Hybrydy, czyli motoryzacyjne 2 w 1a

Słownikowo patrząc, hybryda to coś, co składa się z różnych elementów, często do siebie niepasujących. Z hybrydami w motoryzacji (znanymi także pod angielskojęzycznym skrótem HEV - Hybrid Electric Vehicle) jest niby podobnie - klasyczny silnik spalinowy, zasadniczo niezbyt przyjazny środowisku naturalnemu, współpracuje w nich z ekologicznym napędem elektrycznym. Nieprzemyślana krzyżówka, której stworzenie wymusiły naciski ekologów? Bynajmniej.

Współczesne napędy hybrydowe to układy, które łączą technologiczne przeciwieństwa w sposób niezwykle przemyślany i udany. Konstruktorom takich aut udało się osiągnąć wysoki poziom synergii, przekładający się na wysoką funkcjonalność.

Jeszcze kilka lat temu samochody hybrydowe na ulicach polskich miast stanowiły raczej egzotyczną ciekawostkę. Dzisiaj widok zatrzymującej się obok nas na światłach hybrydy nie budzi większych emocji, ponieważ takich pojazdów gwałtownie przybyło. Bardzo często znaczkowi na karoserii z napisem hybrid towarzyszy taksówkarski "kogut" na dachu i nie jest to przypadek.

Od lat bowiem wiadomo, że zawodowi przewoźnicy, wybierając swoje narzędzie pracy, czyli samochód, kierują się przede wszystkim zdrowym rozsądkiem, a nie emocjami czy atrakcyjną linią nadwozia. Liczą się komfort, niska awaryjność i niskie koszty eksploatacji. I tak jak niegdyś taksówkarskim Świętym Graalem była popularna "beczka w dieslu", czyli Mercedes W124, tak teraz powoli stają się nim hybrydy, przede wszystkim dopracowane modele koncernu Toyota. A gdy dołoży się jeszcze do takiego auta instalację gazową, przemieszczanie się po mieście kosztuje niemal tyle co nic - można zejść nawet do 4-5 l LPG/100 km!

Nic więc dziwnego, że Polacy w końcu przychylniej spojrzeli na samochody z napędem hybrydowym i w minionym roku dość często wyjeżdżali nimi z autoryzowanych salonów sprzedaży. W ciągu jedenastu miesięcy 2018 r. zarejestrowano w naszym kraju 20 tys. takich samochodów. W porównaniu z poprzednim rokiem to aż 30-procentowy wzrost.

Toyota, która przez wiele lat z dużą determinacją rozwijała napęd hybrydowy, w końcu doczekała się nagrody za swój trud i jest niekwestionowanym liderem rynku, z blisko 13 tys. sprzedanych samochodów osobowych HEV. Już co trzecie auto tego producenta opuszczające salony dilerskie jest wyposażone w taki napęd. Wyraźnie skoczyły także statystyki sprzedaży innych producentów.

Szczypta historii

Pierwszy napędzany hybrydowo samochód (w zasadzie była to bryczka konna z dołożonymi silnikami) nazywał się Armstrong Phaeton i został zaprojektowany w 1896 r. przez Harry’ego E. Deya, a zbudowany przez firmę Armstrong z Bridgeport. 6,5-litrowy, dwucylindrowy silnik zasilany benzyną Dey połączył z kołem zamachowym napędzającym tylną oś oraz dynamem, które ładowało akumulatory. Zmagazynowana energia pozwalała uruchomić silnik spalinowy oraz zasilała oświetlenie i elektryczne sprzęgło. Phaeton mógł się również pochwalić pierwszą w historii półautomatyczną skrzynią biegów.

Najsłynniejszą hybrydą z przeszłości jest jednak pojazd, który skonstruował Ferdinand Porsche, przy współpracy z austriacką firmą Ludwig Lohner & Co. Lohner-Porsche Mixte Hybrid, znany również jako Semper Vivus, pokazano po raz pierwszy na wystawie światowej w Paryżu w 1900 r. Przednie koła napędzane były silnikami elektrycznymi zamontowanymi w piastach (w późniejszych wersjach znalazły się także przy tylnej osi), a silnik benzynowy pełnił funkcję generatora prądu.

Kwasowo-ołowiowe akumulatory Mixte Hybrid składały się z 44 ogniw o napięciu roboczym 80 V i ważyły aż 1,8 tony (całe auto – ponad 4 t). Z tego względu samochód mógł poruszać się z maksymalną prędkością 35 km/godz., ale za to miał imponujący jak na owe czasy zasięg 200 km.

Układ hamulcowy z odzyskiem energii - podstawowa koncepcja projektowa współczesnych HEV - został opracowany przez American Motors Corporation (AMC) we współpracy z Gulton Industries i zastosowany po raz pierwszy w 1967 r., w koncepcyjnym aucie o nazwie Amitron.

