Tech Corner: Υβριδική Τεχνολογία Toyota

Πρωτοπόρος

Η Toyota είναι μία εταιρεία που έχει συνδέσει το όνομά της με τους όρους αξιοπιστία, ποιότητα και οικονομία. Είναι από τις εταιρείες αυτές που δίνουν έμφαση στους τομείς που είναι οι πιο σημαντικοί για τη συντριπτική πλειοψηφία των καταναλωτών, γι’ αυτό άλλωστε και είναι παγκοσμίως πρώτη σε πωλήσεις. Ένας από αυτούς είναι και η οικονομία καυσίμου, η οποία πηγαίνει πακέτο και με τις χαμηλές εκπομπές καυσαερίων. Κινούμενες σε αυτό το πλαίσιο, όλες οι εταιρείες ξεκίνησαν να αναπτύσσουν διάφορες τεχνολογίες για να μπορέσουν να προσφέρουν στο καταναλωτικό κοινό αυτοκίνητα που θα είναι οικονομικά και φιλικότερα προς το περιβάλλον. Η Toyota έχει αναπτύξει διάφορες από τις τεχνολογίες αυτές, αλλά αυτή που έχει τη μεγαλύτερη εξέλιξη και μπορεί -προς το παρόν- να εφαρμοστεί με τη μεγαλύτερη επιτυχία είναι τα υβριδικά αυτοκίνητα.

G21

Όλα ξεκίνησαν το 1993, όταν ο επίτιμος πρόεδρος της Toyota, Eiji Toyoda, ζήτησε από τα κορυφαία στελέχη της εταιρείας να σκεφτούν ένα νέο όραμα για την αυτοκίνηση στον 21^ο αιώνα. Το project βαφτίστηκε «G21», με το G να σημαίνει «παγκόσμιο» και το 21 «για τον 21^ο αιώνα». Η ομάδα του G21 αποτελούνταν από τον Project Manager, Takeshi Uchiyamada και 10 κορυφαίους μηχανικούς και σχεδιαστές της Toyota, οι οποίοι λειτουργούσαν πάνω σε λευκό χαρτί, «αναζητώντας» το αυτοκίνητο της επόμενης γενιάς. Τα πρώτα αποτελέσματα του Project 21 υλοποιήθηκαν το 1994, με το επαναστατικό αυτοκίνητο να εκμεταλλεύεται εξαιρετικά το αυξημένο μεταξόνιο, παρέχοντας άπλετους χώρους στο εσωτερικό, ενώ ο συνδυασμός κινητήρα άμεσου ψεκασμού και ενός νέου αυτόματου κιβωτίου παρείχε βελτιωμένη οικονομία καυσίμου κατά 50% συγκριτικά με τα οχήματα της εποχής και της κατηγορίας του. To Νοέμβριο του 1994, ο AkihiroWada, αντιπρόεδρος έρευνας και ανάπτυξης της Toyota, έδωσε το πράσινο φως για ένα full-scale (κλίμακα 1:1) concept car G21, θέτοντας ως μοναδική προϋπόθεση ότι το αυτοκίνητο θα έπρεπε να χρησιμοποιεί υβριδικό κινητήρα και θα έπρεπε να παρουσιαστεί στο επόμενο Tokyo Motor Show. Η ομάδα του G21 μελετούσε για έξι μήνες όλα τα πιθανά σενάρια, αφού μέχρι τότε δεν υπήρχαν αποδεδειγμένες θεωρίες για κάποιο υβριδικό σύστημα. Το σύστημα, που υιοθετήθηκε, θα ονομαζόταν αργότερα ToyotaHybridSystem (THS) και περιλάμβανε τη λειτουργία δύο ηλεκτροκινητήρων συνδυαστικά με το θερμικό κινητήρα. Ο ένας ηλεκτροκινητήρας ενίσχυε την απόδοση του θερμικού κινητήρα, ενώ λειτουργούσε και σαν γεννήτρια, φορτίζοντας τις μπαταρίες κατά το φρενάρισμα. Ο δεύτερος ηλεκτροκινητήρας μετέτρεπε την ισχύ του θερμικού κινητήρα, ώστε να παράγει ηλεκτρισμό και επιπρόσθετα λειτουργούσε σαν μίζα για την εκκίνηση του βενζινοκινητήρα. To Conceptcar «G21», που παρουσιάστηκε στο Tokyo Motor Show 1995, χρησιμοποιούσε πυκνωτές αντί για μπαταρία, έναν μόνο ηλεκτροκινητήρα και κιβώτιο CVT, με το σύστημα να ονομάζεται Toyota Energy Management System ή EMS και την ομάδα όμως των μηχανικών να συνεχίζει τις δοκιμές του συστήματος THS, που θα φορούσε το αυτοκίνητο παραγωγής, το οποίο βαφτίστηκε «Prius», που στα λατινικά σημαίνει «προηγούμαι».

