Toyota JPN Taxi – hybryda bez benzyny

Wprowadzona w 2017 r. Toyota JPN Taxi została opracowana specjalnie na potrzeby japońskich korporacji taksówkowych. Samochód wyposażono w hybrydowy układ napędowy, w którym silnik spalinowy wykorzystuje wyłącznie LPG. Jednostka 1NZ-FXP o pojemności 1 496 cm³ rozwija moc 74 KM (54 kW) przy 4 800 obr./min oraz maksymalny moment obrotowy 111 Nm w zakresie 2 800-4 400 obr./min. Silnik współpracuje z elektryczną częścią napędu hybrydowego, a energia elektryczna magazynowana jest w akumulatorze niklowo-metalowo-wodorkowym (NiMH), umieszczonym pod podłogą samochodu.

Wtrysk LPG bez klasycznego reduktora-parownika

Układ paliwowy JPN Taxi różni się zasadniczo od popularnych w Europie instalacji IV generacji. W samochodzie działa system zasilania gazowego V generacji, o których w Europie już powoli zapominamy a w Toyocie jest z powodzeniem wykorzystywany. Jest to system, w którym do kanałów dolotowych silnika wtryskiwana jest faza ciekła LPG, która dopiero tam zmienia swój stan skupienia na fazę lotną. LPG w instalacji jest utrzymywane w stanie ciekłym dzięki pompie paliwa znajdującej się w zbiorniku, która wytwarza odpowiednie ciśnienie w układzie paliwowym. Toyota wykorzystuje wysokosprawną elektryczną pompę z silnikiem bezszczotkowym, przystosowaną do pracy z ciekłym LPG.

Na schemacie układu paliwowego opublikowanym przez producenta widać przewód zasilający, listwę z wtryskiwaczami LPG, elektrozawory oraz przewód powrotny. Oznacza to, że paliwo może krążyć pomiędzy zbiornikiem a układem wtryskowym silnika. Niewykorzystane LPG wraca do zbiornika, zamiast pozostawać w nagrzewających się elementach instalacji. W układzie znajdują się również regulator ciśnienia i zawory elektromagnetyczne sterujące przepływem paliwa.

Dlaczego Toyota chłodzi LPG?

Podczas pracy silnika paliwo LPG przepływające przez układ wtryskowy odbiera ciepło od jego elementów. Następnie wraca do zbiornika, podnosząc temperaturę znajdującego się w nim autogazu. Wzrost temperatury ciekłego gazu powoduje wzrost ciśnienia jego par w zbiorniku. Może to stwarzać trudności podczas tankowania, szczególnie jeżeli ciśnienie w zbiorniku zbliża się do ciśnienia, jakie może zapewnić instalacja napełniająca. Konstruktorzy Toyoty rozwiązali ten problem, stosując chłodnicę paliwa umieszczoną w przewodzie powrotnym LPG. Jej zadaniem jest obniżanie temperatury paliwa powracającego z silnika, zanim trafi ono ponownie do zbiornika. Dzięki temu ograniczany jest wzrost temperatury LPG w zbiorniku, a tym samym wzrost panującego w nim ciśnienia.

fot. Toyota Gazowy układ paliwowy w Toyocie JPN Taxi z widocznym umiejscowieniem chłodnicy fazy ciekłej LPG

Co ciekawe, Toyota nie zastosowała oddzielnego układu chłodzenia przeznaczonego wyłącznie do autogazu. Wykorzystano czynnik chłodniczy układu klimatyzacji samochodu. W oficjalnych materiałach producent podaje, że chłodnica paliwa zastosowana w Toyocie JPN Taxi ma około jednej trzeciej wielkości urządzenia wykorzystywanego w starszych taksówkach Crown Sedan, Crown Comfort i Comfort, w których także wykorzystywano wtrysk ciekłego LPG (od 2008 r.)

Kierowca może sam włączyć chłodzenie LPG

Toyota przewidziała również możliwość sterowania pracą układu chłodzenia paliwa. W kabinie JPN Taxi znajduje się przycisk pozwalający wybrać jeden z trzech trybów:

• OFF – chłodzenie LPG jest wyłączone.

• NORMAL – układ chłodzi paliwo w zależności od potrzeb, z uwzględnieniem zużycia energii i pracy klimatyzacji.

• PRIORITY – chłodzenie LPG otrzymuje pierwszeństwo, nawet kosztem wydajności klimatyzacji kabiny i zużycia energii.