Tak naprawdę jednak hybrydowa motoryzacja zaczęła się rozwijać dopiero pod koniec XX w. Przełomem było wejście na rynek w 1997 r. innowacyjnego modelu Toyota Prius - pierwszego seryjnie produkowanego samochodu tego typu. Później do Toyoty dołączyły inne japońskie marki: należący do Toyoty Lexus, Honda (model Insight), Nissan (Altima), potem producenci amerykańscy (m.in. pierwszy hybrydowy SUV - Ford Escape Hybrid), a od pewnego czasu także koncerny europejskie i koreańskie.

Od momentu debiutu Priusa w zasadzie każdy miłośnik nowinek technologicznych i rozwiązań proekologicznych mógł wybrać się do salonu Toyoty i niemal od ręki kupić to hybrydowe auto. I choć globalna sprzedaż Priusa rosła, to zasadniczo klienci przez wiele lat podchodzili do aut hybrydowych ze sporą nieufnością. Były droższe niż podobnej klasy samochody z napędem konwencjonalnym, a ze względu na nowatorskie rozwiązania potencjalne ryzyko drogich awarii wydawało się wysokie. Upływający czas zweryfikował te obawy - na korzyść hybryd.

Hybrydowy zawrót głowy

Hybryda hybrydzie nierówna - technologia napędów alternatywnych jest już na tyle rozwinięta, że nie możemy mówić o jednym typie pojazdów HEV. Ile firm, tyle pomysłów na ich skonfigurowanie. Klasyfikacje są różne, ale najczęściej spotykany jest podział na hybrydy miękkie (mild hybrid), równoległe, szeregowe, mieszane i plug-in.

Miękkie hybrydy

To coraz popularniejsze rozwiązanie, ponieważ ma wiele zalet klasycznych napędów hybrydowych, a pozostaje od nich dużo tańsze i prostsze konstrukcyjnie. Silnik spalinowy wspomagany jest niewielkim silnikiem elektrycznym, zasilanym energią gromadzoną podczas hamowania, magazynowaną w niedużej baterii litowo-jonowej - np. w nowej Kia Sportage z systemem EcoDynamics+ ma ona 0,46 kWh.

Silnik elektryczny pełni tylko rolę pomocniczą, przede wszystkim podczas ruszania i przyspieszania, czyli w sytuacjach, kiedy silnik spalinowy jest najmniej ekonomiczny. Dodatkowo zastępuje alternator i rozrusznik (notabene od tego drugiego jest dużo szybszy, dzięki czemu w takich autach systemy start-stop w końcu działają, jak należy).

Cały układ korzysta z napięcia 48 V. Silnik elektryczny najczęściej instaluje się między skrzynią biegów a silnikiem, z którym połączony jest paskiem wieloklinowym. Jednostka elektryczna przenosi siłę bezpośrednio na wał korbowy silnika spalinowego, co przekłada się na dodatkowy zapas mocy i momentu obrotowego, które można wykorzystać np. podczas wyprzedzania. A przy okazji da się zaoszczędzić nieco paliwa (średnio ok. 10%) i wyemitować mniej trujących tlenków azotu.

Napędy mild hybrid znajdziemy m.in. u takich producentów, jak Audi (modele A6, A7, Q8), Hyundai i Kia (Hyundai Tucson i Kia Sportage), Renault (Grand Scenic), Mercedes (klasa C 200 Hybrid), Suzuki (Ignis i Baleno z systemami SHVS).

Hybryda szeregowa

W hybrydzie szeregowej sytuacja odwraca się - za napędzanie samochodu odpowiada wyłącznie silnik elektryczny, a jednostka spalinowa pełni rolę tzw. range extendra, czyli napędza generator prądu, zasilający jednostkę elektryczną. Domyślnie auto porusza się wyłącznie na prądzie, jednostka spalinowa zaś uruchamia się dopiero w momencie, gdy zgromadzone w akumulatorze zapasy energii ulegną wyczerpaniu. Pozwala to wydłużyć zasięg i daje czas na znalezienie gniazdka, do którego podłączymy naszego elektryka ze wspomaganiem. Dodatkowo, ponieważ silnik spalinowy nie jest połączony bezpośrednio z kołami, w zasadzie stale pracuje w optymalnym zakresie obrotów oraz z niewielkim obciążeniem.

Hybrydy szeregowe występują na rynku dość rzadko - to m.in. BMW i3 w wersji Range Extender oraz Chevrolet Volt. Silnik elektryczny w BMW i3 oferuje moc 170 KM oraz maksymalny moment obrotowy 250 Nm. Range Extender to 38-konny, 2-cylindrowy silnik benzynowy. Kosztuje dodatkowo 20 tys. zł i zwiększa zasięg i3 ze 160 km do ok. 300 km.

Hybryda równoległa

W równoległym napędzie hybrydowym silnik spalinowy i elektryczny są połączone mechanicznie z kołami napędowymi, a moc z obu tych źródeł jest wykorzystywana w stopniu zależnym od warunków na drodze i sposobu jazdy. Kiedy ruszamy, manewrujemy lub poruszamy się powoli (do ok. 50 km/godz.), pierwsze skrzypce gra silnik elektryczny.

Podczas bardziej dynamicznej jazdy na czoło wysuwa się motor spalinowy. Wytworzona przez niego energia jest dzielona: większa część służy do napędzania pojazdu, reszta do ładowania akumulatora. Akumulator jest też doładowywany podczas hamowania rekuperacyjnego, kiedy silnik elektryczny pracuje jako generator. Dlatego prowadząc hybrydę, powinniśmy hamować płynnie, ze stałą siłą i jak najdłużej. Podobnie jest ze zwalnianiem. Wtedy ładowanie akumulatorów staje się najefektywniejsze.

W hybrydzie równoległej dominującym napędem pozostaje silnik spalinowy, a zadaniem silnika elektrycznego staje się wspomaganie go przy dużym obciążeniu. Energia zmagazynowana w akumulatorze jest wykorzystywana przede wszystkim wtedy, kiedy ruszamy lub przyspieszamy.

Hybryda mieszana

Układ mieszany łączy cechy układów równoległego i szeregowego. Jest to najczęściej spotykany na rynku wariant, ze względu na dominację hybryd Toyoty, która stosuje w swoich autach właśnie taką kombinację. System nazywany Hybrid Synergy Drive (HSD) znajdziemy m.in. w modelach Prius, Yaris, Auris, Camry, Corolla, RAV4 czy C-HR. W czasie jazdy może pracować tylko silnik elektryczny, tylko benzynowy lub oba jednocześnie. System sam dobiera odpowiednie źródła napędu, dzięki czemu potrafi optymalnie wykorzystać każde z nich. Najważniejsze elementy tego układu to motor benzynowy, silnik elektryczny, akumulator i inwerter, który steruje przepływem prądu do i z akumulatorów oraz adaptuje napięcie dostarczane silnikowi elektrycznemu w celu zwiększenia wydajności.

Sercem układu jest zaś przekładnia planetarna, dzieląca napęd pomiędzy silnik spalinowy a elektryczny, z możliwością przenoszenia go bezpośrednio na koła, i jednocześnie zastępująca skrzynię biegów.

Hybryda mieszana pozwala nam ruszać i przejechać niewielką odległość na samym prądzie, np. poruszając się w korku. Ponieważ pojemność akumulatorów takiej hybrydy jest niewielka, dość szybko układ przechodzi w tryb szeregowy, w którym załącza się silnik spalinowy, doładowujący baterie. Kiedy mocniej wciśniemy pedał gazu, uruchomi się z kolei tryb równoległy, w którym do dyspozycji mamy oba silniki i pełną moc układu.

Układ daje się też łatwo rozbudować do napędu 4×4, przez dodanie jeszcze jednego silnika elektrycznego, napędzającego drugą oś, jak ma to miejsce w hybrydowej Toyocie RAV4 czy Lexusie RX. Pozwala to zrezygnować ze skrzyni rozdzielczej oraz wału napędowego i uniknąć zwiększonych oporów, dając możliwość precyzyjnego sterowania podziałem momentu obrotowego między obie osie.

Hybryda plug-in

Klasyczna hybryda umożliwia ładowanie baterii tylko i wyłącznie podczas jazdy - poprzez hamowanie lub za pomocą motoru spalinowego. Jeśli jednak kupimy auto hybrydowe plug-in, zwane także PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle), możemy dodatkowo uzupełnić energię baterii za pomocą wtyczki podłączonej do domowej sieci 230 V lub poprzez stację szybkiego ładowania, dokładnie tak samo jak w wypadku auta elektrycznego.

W hybrydach plug-in silnik elektryczny ma większą moc niż w hybrydach innego typu, a akumulatory wykazują dużo większą pojemność. Dzięki temu samochód może przejechać w trybie elektrycznym dłuższy dystans - najczęściej ok. 30-50 km, co w większości przypadków pozwala pokonać całą drogę do pracy i z powrotem wyłącznie na prądzie. Ale dłuższe trasy również są w naszym zasięgu - mamy przecież w zapasie silnik spalinowy, który dodatkowo potrafi doładować baterie elektryczne. Kierowca sam wybiera moment przełączania napędów, choć może także zdać się na tryb automatyczny.

