W 1997 roku Toyota wprowadziła na rynek Priusa, pierwszy seryjny model z napędem hybrydowym, a już 8 lat później pojawiły się sygnały, że technologia hybrydowa tej marki mogłaby znaleźć zastosowanie w samochodach wyścigowych. Odważna polityka japońskiego producenta sprawiła, że obecnie Mistrzostwa Świata Wyścigów Długodystansowych są całkowicie zdominowane przez bolidy hybrydowe. Oto krótka historia opracowania i rozwoju wyczynowego napędu Toyota Hybrid System – Racing.

Toyota Hybrid System – Racing: początki

Toyota Motor Corporation ogłosiła, że rozważa możliwość opracowania wyścigowego samochodu hybrydowego dokładnie 12 maja 2005 roku. W tamtym czasie takie pojazdy nie istniały, dlatego oczywiście nie organizowano dla nich żadnych zawodów. Mimo to zespół inżynierów Toyoty rozpoczął prace nad systemem spalinowo-elektrycznym, który mógłby zostać zaadaptowany do różnych dyscyplin sportów motorowych.

Efektem tych prac jest Toyota Hybrid System – Racing (THS-R), w założeniach podobny do napędu Hybrid Synergy Drive stosowanego w samochodach seryjnych, jednak wyposażony w znacznie bardziej zaawansowany system odzyskiwania energii z hamowania. Energia ta w zupełności wystarczy do zasilania potężnych silników elektrycznych, dzięki którym moc samochodu jest dwukrotnie większa, niż samego silnika benzynowego.

Lexus GS 450h 2006 Denso

Pierwsza generacja wyścigowego napędu hybrydowego trafiła pod maskę Lexusa GS 450h, wystawionego w lipcu 2006 roku do startu w 24-godzinnym wyścigu Tokachi przez należącą do Toyota Group firmę Denso. Tokachi 24h to najdłuższa runda japońskiej serii wyścigów długodystansowych Super Taikyu (S-tai).

Organizatorzy od razu zwrócili uwagę na dołączenie do stawki samochodu wyposażonego w zupełnie nowy rodzaj napędu i ustanowili kategorię Production-1 (P-1) dla hybryd i innych ekologicznych samochodów. Lexus z napędem na tylną oś oficjalnie dołączył do nowej klasy P-1, jednak jego twórcy opracowywali go według regulacji dla klasy ST-1 (dla silników o objętości skokowej 3 501 cm3 lub większych).

Wyścigowy Lexus GS 450h był oparty na aucie produkcyjnym, z którego przejął niklowo-wodorkowy akumulator trakcyjny, architekturę układu hybrydowego i benzynowy silnik V6. Układ wzbogacono o kondensator, umożliwiający błyskawiczne gromadzenie energii przy hamowaniu i jej szybkie oddawanie podczas dynamicznego przyspieszania auta na torze. Maksymalna moc układu hybrydowego wynosiła 346 KM, tak samo jak w seryjnym aucie. To wystarczyło, żeby Lexus bez problemów ukończył wyścig i zajął miejsce w połowie stawki.

Toyota Supra HV-R 2007

Start Lexusa GS na Tokachi dał zespołowi Denso ogromną ilość cennych danych. Projektanci wykorzystali je do stworzenia nowego wyścigowego napędu hybrydowego, z którym Denso ponownie spróbował swoich sił w tym wyścigu rok później.

Tym razem samochodem bazowym była tylnonapędowa Toyota Supra w wersji GT500 z popularnej w Japonii serii Super GT. Zachowano w niej oryginalny, wolnossący silnik V8 4,5 l o mocy 480 KM. Dodatkowe 230 KM uzyskano poprzez dołączenie silnika elektrycznego/generatora o mocy 204 KM napędzającego tylną oś oraz osobnych silników elektrycznych o mocy po 13,5 KM przy każdym z przednich kół. Choć przednia oś miała stosunkowo mało mocy do dyspozycji, hybrydowa Supra mogła bardziej wydajnie odzyskiwać energię z hamowania dzięki trzem osobnym silnikom/generatorom.

Tak jak w poprzednim modelu, zainstalowano kondensator do magazynowania energii z hamowania i jej szybkiego dostarczania do silników elektrycznych. Jednak tym razem kondensator zamiast uzupełniać pracę akumulatora trakcyjnego, całkowicie go zastąpił. Dzięki temu konstrukcja napędu była prostsza, a ponadto Supra HV-R ważyła tylko 1080 kg. 

