История развития
В настоящее время разработкой гибридных автомобилей занимаются все крупнейшие автопроизводители мира, но это производство является убыточным, поскольку покупатели не готовы компенсировать разницу в стоимости высокотехнологичного автомобиля по сравнению со стандартным массовым. Поэтому, внедрение гибридной технологии в массовое производство оказывается по силам лишь самым экономически и технологически сильным производителям, таким как компания Toyota, которая вывела гибридную технологию в своём модельном ряде на недосягаемый остальным компаниям уровень.
В качестве анализа мы возьмём самую массовую из выпускающихся в настоящий момент моделей - Toyota Prius, имеющую гибридную систему второго поколения THS II
Концепт-кар Toyota Prius впервые демонстрировался на международной автомобильной выставке во Франкфурте в сентябре 1995 года. Информация тогда была весьма расплывчатой: переднеприводной автомобиль, у которого двигатель (почему-то оснащенный динамо-стартером и бесступенчатым вариатором вместо обычной коробки передач) работает в паре с тепловым аккумулятором, накапливающим энергию, отдаваемую тормозами. На остановках силовой агрегат выключался автомеханическим устройством. Хотя мотор числился полуторалитровым, расход топлива был неправдоподобно мал -3,6 л/100 км. Силовая установка Prius весьма интересна. Это двигатель внутреннего сгорания (1496 см3, 58 л.с. при 4000 об/мин), работающий в паре с тяговым электромотором переменного тока (30 кВт при 940 - 2000 об/мин). Компьютер самостоятельно, в зависимости от условий движения, определяет степень участия каждого из них. Оба (или каждый порознь) вращают через редуктор передние ведущие колеса. Серийные производство автомобиля началось в декабре 1997г., а в 2000г. начались его экспортные продажи. В 2003 году выпущена новая модель TOYOTA PRIUS II, которая бьет все рекорды продаж. Для приобретения данного автомобиля японцы вынуждены записываться в многомесячные очереди
Описание системы
Недавно разработанная система THS II нацелена одновременно на повышение мощности и на улучшение показателей работы трансмиссии, которая имеет преимущества в управлении и контроле над энергией. В результате, разработанная концепция Hybrid Synergy Drive заметно улучшает мощностные показатели, характеристики разгона, и в то же время автомобиль достигает наивысшего уровня экологичности в мире.
Новая система создана на основе уже имеющейся системы THS, использовавшейся в Prius первого поколения. Со ставкой на ещё большую эффективность система получила высоковольтную электрическую цепь между мотором и генератором, что позволяет эффективнее использовать энергию, снижая её потери на сопротивление. В системе THS II значительно увеличено использование электромотора в условиях, когда ДВС имеет низкую производительность, при таком режиме двигатель глушится и автомобиль движется только на электротяге. В условиях, когда производительность ДВС оказывается реализованной, система его использует в наиболее экономичном режиме, при этом вырабатывая нужное количество электричества. Также достигнута большая регенерация энергии во время сброса оборотов и торможения. Таким образом, увеличение входных и выходных показателей электрической эффективности реализовало стремление к достижению лучшей в мире топливной экономичности. Планируется прохождение THS II под правила ATPZEV (Прогрессивная Технология Транспортного Средства Практически Нулевого Выброса) в Калифорнии, США, которые предлагается ввести в 2005 году, удовлетворение Уровня Крайне Низких Выбросов (U-LEV) в Японии, а так же правил ЕВРО-4, вступающих в силу в 2004 году. Как это очевидно, системой осуществляется лучшая в мире чистота выхлопа.
Гордостью гибридной системы второго поколения является её суммарная мощность, увеличенная в полтора раза благодаря повышенным оборотам ДВС, электромотора и генератора. В системе появилась высоковольтная цепь, а так же более производительная батарея, для обеспечения возросших энергетических нужд.
Установка состоит из двух источников движущей силы, а именно: высокоэкономичного ДВС, работающего по циклу Аткинсона с увеличенными фазами расширения с одной стороны и синхронного электродвигателя переменного тока на постоянных магнитах, с увеличенной в 1,5 раза мощностью совместно с генератором, никель-металлгидридной (Ni-MH) батареей и блоком энергетического управления. Этот блок управления представляет собой конвертер переменного-постоянного тока для согласования переменного тока от мотора и генератора с постоянным током батареи гибрида, а так же блок содержит высоковольтный преобразователь для повышения напряжения, идущего от аккумулятора к электромотору и генератору, работающим при напряжении в 500 вольт. Другим важным компонентом является планетарный механизм делителя мощности, который занимается распределением и сочетанием мощности от двигателя, электромотора и генератора, затем передавая движущую силу на колёса. Блок управления точно контролирует работу всех компонентов на высоких скоростях, обеспечивая эффективность их совместной работы.
Работа системы
Установленный за двигателем внутреннего сгорания планетарный механизм разделяет поток мощности на две ветви: одна идет к редуктору главной передачи, другая - к генератору переменного тока. Тот заряжает через преобразователь аккумулятор, от которого при необходимости поступает энергия (через преобразователь) в тяговый электромотор.
