Меню
Назад »

Toyota Prius Работа автомобиля в различных режимах движения часть1

Toyota Prius Работа автомобиля в различных режимах движения

Сравнительные данные автомобилей Prius различных годов выпуска

Сравнительные данные автомобилей Prius

двигатель внутреннего сгорания Toyota Prius
 
Тойота Приус имеет необычно маленький для автомобиля весом 1300 кг двигатель внутреннего сгорания (ДВС), объемом 1497 см'. Это стало возможным из-за наличия электрических моторов и батареи, которые помогают ДВС, когда необходима большая мощность. На обычном автомобиле двигатель рассчитан на высокое ускорение и движение на крутой подъем, поэтому он почти всегда работает с низкой эффективностью (к.п.д). На 30-м кузове применяется другой двигатель, 2ZR-FXE, объемом 1,8 литра. Так как автомобиль не может быть подключен к городской сети электроснабжения (что планируется осуществить японскими инженерами в недалеком будущем), нет никакого другого долгосрочного источника энергии и этот двигатель должен поставлять энергию для зарядки батареи, а также для перемещения автомобиля и питания дополнительных потребителей таких, как кондиционер воздуха, электрический нагреватель, аудио, и т.д. Обозначение Toyota для двигателя Prius - 1NZ-FXE. Прототипом данного двигателя является двигатель 1NZ-FE, который устанавливался на автомобили Yaris, Bb, Fun Cargo', Platz. Конструкция многих деталей двигателей 1NZ-FE и 1NZ-FXE одинакова. Например, блоки цилиндров у Bb, Fun Cargo, Platz и Prius 11 одинаковые. Однако двигатель 1NZ-FXE использует другую схему смесеобразования, и соответственно с этим связаны конструктивные отличия.В двигателе 1NZ-FXE реализован цикл Atkinson, тогда как в двигателе 1NZ-FE используется обычный цикл Отто.

В двигателе цикла Отто, в процессе впуска, топливо-воздушная смесь поступает в цилиндр. Однако давление во впускном коллекторе ниже, чем в цилиндре (поскольку расход регулируется дроссельной заслонкой), и поэтому поршень совершает дополнительную работу по всасыванию топливовоздушной смеси, работая как компрессор. Около нижней мертвой точки закрывается впускной клапан. Смесь в цилиндре сжимается и поджигается в момент подачи искры. В отличие от этого, цикл Atkinson не закрывает впускной клапан в нижней мертвой точке, а оставляет его открытым, в то время как поршень начинает подниматься. Часть топливовоздушной смеси вытесняется во впускной коллектор, и используется в другом цилиндре. Таким образом, уменьшаются насосные потери, по сравнению с циклом Отто. Поскольку объем смеси, который сжимается и сгорает, уменьшен, то давление в процессе сжатия при такой схеме смесеобразования также уменьшается, что позволяет повысить степень сжатия до 13, без риска появления детонации. Увеличение степени сжатия способствует увеличению термического КПД. Все эти мероприятия способствуют улучшению топливной экономичности и экологичности двигателя. Расплатой является уменьшение мощности двигателя. Так двигатель 1NZ-FE имеет мощность 109 л.е., а двигатель 1NZ-FXE - 77 л.с.
 
Мотор/Генераторы Toyota Prius
 
Тойота Приус имеет два электрических мотора/генератора. Они очень похожи по конструкции, но отличаются по размерам. Оба - трехфазные синхронные двигатели с постоянными магнитами. Название более сложно, чем сама конструкция. Ротор (часть, которая вращается) -представляет собой большой, мощный магнит и не имеет никаких электрических соединений. Статор (неподвижная часть, прикрепленная к корпусу автомобиля), содержит три набора обмоток. Когда ток проходит в некотором направлении через один комплект обмоток, ротор (магнит) взаимодействует с магнитным полем обмотки и устанавливается в некотором положении. Пропуская ток последовательно через каждый набор обмоток сначала в одном направлении, а затем в другом, можно перемещать ротор из одного положения к следующему и так заставить его вращаться. Конечно, это упрощенное объяснение, но показывает суть данного типа двигателя. Если же ротор вращает внешняя сила, электрический ток течет в каждом наборе обмоток по очереди и может использоваться для заряда батареи или для питания другого двигателя. Таким образом, одно устройство может быть двигателем или генератором в зависимости от того, пропускается ли ток в обмотках, чтобы притягивать магниты ротора, или ток выходит, когда некая внешняя сила вращает ротор. Это еще более упрощено, но послужит глубине объяснений.

