Мощность гибридной установки приус 20

Обновлено: 04.07.2024

Попробуем разобраться в особенностях гибридного привода и проверим машину в городе и на трассе.

2. Фактически, на рынке гибридных автомобилей существует два крупных игрока: Toyota Prius и Honda Insight. Конечно, есть и другие модели гибридов, но я не буду их перечислять, ввиду того, что они намного менее популярны и известны. Обе модели выпускаются с конца 90-х годов, преимущественно для рынка США и Европы. Отличие между ними заключается в типах гибридной установки — Приус, как я уже упоминал выше, является полноценным гибридом (подробности далее), в то время как гибридная установка Хонды Инсайт работает по параллельной схеме (электромотор помогает бензиновому двигателю, но машина не может передвигаться только на электротяге). В России стали официально продавать только Приус последнего, третьего поколения.

3. Начнем с гибридной силовой установки. Под капотом находится бензиновый двигатель объемом 1,8 литра (в прошлом поколении использовался мотор с объемом 1,5 л), два мотор-генератора, планетарная передача и инвертор. Аккумуляторная батарея располагается за спинками задних сидений, под полом багажного отделения.

4. Бензиновый двигатель работает по цикла Аткинсона, хотя это не совсем верное утверждение. В реальности используется упрощенный аналог, работающий по циклу Миллера, ввиду того, что создание двигателя по циклу Аткинсона требует очень сложного кривошипно-шатунного механизма. Если же говорить в двух словах, то цикл Аткинсона характеризуется увеличенной по времени фазой рабочего хода. На практике это дает более высокие показатели экономичности и экологичности, но теряется тяга на низких оборотах. В гибридном автомобиле это компенсируется электромотором, который выдает максимальный крутящий момент в широком диапазоне оборотов. Для повышения экономичности с двигателя убрано все навесное оборудование: водяная помпа и компрессор кондиционера электрические. Кроме этого отсутствует стартер, его роль выполняет один из электромоторов.

Для наглядности я сделал схему, которая позволит понять принцип работы гибридного привода. На самом деле, конструкция очень простая. Слева у нас находится бензиновый двигатель, который соединен с первым мотор-генератором. Справа у нас находится второй, тяговый мотор-генератор. Он соединен с инвертором, который в свою очередь соединяется с аккумуляторной батареей и первым мотор-генератором. По центру находится планетарная передача, которая суммирует потоки мощности слева и справа и передает момент на редуктор и главную передачу к колесам. Планетарная передача полностью заменяет коробку передач и работает по принципу бесступенчатого вариатора.

5. Как это работает? На старте работает только тяговый электродвигатель, при необходимости к нему автоматически подключается бензиновый мотор. Его запускает первый мотор-генератор, который делает это очень плавно и незаметно за счет регулирования скорости оборотов. Момент от бензинового двигателя передается на планетарную передачу, а также (!) на первый мотор-генератор, который работает в режиме генератора и выдает энергию на инвертор, который в свою очередь перенаправляет полученную энергию либо в аккумуляторую батарею для подзарядки, либо на тяговый электромотор, момент с которого через планетарную передачу передается на колеса. В результате получается замкнутый цикл, где главную роль играет тяговый электромотор, а бензиновый двигатель работает на подхвате. При торможении тяговый электромотор работает в режиме генератора и вся полученная энергия накапливается в аккумуляторе.

Мощность бензинового двигателя 98 лс, а тягового электромотора 79 лс. В то же время, суммарная мощность гибридного привода составляет 136 лс. Потеря лошадиных сил обусловлена тем, что ток отдаваемый аккумуляторной батареей ограничен электроникой, и электромотор фактически работает на половину своей мощности. Зато, как показал эксперимент, степень заряженности аккумулятора абсолютно не влияет на динамические характеристики и время разгона до 100 км/ч.

6. Приус заметно выделяется в городском потоке своей обтекаемой формой. Прошлые поколения Приуса выглядели действительно нелепо, но последняя модель вполне симпатична. Коэффициент аэродинамического сопротивления Cx равен 0,26. Это один из лучших показателей для серийных автомобилей.

7. Светодиодная оптика (подробности ниже). На колесных дисках одеты аэродинамические колпаки. Выглядят, честно говоря так себе. На практике их наличие снижает расход топлива всего на 1-2 процента. Правильнее их делать полностью закрытыми, но тогда возникнет проблема охлаждения тормозных механизмов.

