Šiek tiek istorijos – kaip išsivystė Toyota hibridinė pavara?

Jau kurį laiką naujienų salėje vykdome C-HR. Kasdien vertiname hibridinės pavaros teikiamus privalumus mieste, tačiau kurį laiką galvojome, kiek toli „Hybrid Synergy Drive“ nuėjo iki naujausio modelio? Jei taip pat domina, skaitykite toliau.

Ar kada susimąstėte, kiek toli pažengė hibridinių pavarų istorija? Priešingai nei atrodo, tokio tipo išradimai nėra pastarųjų dešimtmečių sritis. Pirmasis patentas pavaros sistemai, kurioje naudojamas vidaus degimo variklis ir elektros variklis, priklausė Williamui H. Pattonui ir atsirado... prieš 128 metus! Šis patentas sukūrė Patton Motor Car – hibridinį jėgos agregatą, kuris buvo naudojamas tramvajams ir mažiems lokomotyvams varyti. 1889 metais buvo sukurtas prototipas, o po aštuonerių metų serijinė lokomotyvo versija buvo parduota geležinkelio įmonei.

Metais anksčiau Phaeton išriedėjo į kelius prieš Pattono funikulieriaus gamybą. Ne, ne šis „Volkswagen-Bentley“. Armstrongas Faetonas. Turbūt pirmasis hibridinis automobilis, o tiksliau – vežimėlis, istorijoje. Laive buvo 6,5 litro 2 cilindrų vidaus degimo variklis, taip pat elektros variklis. Smagratis taip pat veikė kaip dinamo variklis, kuris įkrovė akumuliatorių. „Armstrong Phaeton“ jau atgavo energiją stabdydamas, bet kiek kitaip nei šiandieniniai hibridai. Elektros variklis buvo naudojamas lempoms maitinti ir vidaus degimo varikliui užvesti, ir galbūt tai nebūtų buvę stebina, jei ne faktas, kad jis 16 metų lenkė Cadillac automatinį starterį.

Suinteresuotas? O kaip su 3 greičių pusiau automatine pavarų dėže? Pavarų nereikėjo visiškai keisti rankomis. Dar gerokai prieš tai, kai buvo išrasti sinchronizatoriai ir pamiršta dvigubos sankabos technika, elektros variklis automatiškai įjungdavo sankabą perjungiant pavaras. Tačiau Armstrong Phaeton variklis buvo… per galingas. Jis nuolat gadino medinius ratus, kurie vėliau buvo pašalinti ratams pridedant sutvirtinimų.

Savo nuopelnų automobilių istorijoje turėjo ir Ferdinandas Porsche. „Lohner-Porsche Mixte Hybrid“ buvo transporto priemonė, kuri vėlesnėse versijose buvo varoma elektros varikliais, po vieną kiekvienam ratui. Šie varikliai buvo varomi baterijomis ir vidaus degimo variklio sukimo momentu. Ši transporto priemonė galėjo vežti iki keturių žmonių ir judėti tik varoma elektros energija arba tik naudodama vidaus degimo variklį.

Skamba puikiai? Ne visiškai. Mixte baterijas sudarė 44 80 voltų elementai ir svėrė 1,8 tonos. Jungtys nebuvo labai tvirtos, todėl buvo uždaromos tinkamoje dėžutėje ir pakabinamos ant spyruoklių. Tačiau tai yra pats akumuliatorius, o prie jo pridėkime daug elektros variklių. Lohnerio ir Porsche išradimas svėrė daugiau nei 4 tonas. Nors iš šiandienos taško atrodo visiškas uždegimo sutrikimas, „Mixte“ privertė susimąstyti daugelį inžinierių. Pavyzdžiui, tie iš „Boeing“ ir NASA, kurie labai atidžiai ištyrė šį aparatą. Su efektais, nes LRV, kurią naudojo Apollo 15, 16 ir 17 misijos, aplenkdamos Mėnulį, turėjo daug sprendimų, paimtų iš Lohner-Porsche Mixte hibrido.

Hibridų istorija gana ilga, tad nuo pat pradžių eikime tiesiai į dabartį. Hibridai, kaip mes žinome, išpopuliarėjo tik 90-ųjų pabaigoje, kai Toyota Prius pateko į Japonijos rinką. Būtent tada pirmą kartą – 1997 metais – buvo panaudotas pavadinimas „Toyota Hybrid System“, kuris vėliau tapo „Hybrid Synergy Drive“. Kaip atrodė atskiros kartos?

