Hibrid hajtásláncok titkai

Lehet, hogy némiképp szűkítés, de már az elején jelezni szeretném, hogy elsősorban az úgynevezett teljes és konnektoros hibridekről lesz szó, nem az angolul mild névvel illetett kisegítő, vagy támogató hibridekről. Itt jegyezném meg, hogy magánvéleményem szerint a lágyhibrid elnevezés értelmetlen, már csak azért is, mert kemény hibrid nincs (ennek a jelzőpárnak a használata legfeljebb főtt tojás esetén állja meg a helyét). Az enyhe hibrid már valamivel jobb fordítás, mert érzékeltetni próbálja, hogy egy visszafogottabb képességű rendszerről van szó. Apró probléma, hogy a kisegítő hibridek is büszkén viselhetik a hibrid feliratot, ami megtévesztő. Esetükben mindig fel kellene tüntetni, hogy nem igazi hibridek. Egyrészt azért, mert megvalósításuk nagyságrendekkel olcsóbb, mint a rendes hibrideké, másrészt azért, mert ebből is következően képességeik sem állnak olyan szinten.

Visszatápláló képességüket korlátozza például, hogy mivel a motor főtengelyével állnak közvetlen kapcsolatban (általában ékszíj közvetítésével), ezért lassításkor a mozgási energia egy részét a motorfék emészti fel, és csak az ezen felüli maradék alakul elektromos energiává. Gyorsításkor pedig a minimális méretű és teljesítményű akkumulátor áramára támaszkodó, szintén minimális teljesítményű (15 kW-nál rikán több) elektromotor mérsékelten képes csak támogatni a belső égésű motort. Ezzel együtt nem haszontalan, csak teljesen más kategória. Mint mondjuk fociban az NB három az NB egyhez képest.

A teljes hibridek és a hajtásláncuk műszaki megoldását tekintve (vagyis az akkumulátor méretét leszámítva) velük lényegében egyező felépítésű, konnektorról tölthető hibridek lassításkor mindig leválasztják a belsőégésű motort, így a mozgási energia nagyobb részben alakulhat elektromos árammá. Másrészt az elektromotor is olyan méretű, amely akár önmagában is képes lenne az autó elfogadható dinamikájú mozgatására. Ez a teljesítményszükséglet kategóriánként más és más, de általában legalább 40 kW-os (55 LE). A kisautó kategóriába tartozó Toyota Yaris Hybrid elektromotorjának teljesítménye például 59 kW, azaz közel 80 LE. Az ennél kisebb elektromotorok legfeljebb a sebesség tartására, vagy egészen kis sebességig (például 20 km/h) egészen rövid távú használatra lehetnek alkalmasak (dugóban araszolás, parkolás), ezért inkább a kisegítő hibridek kategóriájába tartoznak.

A teljes és konnektoros hibrideknél a műszaki szempontból meghatározó kérdés az elektromotor elhelyezése, és becsatlakozása a hajtásláncba. Erre sokféle megoldás született, és születik még ma is. A megvalósítását tekintve legegyszerűbb az elkülönített tengelyhajtású rendszer. Ez elméleti szinten bármilyen olyan típusba beépíthető, amelyeknek eredetileg csak két kereke hajtott. Különösen alkalmasak rá az elsőkerék-hajtású típusok, ahol elöl lényegében változatlanul hagyható a hagyományos motor-sebességváltó-tengelyhajtás egység, azzal a kitétellel, hogy a váltónak vagy automatának, vagy automatizáltnak kell lennie. (Erre azért van szükség, hogy a vezető ne avatkozhasson be a hagyományos hajtáslánc és az elektromotor együttműködésébe.) Az elektromotort az első hajtástól teljesen elkülönítve, a hátsó kerekekhez építik be, és így az azokat hajtja. A megoldás egyik előnye azonnal látszik: az így épített hibrid összkerékhajtásúvá lép elő. (Kicsit előreszaladva talán itt érdemes megjegyezni, hogy ezzel a módszerrel a többi hibridet is összkerékhajtásúvá lehet varázsolni, amire szép számmal akad is példa.)

Az elkülönített tengelyhajtású hibrid a gyakorlatban mindent tud, amit egy teljes hibridnek tudnia kell. Az általában 100 kW, vagy azt kevéssel meghaladó teljesítményű elektromotor önmagában is képes az autót gyorsítani és mozgatni, lassításkor pedig szintén nagy teljesítménnyel visszatáplálni. Ha a hibrid rendszert megfelelően nagy, vagyis legalább 7-8 kWh-s, kívülről tölthető lítiumion akkumulátorral egészítik ki, akkor máris konnektoros hibridet kapunk, amely az akku kapacitásától függő, de akár több tíz kilométeres távon teljesen autómódra használhatóan tisztán elektromos üzemmódban közlekedni.