Minusami hybryd plug-in są duża masa własna auta (ciężkie baterie pod podłogą) i spore zużycie paliwa podczas dynamicznej jazdy - a także cena, która jest wyraźnie wyższa niż w przypadku zwykłych hybryd. W Polsce wciąż poważnym problemem pozostaje także brak rozbudowanej infrastruktury stacji szybkiego ładowania.

Przykładem hybryd plug-in są m.in.: Kia Optima Plug-in Hybrid, Volkswagen Golf GTE, Volvo XC60 Hybrid Plug-in, Kia Niro PHEV, Toyota Prius Plug-in, Hyundai Ioniq, Porsche Panamera S E-Hybrid, Range Rover PHEV, Mitsubishi Outlander PHEV czy BMW 330e iPerformance.

Więcej zalet

Same układy hybrydowe są w zasadzie bezproblemowe. Psują się niezmiernie rzadko, a jeśli już będziemy mieli pecha, to znalezienie dobrego warsztatu specjalizującego się w naprawach hybryd, zwłaszcza Toyoty i Lexusa, nie stanowi obecnie wielkiego problemu.

Oczywiście lepiej nie zostawiać ich u przysłowiowego pana Henia w warsztacie "za rogiem", bo serwisowanie i naprawa hybryd często wymaga podłączenia specjalistycznego sprzętu, a przede wszystkim dodatkowej wiedzy, choćby z tego względu, że wiele podzespołów pracuje pod wysokim napięciem. Działają już także firmy, które oferują profesjonalną regenerację baterii - wymiana niesprawnych cel i kontrola pozostałych to koszt od 1,5 tys. zł (2. generacja Priusa) do ponad 10 tys. (niemieckie marki premium). Jeśli bateria będzie już mocno wyeksploatowana (a takie trafiają się w używanych autach sprowadzanych z zagranicy) albo poważnie uszkodzona, np. w wyniku wypadku lub powodzi, można ją wymienić w całości już za ok. 7 tys. zł (Prius). Przeciętna trwałość współczesnych baterii (niklowo-wodorkowych w Priusie i litowo-jonowych w innych modelach) jest jednak bardzo wysoka - wytrzymują bez problemu 300-400 tys. km.

Pozostałe podzespoły auta i ich serwis kosztują mniej więcej tyle samo co w aucie z tradycyjnym napędem lub taniej. Nie mamy przecież rozrusznika, alternatora, pasków klinowych, a klocki i tarcze zużywają się kilka razy wolniej - ze względu na potrzebę odzyskiwania energii podczas hamowania elementy te pracują dużo rzadziej.

Mniej obciążone są także silniki spalinowe, które dzięki wsparciu elektrycznemu mogą być mniej wysilone i dodatkowo pracować w cyklu Atkinsona, który zapewnia wyższą sprawność w zakresie optymalnych obrotów i niższe zużycie paliwa. Jeśli chodzi o przekładnie, to Toyota stosuje skrzynie planetarne E-CVT, pracujące w trybie bezstopniowym, które jednak działają na innej zasadzie niż klasyczne skrzynie bezstopniowe i w odróżnieniu od nich w zasadzie się nie psują.

Inni producenci częściej stawiają na przekładnie dwusprzęgłowe (np. Kia, Volkswagen) lub klasyczne automaty (Volvo, Range Rover). Hybryda najlepiej sprawdza się w mieście, gdzie często się przyspiesza i hamuje, a w efekcie odzysk energii kinetycznej jest największy. Na trwałość hybryd korzystnie wpływa też brak przestojów.

Nie ma jednak róży bez kolców. Wady samochodów z napędem hybrydowym zauważymy przede wszystkim wtedy, gdy ruszymy nimi w trasę - nie dość, że dynamika okazuje się przeciętna, to na dodatek często palą one więcej nie tylko od diesli, lecz także od zwykłych benzyniaków. Szczególnie paliwożerne są hybrydy plug-in, gdy całkowicie wyczerpie się im bateria i są zdane jedynie na silnik spalinowy.

Na autostradzie hybryda to benzyniak lub diesel z dodatkowym balastem. Dla niektórych sporą wadą może być fakt, że większość hybryd nie może ciągnąć przyczepy.

***

Rynek hybryd rozwija się bardzo dynamicznie - w swojej ofercie mają już je prawie wszyscy liczący się producenci samochodów. Na razie technologia ta jest wciąż ulepszana i modyfikowana, np. Toyota pracuje nad bateriami litowo-jonowymi nowej generacji ze stałym elektrolitem o znacząco większej pojemności energetycznej i skróconym czasie ładowania. I choć napęd hybrydowy pozostaje raczej ślepym zaułkiem w rozwoju motoryzacji, to jeszcze przez dłuższy czas będzie stanowił ważny pomost między epoką napędów spalinowych i "elektryczną" przyszłością.

Krzysztof Jóźwiak