Pirmasis Toyota Prius – Toyota hibridinė sistema

Jau žinome, kad hibridinio automobilio idėja nėra nauja. Tačiau prireikė daugiau nei 100 metų, kol ši koncepcija išpopuliarėjo. Toyota Prius tapo pirmuoju masinės gamybos hibridiniu automobiliu. Galbūt todėl visi hibridai aiškiai siejami su „Prius“. Bet pažiūrėkime į techninius sprendimus.

Nors Prius buvo pradėtas gaminti 1997 m., ši pardavimo dalis buvo skirta tik Japonijos rinkai. Eksportas į kitas rinkas, daugiausia JAV, pradėtas tik 2000 m. Tačiau eksporto modelis NHW11 buvo šiek tiek patobulintas, palyginti su jo pirmtaku (NHW10).

Po japoniško hibrido gaubtu buvo 1.5 VVT-i variklis su kintamu vožtuvų laiku, veikiantis Atkinsono ciklu. Prielaidos buvo daugmaž tokios pat, kaip ir dabar – benzininį variklį palaikė du elektros varikliai – vienas dirbo kaip generatorius, o kitas varo ratus. Planetinė pavara, kuri tarnavo kaip nuolat kintama CVT transmisija, buvo atsakinga už teisingą variklių darbo paskirstymą.

Tai nebuvo labai greitas automobilis, kurio galia siekė 58 AG. ir 102 Nm esant 4000 aps./min. Todėl pagreitis buvo gana kuklus, kaip ir maksimalus 160 km/h greitis. Mane nudžiugino mažos degalų sąnaudos, kurios vidutiniškai galėjo nukristi žemiau 5 l/100 km.

NHW11 versijoje dauguma komponentų buvo patobulinti, kad būtų užtikrintas geresnis veikimas. Elektros variklio galia padidinta 3 kW, o sukimo momentas – 45 Nm. Sumažėjo mechaniniai nuostoliai ir sumažintas triukšmas. Maksimalus variklio sūkių skaičius taip pat padidintas 500 aps./min.

Tačiau pirmasis Prius buvo ne be trūkumų – jis nebuvo toks patikimas kaip šiandieniniai modeliai, kilo problemų dėl baterijų perkaitimo, o kai kurie elektros komponentai (pvz., elektros variklis) buvo per daug triukšmingi.

„Prius II“ arba „Hybrid Synergy Drive“.

2003 m. pasirodė kitas Prius su antros kartos THS varikliu. Iš pradžių jis buvo pavadintas hibridine sinergijos pavara. Prieš pradedant važiuoti, verta paminėti ikonišką formą. Jis atsirado ne nuo nulio ir netgi turi savo pavadinimą – „Kammbak“. Jį 30-aisiais sukūrė aerodinamikos inžinierius Wunibaldas Kammas. Kėbulas su aukšta, nupjauta nugara yra labiau aptakus, už automobilio nėra turbulencijos.

Dirbdama su antrosios kartos „Prius“ „Toyota“ užregistravo net 530 patentų. Nors pati koncepcija buvo panaši į THS diską, tik HSD diskų sistemos galimybės buvo tinkamai panaudotos. Elektros variklio ir vidaus degimo variklio potencialas buvo suvienodintas, priešingai nei anksčiau buvo sumanyta, kad padidinus vidaus degimo variklio galią, siekiant padidinti našumą. Antrasis Prius įsijungė ir įsibėgėjo iš dalies elektros variklio pagalba. Pavaros elektrinės dalies galia padidinama 50%.

Šioje kartoje taip pat buvo pristatytas elektrinis oro kondicionavimo kompresorius, kuriam nereikėjo vidaus degimo variklio, kuris vėsintų ar šildytų saloną. Taip išliko iki šių dienų. 2003 metais Prius gavo ir lengvesnes NiMH baterijas. Sumažėjo ląstelių skaičius ir padidintas elektrolito tankis. Taip pat būtent šiame modelyje pirmą kartą buvo pristatytas EV režimas, leidžiantis važiuoti tik su elektros varikliu.

