Našiel som mnoho článkov o vlastnostiach tohto auta, žiadny však nepopisuje ako tento automobil skutočne funguje, a prečo funguje tak, ako funguje. Preto by som rád túto medzeru zaplnil. Prajem príjemné čítanie a hlavne premýšľanie.
Toyota Prius si hrdo vraví, že je to hybridný automobil. Hybridný pohon znamená, že je vozidlo poháňané viacerými zdrojmi energie. Človek by čakal, že taký automobil je schopný, jazdy na viacero druhov paliva. Nič také sa nekoná, Prius žerie benzín a iba benzín. Prečo teda hybrid? No, preto, lebo Prius okrem spaľovacieho motora má v sebe aj elektromotor. Ten síce spotrebováva elektrickú energiu, teda dva druhy energie by sme tu mali, tá sa ale výlučne vyrába z benzínu. Nechajme definíciu definíciou, Prius je skrátka hybridné vozidlo aj keď asi obyčajný automobil prestavaný na LPG túto definíciu splňuje viacej. Pretože ten je skutočne schopný jazdiť na dva zdroje energie - benzín a plyn. V každom prípade, Toyote patrí zásluha na rozšírení pojmu hybridný automobil ako reálnej alternatívy. Poďme ale pekne po poriadku.
Položme si otázku, načo je v aute dobrá prevodovka. Keď sa dajú meniť otáčky motora, tak prečo to neurobiť tak, aby rozsah otáčok motora pokrýval rozsah rýchlostí automobilu? Odpoveď je jednoduchá a jasná ale napriek tomu ju treba povedať. Klasický spaľovací motor totiž nemá rovnaké parametre v celom rozsahu. Presnejšie, sú tak rozdielne, že auto bez prevodovky by bolo veľmi obmedzené. Takže by to napríklad znamenalo, že pri rozbiehaní by bolo auto lenivé, pri stredných rýchlostiach by to bolo akurát, a pri vyšších by veľa žralo a bolo by hlučné. Tak sa stalo, že niekto vymyslel manuálnu prevodovku. A neskôr ju niekto automatizoval. (Aj keď tu v Európe by tomu človek ani neveril.) Spojka, prevodové stupne, meniace sa otáčky a parametre motora, ( a v európe aj prevodová páka) to je klasika, ktorá k automobilu neodmysliteľne patrí. Ale koľko má byť tých stupňov? Dva? Desať? Sto? Prečo práve 5, ako sa to dnes používa? No, je to nastavené tak, aby bola aj ovca sýta, aj vlk celý. ;) Aby sme sa skrátka nenadreli pri častom preraďovaní a aby sme dokázali pri každej rýchlosti držať motor v akceptovateľných otáčkach.
Naskytá sa otázka, prečo neurobiť prevodovku s plynulou zmenou prevodu. Motor by vždy bežal v správnych otáčkach a hotovo. Také prevodovky ale skutočne existujú. V skratke CVT - continuously variable transmission, alebo prevodovka s plynulou zmenou prevodu. Majú ale viac nevýhod. Nižšia účinnosť, nižšia spoľahlivosť a v konečnom dôsledku vyššia cena. Nikomu sa totiž zatiaľ nepodarilo vymyslieť CVT založenú na ozubených prevodoch. Takže priestoru pre tvorivosť a vynaliezavosť je stále dosť. CVT sa dnes realizujú výhradne trecími alebo rôznymi hydraulickými prevodmi. A preto napriek tomu, že skoro každá väčšia automobilka má v ponuke nejakého modelu CVT, k masovému rozšíreniu nedošlo. Uplatňujú sa hlavne tam, kde to inak nejde, napríklad pri riadení rýchlostí pásov pásových vozidiel, v rôznych stavebných mechanizmoch, ale aj ako náhrada klasickej automatickej prevodovky s vôbec nie nezaujímavými jazdnými vlastnosťami.