Prius

Έτσι, λοιπόν, το Toyota Prius έκανε την πρώτη του εμφάνιση τον Οκτώβριο του 1997, στο Tokyo Motor Show, ως το πρώτο υβριδικό αυτοκίνητο μαζικής παραγωγής στον κόσμο. Το κέντρο σχεδιασμού στην Καλιφόρνια κατάφερε να προσδώσει σε αυτό το καινοτόμο και φιλικό -προς το περιβάλλον- αυτοκίνητο μία μοναδική, ξεχωριστή εικόνα. Ένα υπερυψωμένο προφίλ, οροφή σε σχήμα τόξου, καθαρές γραμμές στα πλαϊνά και κορυφαίο -για την εποχή του- αεροδυναμικό συντελεστή Cd 0,29. Το μοντέλο της πρώτης γενιάς σχεδιάστηκε για να ξεχωρίζει, με τη δομή και τη λειτουργία του υβριδικού συστήματος να διατηρείται, σε μεγάλο βαθμό, απαράλλαχτη μέχρι και σήμερα. To Toyota Hybrid System του πρώτου Prius αποτελούνταν από τα εξής κύρια μέρη: α) Ένα τετράχρονο VVT-iβενζινοκινητήρα 1,5lt (1NZ-FXE), ο οποίος δούλευε με βάση τον (πιο αποδοτικό θερμοδυναμικά) κύκλο του Atkinson, με ασύμμετρες φάσεις συμπίεσης και εκτόνωσης και ο οποίος απέδιδε 58Ps/4.000rpm. β) Έναν ηλεκτροκινητήρα/γεννήτρια (Motor/Generator 1) απόδοσης 40Ps/940rpm. γ) Ένα πλανητικό διαφορικό (Power Split Device), του οποίου ο «ήλιος» ήταν συνδεδεμένος με το βενζινοκινητήρα, ο πλανητικός φορέας με τον ηλεκτροκινητήρα και το «στεφάνι» με τους κινητήριους τροχούς μέσω ενός δεύτερου (συμβατικού) διαφορικού. Στο «Power Split Device» καθορίζεται το πρόσημο, καθώς και το ισοζύγιο ισχύος μεταξύ ηλεκτροκινητήρα, βενζινοκινητήρα και κινητήριων τροχών, εξ’ ου και το όνομά του. δ) Μία κεντρική ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου, η οποία ελέγχει και ρυθμίζει τόσο το φορτίο του βενζινοκινητήρα όσο και τις στροφές, το πρόσημο περιστροφής και τη ροπή αντίστασης του ηλεκτροκινητήρα. Πρακτικά, οι στροφές λειτουργίας του βενζινοκινητήρα μπορούν να ρυθμιστούν ανεξάρτητα από την ταχύτητα του οχήματος, ως εκ τούτου είθισται να λέγεται ότι το Prius έχει «ηλεκτρονικά ελεγχόμενο κιβώτιο e-CVT». ε) Ένα Battery pack τοποθετημένο κάτω από το χώρο αποσκευών, το οποίο αποτελείται από 240 στοιχεία τάσης 1,2V. Το battery pack τροφοδοτεί με ρεύμα τάσης 288V τον ηλεκτροκινητήρα, ενώ η χωρητικότητά του -σε ηλεκτρική ενέργεια- είναι 6Ah. Το υβριδικό σύστημα του Prius παρουσίαζε μία σειρά από έξυπνες λύσεις οικονομίας καυσίμου, από την έξυπνη διαχείριση της δύναμης του κινητήρα ανάλογα με τις συνθήκες μέχρι το σβήσιμο του κινητήρα, όταν βρισκόταν σε στάση. Αλλά η πραγματική πρωτοπορία ήταν το σύστημα ανάκτησης ενέργειας μέσω της πέδησης. Η κινητική ενέργεια,  που σε ένα συμβατικό κινητήρα θα σπαταλιόταν ως θερμότητα κατά το φρενάρισμα, πλέον αποθηκεύεται και μετατρέπεται σε ηλεκτρική για να επαναφορτίσει αυτόματα τη μπαταρία, ένα επίτευγμα «ανακύκλωσης ενέργειας» εν κινήσει, το οποίο επέκτεινε την αυτονομία της κίνησης με τη χρήση του ηλεκτροκινητήρα. Για τους οδηγούς, η λειτουργία του hybrid μετουσιώθηκε σε μία μοναδικά απολαυστική εμπειρία οδήγησης. Σε χαμηλές-μεσαίες ταχύτητες μπορούσαν να κινούνται στην πόλη αποκλειστικά με ηλεκτρική ενέργεια και, όταν χρειάζονταν περισσότερη δύναμη, να χρησιμοποιούν και τον κινητήρα βενζίνης. Οι συνολικές του επιδόσεις ήταν στο ίδιο επίπεδο με εκείνες των συμβατικών αυτοκινήτων βενζίνης της εποχής, ενώ η κατανάλωση καυσίμου μειώθηκε κατά το ήμισυ, όπως και οι εκπομπές CO2, με τιμές που ξεπερνούσαν ακόμα και τις αρχικές προβλέψεις!