Мотор/генератор 1 (MG1) связан с солнечной шестерней устройства распределения мощности (PSD). Он - меньший из двух и имеет максимальную мощность около 18 кВт. Обычно он осуществляет запуск ДВС и регулирует обороты ДВС изменением производимого количества электроэнергии. Мотор/генератор 2 (MG2) связан с коронной шестерней планетарного механизма (устройства распределения мощности) и далее через редуктор на колеса. Поэтому он непосредственно приводит в движение автомобиль. Он - больший из двух моторов-генераторов и имеет максимальную мощность 33 кВт (50 кВт для Prius NHW-20). MG2 иногда называют "тяговый мотор", и его обычная роль - приводить автомобиль в движение как двигатель или возвращать энергию торможения как генератор. Оба мотора/генератора охлаждаются антифризом.
 
Инвертор Toyota Prius
 
Поскольку моторы/генераторы работают от переменного трехфазного тока, а батарея, как и все батареи, производит постоянный ток, необходимо некое устройство, чтобы преобразовать один вид тока в другой. Каждый MG имеет "инвертор", который выполняет эту функцию. Инвертор узнает положение ротора от датчика на валу MG и управляет током в обмотках мотора так, чтобы поддерживать вращение мотора на требуемой скорости и с необходимым вращающим моментом. Инвертор изменяет ток в обмотке, когда магнитный полюс ротора проходит мимо этой обмотки и переходит к следующей. Кроме того, инвертор подключает напряжение батареи на обмотки и затем выключает снова очень быстро (с высокой частотой), чтобы изменить среднее значение тока и, следовательно, крутящий момент. Используя "самоиндуктивность" моторных обмоток (свойство электрических катушек, которые сопротивляются изменению тока), инвертор может фактически пропустить больший ток через обмотку, чем поступает от батареи. Он работает только когда напряжение на обмотках меньше напряжения батареи, следовательно, энергия сохраняется. Однако, поскольку значение тока через обмотку определяет крутящий момент, этот ток позволяет достигнуть очень большого крутящего момента на малых оборотах. Приблизительно до 11 км/ч, MG2 способен создать крутящий момент 350 Нм (400 Им для Prius NHW-20) на редукторе. Именно поэтому автомобиль может начать движение с приемлемым ускорением без использования коробки передач, которая обычно увеличивает крутящий момент ДВС. При коротком замыкании или перегреве инвертор отключает высоковольтную часть машины. В одном блоке с инвертором расположен и конвертер, который предназначен для обратного преобразования переменного напряжения в постоянное -13,8 вольт. Чтобы немного отойти от теории, немного практики: инвертор, как и мотор-генераторы, охлаждаются от независимой системы охлаждения. Эта система охлаждения приводится в действие электрической помпой. Если на 10 кузове эта помпа включается при достижении температуры в гибридном контуре охлаждения около 48°С, то на 11 и 20 кузовах применен другой алгоритм работы этой помпы: будь "за бортом" хоть -40 градусов, помпа все равно начнет свою работу уже при включении зажигания. Соответственно ресурс этих помп очень и очень ограничен. Что происходит при заклинивании или сгорании помпы: антифриз по законам физики под нагревом от MG (особенно MG2) поднимается вверх - в инвертор. А в инверторе он должен охлаждать силовые транзисторы, которые под нагрузкой значительно нагреваются. Итог - их выход из строя, т.е. самая распространенная ошибка на 11 кузове: Р3125 - неисправность инвертора из-за сгоревшей помпы. Если в этом случае силовые транзисторы выдерживают такое испытание, то сгорает обмотка МГ2. Это другая распространенная ошибка на 11 кузове: Р3109. На 20 кузове японские инженеры усовершенствовали помпу: теперь ротор (крыльчатка) вращается не в горизонтальной плоскости, где вся нагрузка идет на один опорный подшипник, а в вертикальной, где нагрузка распределяется равномерно на 2 подшипника. К сожалению, надежности от этого добавилось мало. Только за апрель-май 2009 года у нас в мастерской заменено 6 помп на 20-х кузовах. Практический совет для владельцев 11 и 20 Prius: возьмите за правило хоть раз в 2-3 дня приоткрывать капот на 15-20 с при включенном зажигании или заведенной машине. Вы сразу увидите движение антифриза в расширительном бачке гибридной системы. После этого можете ехать спокойно. Если же движения антифриза там нет - ехать на автомобиле нельзя!
 