8. Главное нововедение на модели 2010 года — светодиодный ближний свет. Блок-фара состоит из нескольких модулей. Вверху располагается габаритный огонь (на удивление с галогеновой лампой), справа — классический модуль дальнего света с рефлектором и галогеновой лампой. Ближний свет разделен на три модуля. Два линзованных модуля, которые дают четкий и сфокусированный световой поток вдаль. Над ними модуль рассеянного света, для освещения пространства вблизи автомобиля. Передние поворотники вынесены на бампер, рядом с протувотуманными фарами. Суммарное энергопотребление секции ближнего света — 33 ватта, что сопоставимо с обычным ксеноном. Зато между ними колоссальная разница в сила света. Свет на голову выше любого, самого лучшего ксенона.

9. По сравнению с прошлым поколением, сзади Приус остался практически без серьезных изменений. Аналогичные фонари и скошенное стекло задней двери из двух частей со спойлером. Визуальное отсутствие патрубка выхлопной системы намекает на лояльное отношение автомобиля к окружающей среде.

10. Наибольшую популярность Приусы получили в США, и это их главный рынок сбыта (не забывая при этом, что на родине, в Японии они тоже очень популярны). Существует множество клубов владельцев, которые пытаются выжать из Приуса минимальный расход топлива. Зачастую бессмысленное, с точки зрения практического применения, занятие привлекает очень большое количество людей.

11. Минимум, который удалось выжать энтузиастам из Приуса — 1,73 литра на 100 километров в городском режиме. Для этого давление в шинах было поднято до 5 атмосфер.

12. Багажник большой с удобным доступом. Под полом расположена докатка и достаточно вместительный ящик для мелочей. По бокам огромные ниши между задними фонарями и колесными арками.

13. Внутри Приус напоминает авиалайнер. Отделка салона выполнена из жесткого пластика, но с очень приятной текстурой. Из-за сильного наклона лобового стекла, салон кажется большим и просторным.

17. Салон особенно интересен в деталях. Бардачок из двух отделений очень напоминает аналогичные ящики для багажа на самолетах. С плавным открытием и характерным щелчком при закрытии.

18. Некоторые экраны медиасистемы.

19. И варианты отображения на центральном дисплее. Два круглых изображения дублируют соответствующие кнопки на рулевом колесе и активизируются при касании. Справа несколько экранов: энергетический монитор, показывающий куда идет энергия между моторами, колесами и батареей; индикатор работы гибридной установки, так сказать продвинутый экономайзер; а также графики расхода топлива за прошедшие интервалы и последние 5 минут (работа в реальном времени можно посмотреть в видео ниже).

21. Динамику автомобиля проще всего сравнить с троллейбусом. Спокойное и постоянное ускорение с любой скорости. Разгон до 100 км/ч — 11,5 секунд (по паспорту 10,5 сек). По ощущениям как автомобиль С-класса с двухлитровым бензиновым двигателем и автоматической коробкой передач. Для безопасного движения динамики достаточно.

23. Центральный тоннель превосходен. Сверху на нем очень удобно ложится правая рука. Вот только зачем кнопки включения подогрева сидений разместили в этой нише, рядом с розеткой-прикуривателем? Так неудобно тянуться, чтобы его включить.

24. Многофункциональный подлокотник — съезжает назад, для превращения в подстаканник, или поднимается вверх, для доступа в ящик. Очень круто реализована функция закрытия воздуховодов, без усложения конструкции лишними элементами. Включение режима рецикруляции кнопкой на руле инженеры Тойоты явно подсмотрели у БМВ, но кнопки изменения температуры явно лишние и бесполезные.

25. Сзади просторно, но очень скучно. Из особенностей передних сидений — спинка водительского кресла не имеет плавной регулировки наклона, а заодно не может фиксироваться в строго вертикальном положении.

26. Светло-серая перфорированная кожа совершенно не производит впечатления дорогой, зато очень практична. Рядом с правым задним сиденьем расположена вентиляционная решетка аккумуляторной батареи — по инструкции ее нельзя ничем закрывать. Вдвоем сзади сидеть отлично, но втроем будет тесно.

27. Обзор назад закрывает разделитель стекла со спойлером. Нижнее стекло затонировано. Для меня осталось самой большой загадкой — зачем здесь задний дворник? Зона его очистки исключительно верхняя часть стекла, через которую все равно ничего не увидеть. Парктроник отсутствует, его заменяет камера заднего вида. Вдобавок есть функция автоматической парковки, ее работа показана в видео (далее по тексту).

