Как работает гибридный двигатель тойота приус: Как работает гибрид Toyota — Автоцентр.ua — Автоблог 24premier.ru

Содержание

Как работает гибрид Toyota — Автоцентр.ua

Гибрид модели Toyota Prius за три ее поколения успели настолько усовершенствовать, что сегодня этот силовой агрегат можно встретить и в ряде более популярных массовых моделях Toyota. Так в чем же конструктивные ноу-хау тойотовского гибрида?

Гибридный силовой агрегат Toyota включает в себя ДВС, два электромотора и планетарный механизм.

Конструкция

Гибридная силовая установка Toyota Prius представляет собой последовательно-параллельную конструкцию (комбинированная), в которой крутящий момент на колеса может передаваться от двигателя внутреннего сгорания напрямую и от тягового электромотора в любых пропорциях. Для реализации работы по такой схеме в конструкцию силовой установки был внедрен, так называемый, делитель мощности. Это планетарный механизм с четырьмя шестернями-сателлитами. К наружной шестерне этого механизма подключен тяговый электродвигатель. Так же она непосредственно связана с главной передачей, которая передает крутящий момент к межколесному дифференциалу и далее на колеса. Четыре сателлита в этой конструкции подключены к двигателю внутреннего сгорания, т.е. их оси вращаются вокруг оси центральной солнечной шестерни. Последняя, в свою очередь, связана с управляющим мотор-генератором. Чтобы понять, как эта конструкция работает, следует по отдельности рассмотреть режимы ее работы.

Расположение основных и вспомогательных элементов гибридной силовой установки Toyota Prius.

Общий принцип работы

Начальный разгон машине обеспечивает тяговый электромотор-генератор MG2. Он вращает внешнюю шестерню планетарной передачи, через которую момент передается на колеса. Когда мощности тягового электромотора становится недостаточно, в работу вступает бензиновый двигатель. При этом он работает в самом экономичном режиме. Вращая шестерни сателлиты, приводятся в действие как наружная шестерня, так и внутренняя, солнечная, которой управляет мотор-генератор MG1. И именно от поведения MG1 зависит на сколько усилие ДВС передастся на колеса, иными словами это называется «формирование передаточного числа трансмиссии».

Очень гибкое распределение крутящего момента в гибридной силовой установке Toyota обеспечивает планетарный механизм.

Так же MG1 отвечает за подзарядку батареи в любом режиме (даже стоя на месте) и за запуск двигателя, что делает систему очень гибкой, вне зависимости от режима эксплуатации. Благодаря этому инженерам Toyota удалось получить универсальную систему распределения крутящего момента, которая максимально оптимально распределяет энергию, полученную при сгорании топлива в ДВС. Эта система так же обладает уникальной механической надежностью, поскольку управление крутящим моментом происходит по проводам, минуя традиционное множество сложнейших механических и гидравлических узлов.

ДВС

Делая эко-мобиль с очень умной силовой установкой инженеры Toyota серьезно подошли и к выбору двигателя внутреннего сгорания. Он, как и в целом автомобиль, разработан для максимальной экономии топлива. А так как эта характеристика напрямую зависит от коэффициента полезного действия мотора, т. е. от эффективности использования теплоты сгораемого топлива, было принято решение создавать ДВС, работающие по циклу Аткинсона. В данном моторе, в отличии от двигателей, работающих по циклу Отто, сжатие начинается не в начале хода поршня вверх, а чуть позже, поэтому часть топливо-воздушной смеси выталкивается обратно во впускной коллектор. Благодаря этому удается увеличить рабочий ход, чем увеличивают время использования энергии давления расширяющихся газов, т.е. повышают КПД мотора с соответствующим снижением расхода топлива. Цикл Аткинсона в гибридах более актуален по причине работы ДВС в данной конструкции в более узком диапазоне оборотов.

Во время торможения один из электродвигателей начинает работать в режиме генератора, подзаряжая АКБ.

В последнем 4-м поколении Toyota Prius используется 1,8-литровый бензиновый двигатель, мощностью 98 л.с.. В Toyota Yaris Hybrid применен 1,5-литровый двигатель, мощностью 75 л.с., в модели Auris – 1,8-литровый 99-сильный ДВС, и в последней новинке Toyota RAV4 Hybrid использован 2,5-литровый ДВС мощностью 155 л. с. Суммарная мощность силовых установок этих гибридов составляет, соответственно, 122 л.с., 100 л.с., 136 л.с., 197 л.с.

Стоит отметить, что инженеры Toyota продолжают совершенствовать конструкцию ДВС, работающего по циклу Аткинсона. На данный момент уже выпускаются моторы с тепловым КПД (коэффициент полезного действия), который достигает 40%. Ранее этот показатель для данных моторов составлял 38 %, а для ДВС, работающих по циклу Отто – еще меньше. Более высокий коэффициент полезного действия означает более эффективное использование тепла, выделяемого при сгорании топлива. Соответственно, удельная мощность и экономичность новых гибридных агрегатов Toyota стали еще выше.

Кстати, понятие «холостого хода двигателя» у гибридов Тойота отсутствует. Если блок управления запустил мотор, это означает что: либо заряжается батарея, либо прогревается ДВС, либо обогревается салон, либо автомобиль движется.