Высоковольтная батарея Тойота приус
 
Высоковольтная батарея (сокращенно ВВБ тойота приус) Prius в 10 кузове состоит из 240 элементов номинальным напряжением 1,2 В, очень похожих на батарейку для фонарика размера D, объединенных по 6 штук, в так называемые "бамбуки" (внешне есть небольшое сходство). "Бамбуки" установлены по 20 штук в 2 корпуса. Общее номинальное напряжение ВВБ составляет 288 В. Рабочее напряжение колеблется в режиме холостого хода от 320 до 340 В. При падении же напряжения до 288 В в ВВБ запуск ДВС становится невозможен. При этом на экране дисплея будет гореть символ батареи со значком "288" внутри. Чтобы запустить ДВС, японцы в 10-м кузове применили штатное зарядное устройство, доступ к которому осуществляется из багажника. Часто задают вопросы, как им пользоваться? Отвечаю: во-первых, повторюсь, что использовано оно может быть только когда на дисплее горит значок "288". В противном случае при нажатии на кнопку "START" Вы просто услышите противный писк, и загорится красная лампочка "ошибка". Во-вторых: к клеммам маленького аккумулятора нужно подцепить "донора", т.е. либо зарядное устройство, либо хорошо заряженный мощный аккумулятор (но ни в коем случае не пусковое устройство!). После этого при ВЫКЛЮЧЕННОМ зажигании нажимаем кнопку "START" не менее чем на 3 секунды. Когда загорится зеленая лампочка - пойдет зарядка ВВБ. Закончится она автоматически через 1-5 минут. Этой зарядки вполне хватит для 2-3 пусков ДВС, после запуска которого ВВБ будет заряжаться от конвертера. Если 2-3 запуска не привели к запуску ДВС (а при этом "READY" ("Готов") на табло должно не мигать, а устойчиво гореть), то надо прекратить бесполезные запуски и искать причину неисправности. В 11 кузове ВВБ состоит из 228 элементов 1,2 В каждый, объединенных в 38 сборок по 6 элементов, с полным номинальным напряжением 273,6 В.

Вся батарея установлена за задним сиденьем. При этом элементы уже не оранжевые "бамбуки", а представляют собой плоские модули в пластмассовых корпусах серого цвета. Максимальный ток батареи - 80 А при разряде и 50 А при заряде. Номинальная емкость батареи - 6,5 Ач, однако, электроника автомобиля позволяет использовать только 40% этой емкости, чтобы продлить срок службыаккумулятора. Состояние заряда может изменяться только между 35% и 90% полного номинального заряда. Перемножив напряжение батареи и ее емкость, получим номинальный запас энергии - 6,4 МДж (мегаджоулей), а используемый запас - 2,56 МДж. Этой энергии достаточно, чтобы ускорить автомобиль, водителя и пассажира до 108 км/ч (без помощи ДВС) четыре раза. Чтобы произвести такое количество энергии, ДВС потребовалось бы приблизительно 230 миллилитров бензина. (Эти цифры приводятся только для того, чтобы Вы представляли количество накопленной энергии в батарее.) Автомобилем нельзя управлять без топлива, даже если стартовать с 90% полного номинального заряда с длинного спуска. Большую часть времени у Вас есть приблизительно 1 МДж пригодной к употреблению энергии батареи. Очень много ВВБ попадает в ремонт именно после того, как у владельца заканчивается бензин (при этом на табло загорится пиктограмма "Check Engine" ("Проверь двигатель") и треугольник с восклицательным знаком), но владелец пытается "дотянуть" до заправки. После падения напряжения на элементах ниже 3 В - они "умирают". На 20 кузове японские инженеры для увеличения мощности пошли другим путем: они снизили количество элементов до 168, т.е. оставили 28 модулей. Но для использования в инверторе напряжение батареи повышается до 500 В с помощью специального устройства -booster. Увеличение номинального напряжения MG2 в кузове NHW-20 позволило повысить его мощность до 50 КВт без изменения габаритов.

Prius также имеет вспомогательную аккумуляторную батарею. Это 12-вольтовая, емкостью 28 ампер-часов кислотно-свинцовая батарея, которая находится в левой части багажника (в 20 кузове - в правой). Ее цель состоит в том, чтобы запитать электронику и дополнительные устройства, когда гибридная система выключена, и главное реле батареи высокого напряжения выключено. Когда гибридная система работает, 12-вольтовым источником служит преобразователь постоянного тока, поступающего от системы высокого напряжения в постоянный ток 12 В. Он также подзаряжает вспомогательную батарею в случае необходимости. Основные блоки управления обмениваются данными по внутренней CAN-шине. Оставшиеся системы общаются по внутренней сети Body Electronics Area Network. В ВВБ имеется и свой блок управления, который следит за температурой элементов, напряжением на них, внутренним сопротивлением, а также управляет встроенным в ВВБ вентилятором. На 10 кузове стоят 8 температурных датчиков, представляющих собой терморезисторы, на самих "бамбуках", и 1 - общий датчик контроля температуры воздуха ВВБ. На 11-м кузове -4 +1, а на 20-м-3+1.
 
