Гибрид

Prius (лат. – идущий впереди) который год собирает национальные и международные призы и награды – в признание достоинств незаурядного автомобиля. Вот и нынче Prius II сподобился 2-х вторых призов в японских конкурсах Автомобиль года 2004 – по 2-м версиям (См. «Лауреаты уходящего года», «Турбо» №12, 2003) – и награды Car of the Year (легковой автомобиль года) от авторитетнейшего американского журнала Motor Trend.

Рис.1. Немаленькая 5 дверная 5 местная машина – при базе в точности как у «Волги» ГАЗ 21. Да и снаряженный вес почти такой же. Великолепная аэродинамика вноситсвой вклад в сбережение топлива и шума на скорости меньше

Если же о сути, то Prius II – переднеприводный хэтчбек среднего класса с фирменным силовым агрегатом HSD (hybrid synergy drive – «гибридный» синергический привод). «Гибрид», причем полный – в отличие от, скажем, Honda Civic IMA (частичный – mild – «гибрид»). Полный «гибрид» вполне способен двигаться на одной только электротяге, тогда как у «частичного» тяговый электромотор лишь помогает д.в.с. в трудную минуту. Замечательное свойство, преувеличить значение которого для перенаселенного мегаполиса трудно.

Рис.2. Батарея тяговых аккумуляторов разместилась под полом багажника

Рис.3. У «приуса» вместительное погрузочное пространство, оно еще увеличивается при складывании задних сидений

Силовой агрегат

«Гибрид» комбинирует бензиновый двигатель внутреннего сгорания с тяговым электромотором; у Prius II д.в.с. – хорошо известный 1,5-литровый 16-клапанник (рис. 4), которым оснащают компактный Yaris – и другие модели на его платформе. Тот же, но модифицированный: д.в.с. «гибрида» работает по так называемому «5-тактному» циклу Atkinson’а/Miller’а. Фазы впуска у него необычно широки; скажем, если у «четверки» Yaris/Echo/ist впуск продолжается примерно 225° (по углу поворота коленвала), то у Prius II – где-нибудь 300°. Значит, клапаны остаются открытыми еще довольно долго после н.м.т., и на ходе сжатия поршень выталкивает часть топливовоздушной смеси из цилиндра обратно во впускной коллектор. Так сказать, такт «обратного выброса» – перед сжатием.

Рис.4. Обратите внимание на две видимые невооруженным глазом особенности мотора. Во первых, поршень в в.м.т., а шатун наклонен к оси цилиндра. Значит, ось коленвала смещена вбок; дезаксиальный кривошипно шатунный механизм. Во вторых, профиль кулачка впускного клапана намного шире, чем выпускного. Увеличенная продолжительность впуска, «5 тактный» цикл. А также обычный тойотовский механизм фазовращения VVT i на впуске

На первый взгляд, совершенная нелепость: зачем же выбрасывать смесь обратно? Ведь тем самым ухудшается наполнение цилиндров. Вот именно: для ухудшения наполнения – и понижения компрессии. Дело в том, что термический к.п.д. (и экономичность) двигателя внутреннего сгорания зависит, строго говоря, не от степени сжатия, а от степени расширения рабочих газов в цилиндрах. У нормального мотора обе степени совпадают; причем повышению степени сжатия препятствует детонация.

Цикл Atkinson’а/Miller’а позволяет разделить степень сжатия и степень расширения (рис. 5). Из-за обратного выброса части топливовоздушной смеси из цилиндров, компрессия (действительная степень сжатия) остается умеренной, и детонация не возникает. У двигателя Prius II необычайно высокая геометрическая степень сжатия (то есть, степень расширения) – 13,0. А реальная степень сжатия у него где-то около 10,5, так что он без возражений работает на 91-м (японском) бензине.

Рис.5. «Пятитактный» цикл Atkinson’а/Miller’а: 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 том то и весь смысл

Один из нестандартных приемов повышения эффективности и экономичности бензинового мотора; оборотная сторона дела – в снижении его отдачи. Раз наполнение цилиндров (намеренно) ограничивается, то крутящий момент и мощность «5-тактного» двигателя ниже, чем обычного. У Prius II он развивает максимальную мощность (ECE) в 57 кВт/78 л.с. при 5000 мин^-1, крутящий момент достигает 115 Нм при 4200 мин^-1. Та же тойотовская 1,5-литровая «четверка» (4-тактная) на шасси Yaris выдает – со степенью сжатия 10,5 – крутящий момент в 143 Нм при 4200 мин^-1 и мощность в 78 кВт/106 л.с. при 6000 мин^-1. Повышение степени расширения рабочих газов от 10,5 до 13,0 требует жертв.