W instrukcji obsługi Toyota zaleca wykorzystanie trybu PRIORITY, jeżeli w trybie NORMAL występują trudności z zatankowaniem samochodu. Producent uprzedza jednocześnie, że bardziej intensywne chłodzenie paliwa może pogarszać działanie klimatyzacji oraz zwiększać zużycie LPG. To interesujący przykład rozwiązania, w którym układ klimatyzacji samochodu pełni dodatkową funkcję, niezwiązaną bezpośrednio z komfortem pasażerów.

fot. Ilustracja AI: ChatGPT / OpenAI Panel ogrzewania i klimatyzacji w kabinie JPN Taxi a pod nim przycisk pozwalający wybrać jeden z trzech trybów pracy układu chłodzenia paliwa LPG (OFF – chłodzenie LPG jest wyłączone, NORMAL – układ chłodzi paliwo w zależności od potrzeb, PRIORITY – chłodzenie LPG otrzymuje pierwszeństwo, kosztem wydajności klimatyzacji). Informacje o aktualnym stanie pracy układu chłodzenia LPG są wyświetlane na na tablicy przyrządów

Dlaczego nie wystarcza samo ciśnienie w zbiorniku?

W klasycznych instalacjach IV generacji LPG przepływa do reduktora pod wpływem ciśnienia panującego w zbiorniku i wynikającego z temperatury oraz składu paliwa. W układzie wtrysku ciekłego LPG istotne jest natomiast zapewnienie odpowiedniego ciśnienia w instalacji. Paliwo nie powinno przedwcześnie odparowywać w przewodach i musi trafiać do wtryskiwaczy w fazie ciekłej. Właśnie dlatego stosuje się pompę elektryczną, która umożliwia podwyższenie ciśnienia paliwa względem ciśnienia panującego w zbiorniku. Toyota zastosowała chłodzenie LPG na przewodzie powrotnym do zbiornika. Warto podkreślić, że chłodnica paliwa w Toyocie JPN Taxi nie służy jedynie do utrzymywania prawidłowych warunków pracy dla wtryskiwaczy (aby docierało do nich LPG w fazie ciekłej). Zgodnie z dokumentacją producenta jej istotnym zadaniem jest ograniczanie wzrostu ciśnienia w zbiorniku, aby zapewnić możliwość jego sprawnego napełniania.

Hybryda z LPG – inne warunki pracy pompy

Połączenie LPG z napędem hybrydowym stawia przed konstruktorami dodatkowe wymagania. W klasycznym samochodzie spalinowym zapotrzebowanie na paliwo jest związane z pracą silnika, który po uruchomieniu zazwyczaj działa nieprzerwanie aż do zakończenia jazdy. W pełnym układzie hybrydowym silnik spalinowy może być wielokrotnie zatrzymywany i uruchamiany, zależnie od warunków jazdy i stanu naładowania akumulatora trakcyjnego. Układ paliwowy musi więc współpracować z systemem zarządzania napędem, zapewniając odpowiednie warunki zasilania podczas kolejnych rozruchów. Toyota zastosowała także zabezpieczenia, które w razie wykrycia kolizji wyłączają układ hybrydowy, odłączają wysokie napięcie i przerywają dopływ LPG.

Czego europejscy konstruktorzy mogą nauczyć się od Toyoty?

W Europie dominują instalacje LPG wykorzystujące wtrysk fazy gazowej. W Japonii konstruktorzy Toyoty od lat rozwijają fabryczne systemy wtryskowe fazy ciekłej LPG przeznaczone do intensywnie eksploatowanych samochodów wykorzystywanych w przewozach osób. Przykład JPN Taxi pokazuje, że utrzymanie LPG w układzie w stanie ciekłym nie ogranicza się jedynie do sterowania ciśnieniem oraz przepływem pomiędzy zbiornikiem a wtryskiwaczami. Wymaga także innych działań takich jak zarządzanie temperaturą paliwa. Wykorzystanie do chłodzenia LPG powracającego z wtryskiwaczy do zbiornika układu klimatyzacji jest dość zaskakującym ale skutecznym rozwiązaniem. Toyota zastosowała je głównie po to, aby ograniczyć wzrost ciśnienia w zbiorniku i ułatwić tankowanie.

To przykład pokazujący, że nawet w technice LPG, rozwijanej od dziesięcioleci, można znaleźć rozwiązania konstrukcyjne niespotykane na europejskim rynku.