Электромоторы

В конструкции гибридной силовой установки Toyota используется два электромотора – управляющий мотор-генератор (MG1) и тяговый мотор-генератор (MG2). Мощность тягового электромотора:

Yaris Hybrid – 45 кВт, 169 Нм;

Auris Hybrid – 60 кВт, 207 Нм;

Prius – 56 кВт, 163 Нм;

RAV4 Hybrid – 105 кВт, 270 Нм; задний электромотор – 50 кВт, 139 Нм;

Кстати, управляющий мотор-генератор в данной конструкции выполняет и функцию стартера. Это позволило исключить из конструкции ДВС классический стартер, которые в случае с ДВС, работающими по циклу Аткинсона не могут запускаться на низких оборотах (у обычных ДВС Отто – 250 об/мин). Данный агрегат для запуска нужно «раскрутить» до оборотов не менее 1000, что и делает управляющий мотор-генератор.

Электроника

За обеспечение работы гибридной силовой установки Toyota отвечают еще ряд систем. Это преобразователь напряжения (инвертор), 520В / 600В / 650В. В него входит бустер, инвертор преобразователь постоянного тока в постоянный ток 14 вольт (для питания бортовой сети, DC/DC) и жидкостная система охлаждения. Последняя нужна для создания наиболее благоприятных условий работы электроники. Она работает с наибольшей производительностью и наименьшими потерями при комнатной температуре (порядка 20 градусов Цельсия). Поскольку инвертор оборудован мощными каскадами транзисторов – они требуют быстрого отвода тепла. Этого же требуют и электромоторы в трансмиссии. Для этого к инвертору и трансмиссии подведена жидкостная система охлаждения, температурный диапазон которой гораздо ниже, чем нормальный температурный диапазон двигателя внутреннего сгорания.

Аккумуляторы

На борту гибридов Toyota установлено два типа аккумуляторных батарей. Одна основная никель-металл-гидридная, которая в разных моделях может иметь разную характеристику:

Yaris Hybrid – 120 ячеек, напряжение – 144 В, емкость – 6,5 А/ч;

Auris Hybrid – 168 ячеек, напряжение – 201,6 В, емкость – 6,5 А/ч;

Prius – 168 ячеек, напряжение – 201,6 В, емкость – 6,5 А/ч;

RAV4 Hybrid – 204 ячейки, напряжение – 244,8 В, емкость – 6,5 А/ч;

Батарея имеет собственную систему охлаждения.

У подзаряжаемых гибридов (имеется ввиду Prius PHV) применяется литий-ионная батарея на 95 ячеек с напряжением 351,5 вольт и емкостью 25 А*ч и вспомогательная на 12 вольт (35 А/ч, 45 А/ч, 51 А/ч).

Принцип работы Приус: планетарная коробка, электромотор, гибрид

Автор Михаил На чтение 6 мин Опубликовано 29.04.2019 Обновлено 04.11.2020

Японские конструкторы смогли разработать гибридный агрегат для моделей Toyota Prius, использующий полезную работу трех двигателей. Они функционируют благодаря одноосному редуктору. Рассмотрим принцип работы и устройство гибридного двигателя Тойота Приус.

Из чего состоит гибридный двигатель Тойота Приус?

Для того чтобы разобраться, как работает гибридный Тойота Приус, понадобится ознакомиться с базовыми компонентами установки. Она включает в себя бензиновый мотор и два мотор-генератора.

ДВС

2ZR-FXE устанавливают на Приус с кузова XV30

Принцип действия ДВС основан на использовании цикла Аткинсона. В качестве топлива допускается использовать бензин марок АИ-92 и АИ-95. Силовой агрегат отличается сниженным уровнем токсичности, экономичным расходом и высоким коэффициентом полезного действия. Функционал планетарной передачи позволяет передавать вращательный момент на колеса автомобиля, а также обеспечивать работу мотор-генератора. Это способствует выработке электрической энергии для поддержания заряда аккумуляторной батареи, функционирования климатической установки и других электроприборов.

Мотор-генератор №1 и №2

Первый предназначен для запуска ДВС, выступая в роли классического стартера. Также он обеспечивает работу мотор генератора №2, при снижении заряда АКБ. Еще одной функцией электродвигателя №1 является выработка электрической энергии для передачи заряда аккумуляторной батареи.

Планетарная коробка и электромоторы Приус (слева XW20, справа XW30)

Второй мотор-генератор обеспечивает непосредственную передачу вращательного момента на колеса, беря энергию из ВВБ.

Принцип работы электромоторов Тойота Приус основан на взаимодействии электромагнитных полей. Для этого используются мощные неодимовые магниты в роторе. Обмотка статора состоит из медных проводников. Оборудование может работать в двух режимах:

Генераторный – происходит выдача трехфазного переменного напряжения с выводов статора. Оно преобразуется в постоянное, за счет применения конвертора. В дальнейшем выработанная энергия направляется на поддержание работы электрооборудования и заряд АКБ;

Двигательный – мотор-генератор получает трехфазное питание на обмотку статора, далее начинает вращаться ротор. Это происходит за счет взаимодействия магнитных полей. В результате получается кинетическая энергия.

Планетарная «коробка передач»

Сложная конструкция планетарного механизма обеспечивает качественное функционирование гибридной установки. Редуктор разработан таким образом, чтобы подключать бензиновую установку исключительно для обеспечения работы генератора или вращения колес. При этом последний режим используется только при наборе оптимального числа оборотов 2ZR-FXE. Указанный показатель находится на уровне от 2000 об/мин.

Принцип распределения работы моторов Тойота Приус гибрид, благодаря конструкции планетарного механизма, выглядит следующим образом:

передвижение машины на низких скоростях осуществляется на электротяге;
для обеспечения набора скорости и ее поддержания используется дополнительная энергия от генератора, который двигается с помощью ДВС.