Obr. 1 Spaľovací motor (ICE) – prevodovka – náhon
Zoberme si teraz taký obyčajný elektromotor. V porovnaní so spaľovacím motorom je to zázračný stroj. Elektrickú energiu premieňa na pohybovú skoro so stopercentnou účinnosťou, má výborné vlastnosti v celom rozsahu otáčok, nie je problém použiť ho bez prevodovky, je prakticky bezúdržbový, žiadne mazanie, žiadne prevody, remene, kľukové hriadele. Nič také. Je nehlučný. Žiadne vibrácie, žiadne tlmenie. Dá sa ľahko regulovať. Plynulý rozjazd bez spojky a nepríjemného trhnutia. A ako bonus nie nepodstatná vlastnosť - keď elektromotorom otáčame, tečie z neho elektrický prúd. Teda môže fungovať ako generátor elektrického prúdu. Akumulácia energie pri brzdení je ďalšou úžasnou vlastnosťou elektromobilov. Prečo sa teda elektromobily nerozšírili? Kameňom úrazu je práve akumulácia elektrickej energie. A to zďaleka nielen v mobilných zariadeniach. Batérie sú ťažké, majú malú kapacitu, sú objemné, pomaly sa dobíjajú, majú nízku životnosť a teda v konečnom dôsledku, sú drahé. A nič lepšie nemáme. Zanietení zástupcovia elektromobilizmu síce radi tvrdia, že rozšíreniu elektromobilov bráni ropná loby. A keby sa do vývoja batérií investovalo toľko, koľko iba do vývoja prevodoviek, tak elektromobily nemajú konkurenciu. Názor nech si ale spraví každý sám, my sa namiesto filozofovania posunieme bližšie k už skoro zabudnutej podstate tohto článku - Toyota Prius.
Obr. 2 Elektromotor/generátor (MG) – náhon
Skúsme uvažovať ako by sa všelijako dali využiť výhody obidvoch strojov - elektromobilu, a spaľovacieho motora. Ako ich usporiadať tak, aby sme využili výhody oboch motorov?
Prvý nápad by mohol byť napríklad taký, že by sa niekde medzi spaľovací motor a koleso pripojil elektromotor. Keby bolo treba, použil by sa ako dodatočný zdroj, napríklad pri zrýchľovaní, naopak pri brzdení by vyrábal prúd a dobíjal by batérie. Tých by nemuselo byť veľa, akurát na uskladnenie energie z brzdenia. Možno neprekvapím keď poviem, že takéto riešenie skutočne existuje. Hovorí si IMA - Integrated Motor Asistent, využíva ho Honda v niektorých svojich modeloch, najznámejší je Honda Insight - Priusov najväčší konkurent. Našťastie pre Prius, IMA je verné svojmu názvu, a robí to, čo má v názve - asistuje spaľovaciemu motoru. Hondy vybavené IMA preto nie sú schopné jazdy čisto na elektrinu. Na to, aby sa takéto riešenie mohlo vôbec označiť hybrid si niekto vymyslel prívlastok mild hybrid (mild = mierny, slabý, jemný). V každom prípade toto nie je úplne zlé riešenie. Ale tiež treba povedať, že sú aj lepšie ;) Napríklad nevýhodou zostáva nutnosť použiť prevodovku pre spaľovací motor. Honda dokonca ponúka k týmto vozidlám aj CVT. Aj keď teoreticky nemusí byť problém posilniť výkon elektromotora tak, aby bolo auto schopné jazdy v čisto elektrickom režime, človek cíti, že to nie je úplne to pravé orechové.