Кроме того, здесь применен так называемый «дезаксиальный» кривошипно-шатунный механизм. Коленвал смещен в сторону от оси цилиндров так, чтобы на рабочем ходу шатун наклонялся меньше. Тогда и боковая сила от давления рабочих газов, прижимающая поршень к зеркалу цилиндра, уменьшается. Трение поршней в цилиндрах снижается [Но только на рабочем ходу – и при умеренных оборотах. При высокой частоте вращения вала силы инерции превышают давление рабочих газов, и сильный наклоншатуна не в ту сторону может приводить к дополнительным потерям трения.], потери меньше.

Если фазы впуска очень широкие (и неизменны), то «на низах» такой двигатель тянет плохо [Если не применить ГРМ с изменяемой продолжительностью впуска – как баварский Valvetronic. Но у Toyota до такого еще не доработались.]; слишком много топливовоздушной смеси выбрасывается обратно. Вот почему «5-тактный» цикл практически применим только в «гибридном» силовом агрегате, где основной крутящий момент при низких оборотах выдает не д.в.с., а тяговый электромотор. Так сказать, берет на себя.

Вот тут они и находят друг друга: д.в.с., плохо приспособленный для работы «на низах» и с малой нагрузкой, – и тяговый электромотор, которому ближе всего именно такие режимы. Бензиновый мотор никогда не крутится «вхолостую»; он моментально глушится, когда от силового агрегата не требуется высокой отдачи, – и вновь пускается [Поскольку бензиновый мотор запускается обращенным альтернатором, то процедура проходит практически незаметно. Без характерного визга и завывания; ведь звуки издает пара шестерня стартера – зубчатый венец маховика. Альтернатор’стартер раскручивает коленвал (через цилиндрический дифференциал) без лишнего шума.], если нужно подзарядить тяговый аккумулятор. Режим «старт-стоп». Или же при интенсивном разгоне – высокой скорости, когда нужны большой крутящий момент и мощность.

И сам по себе высокоэкономичный, «5-тактный» д.в.с. с «дезаксиальным» кривошипно-шатунным механизмом полностью освобождается – благодаря аккумулятору и тяговому электромотору – от работы в невыгодных режимах, где его эффективность невелика (см. «Долгий путь к себе», «Турбо» №1-2, 2002). Здесь ключ к экологическим и экономическим преимуществам «гибридных» силовых агрегатов. Другое коренное достоинство «гибрида» – его способность рекуперировать кинетическую энергию автомобиля при замедлении.

Рекуперирование энергии

Когда вы разгоняетесь, топливо расходуется, чтобы придать машине запас кинетической энергии. А когда тормозите, кинетическая энергия идет на нагрев тормозных дисков (барабанов) и в конечном счете – на отопление атмосферы. Выброшенное топливо – да еще и со вкладом в глобальное потепление. У такого как Prius дело обстоит иначе: при замедлении машина тормозится двигателем, но не бензиновым, а тяговым электромотором, который в нужный момент переключается в режим альтернатора. Кинетическая энергия переходит не в тепло, а в электрическую, – и идет на дозарядку аккумулятора.

Понятно, что рекуперировать удается далеко не всю кинетическую энергию. Если замедление интенсивное, в действие вступают нормальные (дисковые) тормоза, которые, как обычно, рассеивают тепло в атмосфере. Да и при умеренном торможении аккумулятор не успевает в течение секунд поглотить мощный импульс энергии целиком; как известно, батареи не любят быстрой зарядки большими токами [Здесь гораздо лучше подходят емкие конденсаторы. Они в течение, скажем, 10 сек. торможения легко принимают зарядку большими токами, а потом (при разгоне) так же легко отдают энергию обратно. Причем ресурс, как их называют, «ультраконденсаторов» исчисляется десятком тысяч циклов заряд’разряд – в отличие от 500’1000 для хорошего аккумулятора. Их уже пробуют применять на автомобилях с «гибридными» силовыми агрегатами.]. В среднем рекуперируется лишь около 30% кинетической энергии; все же заметно больше, чем ничего.