28. Рассуждать о тонкостях управляемости с шинами такой размерности просто бессмысленно. Но на самом деле не все так плохо, как может показаться на первый взгляд. Электроусилитель руля совершенно четко увеличивает усилие на руле с ростом скорости, а подвеска не позволяет колесам терять сцепление с дорогой. Длинная база крайне положительно влияет на устойчивость и комфорт при движении по трассе.

29. Отдельного обзора заслуживает тормозная система. При нажатии на педаль тормоза в первую очередь гибридная силовая установка переключается в режим рекуперации энергии. Таким образом, большая часть энергии, которая на обычном автомобиле уходит на нагрев тормозных колодок и дисков, преобразуется в электричество, которое накапливается в аккумуляторе. При более сильном нажатии на педаль тормоза дополнительно начинает работать штатная тормозная система. В связи с этим существенно изменена схема работы антиблокировочной системы (ABS) и системы динамической стабилизации. ABS допускает интенсивное торможение с полной блокировкой колес и включится только после того, как автомобиль проскользит с заблокированными колесами некоторое расстояние.

Я провел небольшое исследование с целью выявить реальный расход топлива. При движении на круиз-контроле по относительно ровной трассе без перепадов высот, получились вот такие значения:

Скорость 60 км/ч — 3 л/100 км
Скорость 70 км/ч — 3,5 л/100 км
Скорость 90 км/ч — 4,5 л/100 км
Скорость 120 км/ч — 6,5 л/100 км
Скорость 135 км/ч — 7,5 л/100 км

Разумеется, в таком режиме гибридная установка не работает так, как задумано и расход фактически определяется топливной экономичностью бензинового двигателя и коэффициентом лобового сопротивления (для скорости от 90 км/ч и выше). Любой современный турбодизель на трассе покажет сопоставимые цифры расхода (например, BMW 123d).

Испытания в московских пробках показали более интересные цифры. Если ездить спокойно со скоростью потока, стоять в пробках (не важно каких — на остановках бензиновый двигатель отключается, поэтому можно хоть несколько часов стоять на месте с нулевым расходом топлива) и совершенно не задумываться об экономии топлива получится расход 5,5-6 литров на 100 километров. Если ездить динамично, с частыми ускорениями, то получить средний расход более 7,5-8 литров на 100 километров будет крайне затруднительно. Самое главное — не забывать тормозить, чтобы подзаряжать аккумулятор.

Будет считать, что средний годовой пробег типового автовладельца составляет 30 тысяч километров. Обычная машина сопоставимой мощности (бензиновый двигатель объемом 2 литра с АКПП) в смешанном цикле с преобладанием движения по городу в условиях пробок будет расходовать 10 литров на 100 км пути. Приус в аналогичных условиях покажет расход порядка 6 литров на 100 км. Если принять, что стоимость одного литра 95-го бензина равна 25 рублям, то годовая экономия при использовании Приуса составит всего 30 тысяч рублей.

Следует заметить, что в погоне за минимальным расходом следует также учитывать ветер, тип дорожного покрытия, температуру воздуха, а также давление в шинах. Все испытания проводились при температуре +5 градусов на зимних шипованных шинах с давлением 2,5 атм.

32. В Россию Приус поставляется в двух комплекциях: Элеганс за 1,1 млн рублей и Престиж за 1,35 млн. рублей. Основное различие между комплектациями: светодиодный ближний свет, навигация, кожаный салон, датчики дождя и света, климат-контроль и bluetooth.

Приус прекрасен своей уникальностью. Он привлекает внимание окружающих, он комфортен и надежен, как и полагается быть автомобилю Тойота. Он максимально технологичен и нафарширован всеми современными электронными системами под завязку (вплоть до опции в виде солнечных батарей на крыше, которые питают климатическую установку, чтобы воздух в салоне не застаивался на парковке, но в Россию такую комплектацию не возят). Единственная проблема покупки Приуса в России заключается в том, что наше государство не поощряет покупку экологически чистых и экономичных автомобилей, как это реализовано в цивилизованных странах. А еще наше общество не задумывается об экологических проблемах в принципе. И даже сознательные люди понимают, что их личный вклад в заботу об окружающей среде не будет заметен на фоне того автохлама, который ездит по нашим дорогам, не удовлятворяя никаким экологическим стандартам.

В любом случае это отличный автомобиль для городских пробок. Покупка Приуса это в первую очередь имиджевая вещь и повод для гордости, что вы владелец высокотехнологичного и экологически чистого автомобиля. Но не удивляйтесь, если общество не поймет ваш выбор.

PS. Заглавная фотография сделана в Москве, всего в 10 километрах от Кремля :)

PRIUS - идущий впереди!

