Toyotaplus 400993 h 5b2fd64a 5b0b 4cb4 a793 14167f9efffd s1170x600 q80 noupscale

Hybridin hienous

Vuonna 1997 Tokiossa esitelty ­Prius avasi kokonaan uuden näkymän henkilöautojen voimanlähteisiin. Yli kahdenkymmenen vuoden aikana hybridien kehitys on ollut erittäin nopeaa, ja tämän vuoksi saattaa olla yllättävää, että Toyotan hybridien perustoimintaperiaate on säilynyt täysin muuttumattomana.

Toyotan hybriditekniikka selitetään yleensä bensiiniä käyttävän polttomoottorin ja sähköä käyttävän sähkömoottorin yhdistelmänä – siis hybridinä. Vähän tarkemmin katsottuna minkä tahansa Toyotan valmistaman hybridin voimalinja koostuu aina kolmesta osasta: Atkinson-sykliä hyödyntävästä polttomoottorista sekä kahdesta sähkömoottorista. Kumpikin sähkömoottoreista voi toimia tilanteen mukaan joko sähkömoottorina muuttaen sähköistä energiaa mekaaniseksi energiaksi tai generaattorina muuttaen mekaanista energiaa sähköiseksi energiaksi.

Moottoreiden yhteispeliä

Vapaastihengittävä bensiinimoottori on hyötysuhteeltaan sitä parempi, mitä enemmän siitä otetaan tehoa eli mitä vähemmän imuilmaa kuristetaan kaasuläpällä. Polttomoottorin osuus auton liikuttamisessa kannattaakin pitää pienillä nopeuksilla mahdollisimman pienenä. Sähkömoottori puolestaan tuottaa erittäin suuren vääntömomentin pienillä kierrosluvuilla. Näin ollen sähköä kannattaa käyttää auton liikuttamiseen varsinkin matalilla nopeuksilla.

Sähkömoottorit MG1 ja MG2 sijaitsevat auton voimansiirtoyksikössä, joka on polttomoottorin yhteydessä samalla paikalla kuin perinteisten ajoneuvojen vaihteisto. Normaalissa etuvetorakenteessa voimansiirtoyksikkö sijaitsee polttomoottorin jatkeena auton vasemmalla puolella. Samassa yksikössä on myös perinteisistä vaihteistoista tuttu vetopyörästö tasauspyörästöineen sekä tästä yksiköstä lähtevät vetäville etupyörille voimaa välittävät vetoakselit.

Atkinson-sykli varmistaa polttomoottorin taloudellisuuden silloin kun tehoa tarvitaan.

Enemmän irti energiasta

Polttomoottori-voimansiirto-paketti sijaitsee auton keulalla hyvin samanlaisena kuin perinteisissäkin ajoneuvoissa. Polttomoottori ei juurikaan eroa normaalista bensiinimoottorista muutamaa yksityiskohtaa lukuun ottamatta: Ilmastointilaitteen kompressori on sähkötoiminen eikä moottorissa ole perinteistä generaattoria tai käynnistinmoottoria lainkaan.

Lisäksi näkymättömissä on yksi ero perinteiseen bensiinimoottoriin. Hybridijärjestelmän yhteydessä bensiinimoottori hyödyntää niin kutsuttua Atkinson-sykliä. Tämä tarjoaa perinteiseen vapaastihengittävään bensiinimoottoriin verrattuna erinomaisen hyöty­suhteen, eli polttoaineen sisältämästä energiasta saadaan enemmän irti kuin perinteisessä bensiinimoottorissa. Kääntöpuolena huipputeho on alhaisempi ja käyttökelpoinen vääntöalue matalampi kuin perinteisessä moottorissa. Hybridijärjestelmässä siitä ei kuitenkaan ole haittaa, sillä Atkinson-sykli varmistaa polttomoottorin taloudellisuuden silloin kun tehoa tarvitaan.

Polttomoottori on yhdistetty voimansiirtoyksikön sisällä MG1:een ja MG2:een planeettapyörästön välityksellä. Planeettapyörästö mahdollistaa näiden kolmen voimanlähteen käytön yhdessä tai erikseen. MG2 on yhdistetty planeettapyörästön niin kutsuttuun aurinkopyörään. Tämä on myös yhteydessä vetopyörästöön ja edelleen vetäviin pyöriin. Toisin sanoen auton liikkuessa MG2 pyörii tai MG2:n pyöriessä auto liikkuu. Yksinkertaisimmillaan pelkällä sähköllä ajettaessa tämä onkin tilanne.

MG2:lle syötetään kolmivaiheista vaihtovirtaa, jonka tuotosta vastaa voimansiirtoyksikön päällä oleva tehonhallintayksikkö. Kun polttomoottori on pysähtynyt, MG1 pyörii vapaasti. Jarrutettaessa tai alamäkeen rullattaessa MG2:lta voidaan ottaa sähköä, jonka tehonhallintayksikkö muuntaa tasavirraksi ja ottaa talteen korkeajänniteakkuun. Näin hukkaan menevä energia saadaan esimerkiksi seuraavan kiihdytyksen käyttöön.

Hybridin voimansiirto

Sähköenergialla liikkeelle

Jos auto on paikoillaan ja järjestelmä haluaa käynnistää polttomoottorin, syötetään MG1:lle sähköä. Tällöin MG1:n pyörintäliike nostaa polttomoottorin pyörintänopeuden käynnistymisen vaativalle tasolle. Liikkeellelähtö tapahtuu aina sähköllä, oli polttomoottori käynnissä tai ei. Samoin peruuttaminen tapahtuu aina pelkällä sähköllä, ­sillä polttomoottori voi pyöriä ainoastaan yhteen suuntaan. Peruutettaessa MG2 tuottaa liikkumiseen tarvittavan energian, mutta polttomoottori voi samanaikaisesti pyörittää ­MG1:sta tuottaen sähköä käytettäväksi MG2:ssa.

Versioita ja eri malleja

Koko hybridijärjestelmän toiminta on kiinni polttomoottorin, MG1:n ja MG2:n keskinäisistä pyörintänopeuksista ja -suunnista. Eri malleissa on erilaisia versioita muun muassa siitä, miten voima välitetään planeettapyörästöltä vetopyörästölle. Nelivetoisuus on mahdollista joko taka-akselin erillisellä sähkömoottorilla (RAV4 tai Prius i-AWD) tai mekaanisesti jakovaihteiston avulla (Lexus LS 500h). Tällainen hybridijärjestelmä mahdollistaa myös ulkopuolisen latausmahdollisuuden ja suuremman korkeajänniteakun lataushybridissä (Prius Plug-in).

Mallista riippumatta perustoimintaperiaate on säilynyt muuttumattomana, mutta toteutus, komponenttien koko ja paino sekä järjestelmän energiatehokkuus on parantunut huimasti 20 vuoden aikana. Ja ehkä hienointa koko järjestelmässä on se, ettei kuljettajan tarvitse tietää juuri mitään järjestelmän toiminnasta, hän voi vaan valita kulkusuunan ja sopivan vauhdin.