Obr. 3 Spaľovací motor(ICE) – elektromotor/generátor (MG) – prevodovka – náhon
Ďalšou možnosťou by mohlo byť nasledovné usporiadanie. Spaľovací motor napojený na generátor. A elektromotor napojený priamo na kolesá. Tiež to nie je zlé riešenie. Odpadá nutnosť použitia prevodovky, je relatívne jednoduché pripojiť batérie a jazdiť aj v čisto elektrickom režime. Možno zase nepoviem nič prekvapivé, ale aj takéto riešenia sa skutočne používajú. Jednak je v súčasnosti ohlásených niekoľko projektov automobilov, napríklad Chevrolet Volt, a jeho brat Opel Ampera, ale ďaleko známejšie sú klasické dieselelektrické lokomotívy, ktoré brázdia naše koľajnice už nejaký ten rôčik. Síce bez batérií, ale s trakčným vedením nad hlavou. Teda hybridy ako vyšité a to navyše z čias kedy slovo hybrid bolo známe skôr ako výtvory šľachtiteľov a genetických inžinierov. Každopádne jedna malá chybička tohto riešenia by sa predsa len našla. Je totiž nutné všetku mechanickú energiu zo spaľovacieho motora premeniť na elektrickú a následne znova na mechanickú. Nehovoriac o tom, že miesto jedného elektromotora vlastne potrebujeme dva. Jeden generátor, jeden elektromotor. Spolu so spaľovacím motorom sa už vo vozidle nachádzajú tri stroje s rovnakým výkonom, ktoré sú v konečnom dôsledku schopné vydať iba výkon jedného (najslabšieho) z nich.
Obr. 4 Spaľovací motor(ICE) – elektromotor/generátor (MG1) – elektromotor/generátor (MG2) – náhon
Pomaly ale isto sa blížime k tomu, aby sme si už konečne povedali ako to s tým Priusom je, zostáva nám zopakovať si ešte jednu vec. Tou je planétová prevodovka. Taká, ktorá sa používa ako diferenciál v automobiloch. Pre našu potrebu bude úplne stačiť povedať si, že sa jedná o mechanizmus, z ktorého trčia tri hriadele. Pričom platí, že ak ľubovoľnými dvoma hriadeľmi otáčame, rýchlosť otáčania tretieho je rovná súčtu dvoch otáčaných. Pochopiteľne platí, že súčet výkonov vstupných a výstupných je rovný nule. Kam by sa strácal, že áno. Mimochodom Toyota mu hovorí delič výkonu. Známejší je pod pojmom diferenciál. Čo je ale podstatné je to, že je to mechanizmus neporovnateľne jednoduchší než prevodovka, či už manuálna, alebo CVT, o automatickej ani nehovoriac.
Tak a teraz už máme všetko, z čoho sa dá poskladať tá geniálna myšlienka. Ako to vlastne v tom Priuse je? Takto: Spaľovací motor napojený na jeden hriadeľ planétovej prevodovky, na jej druhom hriadeli prvý elektromotor/generátor, na tretom hriadeli druhý elektromotor/generátor a zároveň pohon kolies. Nič viac, nič menej. Žiadna CVT, žiadna prevodovka, spojka, žiadne komplikovanosti, žiadne zbytočné premeny energie.
Obr. 5 Hybrid synergy drive
Celá tá paráda nezaberá viac, priestoru než klasický motor s prevodovkou. Umožňuje spaľovaciemu motoru bežať v optimálnych otáčkach, elektromotory môžu zvládnuť potrebný rozdiel otáčok vyrovnať tak, že jeden funguje ako generátor, a druhý ako elektromotor. Pričom elektrickou cestou putuje iba nevyhnutná časť energie potrebná pre dorovnanie rozdielu otáčok, ostatné sa prenáša cez planétovú prevodovku mechanickou cestou. Aké jednoduché. Škoda, že Toyota použila aj názov e-CVT - elektronicky riadená prevodovka s plynulou zmenou prevodu. Áno výsledok je taký, ale myšlienka je hlbšia a možnosti sú väčšie. Myslím, že verejnosti sa nepodarilo vysvetliť pojem e-CVT a výsledkom je zmätok. Jeden nemenovaný renomovaný motoristický časopis dokonca napísal o tej páčke, ktorá vypadá ako páka prevodovky, že je to volič prevodových stupňov. A keďže sa očividne jednalo o preklad z iného jazyka, určite nebol jediný. Áno mnohé CVT skutočne majú simuláciu prevodových stupňov, zrejme pre indivíduá, ktoré robia brm brm keď šoférujú, ale v Priuse žiadna CVT prevodovka, nie je. A ani simulácia klasických prevodových stupňov sa nekoná. Ešte raz. Žiadna tradičná prevodovka. Ani CVT, ani automatická. Pre dámy – žiadna páka prevodovky, žiadna spojka, žiadne stupne. A spomínaná páčka je volič režimov, ktorá sa navyše podľa môjho názoru nešťastne presťahovala v tretej generácii Priusu z pod volantu na miesto, kde obvykle býva páka prevodovky. Nehovoriac o tom, že už vôbec nebolo treba napodobňovať nejakú páčku. Pár tlačidiel by určite spravilo väčší dojem. Takto je to len ďalší dôvod na zmätok v chápaní fungovania tohto auta. Navyše elektromotory nemusia byť len akýmsi prevodníkom otáčok a momentov. Môžu buď pridávať výkon, alebo prebytočný výkon akumulovať. Teda znova, je len škoda, že sa použilo prirovnanie k CVT. Možnosti sú ďaleko väčšie.