Устройство распределения мощности Тойота Приус
 
Крутящий момент и энергия ДВС и моторов/генераторов объединены и распределяются планетарным набором шестерен, названным Toyota "устройством распределения мощности" (PSD, Power Split Device). И хотя оно не сложно для производства, это устройство является весьма трудным для его понимания и еще более мудреным, чтобы рассмотреть в полном контексте все режимы работы привода. Поэтому посвятим несколько других тем обсуждению устройства распределения мощности. Короче говоря, это позволяет Prius работать и в последовательном-, и в параллельно-гибридных режимах работы одновременно и получать некоторые из преимуществ каждого режима. ДВС может крутить колеса непосредственно (механически) через PSD. В то же самое время переменное количество энергии может быть снято с ДВС и превращено в электричество. Оно может заряжать батарею или передаваться к одному из моторов/генераторов, чтобы помогать крутить колеса. Гибкость этого механического/электрического распределения энергии позволяет Prius улучшать показатели топливной экономичности и управлять выбросами во время движения, что невозможно при жесткой механической связи между ДВС и колесами, как в параллельном гибриде, но без потерь электрической энергии, как в последовательном гибриде. Prius, как часто говорят, имеет CVT (Continue Variable Transmission) - бесступенчато-регулируемую или "постоянно-переменную" трансмиссию, это и есть устройство распределения мощности PSD. Однако обычная бесступенчато-регулируемая передача работает точно так же, как нормальная коробка передач за исключением того, что передаточное отношение может меняться непрерывно (плавно), а не в небольшом диапазоне шагов (первая передача, вторая передача и т.д.). Немного позже мы рассмотрим, чем PSD отличается от обычной бесступенчато-регулируемой передачи, т.е. вариатора.

Обычно самый задаваемый вопрос по "коробке" автомобиля Prius: какое масло туда льется, сколько по объему и как часто его менять. Очень часто среди работников автосервиса бытует такое заблуждение: раз в коройке нет щупа - значит, масло там менять вообще не нужно. Это заблуждение привело к гибели уже не одной коробки.

10    кузов: рабочая жидкость Т-4 - 3,8 литра.

11    кузов: рабочая жидкость Т-4 - 4,6 литра.

20 кузов: рабочая жидкость ATF WS - 3,8 литра. Срок замены: через 40 тыс. км. По японским срокам масло меняется раз в 80 тыс. км, но для особо тяжелых условий эксплуатации (а японцы относят эксплуатацию автомобилей в России как раз к этим особо тяжелым условиям - и мы с ними солидарны) масло положено менять в 2 раза чаще.

Расскажу об основных различиях в обслуживании коробок, т.е. о замене масла. Если в 20-м кузове, чтобы поменять масло, надо просто открутить сливную пробку и, слив старое, залить новое масло, то на 10-м и 11-м кузовах не все так просто. Конструкция масляного поддона на этих машинах выполнена таким образом, что если просто открутить сливную пробку, то сольется только часть масла, причем не самого грязного. А 300-400 грамм самого грязного масла с прочим мусором (кусочки герметика, продукты износа) остается в поддоне. Поэтому чтобы заменить масло, надо снять поддон коробки и, вылив грязь и почистив его, поставить на место. При съеме поддона мы получаем еще один дополнительный бонус - мы можем продиагностировать состояние коробки по продуктам износа, находящимся в поддоне. Самое страшное для владельца - это когда он на дне поддона увидит желтую (бронзовую) стружку. Такой коробке жить осталось недолго. Прокладка поддона пробковая, и если отверстия на ней не приобрели овальную форму - ее можно использовать повторно без всяких герметиков! Главное при установке поддона - не перетянуть болты, чтобы не разрезать прокладку поддоном. Что еще интересного применено в трансмиссии: Использование цепной передачи довольно необычно, но все обычные автомобили имеют шестеренчатые редукторы между двигателем и осями. Их цель состоит в том, чтобы позволить двигателю вращаться быстрее, чем колеса и также увеличивать произведенный двигателем крутящий момент к большему крутящему моменту на колесах. Отношения, с которыми скорость вращения уменьшена и крутящий момент увеличены - обязательно то же самое (пренебрежем трением) из-за закона сохранения энергии. Отношение называют "полным передаточным числом". Полное передаточное число Prius в 11-м кузове - 3,905. Оно получается так:

-    Цепное колесо с 39 зубьями на выходном валу PSD приводит в движение цепное колесо с 36 зубьями на первом промежуточном валу через бесшумную цепь (так называемую цепь Морзе).