„Lexus“ sukūrė savo šios kartos jėgos pavaros variantus. 2005 metais jis ant galinės ašies pritaikė kitą elektros variklį ir taip sukūrė visų varančiųjų ratų hibridą. Trečiasis variklis veikė nepriklausomai nuo komandos priekinei ašiai – nors, žinoma, jį valdė valdiklis, reguliuojantis sukimo momentą ir greičio skirtumą.

Pirmieji Lexus GS 450h ir LS 600h parodė, kaip HSD gali veikti kartu su galingais varikliais ir galinių ratų pavara. Ši sistema buvo dar sudėtingesnė – ypač perdavimo srityje. Ravigneaux planetinė pavarų dėžė su keturiais velenais, dviem sankabomis, kurios keičia antrojo variklio pavarų santykį su ratais – nebuvo aišku gilintis į detales. Tai turėtų paaiškinti inžinierius mechanikas.

Hibridinė sinergijos pavara III

Pasiekiame priešpaskutinę hibridinės pavaros kartą. Čia įvyko tikra revoliucija. Pakeista 90% dalių. Vidaus degimo variklis darbinį tūrį padidino iki 1.8 litro, tačiau sumažėjo elektros variklių. Galia padidėjo iki 136 AG, o degalų sąnaudos sumažėjo 9%. Šioje kartoje galėjome pasirinkti važiavimo režimą – normalų, ekologišką ir dinamišką.

HSD turi fiksuotą pavarų skaičių, todėl planetinė pavara, nors ir panaši į CVT, yra visiškai kitokia. Išorinis krumpliaračio žiedas yra MG2 variklis, saulės pavara yra MG1 variklis, o ICE jungia "planetos". Vairuotojas gali kažkaip paveikti vidaus degimo variklio ir elektros variklio darbą, tačiau akceleratoriaus pedalas naudojamas tik bendravimui su kompiuteriu. Sakome, kaip norėtume įsibėgėti, o kompiuteris paskaičiuos, kokios kelio sąlygos ir kaip efektyviausiai derinti elektros variklio ir vidaus degimo variklio darbą.

Toyota C-HR arba HSD IV

Ketvirtoji pavaros karta pasirodė ... ketvirtoje Prius kartoje. Tačiau jis jau spėjo įsitvirtinti kituose modeliuose – pavyzdžiui, C-HR. Ketvertas stipriai remiasi HSD III, tačiau iš jo išspaudžia dar daugiau naudodamas mažiau degalų. Tačiau „daugiau“ nereiškia galios, nes ji sumažinta iki 122 AG.

Visų pirma, patobulintos baterijų įkrovimo charakteristikos – nauji hibridai per trumpesnį laiką sugeba sugerti dideles energijos dozes. Inverteris turi atskirą aušinimo sistemą ir užima 30 % mažiau vietos. Planetinė pavara pakeičiama cilindrine. Visa pavarų dėžė buvo perkurta, todėl sunaudojama 20 % mažiau.

Apibendrinimas

Matėme dalis Toyota kelionės į automobilius, kuriuose elektros variklių privalumai derinami su vidaus degimo variklių universalumu. Tačiau keičiasi ne pats diskas. Keičiasi ir hibridinio automobilio koncepcija. Šis jau seniai nebėra „Prius“ ir patenka į automobilius, kurie atrodo šiek tiek įprastesni. Hibridai pamažu tampa kasdienio gyvenimo dalimi. Mes juos matome visur dideliuose miestuose. 

Vienas iš jų – „Toyota C-HR“, patiksiantis tiems, kurie mieste nori judėti įdomiu krosoveriu, tačiau vertina mažas degalų sąnaudas ir netriukšmingumą. Taip pat vis labiau suvokiama, kad reikia mažinti taršą – ir nors automobiliai čia nėra viso blogio šaltinis, jie yra jo dalis, todėl reikia kažką daryti. „Toyota“ užfiksuoja didelį hibridinių automobilių pardavimų augimą kasmet. Ne dėl „Prius“ – dėl tokių automobilių kaip „Auris“ ar „C-HR“ – vis dar įperkamas piniginėje, įprastoje pakuotėje, o su pažangia pavara, kurios pridėtinė vertė yra įrodytas patikimumas.

Kada ateina kita karta? Mes nežinome. Tikriausiai palauksime dar keletą metų. Tačiau naujausių „Toyota“ hibridų jėgos agregatas jau pasiekia neįtikėtinai aukštą rafinuotumo lygį.