Hybryda - czemu nie?

W biologii hybrydą nazywa się skrzyżowanie ze sobą osobników należących do odrębnych taksonów, czyli ras, odmian, podgatunków czy nawet gatunków. W motoryzacji jest niemal tak samo. Co więcej, różnorodność konfiguracji zasługujących na miano hybrydy jest również niemała!

Przywykliśmy do tego, aby pojazdy hybrydowe kojarzyć z połączeniem napędu spalinowego i elektrycznego. Tymczasem ta nazwa jest właściwa dla każdego pojazdu, którego budowa opiera się na zastosowaniu dwóch odrębnych źródeł napędu, więc rower ze wspomaganiem elektrycznym, choć to może nieco zaskakujące, jest jak najbardziej pełnoprawną hybrydą!

Okazuje się, że technologia hybrydowa nie jest taką znowu nowością. Firma Lexus chwali się już piętnastoletnim doświadczeniem w pracach nad napędem tego rodzaju, Toyota Prius wraz z konkurencyjną jej Hondą Civic Hybrid już od kilku lat są seryjnie produkowane i znajdują się w ofercie dealerów. Za oceanem tego rodzaju pojazdy cieszą się ogromną popularnością. Kiedy moda na to, aby być ekologicznym dotrze również i do Europy? Tego nie wiadomo. Należy się jednak spodziewać, że prędzej czy później to nastąpi i również na naszych drogach będziemy zazdrośnie spoglądać na pojazdy z tym jakże zaawansowanym technologicznie napędem.

Zacznijmy jednak od samej konstrukcji i związanych z nią korzyści. Napędy hybrydowe dzielą się na równoległe i szeregowe. W seryjnych zastosowaniach częściej spotykane są konstrukcje równoległe, lecz - z powodu prostszej budowy - skupimy się najpierw na układzie szeregowym.

Układ ten zawdzięcza swoją nazwę temu, że przekazywanie mocy odbywa się od pierwszego elementu przez wszystkie kolejne części składowe aż do kół napędowych. Elementem wytwarzającym energię mechaniczną jest tu silnik spalinowy. On napędza generator produkujący prąd, który zasila akumulatory oraz silnik elektryczny, którym z kolei napędzany jest cały pojazd. Z pozoru wydawałoby się, że konstrukcja jest gorsza od tradycyjnego układu, ponieważ generator wraz z silnikiem elektrycznym włączone między silnik spalinowy i koła powinny powodować same straty. Jednak z drugiej strony, taka konstrukcja pozwala na optymalny dobór silnika spalinowego, który może mieć o wiele mniejszą pojemność niż w tradycyjnych rozwiązaniach, gdyż średnia zapotrzebowana moc do napędu pojazdu jest wielokrotnie mniejsza od maksymalnych mocy obecnie stosowanych silników. Po drugie - można tak zoptymalizować jego pracę, aby stale pracował przy względnie dużych obciążeniach, gdyż w tym obszarze silniki spalinowe najczęściej osiągają maksymalną sprawność i minimalne zużycie paliwa. Za to wykorzystanie silników elektrycznych do napędzania pojazdu pozostawia pole do popisu w zakresie obniżenia poziomu hałasu w strefach zamieszkania czy ścisłym centrum, który to hałas wynika głównie z pracy silnika spalinowego. Można bowiem wyobrazić sobie, że pojazdy tego typu miałyby możliwość poruszania się przy wykorzystaniu wyłącznie napędu elektrycznego kosztem energii zgromadzonej w akumulatorach, a to dawałoby niemal bezgłośną jazdę. Drugą możliwością jest zabudowanie silników elektrycznych w kołach, co zwiększyłoby przestrzeń do zagospodarowania w nadwoziu.