-    Шестерня с 30 зубьями на первом промежуточном валу связана и приводит в движение шестерню с 44 зубьями на втором промежуточном валу.

-    Шестерня с 26 зубьями на втором промежуточном валу связана и приводит в движение шестерню с 75 зубьями на входе дифференциала.

-    Значение выхода дифференциала к двум колесам -такое же, как вход дифференциала (они, фактически, идентичны, кроме тех случаев, когда происходит движение в повороте).

Если мы выполним простое арифметическое действие: (36/39) * (44/30) * (75/26), мы получим (с точностью до четырех значащих цифр) полное передаточное число 3,905.

Почему используется цепной привод? Потому что это позволяет избежать осевого усилия (сила, направленная вдоль оси вала), которая возникала бы при применении обычных косозубых шестерен, используемых в автомобильных трансмиссиях. Этого можно было бы также избежать при использовании прямозубых шестерен, но они производят шум. Осевое усилие не проблема на промежуточных валах и может быть уравновешено коническими роликовыми подшипниками. Однако, это не так просто с выходным валом PSD. Нет ничего очень необычного в дифференциале, осях и колесах Prius. Как в обычном автомобиле, дифференциал позволяет внутренним и внешним колесам вращаться с разными скоростями, когда автомобиль поворачивает. Оси передают крутящий момент от дифференциала до ступицы колеса и включают сочленение, позволяющее колесам перемещаться вверх и вниз вслед за подвеской. Колеса - легкий алюминиевый сплав и оснащены шинами высокого давления с низким сопротивлением качения. Шины имеют катящийся радиус приблизительно 11,1 дюймов, что означает, что на каждый оборот колеса автомобиль перемещается на 1,77 м. Необычен только размер штатных покрышек на 10 и 11 кузове: 165/65-15. Это довольно редкий размер резины в России. Многие продавцы даже в специализированных магазинах совершенно серьезно убеждают, что такой резины не существует в природе. Мои рекомендации: для российских условий наиболее подходящим размером является 185/60-15. В 20 Prius размер резины увеличен, что благотворно сказалось на ее долговечности. Теперь интересней: что отсутствует в Prius, что есть в любом другом автомобиле?

Это:

-    нет никакой ступенчатой коробки передач, ни ручной, ни автоматической - Prius не использует ступенчатые передачи;

-    нет никакого сцепления или трансформатора - колеса всегда жестко связаны с ДВС и моторами/генераторами;

-    нет никакого стартера - запуск ДВС производится с помощью MG1 через шестерни в устройстве распределения мощности;

-    нет никакого генератора переменного тока -электроэнергия производится моторами/генераторами при необходимости.

Поэтому конструктивная сложность гибридного привода Prius фактически не намного больше, чем у обычного автомобиля. Кроме того, новые и незнакомые части, такие, как моторы/генераторы и PSD, имеют более высокую надежность и более длительный срок службы, чем некоторые из частей, которые были устранены из конструкции.
 
Работа автомобиля в различных условиях движения

Запуск двигателя Toyota Prius
 
Чтобы запустить двигатель, MG1 (связанный с солнечной шестерней) вращается вперед, используя электроэнергию высоковольтной батареи. Если автомобиль стоит, то коронная шестерня планетарного механизма будет также оставаться неподвижной. Вращение солнечной шестерни поэтому вынуждает водило сателлитов вращаться. Оно связано с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) и проворачивает его в 1/3,6 скорости вращения MG1. В отличие от обычного автомобиля, который подает топливо и зажигание в ДВС, как только стартер начинает его вращать, Prius ждет, пока MG1 не разгонит ДВС приблизительно до 1000 оборотов в минуту. Это случается меньше чем через секунду. MG1 значительно более мощный, чем обычный двигатель стартера. Чтобы вращать ДВС с этой скоростью, он сам должен вращаться со скоростью 3600 оборотов в минуту. Старт ДВС на 1000 оборотов в минуту не создает почти никакого напряжения для него, потому что это - скорость, на которой ДВС был бы счастлив работать от своей собственной энергии. Кроме того, Prius запускается, зажигая только пару цилиндров. Результат - очень гладкий запуск, свободный от шума и дергания, который устраняет изнашивание, связанное с запусками двигателя обычных автомобилей. При этом сразу обращу внимание на распространенную ошибку ремонтников и владельцев: часто мне звонят и спрашивают, что мешает ДВС продолжать работать, почему он заводится секунд на 40 и глохнет. На самом деле, пока мигает рамочка READY - ДВС НЕ РАБОТАЕТ! Это его крутит MG1! Хотя зрительно - полное ощущение запуска ДВС, т.е. ДВС шумит, из выхлопной трубы идет дым..
 