При торможении электромотор действует в режиме генератора и через преобразователь пополняет запас энергии в батарее. А при пуске двигателя внутреннего сгорания генератор играет роль стартера. Все эти узлы, работающие с разными числами оборотов, согласуются компьютером, по командам которого тормозятся различные шестерни планетарного механизма и включается преобразователь.
На панели приборов у PRIUS установлен дисплей, на котором можно видеть, откуда в каждый момент на ведущие колеса подается тяговое усилие. Для гибридной силовой установки существуют пять характерных режимов работы:
Первый: начало поездки, движение с малой нагрузкой, небольшой скоростью или под небольшой уклон. Действует электромотор. Двигатель и генератор не работают. Аккумулятор разряжается.
Второй: нормальная езда. Планетарный механизм один поток мощности (В) направляет через редуктор к ведущим колесам, а второй (С) - к генератору, который вырабатывает энергию для электромотора (своего рода саморегулирующаяся трансмиссия), передающего через редуктор свою часть крутящего момента ведущим колесам. Аккумулятор бездействует.
Третий: разгон с полностью открытым дросселем. Все происходит, как на втором режиме, но теперь вступает в действие аккумулятор, отдающий дополнительную энергию (А) электромотору, чей вклад в совместный крутящий момент на ведущих колесах заметно вырастает. Компьютер для достижения максимальной отдачи постоянно регулирует долю каждого потока мощности.
Четвертый: торможение, замедление. В результате инерции колес начинается вращение тягового электромотора, который в этом режиме становится генератором. Вырабатываемая энергия (переменный ток) через преобразователь (А) идет на зарядку (постоянный ток) аккумулятора. Двигатель внутреннего сгорания не работает.
Пятый: зарядка. Когда запас энергии в батарее истощается, через двигатель и генератор (под контролем компьютера) начинается подача тока (Д) в аккумулятор.
Когда машина останавливается, двигатель автоматически заглушается.
Заключение
Рассуждая, о всех преимуществах новой системы, нельзя забывать и об обратной стороне её успеха, скрытой за потоком рекламы предприятия производителя. Установка получилась чрезвычайно интеллектуально сложной, что не пошло во благо надёжности. Ведь не случайно экспортные продажи Prius первого поколения начались лишь спустя четыре года после появления автомобиля, а на японском же рынке, всё это время проводилась обкатка и доводка новых технологий. Оказавшиеся в массовом количестве эти автомобили в нашей стране, уже успели принести немало опыта авторемонтникам в общении с транспортным средством нового поколения.
Так, из-за малейшей неисправности (вышедшая из строя катушка зажигания, или кончившийся бензин), в электронной системе управления может возникнуть фатальная ошибка, блокирующая дальнейшую работу установки. Двигатель Аткинсона, никогда не успевающий разогреться до нужных температур самоочистки повсеместно покрывается слоем нагара, выводя из строя свечи и засоряя форсунки. В итоге без регулярной чистки двигателя теряются все преимущества гибридной системы. Аккумуляторная батарея вопреки пожизненной гарантии производителя не является бессмертной, чаще всего приходя в негодность при активном её использовании в режимах ускорений. Параметры разгона при всех режимах весьма посредственны (усугубляет дело и психологический фактор непривычно-монотонного ускорения, который стал причиной отказа от вариаторной трансмиссии у Honda), к тому же неинформативный электроусилитель руля в сочетании с «закусыванием» тормоза при рекуперации, делают невозможным активное вождение машины.
Как заметил один из покупателей автомобиля: «Приус можно выбирать за что угодно - бесшумный старт, необычность устройства, экологичность, дизайн наконец, но не как средство экономии денег». Возможно, желающим иметь автомобиль подобного типа покажется дешевле покупка гибридной в меньшей степени Honda Civic Hybrid, но какое из транспортных средств окажется приемлемее для эксплуатации, будет известно лишь через насколько лет.
Теперешний Prius уже далёк от экспериментального, компания не только не побоялась выпустить второе её поколение, но и расширила модельный ряд гибридов, представив их в каждом из основных классов, обнадёживая нас, что в установке второго поколения были учтены вышеуказанные недостатки, хотя некоторые из них кажутся неизбежными. Очевидно, что нынешние проблемы гибридных установок не более чем шероховатости, через которые проходит автомобилестроение, открывшее новый путь для развития.
Литература:
1. 1.Материалы с официального вёб-сайта компании Тойота:
https://www.toyota.co.jp/en/tech/environment/ths2/
2. 2.Работы профессора С.В. Бахмутова и профессора В.В. Селифонова. Московский автомеханический институт
3. 3.Справочная информация с интернет-сайта www.japcar.ru
4. 4.Журнал "А+С" статья на: www.kanasaka.ru/other/parse.php?url=https://info.__u!r!l!__/exp/5419/