Здравствуй, дорогой Приусовод! Если ты держишь в руках эту книгу, то тебя можно так назвать с большой уверенностью. Эта книга поможет тебе не только грамотно самостоятельно обслужить и отремонтировать свой автомобиль, но и понять сам принцип работы гибридной системы и всех основных компонентов: высоковольтной батареи, инвертора, мотор- генераторов и т.д. Многим владельцам Приусов книга покажется сложной, но не будем забывать, что часть людей не только ездит на Prius, но и хочет хотя бы в общих чертах знать, как устроен этот чудо-автомобиль.

Начнем с того, зачем и почему Вы купили именно этот автомобиль. В интернете на форумах, посвященных гибридным автомобилям, неоднократно проводился опрос на эту тему. Основной движущей силой, побудившей владельцев купить Prius, оказалось (и это не удивительно) желание сэкономить на бензине. В условиях нынешнего кризиса этот побудительный момент становится еще более актуальным. Но удивило другое: следующим доводом для приобретения данного автомобиля явилось не желание сэкономить на транспортном налоге и страховке (хотя экономия, по сравнению с "простым" авто, действительно очень существенная), а "желание быть на острие технического прогресса и управлять автомобилем будущего"!

Чтобы понять этот автомобиль будущего и в полной мере почувствовать на себе всем знакомый слоган Toyota "управляй мечтой", Вам и пригодится эта книга.

Какие виды гибридных двигателей существуют

Все виды гибридов можно разделить на три группы:

1. Последовательные гибриды

2. Параллельные гибриды

3. Последовательно-параллельные гибриды.

Последовательные гибриды. Принцип работы: колеса вращаются от электродвигателя, который питается от генератора, приводимого в движение ДВС. Т.е. упрощенно: ДВС приводит генератор, который вырабатывает электричество для тягового электромотора. При этой схеме используются ДВС маленького объема и небольшой мощности и мощные генераторы. Явный недостаток – зарядка аккумуляторов и движение машины происходит только при постоянно включенном ДВС.

Принцип последовательного гибрида нельзя привести ни на одном серийно выпускаемом легковом автомобиле. У него недостатков гораздо больше, чем достоинств.

Параллельные гибриды. Здесь колеса могут вращаться, как от привода ДВС, так и от аккумулятора. Но для этого двигателю уже необходима коробка передач и основной недостаток этой системы: двигатель не может одновременно крутить колеса и в то же время заряжать батарею. Хороший пример параллельного гибрида: Honda Insight. На ней имеется электромотор, который может приводить в движение автомобиль наряду с ДВС. Это позволяет использовать ДВС меньшей мощности, потому что электромотор выручит, когда потребуется большая мощность.

Все эти недостатки исключены в последовательно-параллельном гибриде. В нем в зависимости от условий движения используется тяга электродвигателя отдельно, тяга бензинового двигателя с возможностью одновременной зарядки батареи. Кроме этого возможен вариант, когда используется совместное усилие и бензинового, и электрического двигателя. Только таким образом можно достичь максимальной эффективности силовой установки.

Эта схема последовательно-параллельного гибрида и применена в Вашем автомобиле Toyota Prius. С латинского "Prius" переводится как "передовой", или "идущий впереди".

Скажу сразу, на сегодняшний день существует Toyota Prius в четырех кузовах: 10, 11, 20 и 30. Их сравнительные данные приведу в таблице "Сравнительные данные автомобилей Prius различных годов выпуска".

Когда буду рассказывать о Prius, то буду иметь ввиду 20-й кузов, как наиболее распространенный, а все отличия от него 10-го и 11-го кузовов буду оговаривать специально.

Кроме Prius гибридная система применяется Toyota на следующих моделях: Alphard, Harrier, Highlander, Coaster, Crown, Camry и FCHV. На Lexus тойотовская гибридная система используется в моделях: RX400H (и его молодым братом RX450Н), GS450H и LS600H.

В данной работе было использовано много выдержек с сайта американского инженера, специалиста в области микропроцессорной техники, Грэма Дэвиса.

Перевод осуществил участник форума АВТОДАТА Олег Альфредович Малеев (Burrdozel), за что ему огромное спасибо. Я попытаюсь Вам объяснить работу всех компонентов гибрида с практическими советами по ремонту и обслуживанию этих компонентов.

Компоненты гибридного привода

Схема гибридного привода автомобиля Prius

Таблица. Сравнительные данные автомобилей Prius различных годов выпуска.