При этом главной чертой планетарного устройства является отсутствие непосредственной связи между бензиновым агрегатом и приводом колес.

Описание режимов работы гибридной силовой установки

Заряжаемый Prius Prime

В указанном разделе рассмотрим, как работает гибридная установка Тойота Приус в различных режимах. Среди них:

начало перемещения с запуском ДВС;

старт на электротяге и движение на высокой скорости;

запуск 2ZR-FXE на ходу;

задний ход.

Начало движения с запуском ДВС

Приус 10

Данный режим используется при недостаточном заряде АКБ для старта с места Тойота Приус. В этом случае гибрид работает следующим образом:

За счет действия мотор генератора №1 осуществляется вращение планетарного механизма, который запускает двигатель внутреннего сгорания;
Силовой агрегат внутреннего сгорания начинает разгонять мотор-генератор №1, что сопровождается переходом последнего в генераторный режим. Далее происходит выработка требуемого количества электрической энергии для заряда АКБ и обеспечения работы второго мотор генератора;
2ZR-FXEможет работать исключительно для обеспечения работы первого мотор генератора и поддержания требуемого напряжения в электрической сети Тойота Приус.

Старт на электротяге и езда на высокой скорости

Электротяга гибридной установки Toyota Prius работает при старте машины с места в следующей последовательности:

Езда начинается при заглушенном бензиновом агрегате;
Электродвигатель №2 приводит в движение колеса и электромотор №1 через шестеренчатую передачу планетарного механизма. Указанный процесс обеспечивается запасенной энергией аккумуляторной батареи. При этом происходит преобразование напряжения из постоянного в переменное.

Для обеспечения движения Приус на высокой скорости, когда достигаются допустимые обороты электродвигателя №1, используется следующий принцип:

Мотор-генератор №2 посредством шестерен переключается на вращение первого с кратностью 2.6;
Это обеспечивает уменьшение скорости вращения электромотора №1 в 2.6 раз, по отношению ко второму. Максимально допустимое число оборотов для первого электродвигателя составляет шесть тысяч, набираемых при скорости в 64 км/ч.

Запуск ДВС на ходу

Принцип работы гибрида Тойота Приус с запуском 2ZR-FXE в процессе движения выглядит следующим образом:

Бензиновый силовой агрегат включается в момент остановки мотор генератора №1, который тормозится за счет изменения направления электромагнитного потока в противоположную сторону относительно вращения ротора. При этом запуск мотра происходит благодаря снятию вращающегося момента с колес автомобиля;
После набора оборотов двигателем внутреннего сгорания, происходит совпадение направлений вращения всех агрегатов гибридной установки. При равенстве числа оборотов будет наблюдаться равномерное распределение сил на вращение колес;
При увеличении оборотов ДВС, в сравнении с электромотором №2, будет наблюдаться рост вырабатываемой электроэнергии мотор генератором №1. Она распределяется на зарядку АКБ и поддержание дальнейшего движения, за счет передачи энергии на электродвигатель №2.

Из указанного режима функционирования гибрида можно четко проследить, что мотор напрямую не соединен с колесным приводом. Он передает энергию на вращение колес только при равенстве числа оборотов колес и оси двигателя. Базовая задача бензинового агрегата — функционирования электрогенератора. Это позволяет поддерживать требуемую емкость аккумуляторной батареи.

Задний ход

Prius Prime

За езду автомобиля Тойота Приус задним ходом отвечает мотор-генератор №1. В момент заглушенной установки внутреннего сгорания, первый электромотор переходит в двигательный режим. Это сопровождается противоположным вращением относительно мотор-генератора №2. При этом планетарная ось фиксируется на месте, а вращающий момент с первого электродвигателя передается ко второму, посредством шестеренчатой передачи планетарного механизма. Происходит вращение электромотора №2 в обратную сторону, что сопровождается движением автомобиля задним ходом.

При запущенном бензиновом агрегате, для передвижения задним ходом необходимо увеличить число оборотов электродвигателя №1 относительно двигателя внутреннего сгорания.

Заключение

Конструкция гибрида Toyota Prius позволяет получить экономию топлива за счет следующих факторов:

Автоматический пуск и остановка бензомотора в требуемые моменты, с использованием цикла Аткинсона для его функционирования;
Сбор энергии рекуперации при торможении;
Эффективная нагрузка бензинового силового агрегата благодаря монтажу электромеханического вариатора;
Отличная аэродинамика.

Видео

Особенности гибридных автомобилей

Подключаемые гибриды — главный автомобильный тренд последних лет. На рынке их уже немало, причём подзаряжаемым может быть гибрид любой конструкции: и последовательный, и параллельный, и гибрид смешанного типа — тяговая батарея ведь есть у всех. Примеры: Toyota Prius PHV и Prius Prime, Mitsubishi Outlander PHEV, Ford Fusion Energi, Hyundai Ioniq, Chevrolet Volt, Volvo V60, Audi e-tron, Chrysler Pacifica, Range Rover PHEV и другие. Даже китайские автопроизводители уже делают свои версии Plug-in-гибридов. Дело не только в экономии топлива и экологичности: производителям машин важно быть в авангарде современных технологий.

В будущем PHEV-гибриды, как и электрокары, избавятся от зарядных проводов. Уже сейчас есть мелкосерийные автомобили, способные заряжать батарею силовой установки на специальных индукционных парковочных местах, по аналогии с беспроводной зарядкой смартфонов. Вот только инфраструктура городов пока не поспевает за прогрессом транспорта.

Умеренный «мягкий» гибрид (Mild Hybrid)

Наверняка вы встречали автомобили в комплектации Mild Hybrid — в народе их нарекли мягким гибридом, хотя правильнее назвать такую силовую установку «умеренным гибридом». Что же такое Mild Hybrid, и насколько он «мягок»?

Mild Hybrid — это «зародыш» гибрида: стандартный автомобиль, озеленённый энергосберегающими технологиями. За красивым гибридным термином скрывается знакомая многим система «Старт-стоп», глушащая двигатель во время остановок, но чуть более продвинутая. ДВС Mild-гибрида снабжен специальным мотор-генератором; во время движения он работает как стандартный генератор, вырабатывая ток. Когда машина останавливается и система Start-Stop глушит двигатель, мотор-генератор вступает в дело, обеспечивая работу всех систем автомобиля: электрики, отопителя, кондиционера… Водитель даже не замечает, что двигатель заглушен. При нажатии на газ двигатель моментально заводится непосредственно от мотор-генератора и автомобиль трогается.

Технологии ремонта и обслуживания гибридных автомобилей. Школа Сергея Гордеева. Урок третий

Прошлую лекцию в рамках этого цикла мы посвятили устройству Prius. То есть говорили об особенностях этого автомобиля, когда он неподвижно стоит на парковке. Прощаясь с читателем, пообещали, что в следующий раз заведем гибрид и будем его эксплуатировать в разных режимах. В своих рассуждениях перейдем от анализа узлов и агрегатов в статическом состоянии к изучению их взаимодействия в динамике. Будем рассматривать работу этих узлов и агрегатов в разных режимах эксплуатации автомобиля Prius. Впрочем, по возможности коснемся и других вопросов. Итак, TOYOTA Prius – урок третий. Заводим гибрид.

Холодный запуск

Что происходит в конструкции гибрида при запуске холодного двигателя? Motor/Generator1 (далее – MG1), связанный с солнечной шестерней, начинает вращение, используя электроэнергию высоковольтной батареи (ВВБ). В этот момент автомобиль неподвижен, коронная шестерня планетарного механизма, которая связывает силовой агрегат с колесами ТС, будет также неподвижна. MG1, вращая солнечную шестерню через водило сателлитов, передает вращательный момент на вал ДВС. Скорость такого вращения соответствует 1/3,6 от скорости MG1. В отличие от обычного автомобиля, который подает топливо в момент включения зажигания, управляющая программа Prius делает паузу, прежде чем MG1 не разгонит ДВС приблизительно до скорости 1000 об/мин. Это случится меньше чем за 1 секунду. MG1 обладает значительно большей мощностью, чем электродвигатель стартера. Чтобы вращать ДВС с указанной скоростью, он сам должен работать в режиме 3600 об/ мин.

Описанный старт для ДВС не создает почти никакого напряжения, потому что такая скорость соответствует работе двигателя внутреннего сгорания в комфортных режимах холостого хода. Кроме того, запуск ДВС Prius осуществляется только на одной паре цилиндров. В результате такого конструктивного решения обеспечиваются повышенный эксплуатационный комфорт автовладельца, заводящего гибрид, и минимизируется существенный износ деталей двигателя в режиме холодного запуска, характерного для обычных автомобилей.

Здесь сразу обращаю внимание на распространенную ошибку ремонтников и автовладельцев. Они часто звонят мне и спрашивают: что мешает работе ДВС после запуска? Почему он заводится, а секунд через 40 глохнет? На самом деле, пока рамочка «READY» мигает – ДВС НЕ РАБОТАЕТ! Его вращает MG1! Хотя визуально все соответствует работе двигателя внутреннего сгорания: он шумит, из выхлопной трубы идет дым и т. д. Схема такого режима работы очень проста (рис. 1).

Рис. 1

Как только ДВС заработал от энергии сгорания углеводородного топлива, блок управления включит процесс управления дроссельной заслонки и установит оптимальную скорость холостого хода. На MG1 перестает поступать напряжение от ВВБ. Если батарея разряжена, MG1из потребителя превращается в электрогенератор, который подзарядит ВВБ. Такой режим обеспечивается управляющей программой, которая регулирует открытие дроссельной заслонки ДВС. В результате при достижении двигателем внутреннего сгорания скорости вращения примерно до 1200 об/мин MG1 начинает работать как генератор электрического тока (рис. 2).

Рис. 2

При запуске Prius с холодным двигателем главным приоритетом управляющей программы является разогрев двигателя и каталитического нейтрализатора. В нужный момент включается система управления токсичностью выхлопа. На это, как правило, уходит несколько минут в зависимости от фактической температуры этих агрегатов до начала пуска. В это время программа принимает меры по управлению выхлопом во время прогрева, включая задачу по сохранению несгоревших углеводородов в поглотителе. Потом он (поглотитель) будет очищен работой двигателя в специальном режиме.

Теплый запуск

В случае запуска Prius с теплым двигателем, на К10 и К11 ДВС будет работать в течение короткого промежутка времени на холостых оборотах со скоростью 1000 об/мин, а затем остановится.

К сожалению, на этих моделях невозможно препятствовать запуску ДВС, когда вы планируете без запуска ДВС переместить автомобиль на несколько метров – например, в пределах ремонтной зоны. На К20 и К30 применен другой алгоритм запуска. На таких моделях для перемещения ТС на короткое расстояние следует нажать на педаль тормоза и на кнопку «старт». Если в ВВБ достаточно энергии и вы не включите отопитель салона или стекла – ДВС не запустится, а на табло загорится надпись «READY» («Готов»). Это будет означать, что автомобиль ПОЛНОСТЬЮ готов к движению. Тогда останется лишь переключить джойстик (выбор режимов на К20 и К30 производится с помощью джойстика) в положение «D» или «R» и отпустить тормоз. И вы поедете.

Высоковольтная батарея Prius

Троганье с места

Напомним, что двигатель внутреннего сгорания Prius всегда находится на прямой передаче. Это означает, что он (ДВС) не сможет в одиночку обеспечить весь крутящий момент для энергичного старта автомобиля с места. Крутящий момент для начального ускорения дополняется мощностью MG2 через вращение коронной шестерни планетарного механизма. Этот механизм связан с редуктором, который затем передает вращение на колеса. Мы уже знаем, что электрические двигатели развивают существенно лучший, по отношению к ДВС, крутящий момент на низких скоростях, поэтому они идеально подходят для обеспечения любого режима движения автомобиля со старта.

Ротор MG1

Представим себе, что ДВС работает, а автомобиль неподвижен. В таком режиме MG1 всегда вращается в противоположном направлении. В этот момент электроника снимает электрическую энергию с MG1 как генератора и подает ее на мотор MG2. В таком режиме работы силового гибридного агрегата появляется момент противоположного направления, препятствующий вращению ДВС. Он локализован в механизме распределения мощности (PSD). Компенсируя силовые потери агрегата, компьютер увеличивает обороты ДВС. Полученная таким образом дополнительная мощность от двигателя внутреннего сгорания передается на водило сателлитов планетарного механизма. Взаимные моменты, сконцентрированные в PSD, рождают результирующий момент на коронной шестерне, обеспечивающий передачу вращения на колеса автомобиля (рис. 3).

Рис. 3

Вспомним, что в планетарном механизме крутящий момент ДВС делится в процентном соотношении 72 : 28 между «короной» и «солнцем». Пока мы не нажали на педаль акселератора, ДВС только бездельничал и не производил никакого выходного крутящего момента. После нажатия обороты добавились и 28% крутящего момента стали вращать MG1. Он начал работать как генератор. Оставшиеся 72% крутящего момента механически распределились на коронную шестерню и, следовательно, на колеса. Одновременно с тем, что большая часть крутящего момента поступает от мотора MG2, ДВС действительно передает крутящий момент к колесам таким образом (рис. 4).

Рис. 4

Теперь стоит проследить как 28% крутящего момента ДВС, передаваемых генератору MG1, могут усилить старт автомобиля с помощью мотора MG2. Чтобы сделать это, мы должны ясно различать два понятия: крутящий момент и энергия. Крутящий момент – это вращающая сила, которая по аналогии с прямолинейной силой не требует расхода энергии на поддержание самой силы. Предположим, вы вытягиваете из колодца ведро воды с помощью лебедки. Она (лебедка) отнимает энергию. Если бы лебедка вращалась электромотором, вы должны были бы обеспечить ее электроэнергией. Но, когда ведро поднято наверх и подцеплено крюком за что-нибудь, сила (вес ведра), которая приложена к веревке, и крутящий момент, передаваемый веревкой барабану лебедки, никуда не исчезли. Поскольку она (сила) никуда не перемещается, то нет и никакой передачи энергии. И расхода энергии тоже.

Аналогичная ситуация и с автомобилем. Фактически работающий ДВС 72% крутящего момента передает на колеса. Но, поскольку в таком режиме силового агрегата коронная шестерня не вращается, нет и никаких потоков энергии в этом направлении. Нет и энергетических потерь. Солнечная же шестерня, хотя и получает только 28% момента, вращаясь с высокой скоростью, позволяет MG1 производить значительное количество электрического тока. Этой электроэнергии будет достаточно для того, чтобы MG2 обеспечил механический редуктор, не требующий большой мощности, необходимым крутящим моментом. Значительная часть энергии больших токов, текущих через обмотки мотора MG2, преодолевая электрическое сопротивление, теряется в виде тепла. Но, когда автомобиль со старта начинает медленное движение, этой энергии, поступающей от MG1, бывает вполне достаточно.

В режиме, когда автомобиль только начинает движение, генератор MG1 вращается медленно и производит небольшое количество электроэнергии. При разгоне потребность в электричестве возрастает. Тогда компьютер добавляет обороты ДВС. Усилия, поступающие от двигателя внутреннего сгорания, начинают расти, а это значит, что MG1 через солнечную шестерню будет обеспечен большим вращательным моментом. В результате генерация электроэнергии поднимется на очень высокий уровень. В показанном режиме эксплуатации со старта пониженная скорость вращения ДВС компенсируется увеличением суммарного момента всего силового агрегата.

Мы избегали упоминания о ВВБ до этого места, чтобы стало ясно, почему она не обязательна для приведения автомобиля в движение. Однако большинство троганий с места есть результат управления компьютера, при котором энергия от батареи передается непосредственно к мотору MG2 (рис. 5).

Рис. 5

Существуют пределы высоких скоростей ДВС при медленном движении автомобиля. Они обусловлены необходимостью предотвращения поломок MG1, которому приходится вращаться на предельных оборотах. Такая зависимость ограничивает количество энергии, производимой ДВС для движения гибрида. Кроме того, слишком высокие обороты ДВС в режиме плавного трогания своим повышенным шумом могли бы ухудшить комфорт автовладельца.

Схема работает так. Чем сильнее вы нажимаете на акселератор, тем больше ДВС увеличивает обороты, но одновременно и больше энергии поступает от батареи. Если утопить педаль в пол, то примерно 40% энергии будет поступать от ВВБ, а 60% – от ДВС при скоростях, близких к 40 км/ч. Дальнейшее увеличение скорости автомобиля приводит к тому, что двигатель отдает энергии еще больше, приближаясь к величине в 75% при скорости автомобиля 96 км/ч и при полном нажатии педали до пола.

Как мы помним, полная энергия силового агрегата включает работу ДВС и то, что снято с генератора MG1 и передано в виде электричества к мотору MG2. При скорости 96 км/ч MG2 фактически дает больше крутящего момента, и, следовательно, больше мощности к колесам, чем поставляется через планетарный механизм от ДВС. Но большая часть электроэнергии, которую использует MG2, поступает от MG1 и, следовательно, косвенно и от ДВС, а не от ВВБ.

Ускорение и езда в гору

Обмотка MG1 в Prius К10

Когда требуется очень большая мощность, ДВС и MG2 совместно создают крутящий момент, чтобы обеспечить автомобиль возможностью старта и ускорения. С ростом скорости уменьшается крутящий момент, который в состоянии выдать MG2, так как он начинает работать на пределе своей мощности. Чем быстрее он вращается, тем меньший крутящий момент может выдать. К счастью, это совпадает с ожиданиями водителя. Когда обычный автомобиль ускоряется, ступенчатая коробка переключается на более высокую передачу и вращающий момент на оси уменьшается так, чтобы двигатель мог понизить свои обороты до безопасного значения. Хотя это делается с использованием абсолютно разных механизмов, Prius создает такие же ощущения, как и ускорения при езде на обычном автомобиле. Главное различие – полное отсутствие «дерганий» при переключении передач в связи с отсутствием самой коробки передач. Чем это достигается?

Мы неоднократно говорили, что ДВС вращает водило сателлитов планетарного механизма. При этом 72% крутящего момента, поступающего от двигателя внутреннего сгорания, через коронную шестерню механически доставляются к колесам. А 28% через солнечную шестерню достаются генератору MG1, который превращает его в электричество. Результирующая электроэнергия питает мотор MG2 и добавляет крутящий момент на коронной шестерне. Чем больше вы нажимаете на акселератор, тем больше крутящего момента производит ДВС.

Если совсем упростить работу силовой схемы гибридного агрегата, то получим следующее. Разгоняя ДВС путем управления дроссельной заслонкой, мы увеличиваем механическую отдачу крутящего момента с прямой передачей ее на колеса ТС и одновременно наращиваем ее за счет прибавки усилий MG2, работающего за счет электроэнергии MG1. В зависимости от различных факторов, таких как состояние заряда батареи, уклон дороги, и особенно от того, как сильно вы нажимаете педаль, компьютер может направлять дополнительную энергию от батареи к MG2, чтобы повысить его вклад в мощность силового агрегата. Таким образом, достигается ускорение, достаточное для движения по шоссе такого большого автомобиля, как Prius с ДВС мощностью всего в 78 л. с. (рис. 6).

Рис. 6

С другой стороны, если необходимая мощность не так высока, часть электричества, производимого MG1, может использоваться для зарядки батареи даже в режиме набора скорости. Важно помнить, что двигатель внутреннего сгорания вращает и колеса ТС, и генератор MG1, производящий электричество. Как оно будет использовано и куда будет направлено – определяет контроллер.

Водило сателлитов с коронной шестерней и трехходовой муфтой

Езда на умеренной скорости

Как только вы достигли устойчивой скорости на ровной дороге, мощность, которая поставляется двигателем, расходуется на преодоление аэродинамического сопротивления и трение качения. Это намного меньше, чем мощность, необходимая для езды в гору или разгона автомобиля. Чтобы работать эффективно на низкой мощности, а также не создавать много шума, ДВС работает на низких оборотах. Следующая далее таблица показывает, какая мощность нужна для перемещения автомобиля на различных скоростях по горизонтальной дороге и приблизительные обороты двигателя, который обеспечивает такие режимы эксплуатации.

Обратим внимание, что высокая скорость автомобиля и низкие обороты ДВС ставят устройство распределения мощности в сложное положение, при котором генератор MG1 должен вращаться назад (см. таблицу выше). Работая таким образом, MG1 заставляет сателлиты вращаться вперед. Вращение сателлитов складывается с вращением водила (от ДВС) и существенно ускоряет вращение коронной шестерни. Еще раз отмечу, что различие состоит в том, что в более раннем случае мы были рады с помощью высоких оборотов ДВС получить большую мощность, даже передвигаясь с меньшей скоростью. В этом же случае мы хотим, чтобы ДВС остался на низких оборотах, даже если мы разогнались до приличной скорости, чтобы совместить более низкое потребление мощности с высокой эффективностью.

Коронная шестерняТрехходовая муфтаШтатный монитор Prius К10 с включенным зажиганием

Из таблицы, посвященной распределению мощности в разных режимах эксплуатации, мы видим, что генератор MG1 должен произвести обратный крутящий момент на солнечной шестерне. Это как бы точка опоры рычага, с помощью которого ДВС вращает коронную шестерню (а значит, и колеса). Без сопротивления MG1 ДВС просто вращал бы этот мотор/генератор вместо того, чтобы приводить в движение автомобиль.

Следует отметить, что при вращении MG1 вперед в силовых цепях появляется обратный вращательный момент. Он может создаваться только генераторной нагрузкой, когда электроника инвертора начинает отбор энергии от MG1. Этим объясняется появление обратного крутящего момента. Но теперь MG1 вращается назад. Как же тогда добиться, чтобы он создавал этот обратный крутящий момент? Хорошо, что бы мы сделали для того, чтобы MG1 вращался вперед и производил прямой крутящий момент? То есть чтобы он работал как мотор. На самом деле, все наоборот: если MG1 вращается назад, и мы хотим получить крутящий момент в том же самом направлении, MG1 должен быть двигателем и вращаться, используя электроэнергию, поставляемую инвертором.

Внутренности коробки

Это начинает выглядеть экзотически. ДВС толкает, MG1 толкает, MG2, что, толкает тоже? Нет никакой механической причины, почему это не может происходить. На первый взгляд это может выглядеть привлекательным. Два двигателя и ДВС – все одновременно вносят свой вклад в создание движения.

Но мы должны помнить, что попали в эту ситуацию, уменьшая обороты ДВС для эффективности работы. Это не было бы эффективным способом получить большую мощность на колесах. Чтобы сделать это, мы должны увеличить обороты ДВС и возвратиться к более ранней ситуации, когда MG1 вращается вперед в режиме генератора. Есть еще одна проблема: мы должны придумать, откуда собираемся брать энергию для вращения MG1, когда он работает в режиме электромоторамотора. Из батареи? На некоторое время мы можем сделать это, но вскоре будем вынуждены выйти из этого режима, оставшись без заряда батареи для ускорения движения или при подъеме в гору. А мы должны получать эту энергию все время, не допуская снижения заряда батареи. Таким образом, мы пришли к заключению, что энергия должна поступать от MG2 непрерывно.

Генератор MG2 производит энергию для мотора MG1? Поскольку и ДВС, и MG1 вносят свой вклад в мощность, которая объединена планетарным механизмом, можно назвать это «режимом объединения мощности». Однако такая идея относительно MG2, производящего энергию для мотора MG1, вступила бы в противоречие с представлениями людей о работе единой системы. А ее название стало бы звучать как «еретический режим».

Так выглядит магнит в поддоне коробки, когда масло долго не менялось или менялось без снятия поддонаЧистый магнит (для сравнения)

Давайте снова «пробежимся» по понятию «режим объединения мощности» и постараемся изменить такую точку зрения. ДВС вращает водило сателлитов с низкими оборотами. MG1 вращает солнечную шестерню в противоположном направлении. Это заставляет сателлиты вращаться вперед и увеличивает скорость вращения коронной шестерни, которая все еще получает только 72% крутящего момента ДВС. Но скорость, с которой вращается коронная шестерня, увеличена вращением мотора MG1 назад. Ускорение вращения короны позволяет автомобилю ехать быстрее при низких оборотах ДВС. MG2, что невероятно, сопротивляется движению автомобиля как генератор и производит электричество, которое питает мотор MG1. Автомобиль движется вперед за счет остаточного механического крутящего момента от ДВС.

Вы можете определить, что движетесь в таком режиме, если имеете навык определения скорости вращения ДВС на слух. Дисплей (монитор), включенный в режим отображения работы гибридной системы, показывает подачу энергии от ДВС колесам и мотор-генератору, заряжающему батарею. Картинка может меняться чередованием процессов заряда разряда батареи и подачей электроэнергии на мотор, чтобы вращать колеса. Я интерпретирую это чередование как регулирование генераторной нагрузки MG2 для поддержания постоянной энергии движения.

Движение накатом

Когда вы убираете ногу с педали акселератора, можно сказать, что автомобиль движется накатом. Двигатель не толкает ТС и не тянет его вперед. Движение постепенно замедляется вследствие трения качения и аэродинамического сопротивления. В обычном автомобиле двигатель все еще связан с колесами трансмиссии. Он вращается без топлива и поэтому авто замедляет ход. Этот эффект называют «торможение двигателем».

Prius, в силу конструктивных особенностей, лишен необходимости такого режима. Но, руководствуясь укоренившейся привычкой автовладельцев обычных автомобилей, TOYOTA оснастила свое детище программой имитации торможения двигателем. Когда Prius движется накатом, он замедляется быстрее, чем если бы на него действовали только силы сопротивления качения и аэродинамическое сопротивление. Чтобы производить эту дополнительную замедляющую силу, MG2 включается как генератор и подзаряжает батарею. Его генераторная нагрузка имитирует торможение двигателем (рис. 7).

Рис. 7

Для остановки автомобиля двигатель не нужен. Водило сателлитов остановлено, а коронная шестерня все еще вращается, так как MG2 соединен непосредственно с коронной шестерней. Сателлиты вращаются вперед, а MG1 вращается назад. В этот момент электроэнергия не производится и не потребляется, а MG1 просто свободно вращается. Скорость его вращения, как мы знаем, в 2,6 раза выше, чем коронной шестерни.

Что может случиться при резкой остановке ТС? MG1, как мы знаем, может вращаться назад со скоростью более 6500 об/мин, а MG2 имеет противоположное направление вращения. При резком торможении ТС на скорости 67 км/ч и выше, в случае резкой остановки водила сателлитов может случиться серьезная поломка трансмиссии. Чтобы этого не произошло, компьютер включает MG1 как генератор и начинает снимать энергию. Генераторная нагрузка предотвращает превышение оборотов MG1, а водило сателлитов начинает вращаться вперед. Такая защита водила сателлитов и MG1 обеспечивается в режимах эксплуатации ДВС со скоростью до 1000 об/мин, а ТС – до 104 км/ч. На более высоких скоростях водило сателлитов и ДВС вращаются быстрее. Электроэнергия, произведенная MG1 в этом режиме, может использоваться для подзарядки батареи.

Торможение

Если вы планируете замедлить движение автомобиля быстрее, чем при движении накатом, используя сопротивление качения, аэродинамическое сопротивление и торможение двигателем, вы нажимаете на педаль тормоза. В обычном автомобиле это давление передается гидравлическим контуром на колесные тормозные механизмы. Тормозные колодки прижимаются к металлическим дискам или барабанам, и энергия движения автомобиля преобразовывается в тепловую, и автомобиль замедляет движение, а затем останавливается. Prius имеет точно такие же тормоза, но имеет и кое-что еще – регенеративное торможение. Что это такое?

Во время движения накатом MG2 «организует» генераторную нагрузку, которая имитирует торможение двигателем. При нажатии на педаль тормоза увеличивается генерация электроэнергии MG2, что реализуется резким повышением такой нагрузки. В результате автомобиль быстрее замедляет ход. В отличие от тормозов трения, которые тратят впустую кинетическую энергию на производство тепла, электроэнергия, произведенная регенеративным торможением, сохранится в батарее и в дальнейшем будет использована. Компьютер вычисляет, какое замедление будет произведено таким способом, и на соответствующую величину уменьшает гидравлическое давление, передаваемое фрикционным тормозным механизмам.

В обычном автомобиле в режиме эксплуатации крутого спуска вы переключаетесь на пониженную передачу, чтобы увеличить интенсивность торможения двигателем. Силовой агрегат, противодействуя движению, помогает тормозам замедлить скорость. Тот же выбор режима торможения доступен и Prius. Установив рычаг управления ТС в положение «B», вы, собственно, задаете режим, при котором двигатель будет использован и для торможения. Как правило, двигатель в режиме торможения работает в программе «B». Она реализует задачу таким образом, чтобы мотор/генераторы включились в процесс торможения путем управления электрическими потоками, а ДВС вращался без топлива и с почти закрытым дросселем. Сопротивление, которое создает силовой агрегат, работающий в этой программе, эффективно замедляет автомобиль, уменьшая нагревание тормозов, и позволяет ослабить усилия давления на педаль тормоза (рис. 8).

Рис. 8

Но помните, что режим «В» применяется только как горный тормоз. Езда по ровной дороге в этом режиме не желательна, так как может привести к выходу из строя трансмиссии.

Prius «ползает» и стартует на электричестве

Обычный автомобиль с автоматической коробкой передач тронется с места, когда вы снимете ногу с педали тормоза. Это побочный эффект работы гидротрансформатора, но он выгодно препятствует автомобилю скатываться назад на подъеме, в тот момент, когда вы переносите ногу на педаль акселератора. В таких случаях говорят: машина «ползет». Инженеры TOYOTA не решились лишать водителей привычных дорожных ощущений: и приятных, и не совсем. Потому что отсутствие традиционных сигналов может негативно отразиться на отработанных алгоритмах действий автовладельца. Для этого, как и в случае с конструктивно-программной имитацией режима торможения двигателем, в Prius также реализован сымитированный эффект «сползания» под гору. Небольшое количество энергии из батареи передается мотору MG2, когда вы отпускаете тормоз. Она мягко отправляет автомобиль вперед (рис. 9).

Рис. 9

При нажатии на акселератор поступающая к мотору MG2 энергия будет увеличена и автомобиль поедет резвее. Так как MG2 – мощный двигатель и имеет высокий крутящий момент, вы можете стартовать только на электроэнергии и разгоняться до приличной скорости, пока дорожная ситуация позволяет вам это делать. Чем сильнее вы нажимаете на акселератор, тем скорее ДВС запустится и начнет помогать движению автомобиля своим крутящим моментом и электричеством, произведенным генератором MG1 (рис. 10).

Рис. 10

Если вдавите педаль в пол, то ДВС мгновенно заведется. Но для большинства стартов «от светофора» вы отъедете от перекрестка почти в полной тишине, используя только мотор MG2, запитанный от батареи. ДВС остается выключенным, а MG1 будет свободно вращаться назад.

Слегка отвлечемся от режимов эксплуатации и уделим некоторое внимание обслуживанию коробки «скоростей». Что бывает, когда автовладелец забывает об этом важном моменте, можно увидеть на фотографиях (см. с. 53 и 54).

Фильтр коробкиИзношенная и новая цепи коробки

На этом сегодня остановимся. Мы не успели показать режимы «медленное движение и «режим электромобиля» («режим EV»)», «замедление и движение под уклон» и «задний ход». В следующий раз с этого и начнем. Продолжим техникой безопасности при ремонте и обслуживании гибридных автомобилей. Обсудим и другие вопросы. Попытаемся сломать некоторые стереотипы и мифы, которые сложились и продолжают множиться в этом разделе автосервиса. Тема ведь, по большому счету, новая. А все новое всегда пугает. До встречи.

Гибриды Toyota. Всегда заряжены. Восемь гибридов Toyota на любой вкус

Наступило время выбрать себе самозаряжающийся гибрид Toyota. Для 8 различных моделей гибридных автомобилей Toyota, включая столь любимые SUV – RAV4 и C-HR, процентная ставка составляет 0,99% + 6-месячный EURIBOR*.

С новейшими гибридными автомобилями Toyota ты можешь ездить аж до половины времени в электро-режиме**, и его не надо заряжать от внешнего источника – гибриды Toyota всегда заряжены. Выбери свой гибрид № 1!

Your browser does not support the HTML5 Video element.

НАЙДИ СВОЙ ГИБРИД

Открой ссылки и ознакомься с теми моделями Toyota, в выборе двигателей которых доступен самозаряжающийся гибрид Toyota:

Yaris Hybrid – новейший компактный гибридный автомобиль Toyota!

Toyota Yaris Hybrid