 Запуск двигателя Toyota Prius
 
Как только ДВС начал работать от своей собственной энергии, компьютер управляет открытием дросселя, чтобы получить подходящие холостые обороты в течение разогрева. Электричество больше не питает MG1 и, фактически, если батарея разряжена, MG1 может производить электричество и заряжать батарею. Компьютер просто формирует MG1 как генератор вместо мотора, открывает дроссель ДВС немного больше, (примерно до 1200 оборотов) и получает электричество.
 
Холодный запуск Toyota Prius
 
Когда Вы запускаете Prius с холодным двигателем, его главный приоритет состоит в том, чтобы нагреть двигатель и каталитический нейтрализатор, чтобы заработала система управления токсичностью выхлопа. Двигатель будет работать в течение нескольких минут, пока это не случится (как долго - зависит от фактической температуры двигателя и катализатора). В это время принимаются специальные меры,- чтобы управлять выхлопом во время прогрева, включая сохранение выхлопных углеводородов в поглотителе, который будет очищен позже и работой двигателя в специальном режиме.
 
Теплый запуск Toyota Prius
 
Когда Вы запускаете Prius с теплым двигателем, он будет работать в течение короткого времени и затем останавливаться. Холостые обороты будут в пределах 1000 об/мин.

К сожалению, невозможно препятствовать запуску ДВС, когда Вы включаете автомобиль, даже если все, что Вы хотите сделать - переехать на соседний подъемник. Это относится только к 10 и 11 кузовам. На 20 кузове применен другой алгоритм запуска: нажимаете на тормоз и на кнопку "START". Если в ВВБ достаточно энергии, и Вы не включите отопитель на обогрев салона или стекла -ДВС не запустится. Просто загорится надпись "READY"(Totob"), т.е. автомобиль ПОЛНОСТЬЮ готов к движению. Достаточно переключить джойстик (а выбор режимов на 20 кузове производится именно джойстиком) в положение D или R и отпустить тормоз, Вы поедете!
 
Трогание с места Toyota Prius
 
Prius находится всегда на прямой передаче. Это означает, что двигатель не может в одиночку выдать весь крутящий момент, чтобы автомобиль энергично тронулся с места. Крутящий момент для начального ускорения добавляется мотором MG2, вращающим непосредственно коронную шестерню планетарного механизма, связанную с входом редуктора, выход которого связан с колесами. Электрические двигатели развивают лучший крутящий момент на низкой скорости вращения, поэтому идеально подходят для начала движения автомобиля.

Представим, что ДВС работает и автомобиль неподвижен, значит, мотор MG1 вращается вперед. Управляющая электроника начинает отбирать энергию с генератора MG1 и передает ее на мотор MG2. Теперь, когда Вы отбираете энергию от генератора, эта энергия должна откуда-нибудь взяться. Появляется некоторая сила, которая замедляет вращение вала и нечто, вращающее вал, должно сопротивляться этой силе, чтобы сохранить скорость. Сопротивляясь этой "генераторной нагрузке", компьютер увеличивает обороты ДВС, чтобы добавить дополнительной энергии. Итак, ДВС крутит водило сателлитов планетарного механизма более сильно, а генератор MG1 пытается замедлить вращение солнечной шестерни. Результат - сила на коронной шестерне, которая заставляет ее вращаться и начинать двигаться автомобиль.
 
Трогание с места Toyota Prius
 
Вспомните, что в планетарном механизме крутящий момент ДВС делится в соотношении 72% к 28% между короной и солнцем. Пока мы не нажали педаль акселератора, ДВС только бездельничал и не производил никакого выходного крутящего момента. Теперь, однако, обороты добавились и 28% крутящего момента вращают MG1 как генератор. Другие 72% крутящего момента передаются механически 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.
 