W czasie wyścigu, pomimo trudnych warunków, w tym przejściowych opadów, Supra HV-R z napędem 4x4 zajęła na Tokachi pierwsze miejsce. Samochód pokonał w 24 godziny 616 okrążeń (3 128 km), o 19 okrążeń więcej niż samochód, który ukończył wyścig jako drugi. Tym samym benzynowo-elektryczna Supra stała się pierwszym samochodem hybrydowym, który wygrał wyścig.

Analizy po zakończeniu wyścigu wykazały, że choć Supra HV-R miała większą moc niż GS 450h z sezonu 2006, zużyła o 10 procent mniej paliwa. Co więcej, zamontowanie generatorów na przednich kołach zaowocowało tym, że przednie hamulce zużyły się o ponad połowę mniej, niż oczekiwano.

THS-R: hybryda godna Le Mans
Po wygranej w 24-godzinnym wyścigu Tokachi apetyty Toyoty wzrosły. Teraz przyszedł czas na większą imprezę, na której atuty wyścigowego napędu hybrydowego można byłoby pokazać międzynarodowej publiczności.

Tym razem celem Toyoty stał się znany na całym świecie, legendarny 24-godzinny wyścig w Le Mans we Francji, na który trzeba było przygotować specjalny samochód. Aby hybrydowa Toyota mogła walczyć z benzynowymi bolidami renomowanych sportowych marek, konieczna była radykalna redukcja masy napędu z 600 kg do zaledwie 100 kg.

W tamtym czasie nie istniały technologie, które umożliwiłyby 6-krotne zmniejszenie masy układu hybrydowego. Dlatego inżynierowie Toyoty wrócili do deski kreślarskiej, aby wymyślić napęd hybrydowy na nowo. Prace trwały od 2008 do 2011 roku i zakończyły się opracowaniem wyczynowego układu THS-R.

Toyota TS030 Hybrid 2012

Opracowanie samochodu hybrydowego gotowego do startów w najwyższej klasy międzynarodowych wyścigach zajęło Toyocie łącznie 6 lat. Pracowały nad nim wspólnie dwa zespoły w Higashi-Fuji Technical Centre w Japonii oraz zespół w Kolonii, specjalizujący się w produkcji nadwozi z włókna węglowego, który wcześniej odpowiadał za udział Toyoty w Formule 1. W ten sposób powstał TS030 Hybrid – pierwszy benzynowo-elektryczny samochód hybrydowy, który wystartował w serii FIA World Endurance Championship (Mistrzostwa Świata Wyścigów Długodystansowych). Najważniejszą rundą tej serii jest 24-godzinny wyścig w Le Mans. 

Samochód był napędzany nowoopracowanym, wolnossącym silnikiem V8 o pojemności skokowej 3,4 litra. Jednostka współpracowała z układem złożonym z dwóch silników elektrycznych oraz superkondensatora, zbudowanym we współpracy z Nisshinbo.

Na początku w TS030 Hybrid silniki elektryczne zostały umieszczone z przodu i z tyłu. Jednak regulacje FIA dla klasy LMP1 w sezonie 2012 ograniczyły ilość odzyskiwanej energii podczas hamowania do 500 kJ i dopuściły napęd tylko na jedną oś. Z tego powodu Toyota musiała ograniczyć możliwości układu hamowania rekuperacyjnego oraz pozostawiła tylko jeden silnik elektryczny – zintegrowany ze skrzynią biegów silnik Denso.

Pomimo tych ograniczeń nowy bolid zaliczył doskonały sezon – samochód wywalczył 3 wygrane w łącznie 6 wyścigach, 3 pole positions i 4 najszybsze okrążenia. Imponujące osiągi TS030 Hybrid potwierdziły ogromne możliwości technologii hybrydowej w wyczynowym wydaniu.

Toyota TS030 Hybrid 2013

Toyota TS030 Hybrid przygotowana na sezon 2013 miała architekturę i specyfikację niemal taką samą jak poprzedni model, jednak w czasie prac rozwojowych skupiono się na poprawie niezawodności i lepszym zarządzaniu jego elementami. Układ THS-R z superkondensatorem składał się z silnika elektrycznego o mocy 304 KM i 3,4-litrowego V8 o mocy 537 KM. Dla rezultatów w wyścigach długodystansowych miała znaczenie nie tylko większa moc, ale także niższe zużycie paliwa zmodernizowanego napędu. Zmodyfikowano też przednie zawieszenie i dopracowano aerodynamikę.

Toyota TS040 Hybrid 2014 – samochód mistrzów

Nowe regulacje FIA na sezon 2014 WEC położyły większy nacisk na oszczędność paliwa – samochody musiały spalać o 25 procent mniej benzyny, niż rok wcześniej. Jednocześnie możliwe było umieszczenie po jednym silniku elektrycznym na każdej osi oraz zwiększenie ilości odzyskiwanej energii do 8 MJ.