Трансмиссия

Особого разговора заслуживает трансмиссия «приуса». На первый взгляд, ничего особенного: как пишут во многих изданиях, бесступенчатая – CVT. Неверно, никакой CVT у Prius II нет. У него, собственно, вообще отсутствует коробка передач в обычном понимании – с неподвижными осями валов, планетарная, гидротрансформатор или вариатор. То есть, имеет место цилиндрический дифференциал между д.в.с., альтернатором и выходным валом, но ступени у него никакие не переключаются.

Если всерьез, то у Prius II работает, скажем так, 2-поточная электромеханическая трансмиссия (рис. 6). Уникальная конструкция, подобной которой не найти больше нигде. Тяговый электромотор сидит прямо на выходном валу «гибридного» силового агрегата; с ним все ясно. А вот коленвал д.в.с. вращает водило сателлитов, тогда как вал альтернатора связан с солнечной шестерней. Цилиндрический дифференциал работает здесь подобно центральному в полноприводной трансмиссии: он, как и положено, делит крутящий момент бензинового двигателя на два потока – между солнечной шестерней (альтернатор) и коронной (выходной вал). Делит неравномерно [Зависит просто от соотношения радиусов коронной и солнечной шестерен планетарного ряда. У Prius II где’то 10:3.] (несимметричный!): больше – на выходной вал, меньше – на альтернатор.

Рис.6. Схема трансмиссии «гибрида»: бензомотор, альтернатор/стартер и тяговый электромотор связаны через цилиндрический дифференциал. Бесчисленные варианты взаимодействия

Здесь и идет игра; скажем, если остановить выходной вал (машина уперлась бампером в препятствие), то от коленвала вращается только солнечная шестерня, и вся мощность [Тут важно различать разделение дифференциалом крутящего момента – и мощности; не одно и то же. Момент всегда делится по радиусам ведомых шестерен, а мощность – еще и в зависимости от частоты их вращения. Как известно, мощность на валу пропорциональна произведению его оборотов на крутящий момент. Если коронная шестерня остановлена, то какой бы на нее ни приходился крутящий момент, мощность там равна нулю. Мы не раз видели, как беспомощно буксует одно из ведущих колес, тогда как другое, зацепившееся за поверхность дороги, неподвижно. Момент на неподвижное колесо приходится такой же (симмметричный межколесный диффер), а мощность вся уходит на пробуксовку.] уходит на альтернатор. От него большой ток пойдет на тяговый электродвигатель (когда нужно, добавляется еще и от аккумулятора), который развивает наибольший крутящий момент именно при остановке вала, – что и требуется.

Если же, напротив, сопротивление движению автомобиля невелико (равномерно на умеренной скорости по хорошей горизонтальной дороге), то дифференциал отдает львиную часть мощности прямо на выходной вал. Без заметных потерь; другая часть мощности проходит через альтернатор на тяговый электромотор и там опять суммируется на выходном валу. А почему бы, спрашивается, не посадить альтернатор попросту на коленвал – и устроить электромеханическую трансмиссию [Так называемая последовательная «гибридная» схема – в отличие от параллельной. У последовательных «гибридов» потери в электромеханической трансмиссии больше, чем у параллельных.] в чистом виде?

Рис.7. А вот так своеобразная трансмиссия «приуса» выглядит в натуре. Довольно компактный агрегат

Смысл в том, чтобы в обычных условиях движения сократить потери мощности [И все же потери в цепи альтернатор’электромотор больше, чем в обычной шестеренной коробке передач. Что заметно по максимальной скорости Prius II, которая – по мощности его бензинового двигателя – на удивление невысока. Особенно ввиду его выдающейся аэродинамики…] (они у электромеханической передачи довольно велики) – при сохранении бесступенчатого автоматизма силового агрегата. Итог игры д.в.с., альтернатора и тягового электромотора через дифференциал наглядно выражается графиком крутящего момента на выходном валу (рис. 9) – в зависимости от скорости автомобиля. Как видно, кривая гиперболическая – именно такая, как нужно. Так сказать, тяговая характеристика паровой машины, а она обходится без каких-либо коробок передач.

Ну а когда д.в.с. выключен, тяговый электромотор работает от аккумулятора, – пока тот не «сядет». Понятно, что потоками электроэнергии заведует бортовая электроника – через преобразователь напряжения и тиристорный контроллер. Тоже недешевые, надо сказать, агрегаты. Зато задний ход включается просто реверсированием электродвигателя – без вспомогательных шестерен.

