10 rzeczy, które trzeba wiedzieć o hybrydzie

Mimo rozwoju technologicznego nie udało się stworzyć idealnego źródła mocy. Silniki spalinowe działają najbardziej efektywnie w ograniczonym zakresie prędkości obrotowych. Podczas postoju marnotrawią paliwo. Mogą być zatrzymywane, ale proces ponownego uruchamiania jest relatywnie skomplikowany. Jednostki tłokowe nie są także wydajne w fazie rozpędzania, a hamowanie oznacza bezpowrotne straty energii. Silnik elektryczny idealnie sprawdza się, gdy tempo jazdy ulega częstym zmianom. Nie zużywa prądu na postoju, do wprawienia w ruch jego wirnika wystarczy impuls elektryczny, wysoki moment obrotowy skraca fazę rozpędzania, a w trakcie wytracania prędkości motor elektryczny jest w stanie odzyskać część energii. Niestety akumulatory trakcyjne są duże, ciężkie i drogie w produkcji. Kompromisem są hybrydy, łączące zalety aut benzynowych i elektrycznych. Co jeszcze trzeba o nich wiedzieć? Odpowiedzi szukamy na przykładzie hybryd Toyoty i Lexusa. Dlaczego? To niekwestionowani pionierzy, a zarazem liderzy rynku hybryd.

Hybrydy, w przeciwieństwie do aut w pełni elektrycznych we współczesnym tego słowa znaczeniu, trudno uznać za rynkową nowinkę. Liderem w produkcji hybryd jest Toyota, która w 1995 r przedstawiła prototyp Priusa. Produkcja ruszyła w 1997 r. Przez 23 lata gama hybryd została znacząco rozbudowana. Do chwili obecnej z taśm montażowych zjechało 15 milionów hybrydowych Toyot i Lexusów. 100 tysięcy z nich zamówili klienci z Polski. Do hybryd przekonali się także mieszkańcy innych zakątków globu. Na przykład Australii, gdzie w 2020 r. aż 85% tamtejszego rynku zelektryfikowanych pojazdów stanowiło 54 tys. Toyot ze spalinowo-elektrycznym napędem.

Z kolei w USA regularnie hybrydy Toyoty ustanawiają kolejne rekordy bezawaryjnego przebiegu – jeden z Priusów II pokonał 584 613 mil, czyli 935 tys. km (więcej na ten tematu – tutaj). Na pokładzie samochodu wciąż znajdują się zamontowane w fabryce silnik oraz przekładnia.

Na polskich ulicach doskonałymi ambasadorami hybryd stały się osoby trudniące się płatnym przewozem osób. Czy taksówkarze decydowaliby się na hybrydy, gdyby sprawiały one problemy, ryzykując, że ich samochód zamiast zarabiać pieniądze, będzie stać w serwisie? Warto dodać, że wiele używanych Priusów przyjechało do Polski z Hiszpanii czy Włoch. Nierzadko były tam używane w roli taksówki, a po zainwestowaniu w serwis kilku tysięcy złotych wracają do pierwotnej roli.

W każdej hybrydzie Toyoty czy Lexusa – poza akumulatorem trakcyjnym oraz silnikami benzynowym i elektrycznym – znajdziemy też przekładnię i falownik. Mimo że ogólne założenia napędu nie uległy zmianie, był on stale udoskonalany. Obecnie japoński koncern oferuje już jego czwartą generację. Co uległo zmianie? Inżynierowie systematycznie pomniejszali silnik elektryczny. Redukowało to moment obrotowy (z 350 do 202 Nm), ale zwiększało zakres użytecznych obrotów - ich maksimum wzrosło z 6000 do 17 000 obr./min, co pozwoliło na podniesienie z 50 do 130 km/h prędkości możliwej do uzyskania „na prądzie”. Do napędów trzeciej i czwartej generacji trafiła przekładnia redukcyjna, która znacząco zwiększa przekazywany na koła moment obrotowy. W przypadku hybryd czwartej generacji jest on aż o 60% wyższy niż w pierwszej.