Η ωρίμανση

Έχοντας ήδη καθιερωθεί ως ένας κατασκευαστής με οικολογική συνείδηση, το ζητούμενο για την Toyota ήταν να διευρύνει την απήχηση του Prius, με ενισχυμένη περιβαλλοντική επίδοση, με βελτιωμένες επιδόσεις και με ακόμα μικρότερη κατανάλωση καυσίμου. Ο μόνος τρόπος για να γίνει αυτό ήταν να ξεκινήσει ο σχεδιασμός από λευκό χαρτί, με ένα πιο προηγμένο, δεύτερης γενιάς, υβριδικό σύστημα με συνολικά 530 νέα διπλώματα ευρεσιτεχνίας. Η δεύτερη γενιά του Toyota Hybrid System ονομάστηκε Hybrid Synergy Drive και δεν έφερε κάποια επαναστατική αλλαγή στη λειτουργία ή στη διαχείριση ισχύος του, αλλά αντιθέτως έφερε πολλές σημειακές βελτιώσεις σ’ όλους τους τομείς. Αρχής γενόμενης από το βενζινοκινητήρα, καθώς μπορεί ο 1NZ-FXE να παρέμεινε στη θέση του, η μέγιστη όμως ισχύς του πλέον έχει ανέβει στα 76Ps/5.000rpm. Πιο σημαντικές όμως είναι οι αλλαγές στο ηλεκτρικό κύκλωμα του αυτοκινήτου. Πλέον, ανάμεσα στο πλανητικό διαφορικό του Power Split Device και το διαφορικό του εμπρός άξονα τοποθετήθηκε -σε σειρά- ένας δεύτερος ηλεκτροκινητήρας/γεννήτρια (MG2), ο οποίος επιτρέπει ένα πιο σαφή διαχωρισμό ρόλων από τον ήδη υπάρχοντα MG1. Ο MG1 λειτουργεί πλέον ως ηλεκτροκινητήρας μόνο όταν χρειάζεται να μιζάρει το βενζινοκινητήρα, ενώ λειτουργεί και ως γεννήτρια, όταν ο βενζινοκινητήρας χρησιμοποιείται για να φορτιστούν οι μπαταρίες. Αντίστοιχα, ο MG2 χρησιμοποιείται σε οτιδήποτε έχει να κάνει με την ηλεκτρική υποβοήθηση της κίνησης του αυτοκινήτου (αμιγώς ηλεκτρική κίνηση σε χαμηλά φορτία, συνδυασμένη κίνηση σε υψηλά φορτία, καθώς και κίνηση με την όπισθεν), ενώ λειτουργεί ως γεννήτρια κατά τη φάση ανάκτησης ενέργειας, όταν το αυτοκίνητο φρενάρει ή ρολάρει. Τέλος, σημαντικές είναι και οι βελτιώσεις στον τομέα της διαχείρισης της ηλεκτρικής ισχύος. Το battery pack αποτελείται πλέον από 28 μόνο στοιχεία και ζυγίζει μόλις 45kg. Επιπλέον, μολονότι η τάση του ρεύματός του είναι 202V, ένας μετασχηματιστής την ανεβάζει στα 500V πριν το ρεύμα τροφοδοτηθεί στους ηλεκτροκινητήρες, κάτι που επιτρέπει αποτελεσματικότερη διαχείριση της ηλεκτρικής ισχύος. Η δεύτερη γενιά του Prius γνώρισε σημαντική εμπορική επιτυχία στις περισσότερες αγορές του κόσμου, υποβοηθούμενη και από διάφορα μέτρα προώθησης των υβριδικών αυτοκινήτων. Παράλληλα, αυτό έδωσε την ευκαιρία στην Toyota να προωθήσει την υβριδική κίνηση ως εναλλακτικό τρόπο ζωής, παρουσιάζοντας concepts, όπως το σπορτίφ Prius GΤ ή το supercar Volta. Το 2009, η τρίτη γενιά Prius ξεκίνησε την εμπορική της πορεία. Οι πωλήσεις έφθασαν τις 180.000 (έναντι του αρχικού στόχου των 10.000 μονάδων), ενώ οι λίστες αναμονής παραγγελιών έφταναν μέχρι και τους επτά μήνες. Το μέγεθος του κινητήρα 2ZR-FXE είχε αυξηθεί σε 1.8lt, ενώ το 90% των εξαρτημάτων του υβριδικού συστήματος ήταν νέα, για εξοικονόμηση βάρους και χώρου. Η τέταρτη και τωρινή γενιά του πρώτου υβριδικού της Toyota πέτυχε το μεγαλύτερο άλμα προόδου, μειώνοντας τις εκπομπές ρύπων κατά 18% σε σχέση με την προηγούμενη. Το νέο Prius κατασκευάστηκε με προτεραιότητα την αεροδυναμική, τη μεγαλύτερη στιβαρότητα και την ασφάλεια, επιτυγχάνοντας την υψηλότερη επίδοση των 5 αστέρων στο Euro NCAP. Ταυτόχρονα, προσφέρει απαράμιλλες βελτιώσεις σε επίπεδο οδηγικής άνεσης, οδικής συμπεριφοράς και ικανοποίησης οδηγού, χάρη σε μία πλατφόρμα που χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά και βασίζεται στη φιλοσοφία Toyota New Global Architecture. Τα στοιχεία αυτά βοήθησαν το Prius να αναδειχτεί νικητής από μία λίστα φιναλίστ με υβριδικά, plug-in υβριδικά και πλήρως ηλεκτρικά μοντέλα.

