Гібрид моделі Toyota Prius за три її покоління встигли так удосконалити, що на сьогодні цей силовий агрегат можна зустріти і в низці популярних масових моделях Toyota. Так у чому ж конструктивні ноу-хау тойотівського гібрида?
Гібридний силовий агрегат Toyota охоплює ДВЗ, два електромотори і планетарний механізм.
Конструкція
Гібридна силова установка Toyota Prius являє собою послідовно-паралельну конструкцію (комбінована), в якій крутильний момент на колеса може передаватися від двигуна внутрішнього згоряння безпосередньо і від тягового електродвигуна в будь-яких пропорціях. Для реалізації роботи за такою схемою в конструкцію силової установки був запроваджений так званий дільник потужності. Це планетарний механізм з чотирма шестернями-сателітами. До зовнішньої шестірні цього механізму підключений тяговий електродвигун. Так само вона безпосередньо пов’язана з головною передачею, яка передає крутильний момент до міжколісного диференціала і далі на колеса. Чотири сателіти в цій конструкції підключені до двигуна внутрішнього згоряння, тобто їхні осі обертаються навколо центральної осі сонячної шестерні. Остання, у свою чергу, пов’язана з керуючим мотор-генератором. Щоб зрозуміти, як ця конструкція працює, слід окремо розглянути режими її роботи.
Розташування основних і допоміжних елементів гібридної силової установки Toyota Prius.
Загальний принцип роботи
Початковий розгін машині забезпечує тяговий електромотор-генератор MG2. Він обертає зовнішню шестерню планетарної передачі, через яку момент передається на колеса. Коли потужності тягового електродвигуна стає недостатньо, в роботу вступає бензиновий двигун. При цьому він працює в найбільш економічному режимі. Обертаючи шестерні-сателіти, приводяться в дію як зовнішня шестерня, так і внутрішня, сонячна, якою керує мотор-генератор MG1. І саме від поведінки MG1 залежить як зусилля ДВЗ передасться на колеса, іншими словами це називається «формування передаточного числа трансмісії».
Дуже гнучкий розподіл крутильного моменту в гібридній силовій установці Toyota забезпечує планетарний механізм.
Так само MG1 відповідає за підзарядку батареї в будь-якому режимі (навіть стоячи на місці) і за запуск двигуна, що робить систему дуже гнучкою, незалежно від режиму експлуатації. Завдяки цьому інженерам Toyota вдалося отримати універсальну систему розподілу крутильного моменту, яка максимально оптимально розподіляє енергію, отриману при згорянні палива в ДВЗ. Ця система також має унікальну механічну надійність, оскільки керування крутильним моментом відбувається проводами, минаючи традиційну велику кількість складних механічних і гідравлічних вузлів.
ДВЗ
Роблячи еко-мобіль з дуже розумною силовою установкою інженери Toyota серйозно підійшли до вибору двигуна внутрішнього згоряння. Його, як і загалом автомобіль, розробили для максимальної економії палива. А оскільки ця характеристика залежить від коефіцієнта корисної дії двигуна, тобто від ефективності використання теплоти спаленного палива, було ухвалено рішення створювати ДВЗ, що працюють за циклом Аткінсона. У цьому моторі, на відміну від двигунів, що працюють за циклом Отто, стиснення починається не на початку ходу поршня вгору, а трохи пізніше, тому частина паливо-повітряної суміші виштовхується назад у впускний колектор. Завдяки цьому вдається збільшити робочий хід, чим збільшується час використання енергії тиску газів, що розширюються, тобто підвищується ККД мотора з відповідним зниженням витрати палива. Цикл Аткінсона в гібридах більш актуальний із причини роботи ДВЗ у цій конструкції в більш вузькому діапазоні обертів.
Під час гальмування один з електродвигунів починає працювати в режимі генератора, заряджаючи АКБ.