Двигатель внутреннего сгорания

Prius имеет необычно маленький для автомобиля весом 1300 кг двигатель внутреннего сгорания (ДВС), объемом 1497 см3. 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 плани- руется 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.с., а двигатель 1NZ-FXE - 77 л.с.

Мотор/Генераторы

Prius 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.

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 Нм 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 нач

Легковые автомобили Toyota Prius отличаются комбинированным приводом, состоящим из бензинового и электрического моторов. Понимание принципа работы гибридного двигателя Тойоты Приус позволяет рациональнее использовать возможности силовой установки. При правильной эксплуатации сокращается расход топлива и падает нагрузка на тяговую батарею, что обеспечивает рост срока эксплуатации.

Особенности гибридного двигателя Toyota Prius

Идея разработки экономичного автомобиля, вмещающего 5 человек и потребляющего не более 5 л на 100 км пути, возникла у руководства концерна Toyota в 1993 г. Спустя 4 года была представлена новая модель Prius, которая имела своеобразный дизайн и отличалась низким расходом.

Внедрение гибридной установки позволило отказаться от использования дизелей, которые активно продвигались в начале 90–х гг. европейскими производителями.

Бензиновый двигатель

Производитель применяет моторы, действующие по циклу Аткинсона, отличающиеся сниженным расходом горючего и способностью работать на бензине с октановым числом от 92 единиц. Двигатели имеют регуляторы фаз газораспределения, позволяющие повысить эластичность и динамику на низких оборотах. Агрегаты оснащены системами распределенного впрыска топлива, в выхлопной трубе расположены каталитические нейтрализаторы для дожигания вредных компонентов.

Электродвигатель

В конструкции используются 2 электрических синхронных мотора трехфазного типа. Ротор состоит из вала, опирающегося на подшипники, и центральной магнитной части (подключение к батарее не предусмотрено).

Статор укомплектован 3 обмотками, обеспечивающими вращение ротора при подаче напряжения.

При прокручивании магнита от внешнего источника (например, ДВС либо при движении накатом) в обмотках наводится ток, используемый для зарядки тяговой батареи или работы электрических компонентов.

Составляющие двигателя Тойота Приус

В число компонентов силовой установки входят:

4–цилиндровый мотор внутреннего сгорания;
двойной электрический двигатель, способный функционировать в режиме генератора и стартера;
редуктор, распределяющий работу компонентов гибридного силового агрегата;
инвертор, необходимый для преобразования постоянного тока в переменный с одновременным ростом напряжения.

Используемый на Prius бензиновый двигатель отличается минимальным потреблением топлива. Конструкция газораспределительного механизма обеспечивает начало такта сжатия после прохождения поршнем нижней мертвой точки. Выброшенная в коллектор рабочая смесь затягивается в другой цилиндр и не попадает в атмосферу.

Сокращение объема жидкости позволяет снизить давление в конце такта сжатия и увеличить степень сжатия до 13 единиц без риска детонационного сгорания. Цикл Аткинсона способствует повышению термического КПД по сравнению с классическим циклом Отто.

Конструкция мотора обеспечивает снижение расхода топлива и уменьшение вредных выбросов в выхлопных газах. Двигатель Prius не работает на холостом ходу, пуск производится для зарядки аккумулятора, прогрева радиатора системы охлаждения или салона либо для поддержания движения автомобиля. Но использование цикла Аткинсона негативно сказывается на мощности.

Например, стандартный агрегат 1NZ–FE развивает 109 л. с., а его модификация 1NZ–FXE для гибридных машин имеет мощность всего 77 л. с.

Мотор–генератор

С солнечной шестерней редуктора соединен генератор, имеющий мощность около 20 кВт. Узел позволяет запускать бензиновый мотор и регулировать частоту вращения коленчатого вала в зависимости от силы тока в цепи зарядки. С коронной шестерней состыкован тяговый двигатель, участвующий в движении автомобиля и отличающийся повышенной мощностью и увеличенными габаритами. Для охлаждения статоров используется воздух, а с IV поколения – антифриз. Жидкость применяется для обогрева салона и подается по единому контуру с ДВС.

Схема

В состав гибридного привода входит высоковольтная батарея, собранная из нескольких сотен элементов с рабочим напряжением 1,2 В.

Данный показатель на клеммах зависит от поколения, на Prius I генерации он составляет 288 В. В случае падения параметра завести бензиновый мотор невозможно, требуется зарядка аккумулятора от внешнего источника. Батарея имеет емкость 6,5 А*ч и установлена в нише позади спинки заднего ряда сидений.

