Przez tę technologię samochód z silnikiem spalinowym przestaje się opłacać. Oto jak działa napęd hybrydowy

Zacznijmy prosto z mostu, czyli od wyjaśnienia, na czym polega oszczędność wynikająca z posiadania hybrydy. Aspekt ekologiczny jest tu bowiem tylko jednym z czynników, który przyciąga potencjalnych nabywców do hybryd. O wiele częstszą motywacją jest zwyczajna oszczędność.

Można by spytać, gdzie w tym oszczędność, skoro auta z napędem hybrydowym są droższe w zakupie? Szybki rzut oka do konfiguratora np. Toyoty wystarczy, żeby się przekonać, że istotnie, chociażby Aurisa Premium w wersji benzynowej i z automatyczną skrzynią biegów a Aurisa Premium w hybrydowym wariancie dzieli ponad 10 tysięcy złotych.

Wystarczy jednak zajrzeć głębiej i przez moment się zastanowić, żeby zobaczyć, jak szybko nadpłacona kwota może nam się zwrócić.

Nowoczesne silniki spalinowe teoretycznie wcale nie wypadają źle na tym polu. Wynik, przynajmniej te deklarowane, na poziomie 6 litrów w mieście w przypadku auta segmentu C nikogo już nie dziwi i uważamy, że jest to w pełni akceptowalna wartość. Tymczasem porównywalnych rozmiarów hybryda w cyklu miejskim „łyknie” ledwie… połowę tego. Zarówno hybrydowy Auris, jak i nadchodzący Prius 2016 poruszając się po mieście spalają, według danych producenta, 3-4 litry benzyny.

Kolejna, nieco bardziej wyraźna oszczędność to pieniądze, które zaoszczędzimy na tym, czego hybryda NIE posiada. Mowa tu o częściach, których naprawa lub wymiana w nowoczesnych samochodach potrafi doprowadzić do płaczu każdego kierowcę. Wystarczy spytać dowolną osobę, której przyszło wymienić turbosprężarkę, sprzęgło, czy też… filtr cząstek stałych.

Hybryda tych elementów nie posiada, a to oznacza, że nie mogą się zepsuć. Oznacza to, że oprócz oszczędności z tytułu mniejszych wydatków na paliwo, oszczędzamy też na serwisowaniu.

W przypadku klienta indywidualnego te oszczędności nadal mogą wydawać się stosunkowo nieduże. Kiedy jednak przemnożymy liczbę aut, jakimi dysponują firmowe floty i policzymy koszty z tej perspektywy, oszczędności okazują się być naprawdę znaczne, co zresztą doskonale ilustruje znajdująca się na końcu artykułu infografika.

Napęd hybrydowy, chociaż skomplikowany, ma dość prosty cel - wyeliminować niedoskonałości tradycyjnego silnika spalinowego. Konkretnie fakt, iż silniki spalinowe zdolne są do efektywnej pracy tylko w stosunkowo wąskim zakresie obrotów. Stąd konieczne jest stosowanie skrzyni biegów i sprzęgła, aby samochody mogły się dynamicznie poruszać. Nawet jednak najlepsza, konwencjonalna, wielobiegowa przekładnia nie do końca redukuje te niedoskonałości, a silnik spalinowy nadal zmuszony jest do nieoptymalnej pracy.

Napęd hybrydowy ma za zadanie zniwelować, lub zupełnie usunąć te niedoskonałości. Żeby jednak zrozumieć, jak to działa, trzeba przyjrzeć się trzem różnym rodzajom napędu hybrydowego:

Właśnie to trzecie rozwiązanie stosuje w swoich pojazdach koncern Toyota. Tego typu hybrydę znajdziemy w Priusie, Yarisie, Aurisie, nadchodzącej Rav4 Hybrid, a także w hybrydowych Lexusach.

Podstawą idei tego typu napędu jest zastosowanie przekładni różnicowej, której zadaniem jest „sumowanie i podział w pożądanych proporcjach prędkości i momentów obrotowych wytwarzanych lub pobieranych przez poszczególne elementy układu: silnik spalinowy, generator, silnik elektryczny i koła”. Do tego kierunek przepływu mocy (która jest iloczynem prędkości obrotowej i momentu siły), zależy od konkretnej sytuacji (o czym za chwilę). W dużym skrócie i uproszczeniu działanie przekładni różnicowej sprowadza się więc do optymalizacji poszczególnym parametrów układu napędowego, aby był on jak najbardziej efektywny.