Amikor elektromosan halad egy ilyen hibrid, az első, hagyományos hajtásláncban a sebességváltó üresben van, vagyis az első kerék csak gurul. Amikor szükség van a belépésére vagy az elektromotor képességeit meghaladó teljesítményigénnyel járó hirtelen gyorsítás, akár az akkumulátor merülése miatt, az indítómotor beindítja a belsőégésű motort, az automatika beiktatja a megfelelő sebességfokozatot, és a belsőégésű motoros rendszer is bekapcsolódik a hajtásba. Annyit talán érdemes megjegyezni, hogy az indítómotor ekkor többnyire inkább a főtengelyről hajtott indítómotor-generátor, amelynek akkora a teljesítménye, hogy egyrészt használható a hibrid akkumulátor menet közbeni töltésére, vagy az akku lemerülése esetén tőle juttatható áram a hátsó elektromotorhoz, és így lemerült akkuval is fennmarad az összkerékhajtási képesség.

Ennek a hajtásmódnak jellegzetessége, hogy az elektromotor csak egy bizonyos sebességig, általában körülbelül 120 km/óráig vehet részt a hajtásban, felette egy kuplunggal leválasztják. Ennek oka, hogy a villanymotor állandó áttétellel csatlakozik a kihajtáshoz, és emiatt nagy sebességnél túlpörögne az elektromotor. Ilyen leválasztott tengelyhajtású hibridet használt korábban például a Peugeot és a Citroën, méghozzá automatizált kézi váltóval társítva, Hybrid4 néven. A többek között a Peugeot 508 RXH-nál is alkalmazott rendszer különlegessége, hogy amikor a robotváltó a sebességváltáshoz kiemelte kuplungot, az elektromotor lökött egyet az autón, hogy ellensúlyozza a kikuplungolás okozta lendületvesztést, és az ebből eredő rángatást. Emlékeim szerint a sportos vezetést leszámítva a megoldás elég jól működött.

Szintén az alkalmazók között találhattuk a Volvót, míg ma például a Jeep (Renegade 4xe és Compass 4xe), az Alfa Romeo (Tonale PHEV) és a BMW alkalmazza, utóbbi az elsőkerék-hajtásos padlólemezre épülő típusainál, így például a 225xe Active Tourernél, vagy a Mini Countryman S E All4 esetében. Műszaki szempontból szintén az elkülönített tengelyhajtásúak közé tartozik a BMW i8 hajtási megoldása is, csak felcserélt tengelyekkel. A belsőégésű motoros hajtáslánc a hátsó, az elektromos az első kerekeket hajtja. Az i8 természetesen nem egy meglévő típus elektromosításával született (bár a benzinmotorja más típusokban is előfordul), hanem eleve hibridnek készült.

Következő hibridmegoldásunk legyen az, amelyik még mindig közeli kapcsolatot őriz a hagyományos felépítésű hajtásláncokkal, de azzal a különbséggel, hogy az elektromotor már a lánc beépített eleme. A téma nagymesterei általában a nagy sebességváltó gyártók, mint például a német ZF, vagy a japán Aisin, mert ezeknél a rendszereknél a hajtó elektromotort kivétel nélkül a sebességváltóba építik be. A sebességváltó természetesen ezúttal is automata működésű, vagy hagyományos bolygóműves, vagy duplakuplungos. Erre itt is azért van szükség, hogy összehangolt, harmonikus rendszerként működhessen az egész.

A bolygóműves automataváltós hibrideknél az elektromotort általában a hidrodinamikus nyomatékváltó helyére építik be, amit kihagynak a váltóból. Az elektromotor közvetlenül csatlakozik a váltó behajtó tengelyéhez, míg a belsőégésű motortól kuplung választja el. Ez a kuplung ritka kivételektől eltekintve többtárcsás, olajban futó szerkezet, olyan, mint amilyet a nedves kuplungos duplakuplungos automataváltókban, valamint a motorkerékpárok túlnyomó többségében alkalmaznak. Azért alkalmazzák ezt, mert egyértelműen nyitható és zárható, méghozzá nagyon finoman, azaz rángatás-mentesen. Ezekkel éppúgy megoldható, hogy belsőégésű motorral simán induljon az autó, mint az is, hogy a belsőégésű motor észrevehetetlenül kapcsolódjon be az addig csak elektromos hajtásba. (A hidrodinamikus nyomatékváltónak egyrészt rosszabb a hatásfoka, másrészt a kapcsolását a motor fordulatszámának emelkedése idézi elő, illetve befolyásolja, nem oldható-zárható úgy kívülről, mint az akár egy-, akár többtárcsás kuplungok.)

