Toyota Prius - technika ponad wszystko, cz. II

Hybrid Synergy Drive

Hybrydowy układ napędowy Toyoty Prius składa się z silnika o zapłonie iskrowym oraz bezstopniowej przekładni, w której znajdują się również 2 silniki elektryczne: MG1 i MG2 (MG - Motor Generator). Zgodnie z oznaczeniem każdy z nich może być również generatorem (prądnicą).

Pierwszy z nich (MG1) pracuje głównie jako generator dostarczający napięcie elektryczne do napędu silnika trakcyjnego MG2 lub do ładowania akumulatora trakcyjnego. Jego praca silnikowa jest wykorzystywana do rozruchu silnika spalinowego (Prius nie ma klasycznego rozrusznika). Wał korbowy silnika jest rozpędzany do określonej prędkości obrotowej i dopiero wtedy inicjowany jest zapłon i podawane paliwo tak, aby połączenie jednostki spalinowej z układem napędowym odbyło się jak najbardziej płynnie. Silnik MG2, którego podstawowym zadaniem jest przekazywanie siły napędowej na koła, jest uruchamiany jako generator w czasie hamowania, kiedy energia kinetyczna pojazdu jest zamieniana na elektryczną gromadzoną w akumulatorze trakcyjnym.

fot. ToyotaSilnik Toyoty Prius pracujący wg cyklu Atkinsona osiąga moc 99 KM. Łączna moc hybrydowego układu napędowego wynosi 136 KM

Silnik spalinowy

We wszystkich generacjach Toyoty Prius wykorzystywany był silnik benzynowy pracujący wg cyklu Atkinsona. Tak jest również w III generacji pojazdu. Obieg teoretyczny został stworzony w 1882 r. przez Jamesa Atkinsona. Silnik pracujący wg takiego obiegu charakteryzuje się większą sprawnością w zakresie najczęściej występujących średnich obciążeń. W odróżnieniu od konwencjonalnego, czterosuwowego silnika spalinowego, jednostka napędowa pracująca wg cyklu Atkinsona ma znacznie skrócony suw sprężania. Technicznie jest to realizowane przez opóźnienie zamknięcia zaworów dolotowych w czasie jego trwania. W ten sposób różnicuje się pojemność cylindra w czasie suwu sprężania (mniejsze straty sprężania - praca ujemna silnika) w stosunku do pojemności w czasie suwu pracy (praca dodatnia). Dzięki temu lepiej wykorzystuje się energię zawartą w paliwie, czyli zwiększa się sprawność ogólna silnika. Nie sprzyja to jednak rozwijaniu wysokich mocy, która w przypadku hybrydowego układu napędowego nie jest niezbędna, bowiem jej poziom uzupełnia swoimi osiągami elektryczny silnik trakcyjny.

Zastosowany w III generacji Priusa silnik działający w oparciu o cykl Atkinsona ma pojemność skokową 1,8 l. Zbudowano go w 4-cylindrowym układzie konstrukcyjnym. W celu zmniejszenia masy, kadłub oraz głowicę cylindrów wykonano ze stopów aluminium.

fot. ToyotaObieg teoretyczny silnika konwencjonalnego oraz pracującego według cyklu Atkinsona. Wyraźnie widoczne jest znacznie mniejsze pole pracy sprężania w silniku pracującym wg cyklu Atkinsona, co zwiększa sprawność obiegu

Na głowicy zamontowano dwa wałki rozrządu, które napędzają po 4 zawory w każdym cylindrze. Zawory dolotowe wyposażono w układ VVT-i (Variable Valve Timing with intelligence), który umożliwia zmianę faz rozrządu. To właśnie dzięki VVT-i możliwe jest opóźnienie zamknięcia zaworów dolotowych w celu uzyskania obiegu Atkinsona.

fot. ToyotaChłodzony cieczą zawór recyrkulacji spalin przyczynia się do zmniejszenia emisji tlenków azotu

Silnik o stopniu sprężania 13,0 osiąga moc 73 kW (99 KM) przy 5200 obr/min. Maksymalna wartość momentu obrotowego wynosi 142 Nm i jest osiągana przy 4000 obr/min. Parametry te są osiągane z zachowaniem emisji CO₂ na poziomie 89 g/km, a pracujący w hybrydowym układzie napędowym silnik charakteryzuje się, według danych fabrycznych, średnim zużyciem paliwa 3,9 l/100 km.

W celu obniżenia temperatury w komorach spalania (ograniczenie emisji NO_x), zastosowano chłodzony cieczą zawór EGR (recyrkulacji spalin).

fot. ToyotaElektryczna pompa cieczy chłodzącej w spalinowej jednostce napędowej Priusa

W osiągnięciu wysokich parametrów ekologicznych silnika pomaga jego konstrukcja, uwzględniająca maksymalną redukcję tarcia wewnętrznego. Dotyczy to wykonania poszczególnych części, szczególnie układu tłokowo-korbowego. Konstrukcja tłoków ze zmniejszoną do niezbędnego minimum częścią prowadzącą i niskimi pierścieniami tłokowymi minimalizuje tarcie o tuleję cylindrową, a stosowany w jednostce napędowej olej klasy 0W20 (wg API) przyczynia się do dalszego zmniejszenia oporów wewnętrznych. Taka specyfikacja lepkościowa powoduje, że olej ten zaliczamy do tzw. lekkobieżnych. Niska lepkość zmniejsza opór przepływającego przez układ smarowania oleju. Dzięki temu zmniejsza się moc pobierana przez pompę olejową, a tym samym zmniejsza się zużycie paliwa i emisja szkodliwych składników spalin.

fot. gazeo.plWymiennik ciepła w układzie wylotowym Priusa podgrzewa ciecz układu chłodzenia silnika, dzieki czemu szybciej dochodzi on do stanu równowagi cieplnej

Kolejnym ciekawym zabiegiem konstrukcyjnym przyczyniającym się do ograniczenia zużycia paliwa jest zastosowanie elektrycznie napędzanej pompy cieczy chłodzącej. Dzięki temu moc wytwarzana przez silnik nie jest tracona na napęd jednego z elementów jego osprzętu. Dodatkowo można również odpowiednio sterować pracą pompy cieczy chłodzącej, co pozwala na zoptymalizowanie termicznych warunków pracy silnika (przyspieszenie czasu dojścia jednostki napędowej do stanu równowagi cieplnej).

Temu samemu celowi służy również wymiennik ciepła stosowany w układzie wylotowym. Przepływająca przez niego ciecz z układu chłodzenia silnika dużo szybciej osiąga właściwą temperaturę pracy. W samochodzie hybrydowym szybkie dojście silnika spalinowego do stanu równowagi cieplnej jest bardzo istotne, aby był on zawsze gotowy do pracy.

fot. WikipediaPrzekrój przez hybrydowy zepół napędowy Priusa. Widoczne silniki MG1 i MG2 oraz umieszczona pomiędzy nimi przekładnia planetarna

Bezstopniowa skrzynia zblokowana z silnikami elektrycznymi

Montowany w miejscu tradycyjnej skrzyni przekładniowej zespół jest przekładnią łączącą w odpowiedni sposób poszczególne elementy hybrydowego układu napędowego z kołami napędowymi pojazdu. Jest to przekładnia bezstopniowa CVT (Continuously Variable Transmission), w której nie zastosowano, jak w klasycznym rozwiązaniu, pasa napędowego, lecz przekładnię planetarną. W przekładni Priusa II generacji stosowano łańcuch przekazujący moment obrotowy z przekładni planetarnej na mechanizm różnicowy, co mogło rodzić skojarzenia z tradycyjną przekładnią CVT z pasem. W Priusie III generacji łańcuch zastąpiła przekładnia zębata, dzięki czemu cała skrzynia stała się zespołem bardziej zwartym.

fot. ToyotaW skrzyni biegów Priusa III generacji zastosowano przekładnię walcową w miejsce stosowanej w II generacji łańcuchowej

Sercem skrzyni jest przekładnia planetarna (obiegowa), której elementy są połączone z poszczególnymi zespołami hybrydowego układu napędowego. Z jarzmem łączącym satelity połączony jest wał silnika spalinowego, koło słoneczne współpracuje z generatorem MG1. Z kołem koronowym połączony jest wał silnika trakcyjnego MG2. Kombinacje unieruchamiania poszczególnych elementów przekładni planetarnej zapewniają odpowiedni przepływ mocy w układzie napędowym. Możliwe jest uzyskanie szeregowego lub równoległego przepływu mocy, aby w zależności od potrzeb i warunków maksymalnie wykorzystywać korzyści płynące z obu rozwiązań.

W układzie szeregowym silnik spalinowy napędza generator, który wytwarza napięcie elektryczne używane do napędu elektrycznego silnika trakcyjnego. Jeśli silnik spalinowy i silnik elektryczny są przystosowane do bezpośredniego napędu kół pojazdu (także równocześnie), mówimy wtedy o równoległym hybrydowym układzie napędowym (równoległym przepływie mocy). Nadwyżka mocy może również napędzać generator ładujący akumulator trakcyjny w czasie jazdy.

fot. ToyotaSilnik MG2 zasilany z akumulatora trakcyjnego napędza koła pojazdu

Możliwości pracy hybrydowego układu napędowego

Silnik elektryczny MG2 zasilany energią elektryczną zgromadzoną w akumulatorze trakcyjnym napędza koła pojazdu. W ten sposób odbywa się ruszanie samochodem do przodu oraz cofanie (wtedy wirnik MG2 obraca się w przeciwnym kierunku).

fot. ToyotaPrzekładnia planetarna rozdziela moment obrotowy silnika spalinowego. Część jest kierowana bezpośrednio do kół, nadwyżka napędza MG1 (pracujący jako generator), którego napięcie jest wykorzystywane do zasilania silnika trakcyjnego MG2

Silnik spalinowy napędza koła pojazdu. Moment obrotowy jest przekazywany poprzez przekładnię planetarną. Nadwyżka mocy silnika spalinowego jest kierowana do silnika MG1, który pracując jak generator wytwarza napięcie zasilające silnik MG2. Silnik spalinowy napędzający generator MG1 poprzez przekładnię planetarną ładuje akumulator trakcyjny.

fot. ToyotaSilnik MG2 (pracujący jako generator) jest napędzany od kół pojazdu, wytwarzając napięcie elektryczne do ładowania akumulatora trakcyjnego

Silnik MG2, pracując jako generator, podczas hamowania pojazdu dokonuje zamiany jego energii kinetycznej na napięcie elektryczne wykorzystywane do ładowania akumulatora trakcyjnego. Moment oporowy powstający na generatorze stanowi siłę hamującą pojazd.

Praca przekładni hybrydowego układu napędowego jest przełączana pomiędzy wszystkimi wyżej wymienionymi stanami, które mogą również występować jednocześnie z wyłączeniem ostatniego, który pojawia się wyłącznie w czasie hamowania.

fot. ToyotaZmniejszanie prędkości przy wybraniu trybu B: koła napędzają MG2, pracujący jako generator ładujący akumulator trakcyjny i zasilający mocą elektryczną MG1, który utrzymując prędkość obrotową silnika spalinowego wykorzystuje jego moment hamujący

Hybrydowy układ napędowy może pracować w czterech podstawowych trybach: D, N, R i P oraz dodatkowym B. Są one wybierane za pomocą dźwigienki na konsoli środkowej. Wszystkie położenia są znane z samochodów z automatycznymi skrzyniami przekładniowymi, ciekawość może budzić jedynie tryb B. Jego załączenie wzmaga efekt hamowania silnikiem. W trybie D puszczenie pedału gazu powoduje załączenie pracy generatora MG2 i tylko jego moment hamujący powoduje zmniejszanie prędkości pojazdu. W trybie B, oprócz generatora, z kołami jezdnymi jest łączony silnik spalinowy, zwiększając moment hamujący. Ten tryb pracy układu napędowego jest polecany w czasie jazdy w górach. Wciśnięcie przycisku P (tryb parkingowy) uruchamia siłownik mechanicznie blokujący przekładnię planetarną.

Działanie układu przeniesienia napędu odbywa się bez wykorzystania sprzęgła. Odłączenie siły napędowej od kół w trybie N powoduje elektryczne odłączenie silników. W tym trybie, nawet jeśli silnik spalinowy napędza MG1 lub MG2 jest napędzany przez koła hamującego pojazdu, nie jest generowana moc elektryczna, zatem stan naładowania akumulatora trakcyjnego spada. Należy unikać tego położenia dźwigienki sterującej pracą układu napędowego.