Toyota zastosowała superkondensator o pojemności 6 MJ i dwa silniki elektryczne o łącznej mocy 527 KM, które współpracowały z większą niż w poprzednim modelu jednostką V8 3,7 l o mocy 486 KM. Tym samym łączna moc samochodu wzrosła do 1000 KM. Samochód zyskał też większą przyczepność i stabilność dzięki napędowi 4x4.

Trzeci sezon Toyoty w FIA WEC przyniósł historyczny sukces – podwójne mistrzostwo świata w wyścigach długodystansowych. Toyota została mistrzem świata konstruktorów jako pierwszy japoński producent, natomiast Anthony Davidson i Sébastien Buemi zajęli pierwsze miejsca w klasyfikacji generalnej kierowców. W 24-godzinnym wyścigu w Le Mans samochód prowadzony przez Davidsona, Buemiego i Nicolasa Lapierre zajął 3. miejsce.

Toyota TS040 Hybrid 2015

W sezonie 2015 utytułowany TS040 Hybrid przeszedł ewolucyjne zmiany. Główne parametry się nie zmieniły – 1000 KM mocy i 6 MJ odzyskiwanej energii. Jednocześnie zmodyfikowano 80% części, aby poprawić osiągi, niezawodność i obniżyć masę. Poprawiono także pakiety aerodynamiczne, dostosowane do różnych wymagań na poszczególnych torach.

Toyota TS050 Hybrid 2016

Nowy model TS050 Hybrid przyniósł największy rozwój napędu THS-R od początku startów Toyoty w FIA WEC. Zupełną nowością jest silnik V6 twin-turbo 2,4 l z bezpośrednim wtryskiem paliwa o mocy 500 KM. Opracowało go Centrum Techniczne Higashi-Fuji Toyoty w Japonii. Superkondensator zastąpiono akumulatorem litowo-jonowym o pojemności 8 MJ, współpracującym z silnikami elektrycznymi o łącznej mocy 500 KM.

Podobnie jak w TS040 Hybrid, przy każdej z osi umieszczono jeden silnik elektryczny, zmieniono jednak pozycję przedniego motoru, aby uzyskać lepszy przepływ powietrza pod podłogą. Przekładnia została dostosowana do większego momentu obrotowego turbodoładowanego silnika. Samochód otrzymał także nowe pakiety aerodynamiczne.

W sezonie 2016 kierowcy TOYOTA GAZOO Racing prowadzący TS050 Hybrid 7-krotnie stanęli na podium. Stéphane Sarrazin, Mike Conway i Kamui Kobayashi zajęli 1. miejsce na japońskim torze Fuji Speedway, zaś w Le Mans dojechali do mety jako drudzy.

Toyota TS050 Hybrid 2017

Regulacje FIA na 2017 rok objęły redukcję wydajności pakietów aerodynamicznych. Chciano w ten sposób wydłużyć czasy okrążeń na torze w Le Mans i tym samym poprawić bezpieczeństwo. Konieczne było m.in. podniesienie przedniego spojlera o 15 mm. Centrum techniczne Toyoty w Kolonii zastosowało cyfrową symulację przepływu powietrza oraz tunele aerodynamiczne, aby jak najlepiej wykorzystać nowe przepisy. TS050 Hybrid otrzymał dwa nowe pakiety aerodynamiczne, zamiast trzech dopuszczonych przez FIA w 2016 roku – z dużym i z małym dociskiem. Konieczne było także ograniczenie zużycia opon na kwalifikacjach i 6-godzinnych wyścigach. Toyota opracowała wspólnie z Michelin nowe konstrukcje i mieszanki, a także dostosowała geometrię zawieszenia do tych obostrzeń.

Optymalizacji został poddany także napęd. Silniki elektryczne w aktualnym modelu są mniejsze i lżejsze niż rok temu, zaś akumulator litowo-jonowy został udoskonalony. Toyota zapowiada, że rozwiązania wypracowane dla TS050 Hybrid 2017 już wkrótce znajdą zastosowanie w seryjnych samochodach hybrydowych tego producenta.

W rozegranych do tej pory 4 rundach sezonu 2017 TOYOTA GAZOO Racing wygrała 2 wyścigi i łącznie 4 razy stanęła na podium. Szczególnie udany był wyścig w Spa-Francorchamps, gdzie załogi Buemi – Davidson – Nakajima oraz Conway – Kobayashi zajęły odpowiednio 1. i 2. miejsce.