Трогание с места Toyota Prius
 
Теперь мы должны выяснить, как 28% крутящего момента ДВС, который передается к генератору MG1, могут по возможности усилить старт автомобиля - с помощью мотора MG2. Чтобы сделать это, мы должны ясно различать крутящий момент и энергию. Крутящий момент - это вращающая сила, и так же, как в случае с прямолинейной силой, не требуется расходовать энергию на поддержание силы. Предположим, что Вы тянете ведро воды с помощью лебедки. Она берет энергию. Если лебедка вращается электромотором, вы должны были бы снабдить его электроэнергией. Но, когда Вы подняли ведро наверх, Вы можете зацепить его каким-нибудь крюком или стержнем или чем-нибудь еще, чтобы удержать его наверху. Сила (вес ведра), которая приложена к веревке, и крутящий момент, передаваемый веревкой барабану лебедки, не исчезла. Но потому, что сила не перемещается, нет никакой передачи энергии, и ситуация устойчива без энергии. Аналогично, когда автомобиль неподвижен, даже при том, что 72% крутящего момента ДВС передают на колеса, нет никаких потоков энергии в этом направлении, так как коронная шестерня не вращается. Солнечная шестерня, однако, вращается быстро, и хотя она получает только 28% вращающего момента, это позволяет произвести много электроэнергии. Подобная цепь рассуждений показывает, что задача MG2 состоит в применении крутящего момента к входу механического редуктора, не требующего большой мощности. Много тока должно пройти через обмотки мотора, преодолевая электрическое сопротивление, и эта энергия теряется в виде тепла. Но, когда автомобиль перемещается медленно, эта энергия идет от MG1. Поскольку автомобиль начинает перемещаться и набирает скорость, генератор MG1 вращается медленнее и производит меньше энергии. Однако компьютер может немного прибавить обороты ДВС. Теперь больше крутящего момента прибывает от ДВС и, поскольку больше крутящего момента должно также пройти через солнечную шестерню, MG1 может поддержать генерирование энергии на высоком уровне. Уменьшенная скорость вращения компенсируется увеличением момента.

Мы избегали упоминания о батарее до этого места, чтобы стало ясно, как она не обязательна для приведения автомобиля в движение. Однако, большинство троганий с места - результат действий компьютера, передающего энергию от батареи непосредственно к мотору MG2.
 
Трогание с места Toyota Prius
 
Существуют предельные обороты ДВС, когда автомобиль движется медленно. Они обусловлены необходимостью предотвратить повреждение MG1, которому придется вращаться очень быстро. Это ограничивает количество энергии, производимой ДВС. Кроме того, это было бы неприятным для водителя услышать, что ДВС слишком увеличивает обороты для плавного трогания. Чем сильнее Вы нажимаете акселератор, тем больше ДВС увеличит обороты, но также и больше энергии поступит от батареи. Если утопить педаль в пол, приблизительно 40% энергии поступают от батареи и 60% от ДВС при скорости около 40 км/ч. Поскольку автомобиль ускоряется и одновременно обороты ДВС растут, он дает большую часть энергии, достигая приблизительно 75% при 96 км/ч, если Вы все еще давите педаль в пол. Как мы помним, энергия ДВС включает и то, что снято генератором MG1 и передано в виде электричества к мотору MG2. При 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 он использует, идет от MG1 и, следовательно, косвенно от ДВС, а не от батареи.
 
Ускорение и езда в гору Toyota Prius

 
Когда требуется большая мощность, ДВС и MG2 совместно создают крутящий момент, чтобы вести автомобиль почти таким же способом, как описано выше для начала движения. Когда скорость автомобиля растет, уменьшается крутящий момент, который MG2 в состоянии выдать, так как он начинает работать на пределе своей мощности в 33 кВт. Чем быстрее он вращается, тем меньше крутящий момент он может выдать на этой мощности. К счастью, это совместимо 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 дает такое же общее ощущение, как и ускорение на обычном автомобиле. Главное различие - полное отсутствие "дерганий" при переключении передач, потому что просто нет никакой коробки передач.

Итак, ДВС вращает водило сателлитов планетарного механизма.

72% его крутящего момента поступает механически через коронную шестерню к колесам.

28% его крутящего момента поступают в генератор MG1 через солнечную шестерню, где он превращается в электричество. Эта электрическая энергия питает мотор MG2, который добавляет некоторый дополнительный крутящий момент на коронной шестерне. Чем больше Вы нажимаете акселератор, тем больше крутящего момента производит ДВС. Он увеличивает как механический крутящий момент через корону, так и количество электроэнергии, произведенной генератором MG1 для мотора MG2, используемой, чтобы добавить еще больше крутящего момента. В зависимости от различных факторов - таких, как состояние заряда батареи, уклона дороги и особенно от того, как сильно Вы нажимаете педаль, компьютер может направлять дополнительную энергию от батареи к MG2, чтобы повысить его вклад. Вот так достигается ускорение, достаточное для движения по шоссе такого большого автомобиля с ДВС мощностью всего 78 л. с

С другой стороны, если необходимая мощность не так высока, iu час1ь элекфичества, производимою MG1, может использоваться для зарядки батареи даже при наборе скорости! Важно помнить, что ДВС и крутит колеса механически и крутит генератор MG1, заставляя его производить электричество. Что происходит с этим электричеством и добавляется ли еще электричество от батареи, зависит от комплекса причин, которые мы не можем все учесть. Этим занимается контроллер гибридной системы автомобиля.
 