Układ równoległy jest za to w swej konstrukcji nieco bliższy napędom tradycyjnym, ponieważ silnik spalinowy jest tu mechanicznie sprzęgnięty z kołami napędowymi i może przekazywać moment obrotowy na koła za pośrednictwem skrzyni biegów. Jednocześnie jest wyposażony w generator wytwarzający energię elektryczną, istnieje także możliwość odłączenia napędu spalinowego i korzystania jedynie z silnika elektrycznego. Układ ten z pewnością jest pozbawiony strat związanych z przemianą energii mechanicznej na elektryczną, by zaraz dokonać ponownej konwersji na postać mechaniczną. Za to podobnie jak w układzie szeregowym, tak i tu można zastosować silnik spalinowy mniejszej mocy, gdyż dodatkowy zapas mocy do rozpędzania pojazdu zapewnia silnik elektryczny. Nieco trudniejsze może jednak być dobranie najbardziej optymalnego punktu pracy silnika spalinowego ze względu na to, że musi on stale reagować na wykonywane przez kierowcę manewry.

Poza wyżej wymienionymi rozwiązaniami istnieje pewna grupa cech wspólnych charakteryzujących oba układy hybrydowe. Po pierwsze - zostały skonstruowane z myślą o bezużytecznie rozpraszanej dotąd w procesie hamowania energii kinetycznej, zgromadzonej w poruszającym się pojeździe. W związku z tym, ilekroć hamujemy, komputer pokładowy stara się nie dopuścić do użycia tradycyjnych hamulców, za to wyhamowuje pojazd przez wykonanie pracy nad generatorem elektrycznym, który wyprodukowaną w procesie hamowania energię magazynuje w akumulatorach. Z tego względu pojazdy hybrydowe powinny wykazywać największe oszczędności w jeździe z cyklicznym, często pojawiającym się naprzemiennie przyspieszaniem i hamowaniem, zatem w warunkach miejskich. Tradycyjne hamulce używane są tylko w przypadku gwałtownego hamowania, kiedy generator nie jest zdolny odebrać zbyt dużej energii w tak krótkim czasie. Ale hamowanie nie jest jedynym procesem, w którym następuje odzyskiwanie energii - także przy zjazdach z górki energia potencjalna pojazdu zamieniana jest na energię elektryczną, a pojazd utrzymuje stałą prędkość zjazdu ze wzniesienia. I odwrotnie: w momentach większego zapotrzebowania na moc (rozpędzanie, wyprzedzanie, wjazdy na wzniesienia) w układach równoległych oprócz silnika spalinowego załącza się dodatkowo silnik elektryczny zapewniający zastrzyk mocy. W trakcie postoju na światłach silnik spalinowy najczęściej jest w ogóle wyłączany.

Schemat przedstawiający przepływ energii w systemie hybrydowym Priusa
podczas przyspieszania

Test Toyoty Prius i opis Hondy Civic Hybrid

Teoria jak zawsze wygląda pięknie, ale należałoby ją teraz skonfrontować z praktyką. Wobec tego przywołajmy tu przykłady kilku seryjnie produkowanych pojazdów. Ikoną wśród hybryd jest Toyota Prius napędzana półtoralitrowym silnikiem benzynowym o mocy 78KM współpracującym z 68-konnym silnikiem elektrycznym. To połączenie zapewnia pojazdowi o długości niemal 4,5m i masie własnej równej 1300kg przyspieszenie od 0 do 100km/h w 10,9s i prędkość maksymalną równą 170km/h przy spalaniu 4,2l/100km w trasie i 5,0l/100km w jeździe miejskiej. Toyota chwali się zaskakująco niskim współczynnikiem oporu powietrza równym 0,26, wyraźnie też widać, że zainwestowano w bogate wyposażenie, w skład którego prócz pełnej elektryki (szyby, podgrzewane i elektrycznie ustawiane lusterka, zdalnie sterowany zamek, wspomaganie kierownicy, system audio CD + MP3 + WMA z sześcioma głośnikami i sterowaniem ze skórzanego koła kierownicy) wchodzi również bogaty zestaw poduszek powietrznych, systemów bezpieczeństwa czynnego (ABS + EBD + BA, VSC+, czyli system stabilizacji pojazdu, E-TRC - elektroniczna kontrola trakcji oraz HAC - system wspomagający pokonywanie podjazdów), tempomat i automatyczna klimatyzacja sterowana z koła kierownicy.