 

Η ολοκλήρωση

Όλη αυτή η τεράστια επιτυχία του Prius απέδειξε στην Toyota, αλλά κυρίως σε όλο τον κόσμο, ότι η υβριδική τεχνολογία Synergy Drive είναι ένα σωστό βήμα προς το μέλλον και φυσικά η πιο εύλογη επιλογή θα ήταν, εκτός από ένα μόνο μοντέλο, να επεκταθεί σε ολόκληρη τη γκάμα της. Σήμερα, πλέον, οι πωλήσεις Toyota Hybrid ξεπερνούν παγκοσμίως τα δώδεκα εκατομμύρια οχήματα, σηματοδοτώντας ένα νέο ορόσημο. Στην ουσία, η επιτυχία της στην Ευρωπαϊκή αγορά φαίνεται και από τις πωλήσεις της το 2016 στην κατηγορία των πιο δημοφιλών αυτοκινήτων. Τα υβριδικά μοντέλα φτάνουν συνολικά για το Auris το 60%, για το Yaris το 42% και για το RAV4 το 41%, ενώ για το καινούριο CH-R, το 80% των παραγγελιών αφορά στο υβριδικό μοντέλο. Με τη μεγαλύτερη γκάμα υβριδικών στην αγορά, με 15 μοντέλα Toyota και Lexus, έχει αυξήσει τις πωλήσεις υβριδικών σχεδόν κατά 50%. Σήμερα, 1 στα 3 αυτοκίνητα, από τις συνολικές ευρωπαϊκές πωλήσεις, είναι υβριδικά, στοχεύοντας να φτάσει τις πωλήσεις των υβριδικών στο 50% επί των συνολικών πωλήσεων (της κατηγορίας) στην Ευρώπη μέχρι το 2020. Τα υβριδικά Toyota έχουν συνεισφέρει στη μείωση κατά 77 εκατομμύρια τόνους του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) και περίπου κατά 29 εκατομμύρια κυβικά μέτρα καυσίμων παγκοσμίως. Έχουν μηδενική κατανάλωση μέχρι και το 40% της καθημερινής διαδρομής, λιγότερα μηχανικά μέρη από ένα συμβατικό αυτοκίνητο, αφού δεν έχουν εναλλάκτη ή μίζα χάρη στον ηλεκτροκινητήρα, σύστημα μετάδοσης e-CVT που δεν χρησιμοποιεί συμπλέκτη, ενώ τα μέρη του υβριδικού συστήματος δεν χρειάζονται συντήρηση. Άλλο ένα ατού φυσικά είναι τα μηδενικά τέλη κυκλοφορίας, δεδομένων των χαμηλών εκπομπών ρύπων από 70gr/km, με τα Toyota Hybrid Synergy Drive να οδηγούν τη νέα εποχή, εκπληρώνοντας ήδη τις αυστηρές προδιαγραφές που έχουν τεθεί στην Ευρώπη για το 2020, εξασφαλίζοντας καλύτερο μέλλον για τον άνθρωπο και το περιβάλλον.