Поскольку накопителем энергии является аккумулятор, а электродвигатели рассчитаны на переменный трехфазный ток, то в схему входит преобразователь. Конвертер обеспечивает питание бортовой сети, компрессора кондиционера (узел не имеет связи с коленчатым валом ДВС), повышает напряжение в линии снабжения электромотора до 650 В. Эффективность преобразователя около 98%. В конструкции машины имеется стандартный свинцовый аккумулятор, расположенный в багажнике или моторном отсеке (источник тока работает при отключенной тяговой батарее).

Планетарная коробка передач

Для распределения потоков мощности установлен планетарный редуктор Power Split Device. С солнечной шестерней соединены ротор электрического мотора и ось к главной передаче, а коленчатый вал состыкован с водилом через демпфирующую муфту для сглаживания крутильных колебаний. Внутренняя солнечная шестерня соединена с генератором. Электронный блок управления корректирует частоту вращения ротора генератора и меняет передаточное отношение редуктора.

В зависимости от условий езды, ведущие колеса приводятся в движение от ДВС, электромотора или от обоих устройств.

Трансмиссия обеспечивает плавное изменение передаточного отношения и позволяет тронуться на электрической тяге.

Для интенсивного разгона либо при падении уровня заряда аккумулятора, либо превышении заданного порога скорости происходит автоматическое включение бензинового двигателя.

Водитель и пассажиры не замечают изменение режима работы гибридной установки, данные отображаются на экране бортового компьютера на панели приборов.

На IV поколении стала использоваться модернизированная трансмиссия. Электрические моторы, стоявшие ранее на одной оси с коленчатым валом, расположили параллельно. Решение позволило снизить габариты редуктора и сократить механические потери на 20%. ДВС вращает через муфту свободного хода водило с сателлитами, а генератор связан с солнечным колесом. Внешняя коронная шестерня соединена через промежуточный вал с тяговым электрическим приводом. Крутящий момент на колеса отбирается через дифференциал от промежуточной оси.

Принцип работы двигателя Тойоты Приус

В момент старта тяговый мотор вращает шестерню планетарного редуктора и соединенную с ней главную пару с дифференциалом. Крутящий момент передается на колеса, и автомобиль начинает движение. При фиксации недостатка электрической тяги происходит автоматическое включение бензинового агрегата, который работает на обедненной смеси в наиболее экономном режиме. Связанные между собой детали планетарного редуктора определяют соотношение мощности ДВС, переданной на ведущие колеса и на генерацию электроэнергии.

Мотор–генератор отвечает за уровень зарядки батареи и может работать на неподвижной машине с включенным бензиновым агрегатом. Узел способен запускать ДВС, делая гибридную систему гибкой и не зависящей от условий эксплуатации. Трансмиссия обеспечивает равномерное распределение нагрузки и отличается надежностью, в конструкции отсутствуют сложные гидравлические либо механические компоненты.

Описание режимов работы гибридного двигателя

Такой агрегат автоматически регулирует действие ДВС и электрического привода. Владельцу автомобиля требуется перевести селектор трансмиссии в необходимое положение и нажать на кнопку старта. Прочие действия выполнит бортовая электроника, информация выводится на экран компьютера.

Автомобиль поддерживает несколько режимов работы (на примере Prius III поколения):

EV Mode, предусматривающий использование только электрической тяги;
ECO Mode, рассчитанный на достижение минимального расхода топлива и предназначенный для маневрирования;
Normal, ориентированный на стандартные условия эксплуатации;
Power Mode, повышающий динамику за счет одновременного использования ДВС и электрической тяги.

Запуск ДВС

При недостаточном уровне заряда батареи или резком нажатии на педаль акселератора осуществляется запуск бензинового мотора. Двигатель разгоняет машину и производит подзарядку батареи. На Prius предусмотрено служебное включение ДВС, необходимое для прогрева масла, промывки системы смазки или очистки форсунок от отложений без снятия. Алгоритм действий описан в инструкции по эксплуатации, в стандартных условиях работы принудительно завести ДВС невозможно.

Для старта бензинового агрегата используется энергия тягового электрического мотора, который раскручивает коленчатый вал до 1000 об/мин за 1–2 секунды. После начала работы контроллер определяет состав смеси, холодный ДВС прогревает каталитический нейтрализатор и обеспечивает подзарядку батареи.

После достижения требуемой емкости бензиновый агрегат автоматически глушится.

Старт на электротяге и разгон

При плавном нажатии на акселератор электрический мотор набирает скорость через планетарный редуктор. Блок управления отслеживает уровень заряда батареи и не допускает падение емкости ниже критического уровня. Разгон на электрической тяге продолжается до 50 км/ч, после чего подключается ДВС.