Przekładnia różnicowa to odmiana przekładni obiegowej (planetarnej), której obiegowe koła zębate połączone są jarzmem z wałem silnika. Z osią zębatki centralnej połączony jest wirnik generatora MG1, który może też pełnić rolę silnika elektrycznego. Zewnętrzna zębatka przekładni zaś jest połączona z wirnikiem silnika elektrycznego MG2, który może pełnić rolę generatora, oraz z wałem przekładni napędowej.

MG1 i MG2 to trójfazowe silniki-generatory prądu przemiennego, z neodymowymi magnesami trwałymi, które różnią się praktycznie tylko mocą - wynosi ona odpowiednio ok. 30 i 50 kW. Całość układu uzupełniania jest poprzez wysokonapięciowy (ok. 200 V) akumulator NiMH o dużej pojemności, sterownik mocy, który zawiaduje przepływem energii elektrycznej w systemie, oraz sterujący całością komputer. Do zasilania elektroniki i akcesoriów w dalszym ciągu używany jest dodatkowy, konwencjonalny akumulator 12 V.

Przyjrzyjmy się zatem, jak w różnych sytuacjach zachowuje się ten układ:

Ruszanie i jazda wstecz.

W czasie rozpoczynania jazdy silnik spalinowy pozostaje wyłączony, a samochód porusza się wtedy w trybie EV, czyli wyłącznie z wykorzystaniem energii elektrycznej (i może w ten sposób pokonać nawet 2 km). Sterownik mocy przetwarza prąd stały z akumulatora na trójfazowy prąd przemienny o precyzyjnie sterowanej mocy i częstotliwości, doprowadzając go do silnika MG2, który następnie poprzez przekładnię napędową i mechanizm różnicowy napędza koła.

Jazda miejska i przyspieszanie

Dopiero gdy silnikowi potrzebna będzie większa dynamika, do głosu dochodzi silnik spalinowy, który uruchamiany jest poprzez silnik-generator MG1. Większość momentu obrotowego i część obrotów silnika spalinowego trafia przez przekładnię różnicową do kół, poruszając pojazd. Natomiast nadmiar obrotów silnika spalinowego przechodzi przez MG1, który pełni wtedy rolę generatora. MG2 natomiast, zasilany poprzez sterownik mocy prądem wytworzonym przez MG1, wspomaga moment obrotowy silnika spalinowego. Jeśli zapotrzebowanie jest duże, wspomaga go dodatkowo prąd z akumulatora.

Brzmi to na bardzo skomplikowane i w istocie takim jest, jednak znów sprowadza się to do odpowiedniego wykorzystywania zasobów produkowanych przez układ napędowy. Nic się tutaj nie marnuje ani nie jest wykorzystywane w nadmiarze, co widać przy okazji kolejnych sytuacji drogowych.

Jazda szosowa.

Jako że obciążenie pojazdu w czasie równej jazdy jest niewielkie, koła napędzane są przez silnik spalinowy przy użyciu przekładni. Część mocy w tej sytuacji jest przekazywana do MG1, który doładowuje wtedy akumulator.

Hamowanie rekuperacyjne.

W samochodzie spalinowym, gdy naciskamy pedał hamulca, „jedyne” do czego dochodzi, to spowolnienie lub zatrzymanie pojazdu. Tymczasem w hybrydzie moment hamowania wykorzystywany jest do rekuperacji, czyli odzyskiwania energii. Oznacza to, że hamowanie działa niejako dwuetapowo - gdy pojazd zwalnia lub delikatnie hamujemy, jego energia kinetyczna porusza MG2, który działa wtedy jako generator. Wytworzona przez niego energia elektryczna gromadzona jest w akumulatorze i może zostać ponownie wykorzystana w trybie EV. Dopiero w drugim etapie hamowania uruchamiane są mechanizmy hamulcowe.

Harmonia całości układu napędowego przypomina w swym działaniu doskonałą, sterowaną elektronicznie, bezstopniową skrzynię biegów i… w istocie tak jest. Samochodem hybrydowym jeździ się tak, jak zwykłym automatem, przy czym zamiast klasycznej skrzyni biegów znajdziemy tam e-CVT (electric Continuously Variable Transmission), czyli bezstopniową skrzynię biegów uzupełnioną o tryb EV i rekuperację w czasie hamowania. Ta harmonia przekłada się bezpośrednio na niskie spalanie, a w konsekwencji minimalną emisję dwutlenku węgla, czyli główne zalety hybrydy.

Pojazdy z napędem hybrydowym niejednokrotnie bywają mylone z pojazdami stricte elektrycznymi, lecz jest to błędne założenie, gdyż w hybrydzie, pomimo wykorzystania w niektórych sytuacjach trybu EV, cała energia służąca do poruszania się jest efektem spalania benzyny przez silnik tłokowy. Wyjąwszy hybrydy typu Plug-in, akumulatorów w pojeździe hybrydowym nie ładujemy też z sieci elektrycznej - wystarczy tankowanie benzyny.

U wielu osób rodzi się także obawa o żywotność akumulatorów NiMH, co jest zupełnie zrozumiałe, szczególnie gdy chcemy pojazd hybrydowy nabyć z rynku wtórnego. W praktyce jednak akumulatory mają taką żywotność, jak i reszta samochodu w czasie okresu jego wieloletniej eksploatacji. Akumulator nigdy nie zostaje nadmiernie rozładowany ani przeładowany, gdyż jego precyzyjną pracą steruje komputer. Akumulatory objęte są też 10-letnią gwarancją, co w połączeniu z opisanymi na początku „brakami” sprawia, że nie bez powodu w wielu rankingach niezawodności pojazdów prym wiedzie właśnie Toyota Prius - optymalizacja pracy układu napędowego bezpośrednio przekłada się na jego mniejsze zużycie. Co za tym idzie, nawet kupując hybrydę z rynku wtórnego będzie ona potencjalnie mniej awaryjna, od pojazdu z tradycyjnym napędem w analogicznym wieku.

Koncern Toyoty od wprowadzania na rynek pierwszej generacji Priusa sprzedał ponad 8 mln różnych modeli pojazdów hybrydowych. Można pomyśleć, że to stosunkowo niewiele, ale weźmy pod uwagę, iż technologia ta jest też stosunkowo młoda, lecz z roku na rok nabiera ona rozpędu, a co za tym idzie - na drogach pojawia się coraz więcej takich pojazdów.

Poza tym, w końcu posiadanie hybrydy zaczyna przynosić coraz więcej korzyści. W tej chwili nie są to już tylko korzyści związane z oszczędnością czy ochroną środowiska, lecz nieco bardziej „namacalne”. Dla przykładu, coraz większa liczba europejskich miast zamyka dostęp do swoich centrów dla samochodów, które nie spełniają odpowiednich norm emisji CO2. Hybryda w każdym takim mieście ma wstęp wolny do objętych obostrzeniami stref. Coraz częściej pojawiają się także ulgi parkingowe, niższe opłaty, oraz - co ważne - dużo niższy podatek, a w niektórych krajach nawet wyłączenie z opłacania podatku.

Nie ulega wątpliwości, że w perspektywie kilku lat, nim jeszcze motoryzacja stanie się autonomiczna, pojazdy z napędem hybrydowym staną się takim standardem, jakim dziś są silniki spalinowe, a dzisiejszą pozycję hybryd zajmą… pojazdy elektryczne.

Przy tak wielu korzyściach, zarówno praktycznych, finansowych, jak i ekologicznych, posiadanie hybrydy niebawem stanie się czymś po prostu oczywistym. Patrząc na to, jak zaawansowana jest to technologia i o ile wyprzedza konwencjonalne rozwiązania, nie mam co do tego żadnych wątpliwości. Choć na naszym podwórku, pomimo rosnącej popularności hybrydy, potrzeba pokonać jeszcze jedną przeszkodę - argument ceny.

Choć jestem przekonany, że z czasem i ta różnica zostanie zniwelowana na tyle, że posiadanie samochodu z tradycyjnym napędem najzwyczajniej w świecie przestanie się opłacać.