Ewoluował też falownik, który odpowiada za zamienianie prądu stałego (znajduje się w akumulatorze trakcyjnym) w zmienny (potrzebny do zasilania jednostki elektrycznej oraz powstający w trakcie odzyskiwania energii). W zespole najnowszego falownika został zabudowany tzw. konwerter Boost, który podnosi napięcie prądu trafiającego do silnika (względem pierwszej generacji napędu dokonał się skok z 273,6 do 600-650 V). Wyższe napięcie pozwoliło na zmniejszenie o 50% natężenia prądu trafiającego do silnika, co z kolei zminimalizowało ryzyko przegrzania i ograniczyło straty energii – aż o 46% względem pierwszej generacji napędu. Wszystko to udało się uzyskać mimo wzrostu mocy silnika elektrycznego z 45 do 72 KM. Konwerter Boost pozwolił także na zmniejszenie akumulatora trakcyjnego. Ograniczenie liczby cel z 228 do 168 odpowiada redukcji napięcia z 273,6 do 201,6 V. Pakiet jest lżejszy, a do jego produkcji potrzeba mniejszej ilości cennych surowców. Warto dodać, że nowe akumulatory mają ok. 1,3 kWh pojemności. Są więc 10-krotnie mniejsze od ogniw montowanych do hybryd typu plug-in i nawet 50-krotnie mniejsze od baterii "elektryków". Niższa masa ogniw korzystnie wpływa na właściwości jezdne hybryd.

Początkowo Toyota osadzała silniki elektryczne (jeden odpowiada za napędzanie kół, drugi generuje prąd) w jednej osi. Teraz rozlokowano je na dwóch równoległych osiach, co zmniejszyło rozmiary przekładni. Pozwoliło to na zmniejszenie rozmiarów komory silnikowej, dzięki czemu możliwe stało się np. mocniejsze skręcanie kół. W efekcie nowy Yaris jest zwrotniejszy od poprzednika.

Najpopularniejszym trybem pracy silników benzynowych jest tzw. cykl Otto. Pozwala on na uzyskanie wysokich mocy, jednak zwiększa straty energii – w efekcie sprawność silnika sięga ok. 31%. Wyższą, wynoszącą nawet 41% sprawność osiągają silniki pracujące w cyklu Atkinsona. Przez ok. 1/3 fazy sprężania ich zawory dolotowe pozostają otwarte. Skrócenie suwu faktycznego sprężania zmniejsza straty energii, ale także ilość sprężanej mieszkanki. Efektem jest spadek mocy. W hybrydach niedobory z nawiązką kompensuje silnik elektryczny.

Przyjazne środowisku źródło napędu powinno nie tylko oszczędnie obchodzić się z paliwem, ale również minimalizować straty energii. Hybrydy doskonale wpisują się w ten scenariusz. Ich silnik elektryczny zmniejsza zużycie benzyny w trakcie rozpędzania czy jazdy ze stałą prędkością (w określonych warunkach jednostka tłokowa może być wygaszana), a także odzyskuje energię elektryczną w trakcie wytracania prędkości czy zjeżdżania ze wzniesień. Odzysk energii istotnie zmniejsza zużycie tarcz i klocków hamulcowych – drugie z wymienionych nierzadko wystarczają na ponad 150 tys. km. Mniejsze tempo degradacji hamulców ogranicza zanieczyszczenie naszej planety. Nie jest to bynajmniej marginalnym problem. Z raportu "Ochrona Środowiska 2019” wynika, że proces ścierania opon i hamulców odpowiadał za ok. 34% całkowitej emisji miedzi. Miał również zauważalny wkład w emisję chromu oraz całkowitego pyłu zawieszonego – ok. 10% TSP pochodzi z transportu, a jego znaczna część powstaje w procesach innych niż spalanie paliw, tj. ze ścierania opon i hamulców oraz ścierania powierzchni dróg. Część tych cząstek (pył PM2,5) ma zdolność do przenikania do najgłębszych partii płuc, gdzie jest akumulowany lub rozpuszczany w płynach biologicznych i następnie wraz z krwiobiegiem rozprowadzany po całym ciele.

Psychologowie jednoznacznie twierdzą, że ludzie najbardziej boją się nieznanego. Kto przez całe życie jeździł samochodem z silnikiem benzynowym lub Diesla, może niezbyt chętnie myśleć o przesiadce do spalinowo-elektrycznego odpowiednika – także z obaw o umiejętność obchodzenia się z takim autem. Już po kilku kilometrach za kierownicą hybrydy okazuje się, że strach miał wielkie oczy. Na jej pokładzie znajdziemy kierownicę, dwa pedały i dźwignię sterującą przekładnią – wystarczy przestawić ją w pozycję D i ruszać. Hybrydy Toyoty posiadają też funkcję hamowania silnikiem (B), zwiększający ekonomię jazdy tryb Eco oraz funkcję EV Mode – dzięki niej odcinki 1-2 km można z niewielką prędkością pokonać na prądzie. Kto nie czuje potrzeby, nie musi korzystać z dodatkowych funkcji. Wystarczy tankować benzynę – sterownik będzie tak zarządzał napędem, by ograniczyć zużycie paliwa, możliwie często odzyskiwać prąd, a następnie zużywać energię w wymagających tego momentach. Elektronika zadba też o utrzymanie optymalnego poziomu naładowania akumulatora trakcyjnego, który waha się w zakresie 20-80% w celu uzyskania jak największej trwałości ogniw. Sprawia to również, że pełnymi osiągami można cieszyć się niezależnie od stopnia naładowania akumulatora.

Praktycznie wszystkie współczesne samochody są wyposażone w system stop-start, który wygasza silnik na czas postoju pod światłami czy w korku. Jednostka tłokowa odpowiada za napędzanie kompresora klimatyzacji. Zatrzymanie silnika benzynowego oznacza więc, że latem do kabiny zaczyna być tłoczone cieplejsze powietrze. Po przekroczeniu przewidzianej przez konstruktorów pojazdu różnicy temperatur, silnik w ogóle nie będzie wyłączany (lub wygaszany rzadziej w trybie Eco). W hybrydach z takim zjawiskiem spotkamy się rzadziej, bo kompresor klimatyzacji jest napędzany elektrycznie, co zapewnia wyższy komfort jazdy latem bez konieczności spalania benzyny. Jednostka tłokowa zostaje uruchomiona, gdy konieczne jest podładowanie akumulatora

Wielu kierowców obawia się bezstopniowych skrzyń ze względu na umiarkowaną żywotność pasa transmisyjnego. Nie znajdziemy go w hybrydach Toyoty – skrzynia e-CVT to przekładnia planetarna. Tworzy ją zespół sześciu kół zębatych Jej prosta budowa przekłada się na niską masę, duża zwartość oraz wzorową trwałość – założenia przekładni nie zmieniły się od 23 lat. Możliwość płynnego dopasowania przełożenia do sytuacji pozwala na utrzymanie silnika benzynowego w punkcie najwyższej sprawności, który odpowiada najniższemu zużyciu paliwa.

Źródłem problemów w wielu modelach samochodów z silnikami tłokowymi jest rozbudowany osprzęt silnika. W przypadku hybryd ryzyko wystąpienia problemów jest niższe z powodu zredukowanej liczby podzespołów. Na pokładzie hybrydowych Toyot i Lexusów nie znajdziemy rozrusznika, alternatora (ich rolę przejął generator), turbosprężarki, sprzęgła czy pasków. Dociekliwi na zdjęciach silnika montowanego do Priusa zapewne widzieli koło pasowe. Jest to jedynie masa wirująca, która ma podnieść kulturę pracy jednostki.

Obecność dodatkowych komponentów elektrycznych nie sprawia, że obsługa serwisowa hybryd jest droższa. Wręcz przeciwnie – redukuje koszt wizyt w serwisie nawet w przypadku samochodów z wysokimi przebiegami. Jak wspomnieliśmy, hybrydyzacja pozwoliła na pozbycie się sprzęgła, rozrusznika, alternatora, turbosprężarki czy pasków. Funkcja odzysku energii w kombinacji z preferowanym przez wielu użytkowników hybryd delikatnym stylem jazdy zmniejsza tempo zużywania się tarcz, klocków, opon czy elementów zawieszenia.

Przeprowadzane w latach 2004, 2009 i 2016 testy zderzeniowe Toyoty Prius (odpowiednio II, III i IV generacji) nie wykazały, że dodatkowe komponenty zespołu napędowego ograniczają poziom ochrony kierowcy i pasażerów przed skutkami zderzenia. EuroNCAP trzykrotnie przyznał temu modelowi najwyższą notę 5/5 gwiazdek. Organizacja badawcza rozbijała też inne hybrydowe Toyoty - Yaris III/IV (2017/2020 r.), Corollę XII (2019 r.), C-HR (2017 r.) czy RAV4 V (2019 r.). Wszystkie próby zakończyły się oceną 5/5. Wpływ na wynik miała nie tylko dobra ochrona przed skutkami kolizji, ale również bogate wyposażenie z zakresu bezpieczeństwa.

Koncern dokłada również starań, by hybrydy były nienaganne od strony technicznej. Ewentualne jakościowe potknięcia są na bieżąco usuwane. Przykładem jest ogłoszona w 2018 r. akcja serwisowa. Objęto nią ponad milion Priusów oraz C-HR, potencjalnie zagrożonych pożarem. Warto przy tym dodać, że akumulatory trakcyjne hybryd mają znacznie mniejszą pojemność od baterii aut elektrycznych – w skrajnej sytuacji hybrydy powinny płonąć mniej intensywnym ogniem od "elektryków” oraz być potencjalnie łatwiejsze do ugaszenia. Ryzyko uszkodzenia akumulatora w przypadku zdarzenia drogowego jest niewielkie, ponieważ został on umieszczony pod tylną kanapą lub tuż za nią, a więc w najlepiej chronionej części auta.