Запуск ДВС на ходу

Включение бензинового привода происходит при падении емкости аккумулятора или повышении сопротивления движению. Электрический мотор прокручивает коленчатый вал через планетарный редуктор, который затем распределяет потоки мощности. После снижения нагрузки или окончания зарядки ДВС автоматически глушится.

Задний ход

Чтобы начать маневрирование, необходимо перевести рычаг в положение R, блок управления переключает обмотки.

Для движения используется только электрический двигатель, но в случае низкого заряда запускается бензиновый мотор. Коленчатый вал вращает генератор и восстанавливает емкость аккумулятора либо подает питание на обмотки электрического привода. При деградации батареи возникают сложности с маневрированием задним ходом. Перед включением реверса необходимо дать поработать генератору несколько минут.

Аккумуляторная батарея – на сколько хватает электродвигателя

Гибридный автомобиль не предназначен для длительного движения на электрической тяге. Полностью заряженной батареи хватает всего на 1,5–2 км при скорости не более 40–50 км/ч. Деградация источника питания приводит к падению емкости и снижению расстояния. На запас хода оказывают влияние климатические условия, рельеф дорожного полотна и количество электрических приборов, находящихся во включенном состоянии.

Технические характеристики Приуса разных лет

Общие черты Toyota Prius:

компоновка с передним расположением моторного отсека и поперечно расположенным двигателем;
передняя подвеска независимого типа со стойками Макферсон и стабилизатором поперечной устойчивости;
гидравлические 2-контурные тормоза с системой ABS (перечень ассистентов зависит от года выпуска);
цельнометаллический несущий кузов, рассчитанный на водителя и 4 пассажиров;
реечный рулевой механизм с электрическим усилителем переменной производительности;
задняя подвеска с торсионной балкой и цилиндрическими пружинами;
специальные покрышки и алюминиевые диски с аэродинамическими колпаками для снижения сопротивления движению.

В конструкции автомобиля использована система рекуперации энергии торможения без вакуумного усилителя. Взамен использованы источник высокого давления и распределитель. При нажатии на педаль блок управления переводит электрический мотор в режим выработки электроэнергии, что снижает нагрузку на основные тормоза и обеспечивает лучшее замедление. Система клапанов и электроника предотвращают блокировку колес на скользком покрытии.

При поломке источника давления торможение осуществляется за счет усилия, создаваемого ногой водителя на педали.

Первое поколение

Автомобиль Тойота Приус Гибрид с 4-дверным кузовом седан начал выпускаться в 1997 г. и предлагался в 2 модификациях NHW10 и NHW11, отличавшихся элементами силовой установки. Рычаг коробки не имел механической связи с устройством выбора режима движения, а был соединен с блоком управления. На автомобилях ставились бензиновые агрегаты 1NZ–FXE, развивавшие 58 или 72 л. с. (применялись до модернизации в 2000 г. и после). Мощность электрического привода составляла 41 или 45 л. с. соответственно. Последние экземпляры Prius первого поколения собрали в 2003 г.

Второе поколение

В 2003 г. стартовало производство новой генерации NHW20, впоследствии сборку освоил завод FAW на территории Китая. Под капотом машины помещен 77-сильный 4-цилиндровый мотор 1NZ–FXE, имевший объем 1496 см³. В состав силовой установки входил электродвигатель синхронного типа, развивавший мощность 68 л. с. и момент 400 Н*м.

Производитель реализовал возможность старта на электрическом двигателе, что снижало шумность и устраняло выбросы выхлопных газов. Машина могла проехать до 2 км со скоростью не выше 50 км/ч при условии заряженной на 100% батареи.

Третье поколение

Автомобили поставлялись клиентам с 2009 по 2015 гг. и оснащались 5-дверным кузовом хетчбэк. Сборка велась на территории Японии, а впоследствии к производству подключили площадки в Индии, Китае и Таиланде. В состав силовой установки входил бензиновый 2ZR–FXE мощностью 99 л. с. при рабочем объеме цилиндров 1797 см³. Агрегат имел блок и головку из алюминиевого сплава, в схеме газораспределительного механизма стояли регуляторы фаз. Электропривод, рассчитанный на напряжение 650 В, развивал 82 л. с., для питания имелась никель-металлогидридная батарея.