Nadwozie Priusa o Cx = 0,26 i mało udane przełamanie tylnej szyby
ograniczające widoczność do tyłu

To wszystko, a także kosztowna technologia hybrydowa sprawiają, że cena wynosi 103 000zł za wersję podstawową (SOL) oraz 112 500zł za wersję z zestawem Bluetooth, nawigacją satelitarną i systemem inteligentnego parkowania, który sam zaparkuje pojazd w wybranym przez nas miejscu. Ale - wracając jeszcze do samego napędu Priusa - warto nadmienić, że Toyota daje gwarancję na układ hybrydowy na 8 lat lub 160 000km, co daje poczucie spokoju o wysoką jakość i bezawaryjność innowacyjnej technologii, za którą w końcu niemało płacimy.

Prius opiera się na równoległym układzie hybrydowym, w którym rolę skrzyni biegów pełni przekładnia typu CVT (continously variable transmission - bezstopniowa przekładnia zapewniająca zmianę przełożenia w sposób ciągły), co z jednej strony pozwala komputerowi najlepiej dobrać punkt pracy silnika, z drugiej zaś daje kierowcy dość zaskakujące wrażenia z rozpędzania, silnik bowiem pracuje cały czas przy stałych obrotach i wydaje jednostajny dźwięk. Poza tym należy pamiętać, że przekładnia CVT jest automatem, więc przy dźwigience ustawionej w położeniu D podczas postoju na światłach nie wolno zwalniać hamulca, gdyż pojazd zaczyna samowolnie się toczyć.

Wnętrze Toyoty Prius

Trzeba przyznać, że Toyota pozwala na zajęcie wygodnej pozycji w swoim wnętrzu, zapewnia także komfort jazdy i dobrą widoczność przez przednią szybę. Widoczność wstecz niestety utrudnia konstrukcja tylnej szyby, której przełamanie z nakładką wyznaczającą miejsce oderwania linii prądu znajduje się na wysokości wzroku kierowcy. Poza tym Prius w trakcie ruszania nie daje poczucia możliwości szybkiego przyspieszenia i gdy siedzimy za kierownicą, wydaje się, że auto rozpędzające się w 10,9 s do setki na dotknięcie gazu powinno reagować w sposób bardziej zdecydowany. Niewątpliwie jednak w zatłoczonym mieście można pobawić się w ruszanie z wykorzystaniem jedynie silnika elektrycznego, pozostawiając spalinowy wciąż wyłączony. Niezła gra zręcznościowa! W aspekcie jazdy ekologicznej takie zabawy byłyby zapewne jak najbardziej wskazane.

Honda Civic Hybrid

Głównym konkurentem Toyoty jest Honda Civic 1,3 Hybrid CVT. Nie da się jednak ukryć, że pod względem sprzedaży tego modelu Honda pozostaje daleko w tyle za Priusem, ponieważ w całej Polsce od trzech lat sprzedało się jedynie kilka egzemplarzy Civica Hybrid, a żaden z dealerów w Polsce nie oferuje jazd próbnych tą hybrydą. Niemniej produkt Hondy jest równie dobry jakościowo (odchudzono go jedynie z niektórych dodatków stylizacyjnych, aby obniżyć cenę) i samochód stale można kupić. Honda, w przeciwieństwie do Priusa, nie daje możliwości jazdy z wykorzystaniem samego silnika elektrycznego, ma on tu bowiem jedynie 20KM, za to 1,3-litrowy silnik benzynowy osiąga moc 95KM. To połączenie zapewnia Civicowi przyspieszenie do setki w 12,1s, prędkość maksymalną 185km/h i spalanie 5,2l/100km w mieście i 4,3l/100km w trasie. Produkt Hondy za to bardzo dobrze sprzedaje się w Ameryce, gdzie już znacznie godniej konkuruje z Toyotą. Civic Hybrid kosztuje 86 600 PLN, czyli o niemal 15 000 PLN więcej niż jego niehybrydowy odpowiednik.