Vlastnosťou plynúcou z tohto usporiadania je, že výkony elektromotorov a spaľovacieho motora je možné sčítať. Podobne ako v IMA. Navyše na rozdiel od IMA výkon elektromotorov je dostatočný na to, aby poháňal vozidlo bez potreby spustiť spaľovací motor. Teda jazda čisto na elektrickú energiu je len otázkou kapacity batérií. Samotný Prius ujde na čisto elektrický pohon len pár kilometrov. Po prestavbe je z neho možné urobiť skutočné hybridné vozidlo schopné dobíjať sa zo zásuvky elektrickej energie. Teda ozajstný hybrid. Alebo po našom: plug-in hybrid. A to je niečo, čo nemá obdobu. Konkurencia sa pýši akurát tak systémom stop-start. Teda vypnutím motora na križovatke. No proste smiešnosti. Je nádhera sadnúť do vozidla, otočiť kľúčikom a počuť ticho. Automobil sa rozbehne a stále ticho. Až keď elektronika vyhodnotí, že je potrebný ďalší zdroj, spustí sa spaľovací motor. Bez zásahu vodiča bez trhnutia nejakej spojky. Či sa budú dobíjať batérie z prebytočnej energie zo spaľovacieho motora alebo naopak používať aj ich kapacita pre maximálny výkon, všetko riadi elektronika. Dobíjanie batérii brzdením je samozrejmosťou. Výsledok je prekvapivo nízka spotreba, rozumný výkon, komfort, spoľahlivosť.
Celý tento mechanizmus dostal názov Hybrid Synergy Drive. Preslávil ho Prius alebo možno opačne. Toyota Prius a HSD je skrátka nerozlučná dvojica. Je ale treba dodať, že HSD sa montuje ako alternatíva do viacerých automobilov tejto značky a tvorí tiež základ pre hybridné pohony prémiovej značky Toyoty - Lexus. Tam už pochopiteľne primerane vyšperkovanejší.
Či sú hybridné vozidlá dočasné riešenie, kým prejdeme na čisto elektrický pohon, alebo je to slepá ulička vývoja, alebo je to riešenie dlhodobejšie, alebo je to iba módny trend, to je otázka pre veštca. Tiež ekologické argumenty nechajme stranou. Už dnes je však isté, že Toyota urobila v tomto smere veľký kus práce, jej Hybrid Synergy Drive je jedinečné riešenie silne prevyšujúce konkurenciu a navyše je to reálna alternatíva. Nie ekologický projekt prototypu financovaného z nejakých dotácií. HSD je tu. Dá sa reálne kúpiť. Žiadne štúdie, žiadne sľuby. Žiadne odhady, či bude úspešný alebo nie. Technologický náskok HSD pred ostatnými riešeniami, dokonca často iba projektmi do vzdialenej budúcnosti, je nezanedbateľný a Toyote preto napriek všetkému zmätku okolo hybridných vozidiel aj okolo samotného fungovania HSD patrí uznanie a poklona.
Záverom by som chcel povedať, že tento článok nemal za cieľ vymenovať kompletný zoznam možných usporiadaní hybridných vozidiel, ani si nekládol za cieľ presne popísať všetky výhody a nevýhody spomenutých riešení. Cieľom bolo objasniť pohon vozidla Toyota Prius a teda aj HSD. Ak sa mi to podarilo tak som rád, ak nie, tak aspoň ďakujem za čas strávený čítaním tohto článku.
