi. Załączany wtedy, gdy jest potrzebny. W sumie jazda autostradą ze stałym 4×4 dla wielu kierowców nie będzie się różniła niczym od jazdy autem z napędem tylko na przód.
I jest dużo osób, które takie podejście „poprawiaj i nie zepsuj” doceniają, bo nie pozostaje to bez znaczenia dla ich portfela oraz zdrowia psychicznego. I im nie będzie przeszkadzać „wyjący silnik podczas przyspieszania, bo skrzynia jakaś dziwna”. I niech tak zostanie.