Malo zgodovine – kako se je razvijal Toyotin hibridni pogon?

V redakciji že nekaj časa vodimo C-HR. Vsak dan cenimo prednosti hibridnega pogona v mestu, nekaj časa pa smo se spraševali, kako daleč je Hybrid Synergy Drive prišel, preden je prišel do najnovejšega modela? Če tudi vas zanima, berite dalje.

Ste se kdaj vprašali, kako daleč je segla zgodovina hibridnih pogonov? V nasprotju z videzom tovrstne invencije niso domena zadnjih desetletij. Prvi patent za pogonski sistem z uporabo motorja z notranjim zgorevanjem in elektromotorja je pripadal Williamu H. Pattonu, pojavil pa se je ... pred 128 leti! Ta patent je razvil Patton Motor Car, hibridni pogonski sklop, ki je bil uporabljen za pogon tramvajev in majhnih lokomotiv. Leta 1889 je nastal prototip, osem let kasneje pa je bila serijska različica lokomotive prodana železniškemu podjetju.

Leto prej je Phaeton zapeljal na ceste pred Pattonovo proizvodnjo žičnic. Ne, ne ta Volkswagen-Bentley. Armstrong Phaeton. Verjetno prvi hibridni avtomobil oziroma invalidski voziček v zgodovini. Na krovu je bil 6,5-litrski 2-valjni motor z notranjim zgorevanjem in električni motor. Vztrajnik je deloval tudi kot dinamo, ki je polnil baterijo. Armstrong Phaeton je že vračal energijo pri zaviranju, vendar na nekoliko drugačen način kot današnji hibridi. Elektromotor je služil za napajanje svetilk in zagon motorja z notranjim zgorevanjem in morda to ne bi bilo presenetljivo, če ne bi za 16 let prehitel Cadillacov avtomatski zaganjalnik.

Vas zanima? Kaj pa 3-stopenjski polavtomatski menjalnik? Prestav ni bilo treba povsem ročno menjati. Dolgo preden so bili izumljeni sinhronizatorji in je bila tehnika dvojne sklopke pozabljena, je elektromotor samodejno aktiviral sklopko pri menjavi prestav. Vendar je bil motor Armstrong Phaeton … premočan. Nenehno je poškodoval lesena kolesa, kar je naknadno odpravil z dodajanjem ojačitev na kolesa.

Ferdinand Porsche je imel tudi svoje zasluge v zgodovini avtomobilov. Lohner-Porsche Mixte Hybrid je bilo vozilo, ki so ga v kasnejših različicah poganjali električni motorji, po eden za vsako kolo. Te motorje so poganjale baterije in navor motorja z notranjim zgorevanjem. To vozilo je lahko prevažalo do štiri osebe in se premikalo samo s pomočjo električne energije ali samo z uporabo motorja z notranjim zgorevanjem.

Sliši se super? Ne povsem. Baterije Mixte so bile sestavljene iz 44 80-voltnih celic in so tehtale 1,8 tone. Vezi niso bile zelo močne, zato so jih zaprli v primeren kovček in obesili na vzmeti. Vendarle je to sama baterija in dodajmo ji še veliko elektromotorjev. Izum Lohnerja in Porscheja je tehtal več kot 4 tone. Čeprav je z današnjega vidika videti kot popolna napaka, je Mixte marsikateremu inženirju dal misliti. Na primer tisti iz Boeinga in Nase, ki so to napravo zelo natančno preučili. Z učinki, ker je imel LRV, ki so ga misije Apollo 15, 16 in 17 uporabljale za obhod Lune, številne rešitve, vzete iz hibrida Lohner-Porsche Mixte.

Zgodovina hibridov je precej dolga, zato pojdimo od samega začetka naravnost v sedanjost. Hibridi, kot jih poznamo, so postali priljubljeni šele v poznih 90. letih, ko je Toyota Prius vstopila na japonski trg. Takrat je bilo prvič – leta 1997 – uporabljeno ime »Toyotin hibridni sistem«, ki je kasneje postal »Hybrid Synergy Drive«. Kako so bile videti posamezne generacije?