Tisztán elektromos üzemmódban, illetve lassításkor a kuplung nyitott állapotban van. Az elektromotor a sebességváltón keresztül hajtja a kerekeket, a sebességváltó fokozatait a fokozatokhoz tartozó kuplungok és fékek kapcsolgatják. Amikor szükség támad a belsőégésű motor belépésére, azt egy indítómotor, vagy indítómotor-generátor beindítja, majd a másodperc tört része alatt a kuplung bekapcsolja a hajtásba. Lassításkor a kuplung old, a belsőégésű motor akár le is állhat, a villanymotort a váltón keresztül meghajtják a kerekek, így az generátorüzemre váltva visszatáplálhat. Illetve, ha épp az szükséges, a visszatáplálást leállítva, a váltót üresbe kapcsolva vitorlázhat az autó, mert persze ezt is tudja.

Mivel ez a fajta rendszer könnyen beépíthető az autóba, mivel általában nem igényel több helyet, mint egy hagyományos sebességváltó, számos autógyár alkalmazza. Ráadásul készen megvehető, ami tovább egyszerűsíti a helyzetet. A ZF vásárlója például a BMW, a Jaguar, a Land Rover, az Aisin rendszerét használja a Volvo, a Peugeot, a Citroën, és most már a Stellentis részeként az Opel. Magát az elvi megoldást több más gyártónál is megtaláljuk, például a Mercedes, a Kia (Optima) és az új CX-60 esetében a Mazda is ezt használja.

Gondolhatnánk, hogy ettől a hagyományos, bolygóműves automataváltóval kialakított hibrid hajtáslánctól a duplakuplungos automataváltós rendszer csak annyiban különbözik, hogy a belsőégésű motor-leválasztó kuplung-elektromotor-sebességváltó kvartettből a negyedik egység nem bolygóműves, hanem duplakuplungos váltó. Lényegében valóban így van, de azért nem teljesen, sőt, olyan kialakítás is létezik, amelyben egy kuplunggal kevesebbet találunk. De amelyikben mind megvan, abban is akad azért különbség. Míg ugyanis a bolygóműves automataváltóra épülő hibridekben a leválasztó kuplung szinte kivétel nélkül többtárcsás, olajban futó szerkezet, a duplakuplungosaknál ez lehet egytárcsás száraz tengelykapcsoló is.

Ennek oka, hogy hibrid rendszerekhez általában olyan duplakuplungos automataváltókat alkalmaznak, amelyekben többtárcsás, nedves kuplungok dolgoznak. Így azok képesek a kényelmi elvárásokat kielégítő sima kapcsolások megoldására, a leválasztó kuplungnak valóban csak az a feladata, hogy amikor az elektromotor a főszereplő (tisztán elektromos hajtás, illetve lassítás-visszatáplálás), akkor leválassza a belsőégésű motort, és amikor szükség támad a belsőégésű motor nyújtotta teljesítményre, visszakapcsolja azt. Klasszikus példa erre a VW konszern 1.4 TSI benzinmotorra épülő hibridrendszere. A DQ400e jelű duplakuplungos hibrid sebességváltó tartalmazza az elektromotort, a leválasztó kuplungot és a két olajban futó, többtárcsás kuplungos hatfokozatú sebességváltót is. De kicsit felsőbb szinten ilyen a ZF 8DT-PDK jelű duplakuplungos hibrid automatája, amit a Porsche Panamera 4 e-Hybrid tudhat a magáénak.

Egyes gyártók, elsősorban az erőátviteli elemek előállítói közül azonban megkérdezték magukat, hogy ha már a rendszerben úgyis van két tengelykapcsoló, akkor szükséges-e külön egy harmadik? Hamar rájöttek, hogy nem, és először azt a megoldást találták ki, hogy az elektromotort a duplakuplungos váltón belül helyezik el úgy, hogy az egy úgynevezett körmös kapcsoló segítségével a páratlan és a páros fokozatok tengelyével is összekapcsolható. (Körmös kapcsolót találunk a régi autók szinkronizálatlan sebességváltóiban és a motorkerékpárok sebességváltójában.)