Езда на умеренной скорости Toyota Prius
 
Как только Вы достигли устойчивой скорости на плоской дороге, мощность, которая должна поставляться двигателем, расходуется на преодоление аэродинамического сопротивления и трения качения. Это намного меньше, чем мощность, необходимая для езды в гору или разгона автомобиля. Чтобы работать эффективно на низкой мощности (и также не создавать много шума), ДВС работает с низкими оборотами. Следующая таблица показывает, какая мощность нужна для перемещения автомобиля на различных скоростях на горизонтальной дороге и приблизительные обороты.
 
Езда на умеренной скорости Toyota Prius
 
Обратите внимание, что высокая скорость автомобиля и низкие обороты ДВС ставят устройство распределения мощности в интересное положение: генератор MG1 должен теперь вращаться назад, как видно из таблицы. Вращаясь назад, он заставляет сателлиты вращаться вперед. Вращение сателлитов складывается с вращением водила (от ДВС) и заставляет коронную шестерню вращаться намного быстрее. 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 новом случае мы хотим, чтобы ДВС остался на низких оборотах, даже если мы разогнались до приличной скорости, чтобы установить более низкое потребление мощности с высокой эффективностью. Мы знаем из раздела про устройства распределения мощности, что генератор MG1 должен проявить обратный крутящий момент на солнечной шестерне. Это как бы точка опоры рычага, с помощью которого ДВС вращает коронную шестерню (а значит, колеса). Без сопротивления MG1 ДВС просто вращал бы MG1 вместо того, чтобы приводить в движение автомобиль. Когда MG1 вращался вперед, было легко видеть, что этот обратный вращающий момент мог создаваться генераторной нагрузкой. Следовательно, электроника инвертора должна была забирать энергию от MG1, и тогда появлялся обратный крутящий момент. Но теперь MG1 вращается назад, и как же нам добиться, чтобы он создавал этот обратный крутящий момент? Хорошо, как мы сделали бы, чтобы MG1 вращался вперед и производил прямой крутящий момент? Если бы работал как мотор! 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. Это начинает выглядеть экзотически. ДВС толкает, MG1 толкает, MG2, что, толкает тоже? Нет никакой механической причины, почему это не может происходить. Это может выглядеть привлекательным с первого взгляда. Два двигателя и ДВС - все одновременно вносят свой вклад в создание движения. Но, мы должны напомнить, что мы 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 мы собираемся брать энергию для вращения MG1 в режиме мотора? Из батареи? На некоторое время мы можем сделать это, но вскоре Ьудем вынуждены выйти „ из этого режима, оставшись без заряда батареи для ускорения или подъема на гору. Нет, мы должны получать эту энергию непрерывно, не допуская снижения заряда батареи. Таким образом, мы пришли к заключению, что энергия должна поступать от MG2, который должен работать как генератор. Генератор MG2 производит энергию для мотора MG1? Поскольку и ДВС и MG1 вносят мощность, которая объединена планетарным механизмом, предлагалось название "режим объединения мощности". Однако, идея относительно MG2, производящего энергию для мотора MG1, была в таком противоречии с представлениями людей о работе системы, что появилось название, которое стало общепринятым - "еретический режим". Давайте снова "пробежимся" по нему и изменим точку зрения. ДВС вращает водило сателлитов с низкими оборотами. MG1 вращает солнечную шестерню назад. Это заставляет сателлиты вращаться вперед и добавляет больше вращения коронной шестерне. Коронная шестерня все еще получает только 72% крутящего момента ДВС, но скорость, с которой вращается кольцо, увеличена движением мотора MG1 назад. Вращение короны быстрее 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 остающимся механическим крутящим моментом от ДВС.

Вы можете определить, что Вы движетесь в таком режиме, если Вы хорошо определяете обороты ДВС на слух. Вы едете вперед на приличной скорости, и можете только едва слышать двигатель. Он может быть полностью замаскирован дорожным шумом. Дисплей Монитор Энергии показывает подачу энергии двигателя ДВС колесам и мотор/генератору, заряжающему батарею. Картинка может меняться - чередуются процессы заряда и разряда батареи на мотор, чтобы крутить колеса. Я интерпретирую это чередование как регулирование генераторной нагрузки MG2 для поддержания постоянной энергии движения.

 
avatar
2
я не уверен что они могут с экономить топливо
avatar
1
для экономии топлива еще можно поставить сильные неодимовые магниты. взять на сайте http://newmagnit.ru/
avatar