Prva Toyota Prius - Toyotin hibridni sistem

Vemo že, da ideja o hibridnem avtomobilu ni nova. Vendar pa je trajalo več kot 100 let, da je ta koncept postal resnično priljubljen. Toyota Prius je postala prvi množično proizvedeni hibridni avtomobil. Morda so zato vsi hibridi jasno povezani s priusom. A poglejmo tehnične rešitve.

Čeprav se je proizvodnja Priusa začela leta 1997, je bil ta del prodaje samo za japonski trg. Izvoz na druge trge, predvsem v ZDA, se je začel šele leta 2000. Je pa izvozni model NHW11 nekoliko nadgrajen glede na predhodnika (NHW10).

Pod pokrovom japonskega hibrida je bil motor 1.5 VVT-i s spremenljivim krmiljenjem ventilov, ki je deloval po Atkinsonovem ciklu. Predpostavke so bile bolj ali manj enake kot zdaj - bencinski motor sta podpirala dva elektromotorja - eden je deloval kot generator, drugi pa je poganjal kolesa. Za pravilno porazdelitev dela motorjev je bil odgovoren planetni menjalnik, ki je služil kot brezstopenjski menjalnik CVT.

Ni bil zelo hiter avtomobil, z močjo 58 KM. in 102 Nm pri 4000 vrt./min. Zato so bili pospeški precej skromni, prav tako največja hitrost 160 km/h. Razveselila me je nizka poraba goriva, ki je v povprečju lahko padla tudi pod 5 l/100 km.

V različici NHW11 je bila večina komponent izboljšana za zagotavljanje boljše zmogljivosti. Moč elektromotorja je povečana za 3 kW, navor pa za 45 Nm. Zmanjšane so mehanske izgube in hrup. Največja vrtilna frekvenca motorja se je povečala tudi za 500 vrt/min.

Prvi prius pa ni bil brez napak – ni bil tako zanesljiv kot današnji modeli, pojavljale so se težave s pregrevanjem baterij, nekatere električne komponente (na primer elektromotor) pa so bile preglasne.

Prius II ali Hybrid Synergy Drive

Leta 2003 se je pojavil še en Prius z motorjem THS druge generacije. Najprej se je imenoval Hybrid Synergy Drive. Preden se lotimo vožnje, je vredno omeniti ikonično obliko. Ni nastala iz nič in ima celo svoje ime - "Kammbak". V tridesetih letih prejšnjega stoletja ga je razvil aerodinamični inženir Wunibald Kamm. Karoserija z visokim, izrezanim hrbtom je bolj poenostavljena, za avtomobilom ni turbulenc.

Med delom na drugi generaciji priusa je Toyota registrirala kar 530 patentov. Čeprav je bil koncept sam po sebi podoben pogonu THS, so bile le pri HSD ustrezno izkoriščene zmogljivosti diskovnega sistema. Potencial elektromotorja in motorja z notranjim zgorevanjem je bil izenačen, v nasprotju s prejšnjo idejo, ki je bila povečanje moči motorja z notranjim zgorevanjem za povečanje produktivnosti. Drugi prius se je zagnal in deloma pospeševal s pomočjo elektromotorja. Moč električnega dela pogona se poveča za 50 %.

V tej generaciji je bil predstavljen tudi električni kompresor klimatske naprave, ki za hlajenje ali ogrevanje notranjosti ni potreboval motorja z notranjim zgorevanjem. Tako je ostalo do danes. Prius je leta 2003 dobil tudi lažje baterije NiMH. Število celic je zmanjšano, gostota elektrolita pa povečana. Prav tako je bil v tem modelu prvič predstavljen način EV, ki omogoča vožnjo samo na elektromotor.