Az időközben a kanadai Magna által felvásárolt német Getragnál azonban felismerték, hogy még ennyire sem kell bonyolítani az ügyeket, elegendő az egyik, mondjuk a páros tengelyt kapcsolatba hozni az elektromotorral, a többit pedig a megerősített szinkrongyűrűkre lehet bízni. A Getrag DCT300 jelű hétfokozatú, duplakuplungos automataváltóból így született meg a Magna-Getrag 7 HDT300 jelű hibrid sebességváltó, amit például a Volvo az XC40 T5, a Jeep a Renegade és Compass E-Hybrid, valamint az Alfa Romeo Tonale Hybrid alkalmaz. További felhasználó még a BMW, amely az elektromotor nélküli váltót is nagy előszeretettel használja elsőkerék-hajtású típusaiban, beleértve a Minit is.

Az eddig leírt hibridrendszerek valamilyen szinten mind hagyományos hajtásláncra épültek rá. A japán autógyártók többsége azonban más irányban indult el, ők különböző sebességváltók alkalmazása helyett inkább az elektromos gépek gyarapításával alakították ki hibridjeiket. Időrendben a Toyotát illetné az elsőség, ha azonban az elvében egyszerűtől az összetettebb felé szeretnénk haladni, épp az időrendben utolsót illeti az első említés. A legfrissebb generációjú Nissan Qashqaiba beépített e-Power rendszer ugyanis az eddigiektől eltérően és személyautók között egyedülállóan nem párhuzamos, hanem soros hibrid megoldású.

Ez azt jelenti, hogy az 1,2 literes, háromhengeres benzinmotor egyetlen feladata, hogy egy generátort hajtson. Az első kerekeket egy elektromotor forgatja, amit a generátor által termelt árammal táplálnak. A benzinmotor tehát nem áll semmilyen mechanikus kapcsolatban a kerekekkel, a hajtásra fordítható energia kizárólag a generátort az elektromotorral összekötő kábeleken továbbítódik. A rendszernek része még egy kis tárolóképességű, de rövid ideig nagy teljesítményt leadni képes akkumulátor, amely elsősorban a visszatápláló áram fogadására és az energiaingadozások kiegyenlítésére szolgál.

A soros hibridek egyik furcsasága, hogy három hasonló teljesítményű gép található bennük (míg egy hagyományos autóban - egy sebességváltóval kiegészítve – egyetlen egy is elegendő), hiszen ha egy 100 kW-os elektromotort akarok táplálni, akkor ahhoz körülbelül ugyanekkora teljesítményű generátorra van szükség, amit egy legalább ugyanakkora teljesítményű belsőégésű motor képes csak meghajtani. A valóságban azonban a hajtó elektromotort általában nagyobb teljesítményre méretezik, mint a belső égésű motor-generátor egységet, mert úgy számolnak, hogy maximális gyorsítások alkalmával a generátor teljesítménye mellé odazárkózik az akkumulátor teljesítménye is.

Egy másik soros hibrid probléma, hogy a többszörös energiaátalakítás növeli a veszteségeket, vagyis rontja az összhatásfokot. A Nissan ezt azzal próbálja ellensúlyozni, hogy a dízeleket lepipálóan jó - 50 százalék feletti - hatásfokú, változó sűrítésű benzinmotort alkalmaz, így már az első energiaátalakításnál ledolgozza a későbbi veszteségeket. Más japán gyárak erre a problémára teljesen más megoldást találtak ki még korábban.

Ez a két japán gyár pedig a Mitsubishi és a Honda, amelyek alapelvében egyező megoldással rukkoltak elő. Első látásra mindkét rendszer soros, vagyis a benzinmotor generátort hajt, annak áramával táplálják a hajtó elektromotort, továbbá a rendszer része egy puffer akkumulátor is. A Mitsubishi Outlander PHEV, valamint a Honda Jazz e:HEV, HRV e:HEV, CRV i-MMD rendszere is így működik kis és közepes sebességeknél. Amint azonban a terhelési viszonyok, és a sebesség lehetővé teszi, egy kuplunggal a belső égésű motort összekapcsolják a hajtó kerekekkel, és onnantól az elektromos energiaátalakítási veszteség megszűnik.

Ezek a rendszerek is tudják azt természetesen, ami a hibridektől elvárható. Lassításkor a Honda és a Mitsubishi rendszere is oldja a kuplungot, hogy a hajtó elektromotor generátorüzemre váltva töltse a hibrid rendszer akkumulátorát. A visszatáplált áram pedig jól jön a következő gyorsításkor, így a benzinmotornak vagy kevésbé kell megerőltetnie magát, mert az elektromotor elvégzi a munka oroszlánrészét, vagy be sem kell kapcsolódnia. Az Outlander kívülről tölthető akkumulátorának 13,8 kWh kapacitása (a legújabbé már 20) pedig akár 50 km út elektromos megtételére is elegendő lehet.