Четвертое поколение

Модификация E–Four для внутреннего рынка оснащена дополнительным электродвигателем мощностью 5,3 кВт, сблокированным с редуктором привода задних колес. Предусмотрен дополнительный преобразователь питания. Компактные размеры узлов позволили сохранить неизменным объем багажного отделения. Распределение крутящего момента осуществляется электроникой, задний мотор используется кратковременно. Полный привод повышает устойчивость при движении по скользкой дороге.

Видео о работе гибридного двигателя

В приложенном ролике продемонстрирован общий принцип действия гибридной силовой установки в зависимости от режима движения. Видео позволяет понять алгоритмы переключения компонентов и условия, необходимые для зарядки батареи или отключения двигателя внутреннего сгорания.

Показано общее устройство гибридного силового агрегата и места монтажа компонентов.

Для владельцев гибридов эти пункты выглядят смешными. :)

Основная причина неэкономичности любой бензиновой негибридной машины
– дроссельная заслонка мотора.
Смысл в том, что если ехать на средней скорости (ну, пусть 100км/ч),
то 1.5-литровый мотор усредненной сферической короллообразной машины в вакууме
будет выдавать 20-25л.с. (при том, что типичные 1.5л моторы максимально выдают 90-110л.с.
и максимальный момент 130-150Нм).
В таком режиме дроссель открыт слегка и ДВС всасывает воздух через узкую щель.
Естественно, что ДВС таким образом работает как воздушный насос
и тратит на это немало энергии. Кто не верит, пусть попробует подышать не через нос,
а через узкую трубочку для питья коктейлей – увидите, что надолго вас не хватит.
Так вот, в таком режиме ДВС будет работать не со своим максимальным КПД 35-39%,
а всего лишь 25-30%, а при мЕньших скоростях – ещё меньше.
Вторая причина неэкономичности более очевидна – холостой ход в пробках,
когда работа ДВС, в общем-то, не нужна. Какой из этого вывод?
Заставить работать ДВС как можно чаще с более сильно открытым дросселем
и не работать вхолостую – и профит обеспечен.

Итак, по пунктам, экономию дают:
1. Электромеханический вариатор с очень широким диапазоном регулирования, который очень эффективно нагружает ДВС и не даёт ему тратить энергию на прогон воздуха через узкую щель дросселя.
2. Система старт-стоп, которая глушит ДВС в тех случаях, когда его работа не нужна.
3. Цикл Аткинсона, дополнительно уменьшающий насосные потери.
4. Улучшенная аэродинамика.
5. Рекуперация энергии при торможении.

В качестве бонуса поясняю, почему при обычной повседневной езде
нельзя достичь расхода менее 3.5л/100км даже при том,
что особо отмороженные приусофаги достигали 2л/100км,
проезжая на полном баке 2400км. Когда машина движется совсем медленно (ниже 70км/ч)
потребность в энергии для движения столь низка (менее 5кВт),
что даже супер-пупер цикл Аткинсона и не менее супер-пупер HSD
со всей их эластичностью не могут извернуться и нагрузить ДВС так,
чтоб он работал с сильно открытым дросселем.
Даже на своих минимальных 1200 об/мин ДВС с сильно открытым дросселем
даст около 70Нм момента, а это около 9кВт.
Поэтому при низких скоростях расход опять начнёт расти.
По многочисленным личным экспериментам установлено,
что наиболее экономичная скорость для 20-ки 72-75 км/ч по спидометру.
Расход составляет около 3-3.5л/100 по ровной дороге, около 4л/100 при холмистой.
А что касается 2л/100км, то технология достижения следующая:
ставим машину на уклон, так чтоб в бак влезло почти 50л луца под завязку.
Затем движемся в режиме Pulse&Glide, то есть разгоняемся до 50км/ч,
отпускаем педаль и катимся до 30км/ч, потом опять жмём газ и разгоняемся до 50км/ч.
Степень нажатия на педаль газа должна быть такой,
чтобы время работы ДВС составляло 25% от всего времени движения.
Ну, и конечно же не забываем про перекачанные до 3атм колеса и заклеенные щели на кузове.
Хотя при таких скоростях потери на аэродинамику составят всего-то 0.3-0.4л/100км.

Объединяя преимущества и недостатки, можно сказать, что гибрид будет полезен людям, которые:
1. Ездят в городе с разрешёнными скоростями зимой и летом
2. Ездят по трассе со средней скоростью (обычно менее 120км/ч)
Гибрид НЕ НУЖЕН людям, которые:
1. Специально ждут зимы, чтобы встать в многочасовую пробку и стоять там на месте,
постоянно греясь в машине. :)
2. Ездят с максимальной скоростью по автобанам при -40. :)

Читайте также: