Силовая установка смешанного типа Hybrid Synergy Drive была впервые изозапатентовал ее. Компания Toyota Motor, впрочем, и по сей день утверждает, что разрабатывала аналогичную систему самостоятельно. Такое утверждение вполне может быть правдой — история человечества знает немало случаев, когда похожие или даже одни и те же открытия и конструкции делались практически одновременно в разных местах земного шара.

 

Изящество инженерного решения Hybrid Synergy Drive — это реализация автоматического плавного управления крутящим моментом и режимами работы нескольких двигателей. Как уже упоминалось, HSD совмещает в себе несколько различных моторов — электрических и бензинового, и реализует их работу в оптимальных диапазонах оборотов с целью получения максимального итогового КПД с минимальным воздействием на природу.

 

Важной особенностью ДВС также является то, что он работает по циклу Аткинсона, а не по циклу Отто, как обычные двигатели. Если работа двигателя организована по циклу Отто, то на такте впуска поршень, двигаясь вниз, создает в цилиндре разрежение, благодаря которому происходит всасывание в него воздуха и топлива. При этом в режиме малых оборотов, когда дроссельная заслонка почти закрыта, появляются так называемые насосные потери. (Чтобы лучше понять, что это такое, попробуйте, например, втянуть воздух через зажатые ноздри).

 

 

 

Кроме того, при этом ухудшается наполнение цилиндров свежим зарядом и соответственно повышается расход топлива и выбросы вредных веществ в атмосферу. Когда поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ), впускной клапан закрывается. В ходе такта выпуска, когда открывается выпускной клапан, отработанные газы еще находятся под давлением, и их энергия безвозвратно теряется — это так называемые потери выпуска.

Цикл Аткинсона, поршень, клапан, цилиндр
Цикл Аткинсона: a) впуск; b) поршень движется вверх, впускные клапаны открыты, топливовоздушная смесь вытесняется из цилиндра обратно во впускной коллектор, 2 й такт; c) клапаны закрыты, сжатие, 3 й такт; d) рабочий ход, 4 й такт; e) выпуск. Рабочий ход поршня гораздо длиннее хода сжатия

В двигателе Аткинсона на такте впуска впускной клапан закрывается не вблизи НМТ, а значительно позже. Это дает целый ряд преимуществ. Во-первых, снижаются насосные потери, так как часть смеси, когда поршень прошел НМТ и начал движение вверх, выталкивается назад во впускной коллектор (и используется затем в другом цилиндре), что снижает в нем разрежение. Горючая смесь, выталкиваемая из цилиндра, также уносит с собой часть тепла с его стенок.

 

Так как длительность такта сжатия по отношению к такту рабочего хода уменьшается, двигатель работает по циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработанных газов используется более длительное время, т. е. с уменьшением потерь выпуска. Таким образом, получаем лучшие экологические показатели, экономичность и больший КПД, но меньшую мощность. Но в томто и суть, что мотор гибрида Toyota функционирует в малонагруженных режимах, при которых этот недостаток цикла Аткинсона не играет большой роли.

Система, электродвижение, ход, мощьность, двигатель
Система электродвижения

Следует понимать, что чисто электрическая трансмиссия последовательных гибридов имеет КПД не более 70 %, в то время как механическая может достигать эффективности в ~90 %. Используя ДВС (КПД = ~30 %) на трассе, а электромоторы (КПД = ~90 %) для резвого старта, силовая установка смешанного типа HSD имеет высокую экологичность и достойную моментную характеристику. Хотя Toyota Motor не предоставляет точных данных, можно рассчитывать как на волну «электрического» момента снизу, так и на приличную тягу от ДВС на средних скоростях.

 

 

 

На конец 2015 г. система имела три поколения с различной схемой работы. В первом поколении система устанавливалась только на переднеприводные автомобили Prius начальных генераций. Стоит отметить, что эти модели Toyota продавала в убыток себе — с целью популяризации концепции гибридов. Также интересно то, что в изначальной генерации трансмиссии Prius было приблизительно в 5 раз меньше движущихся деталей, чем в современной многоступенчатой автоматической коробке переключения передач. Это связано с тем, что в первой системе нет сцеплений либо тормозных муфт, как в обыкновенной АКПП.

 Александр Северинский, патент, компания

Александр Северинский

Таким образом, в первом поколении HSD скорость автомобиля практически напрямую задавалась вращением второго моторгенератора (на схеме обозначен как MG2). Гибким управлением скоростью и направлением вращения MG1 достигается плавное изменение передаточного числа между маховиком двигателя внутреннего сгорания и колесами автомобиля.


 

Во втором поколении система несколько усложнилась — сказался опыт эксплуатации. Так, результирующая тяговая характеристика системы распределения крутящего момента стала более гибкой. Второй мотор-генератор здесь подсоединен через делитель, который у некоторых моделей делит обороты MG2 в соотношении приблизительно 2,5 : 1, повышая тем самым крутящий момент. К тому же Lexus RX 400h и Toyota Highlander Hybrid были оснащены полностью гибридным полным приводом. Задняя ось у этих машин приводится третьим мотор-генератором (так называемый MGR). При этом задняя ось не имеет механической связи с передней осью и с собственно рассматриваемой системой HSD. Таким образом, схема работы трансмиссии смешанного типа во втором поколении значительно усложнилась и улучшилась по сравнению с первым.

Мотор-генератор, двигатель, ось, система, автомобиль
Моторы-генераторы

Помимо общего усложнения схемы, устройство HSD третьего поколения стало куда ближе к традиционным АКПП, чем ранее. На это указывает появление муфт и тормозов (в обиходе — фрикционов), характерных именно для планетарного механизма «автоматов». Функцию они здесь выполняют схожую:

1) в режиме «Р» заблокированы все фрикционы (но ДВС может вращаться в целях зарядки высоковольтной АКБ);

 

2) в режиме «тихого старта» без включения поршневого движка MG2 (и MGR при его наличии) включается, а солнечная шестерня тормозится на корпус (верхний фрикцион на схеме);

 

3) в режиме рекуперации система блокируется таким образом, чтобы получать крутящий момент с колес на мотор-генераторы (конкретная последовательность зависит от модели машины и текущего режима работы ДВС; не стоит забывать, что при движении «накатом» поршневой движок глушится — за вполне понятной ненадобностью);

 

4) высокие обороты ДВС позволяют машине двигаться по длинным прямолинейным участкам с высоким КПД, подзаряжая при этом источники энергии. «Солнце» заблокировано;

 

5) вращение MG1 в противоположном обычному направлении позволяет машине недолго разгоняться на максимальной доступной скорости за счет быстрого разряда высоковольтной АКБ. «Солнце» заблокировано.

передача, обороты, движение, мотор, двигатель
Планетарная передача

13 октября 2015 г. Toyota обнародовала детали четвертого поколения Hybrid Synergy Drive, который был представлен в 2016 г. Трансформатор и тяговый двигатель были переработаны, что привело к сокращению их суммарного веса. Сам тяговый двигатель стал значительно компактнее и получил лучшее соотношение мощности и веса. Примечательно, что снижение механических потерь на 20 % обусловлено уменьшением трения по сравнению с предыдущей моделью.

 

 

 

Ранее уже упомянутый бензиновый поршневой двигатель, работающий по циклу Аткинсона, оснащен системой изменения фаз газораспределения. Эффективность, которой характеризуются подобные ДВС, гарантирует высокие экологические показатели при достойной моментной характеристике: насосные потери в таких силовых установках значительно меньше, чем в двигателях по циклу Отто. Экономия тоже нешуточная: в смешанном цикле можно сохранить до 20 %!

Гибридный двигатель, Toyota, помпа, поршень, система охлаждения
Гибридный двигатель Toyota

Помпа системы охлаждения здесь имеет электрический привод; система охлаждает не только поршневой движок, но и электрические. Выхлопные газы качественно рециркулируются и используются для ускорения прогрева.

 

Две аккумуляторные батареи — высоковольтная и обычная — работают в тандеме. Система охлаждения для элементов батарей через специальный канал лучше оптимизирована по сравнению с более ранними моделями. Кроме того, система поддерживает заряд батареи на постоянном уровне в течение всего времени путем мониторинга и вычисления совокупного количества разряда при ускорении, а также подзарядки от рекуперативного торможения или избыточной мощности при нормальных условиях эксплуатации.

 

 

Высокопроизводительные мотор-генераторы переменного тока не имеют щеток и оснащены неодимовыми магнитами V-образной формы. Они имеют мощность не менее 62 л. с. и крутящий момент не менее 207 ньютон-метров, также они позволяют пользоваться рекуперативным торможением. Данная возможность позволяет экономить на износе тормозных колодок и на топливе, особенно в городских режимах движения. Главное — приноровиться не тормозить резко, чтобы не задействовать классические тормоза.

 

 

 

Инвертор и конвертер, контролируемые электронным блоком управления, преобразуют ток в цепях гибрида. Эти системы охлаждаются принудительно во всех моделях с 2009 г.

Блок, управление, Toyota, система, батарея

Блок управления
 

Фирменная планетарная передача, также известная как eCVT или PST, является «скелетом» работы HSD. «eCVT» расшифровывается как electronic continuously variable transmission, т. е. «Электронно управляемая бесступенчатая трансмиссия». По факту eCVT является разновидностью комбинированной трансмиссии. Ни классического вариатора, несмотря на название, ни гидротрансформатора, как в АКПП, в eCVT нет. Этим eCVT радикально отличается от других современных бесступенчатых коробок передач (CVT). eCVT включает трансмиссию, мотор-генераторы и наборы планетарных передач, называемые компанией «Тойота» Power Split Device (PSD, планетарный делитель мощности).

Блок, управление, Lexus, мотор, генератор

eCVT для Lexus LC-500h 2016

Многие специалисты относят eCVT к так называемым Power Share Device transmission из-за ее способности комбинировать крутящие моменты двигателя внутреннего сгорания и тяговых электромоторов. Комбинирование по своей работе напоминает вариатор: передаточное число не имеет фиксированных значений в данной системе и зависит от скорости вращения электродвигателей.

 

Вышеуказанные крутящие моменты по команде электронного блока управления выдаются в необходимом объеме, комбинируются в заранее рассчитанной пропорции согласно программе и, с помощью системы планетарных передач, направляются на колеса и на генерацию электрического тока. Серьезным отличием eCVT от прочих «автоматов» является то, что она потребляет значительное количество электричества при работе — однако она как раз и спроектирована для применения в гибридных силовых установках, которые обеспечивают ее достаточным количеством энергии.

тормоза, двигатель, автомобиль, энергия
Рекуперативные тормоза

 

 

Продолжение следует

 

Статья была опубликована в июльском номере журнала "Наука и техника" за  2018 год

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!