Lexus je razvil lastne različice pogonskega sklopa te generacije. Leta 2005 je na zadnjo premo namestil še en elektromotor in tako ustvaril hibrid s štirikolesnim pogonom. Tretji motor je deloval neodvisno od ukaza prednji osi – čeprav ga je seveda krmilil krmilnik, ki uravnava navor in diferencial vrtljajev.

Prva Lexusa GS 450h in LS 600h sta pokazala, kako lahko HSD deluje skupaj z zmogljivimi motorji in pogonom na zadnja kolesa. Ta sistem je bil še bolj zapleten – predvsem na področju prenosa. Planetarni menjalnik Ravigneaux s štirimi gredmi, dve sklopki, ki spreminjata prestavno razmerje drugega motorja glede na kolesa - v podrobnosti ni bilo jasno. To bi moral razložiti inženir strojništva.

Hybrid Synergy Drive III

Dosegli smo predzadnjo generacijo hibridnega pogona. Tu se je zgodila prava revolucija. Zamenjanih 90% delov. Motor z notranjim zgorevanjem je povečal delovno prostornino na 1.8 litra, zmanjšali pa so elektromotorje. Moč se je povečala na 136 KM, poraba goriva pa se je zmanjšala za 9 %. V tej generaciji smo lahko izbirali način vožnje - normal, eco in dynamic.

HSD ima fiksno prestavno razmerje, zato je planetni menjalnik, čeprav je podoben CVT, nekaj povsem drugega. Zunanji obroč gonila je motor MG2, sončni zobnik je motor MG1, ICE pa je povezan s "planeti". Voznik lahko še kako vpliva na delovanje motorja z notranjim izgorevanjem in elektromotorja, stopalka za plin pa služi le za komunikacijo z računalnikom. Povemo, kako bi radi pospeševali, in računalnik bo izračunal, kakšne so razmere na cesti in kako najučinkoviteje združiti delo elektromotorja in motorja z notranjim zgorevanjem.

Toyota C-HR ali HSD IV

Četrta generacija pogona se je pojavila ... v četrti generaciji Priusa. Vendar se je že uspel uveljaviti v drugih modelih - na primer v C-HR. Četverica se močno naslanja na HSD III, a iz njega iztisne še več z manjšo porabo goriva. Vendar "več" ne pomeni moči, saj so jo zmanjšali na 122 KM.

Najprej so bile izboljšane polnilne lastnosti baterij – novi hibridi so sposobni absorbirati velike odmerke energije v krajšem času. Inverter ima ločen sistem hlajenja in zavzame 30% manj prostora. Planetno gonilo je zamenjano s cilindričnim. Celoten menjalnik je bil preoblikovan tako, da ustvarja 20 % manj izgube.

Povzetek

Videli smo dele Toyotine poti do avtomobilov, ki združujejo prednosti električnih motorjev z vsestranskostjo motorjev z notranjim zgorevanjem. Vendar se disk sam ne spremeni. Spreminja se tudi koncept hibridnega avtomobila. Ta že zdavnaj ni več prius in si utira pot v malce bolj običajne avtomobile. Hibridi postopoma postajajo del vsakdana. Vidimo jih povsod v velikih mestih. 

Ena izmed njih je Toyota C-HR, ki bo všeč tistim, ki se želijo po mestu premikati v zanimivem crossoverju, a cenijo nizko porabo goriva in tihost. Raste tudi zavedanje, da je treba zmanjšati onesnaževanje – in čeprav pri nas avtomobili niso vir vsega zla, so del tega, zato je treba glede tega nekaj narediti. Toyota iz leta v leto beleži znatno rast prodaje hibridnih vozil. Ne po zaslugi Priusa – po zaslugi avtomobilov, kot sta Auris ali C-HR – še vedno na voljo na denarnici, v običajni embalaži, ampak z izboljšanim pogonom, katerega dodana vrednost je dokazana zanesljivost.

Kdaj je naslednja generacija? ne vemo. Verjetno bomo počakali še nekaj let. Vendar pa pogonski sklop najnovejših Toyotinih hibridov že dosega neverjetno visoko raven prefinjenosti.