Wnętrze hybrydowego Civica

Hybrydowe Solarisy

Wizualizacja hybrydowego Solarisa Urbino 18

Przenieśmy się do świata pojazdów o kilka klas cięższych od samochodów osobowych. Mało kto bowiem wie, że polski producent autobusów Solaris jako pierwszy w całej Europie na początku 2007 r. wprowadził do seryjnej produkcji autobus miejski z napędem hybrydowym! Taki napęd zastosowano w 18-metrowym, niskopodłogowym, przegubowym pojeździe Urbino 18 trzeciej generacji. Ogromnym powodem do dumy jest fakt, że Solaris jest autobusem opracowanym w pełni przez zespół polskich konstruktorów, a także to, że we wprowadzaniu innowacyjnej technologii hybrydowej do seryjnej produkcji firma wyprzedziła takich potentatów jak choćby niemieckiego MANa czy Mercedesa.

Hybrydowy autobus kursujący po ulicach Drezna

Pojazd hybrydowy jest efektem kilkumiesięcznej pracy biura projektowego podpoznańskiej spółki, a tak krótki czas przygotowania do produkcji możliwy był dzięki współpracy z doświadczonymi partnerami - firmami Cummins i Allison Transmission dostarczającymi odpowiednio silnik Diesla oraz drugi element napędu, który jest zarazem jego główną częścią - system E^P50. Diesel o pojemności 8,9l rozwija moc maksymalną 340KM i maksymalny moment obrotowy 1500Nm przy 1200 obr/min. Autobus zabiera 160 pasażerów, w tym 53 na miejscach siedzących. Układ napędowy, odwrotnie niż w przypadku tradycyjnego napędu, umieszczono w pierwszym członie autobusu między pierwszą i drugą (tu napędową) osią. Kierowanie tym pojazdem tylko nieznacznie różni się od autobusu wyposażonego jedynie w Diesla, za to zaskakuje swą dynamiką i pozwala na oszczędności paliwa rzędu 20-43%. Tak duże oszczędności są możliwe, ponieważ napęd hybrydowy dzięki możliwości odzysku energii kinetycznej jest w zasadzie stworzony do zastosowań w ruchu miejskim. A dla przedsiębiorstw komunikacyjnych oszczędność paliwa jest głównym czynnikiem ekonomicznym przesądzającym o tym, że warto w technologię hybrydową zainwestować dodatkowe 130 tys. euro, bo tyle właśnie wynosi różnica między Solarisem Urbino 18 z napędem tradycyjnym i hybrydowym. Uwe Weich, szef Centrum Pojazdów Użytkowych DVB AG (przedsiębiorstwa komunikacyjnego obsługującego linie autobusowe w niemieckim Dreźnie) szacuje, że przy tylko 20% oszczędności paliwa wyższa cena zwróci się po ok. 10 latach, więc dalsze zakupy są poważnie brane pod uwagę. Tym bardziej, że jakość i najwyższy, europejski poziom Solarisów potwierdzają zajęcie drugiego miejsca w prestiżowym konkursie Bus of the Year 2005, w którym Solaris przegrał tylko jednym puntkem z MANem Lion's City, oraz to, że przetarg na dostawę 260 niskopodłogowych autobusów przegubowych dla Berlina nie wygrał żaden z niemieckich oferentów, lecz właśnie polski producent! W tej chwili pierwsze dwa hybrydowe Solarisy kursują już na regularnych liniach - jeden w niemieckim Dreźnie, drugi w Lenzburgu w Szwajcarii.

Autor: Bartosz Górecki