Utoljára maradt a történelmileg első, illetve először nagy sorozatban gyártott hibrid rendszer, a Toyotáé. Az idén éppen 25 éves fennállását ünneplő megoldás a belsőégésű motor mellett szintén két elektromotor-generátorra épül, csakhogy a három egységet egy sajátos szerkezettel kapcsolták össze. Egy bolygóművel, ami több hajtási megoldást is lehetővé tesz. Erre támaszkodva a rendszer képes sorosként működni, amikor a benzinmotor az egyik elektromos gépet generátorként hajtja, míg a másik, a kerekekkel állandó kapcsolatban lévő, nagyobb teljesítményű, gép a kerekeket forgatja. De az is lehetséges, hogy a benzinmotor nyomatéka a bolygóművön keresztül eljusson a kerekekig, és így párhuzamos rendszerként működjön.

Ugyanakkor az is lehetséges, hogy a benzinmotor áll, és csak az elektromotor forgatja a kerekeket, ezért is volt könnyű – legalábbis elméletben – konnektoros hibridet is kialakítani a rendszerből. Ha egy hagyományos sebességváltós autóhoz hasonlítanánk a Toyota megoldását, körülbelül úgy közelíthető meg, hogy az első és a második fokozatot kiváltja a villanymotor, majd a benzinmotor a bolygómű áttételével módosítva száll bele a hajtásba a magasabb fokozatok helyett egészen addig, míg a bolygómű egy egységként forogva 1:1-es áttételhez ér. Innentől azzal arányosan gyorsul tovább például a Prius, ahogy a benzinmotor fordulatszáma emelkedik. Emiatt autópálya tempónál viszonylag nagy a motor fordulatszáma, amire panaszkodtak is egy időben főként a német autósok.

Erre is találtak azonban megoldást a Toyota mérnökei, amit a drágább Lexus típusokban vetettek be. Egyes modelleknél, a GS-nél és az LS-nél nem elégedtek meg a bolygómű által kínált áttétellel, hanem beépítettek a hajtáslánc után egy kétfokozatú – természetesen automatikusan működő - sebességváltót, ami nagy sebességnél ejti a benzinmotor fordulatszámát. A Lexus LC 500h esetében még ezen is túltettek, mert négyfokozatú váltót illesztettek a hibridhajtás mögé.

A Toyota rendszerének kialakításakor is az volt a cél, hogy minden üzemi helyzetben a lehető legnagyobb hatásfokot biztosítsák. Kis és közepes fordulaton ezt az – energiaátalakítások ellenére – a hibrid rendszer nyújtotta előnyök, a rásegítés és a visszatáplálás segíti, míg nagy fordulaton a Toyota esetében is a benzinmotor kimagasló, akár 42 százalékos csúcshatásfoka szolgálja. A nagyobb Lexusokban szintén hatásfokjavító hatású a plusz áttételek alkalmazása. A Toyota rendszerét a Toyotán és a Lexuson kívül a Ford hibridjeiben alkalmazzák, a Kuga, az S-Max, a Mondeo hibridje egyaránt így működik.

A két elektromos gépre épülő rendszerek további előnye, hogy minimális a karbantartási igényük. Természetesen a belső égésű motornak minden hibridben meg kell adni, ami jár neki, vagyis a motorolaj, a szűrők és a gyertya cseréjére ugyanúgy oda kell figyelni, sőt, a gyakori indítás-leállítás miatt még jobban, mint egy hagyományos hajtásláncú típusban. Maga a hibrid egység azonban annyi odafigyelést igényel, hogy az áttételezésben le kell cserélni az olajat, de ez körülbelül olyan gyakoriságú, mint a kézi sebességváltók olajcseréje. A Honda és a Mitsubishi-féle hibridnél ehhez még hozzá jöhet a kuplung cseréje, de az is sokáig bírja.

A hagyományos automata és duplakuplungos váltóra épülő hibridrendszerek szervizigényét a gyártója adja meg. A bolygóműves automatáknál gyári előírás lehet a időszakonkénti olaj és szűrőcsere, vagy szűrőtisztítás, de eléggé jellemző az úgynevezett élettartamra való feltöltés, ami alatt körülbelül 200 ezer kilométeres futásteljesítményt értenek. Ezután azonban nem csupán olajcsere, hanem a kuplung és féklamellák cseréje is előbb-utóbb időszerűvé válik. A duplakuplungos váltókban a többtárcsás, nedves kuplungokból lekopó szemcsék miatt általában 60-80 ezer kilométerenként kell olajat cserélni, és 200 ezer kilométer megtett távolság után ezeknél is előbb-utóbb eljön az ideje a kuplunglamellák és esetleg a váltó szinkrongyűrűi cseréjének.