 

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ

 

YARIS HYBRID

Τύπος Τετρακύλινδρος σε σειρά, με μπλοκ και κυλινδροκεφαλή από αλουμίνιο

Κυβισμός (cc) 1.497

Διάμετρος x Διαδρομή (mm) 75 x 84,7

Σχέση συμπίεσης 13,4:1

Ιπποδύναμη (Ps/rpm) 100/4.800

Ροπή (Kgm/rpm) 11,3/3.600-4.400

Σύστημα μετάδοσης -1,5lt e-CVT

Κατανάλωση (Μεικτός κύκλος) -Από 3,3lt/100km

Εκπομπές CO2 -Από 75γρ./χλμ

 

AURIS HYBRID

Τύπος Τετρακύλινδρος σε σειρά, με μπλοκ και κυλινδροκεφαλή από αλουμίνιο

Κυβισμός (cc) 1.798

Διάμετρος x Διαδρομή (mm)  80,5 x 88,3

Σχέση συμπίεσης 13:1

Ιπποδύναμη (Ps/rpm) 136/ 5.200

Ροπή (Kgm/rpm) 14,5/ 4.000

Σύστημα μετάδοσης -1,8lt e-CVT

Κατανάλωση (Μεικτός κύκλος) -Από 3,5lt/100km

Εκπομπές CO2 -Από 79gr/km

 

TOYOTA C-HR

Τύπος Τετρακύλινδρος σε σειρά, με μπλοκ και κυλινδροκεφαλή από αλουμίνιο

Κυβισμός (cc) 1.798

Διάμετρος x Διαδρομή (mm)  80,5 x 88,3

Σχέση συμπίεσης 13:1

Ιπποδύναμη (Ps/rpm) 122/5.200

Ροπή (Kgm/rpm) 14,2/3.600

Σύστημα μετάδοσης -1,8lt e-CVT

Κατανάλωση (Μεικτός κύκλος) -Από 3,8lt/100km

Εκπομπές CO2 -Από 86gr/km

 

RAV4 HYBRID

Τύπος Τετρακύλινδρος σε σειρά, με μπλοκ και κυλινδροκεφαλή από αλουμίνιο

Κυβισμός (cc) 2.494

Διάμετρος x Διαδρομή (mm)  90 x 98

Σχέση συμπίεσης 13:1

Ιπποδύναμη (Ps/rpm) 178/ 6.000

Ροπή (Kgm/rpm) 23,8/ 4.100

Σύστημα μετάδοσης -2,5lt e-CVT

Κατανάλωση (Μεικτός κύκλος) -από 4,9lt/100km

Εκπομπές CO2 -Από 115gr/km

 

PRIUS

Τύπος Τετρακύλινδρος σε σειρά, με μπλοκ και κυλινδροκεφαλή από αλουμίνιο

Κυβισμός (cc) 1.798

Διάμετρος x Διαδρομή (mm)  80,5 x 88,3

Σχέση συμπίεσης 13:1

Ιπποδύναμη (Ps/rpm) 122/5.200

Ροπή (Kgm/rpm) 14,2/3.600

Σύστημα μετάδοσης -1,8lt e-CVT

Κατανάλωση (Μεικτός κύκλος) -Από 3,0 lt/100km

Εκπομπές CO2 -Από 70gr/km

AURIS TOURING SPORTS HYBRID

Τύπος Τετρακύλινδρος σε σειρά, με μπλοκ και κυλινδροκεφαλή από αλουμίνιο

Κυβισμός (cc) 1.798

Διάμετρος x Διαδρομή (mm)  80,5 x 88,3

Σχέση συμπίεσης 13:1

Ιπποδύναμη (Ps/rpm) 136/ 5.200

Ροπή (Kgm/rpm) 14,5/ 4.000

Σύστημα μετάδοσης -1,8lt e-CVT

Κατανάλωση (Μεικτός κύκλος) -Από 3,5lt/100km

Εκπομπές CO2 -Από 81gr/km