В останньому 4-му поколінні Toyota Prius використовується 1,8-літровий бензиновий двигун потужністю 98 к.с. У Toyota Yaris Hybrid застосований 1,5-літровий двигун, потужністю 75 к.с., в моделі Auris – 1,8-літровий 99-сильний ДВЗ, і в останній новинці Toyota RAV4 Hybrid використаний 2,5-літровий ДВС потужністю 155 к.с. Сумарна потужність силових установок цих гібридів становить, відповідно, 122 к.с., 100 к.с., 136 к.с., 197 к.с.
Варто зазначити, що інженери Toyota продовжують удосконалювати конструкцію ДВЗ, що працює за циклом Аткінсона. Наразі вже випускають двигуни з тепловим ККД (коефіцієнт корисної дії), який досягає 40%. Раніше цей показник для цих двигунів становив 38 %, а для ДВЗ, що працюють за циклом Отто – ще менше. Більш високий коефіцієнт корисної дії означає ефективніше використання тепла, що виділяється під час згоряння палива. Відповідно, питома потужність і економічність нових гібридних агрегатів Toyota стали ще вищими.
До речі, поняття «холостого ходу двигуна» у гібридів Тойота відсутнє. Якщо блок керування запустив мотор, це означає що: або заряджається батарея, або прогрівається ДВЗ, або обігрівається салон, або автомобіль рухається.
Електромотори
У конструкції гібридної силової установки Toyota використовується два електромотори – керуючий мотор-генератор (MG1) і тяговий мотор-генератор (MG2). Потужність тягового електродвигуна:
Yaris Hybrid – 45 кВт, 169 Нм;
Auris Hybrid – 60 кВт, 207 Нм;
Prius – 56 кВт, 163 Нм;
RAV4 Hybrid – 105 кВт, 270 Нм; задній електромотор – 50 кВт, 139 Нм;
До речі, керуючий мотор-генератор у цій конструкції виконує і функцію стартера. Це дало змогу усунути з конструкції ДВЗ класичний стартер, який у випадку з ДВЗ, що працюють за циклом Аткінсона не може запускатися на низьких обертах (у звичайних ДВЗ Отто – 250 об/хв). Цей агрегат для запуску потрібно «розкрутити» до оборотів не менше за 1000, що і робить керуючий мотор-генератор.
Електроніка
За забезпечення роботи гібридної силової установки Toyota відповідають ще низка систем. Це перетворювач напруги (інвертор), 520В / 600В / 650В. До нього входить бустер, інвертор перетворювач постійного струму в постійний струм 14 вольт (для живлення бортової мережі, DC/DC) і рідинна система охолодження. Остання потрібна для створення найбільш сприятливих умов роботи електроніки. Вона працює з найбільшою продуктивністю і найменшими втратами за кімнатної температури (близько 20 градусів Цельсія). Оскільки інвертор обладнаний потужними каскадами транзисторів – вони потребують швидкого відведення тепла. Цього ж потребують і електромотори в трансмісії. Для цього до інвертора і трансмісії підведена рідинна система охолодження, температурний діапазон якої значно нижчий, ніж нормальний температурний діапазон двигуна внутрішнього згоряння.
Акумулятори
На борту гібридів Toyota встановлено два типи акумуляторних батарей. Одна основна нікель-метал-гідридна, яка в різних моделях може мати різну характеристику:
Yaris Hybrid – 120 комірок, напруга – 144, ємність – 6,5 А/год;
Auris Hybrid – 168 комірок, напруга – 201,6 В, ємність – 6,5 А/год;
Prius – 168 комірок, напруга – 201,6 В, ємність – 6,5 А/год;
RAV4 Hybrid – 204 комірки, напруга – 244,8 В, ємність – 6,5 А/год;
Батарея має власну систему охолодження.
У гібридів, що підзаряджаються (мається на увазі Prius PHV), застосовується літій-іонна батарея на 95 комірок із напругою 351,5 вольт і ємністю 25 А*год і допоміжна на 12 вольт (35 А/год, 45 А/год, 51 А/год).