Синергия

Высоковольтная тяговая электросеть Prius II работает с напряжением 500(!) В, электроэнергия запасается в емком и компактном никель-металлгидридном аккумуляторе. Представьте, чего он один стоит; причем ресурс аккумулятора гораздо меньше, чем других агрегатов, и заменять его приходится чаще, чем хотелось бы.

Рис.8. Тиристорный контроллер заведует потоками электрической энергии в сети высокого напряжения

Бесщеточный тяговый электромотор (с постоянными магнитами) выдает до 50 кВт кВт/68 л.с. при 1200-1540 мин^-1, его крутящий момент – 400(!) Нм – не меняется от 0(!) до 1200 оборотов. Троллейбус! Как тут не злоупотребить восклицательными знаками? Как видите, электро– и бензиновый моторы действуют в разных диапазонах оборотов частоты вращения вала, так что прямо суммировать их мощность и моменты нельзя. Наивысший общий крутящий момент – 478 Нм – «гибридный» силовой агрегат выдает при остановке выходного вала и сохраняет его до скорости 22 км/ч. По мере дальнейшей раскрутки момент падает, – как и положено. Наибольшая мощность на выходном валу – 82кВт/113 л.с. – достигается на скорости от 85 км/ч и выше: полный «газ» д.в.с. плюс подпитка электромотора от аккумулятора.

При разгоне, понятно, мобилизуется весь крутящий момент – и бензинового двигателя, и тягового электромотора (с подпиткой от батареи). Максимальную скорость – 170 км/ч – Prius II развивает при длительной мощности (78 л.с.) на бензине. Пиковая мощность (113 л.с.) с разрядом аккумулятора позволяет, видимо, кратковременно достигать скорости и повыше, – благо, аэродинамика «приуса» великолепна.

Рис.9. Кривая крутящего момента на выходном валу «гибридного» силового агрегата (тяговый аккумулятор заряжен и участвует в совместной деятельно сти) в зависимости от скорости автомобиля. Гипербола, идеально соответствующая условиям разгона

Как уже говорилось, Prius II с его своеобразной трансмиссией относится к числу так называемых полных «гибридов». Скажем, с места он трогается без шума и выхлопа – на электротяге (если аккумулятор не «сел», разумеется). Здесь видны совершенно замечательные возможности: вы без промедления начинаете движение – на электромоторе, а тем временем ТЭНы (от аккумулятора) прогревают каталитический нейтрализатор и доводят его до рабочей температуры. Только затем пускается д.в.с. – без обычного при непрогретом нейтрализаторе выброса огромного количества вредных веществ.

Или же движение в городских «пробках» – увы, повседневная реальность не только такого мегаполиса, как Новосибирск. Стадо автомобилей душит пассажиров и окружающих облаками выхлопных газов (которых на «холостом» ходу выбрасывается особенно много), почти не продвигаясь вперед. А теперь представьте, что в стаде только «приусы»: их бензиновые двигатели молчат, а машины периодически продергиваются на электротяге. Лишь изредка у той или иной из них запустится д.в.с. – для подзарядки аккумулятора. Но заметьте, – не на «холостом», а под нормальной нагрузкой.
Так что Prius II – автомобиль необыкновенно «дружественный» для жителя города, в особенности крупного. И экономичный; но рассчитывать, что экономия бензина сама по себе способна окупить сложность конструкции и эксплуатации, – наивно.

Рис.10. Энергетический баланс силового агрегата в разных режимах движения автомобиля. В зонах А тяговый электромотор подпитывается от аккумулятора. В зонах В – наоборот, аккумулятор дозаряжается от альтернатора (в В2 происходит рекуперация части кинетической энергии автомобиля). Бензиновый мотор почти всегда работает в выгодных для него режимах. 1)– кривая мощности, потребной для движения автомобиля; 2)– кривая мощности, отдаваемой д.в.с.

Мораль

Удивительная машина – с самым, наверное, необычным силовым агрегатом изо всех серийных конструкций в мире. Даже роторно-поршневой Renezis от Mazda как-то привычнее. Само совершенство – и сложность. Почти нормальный 16-клапанник + альтернатор/стартер + мощный тяговый электромотор + емкий никель-металлгидридный аккумулятор + тиристорный контроллер + тиристорный же преобразователь напряжения; мало не кажется? Зато трансмиссия практически сведена к нехитрому цилиндрическому дифференциалу, – и отдельных стартера и генератора нет. Баланс налицо.

А есть ли резервы дальнейшего совершенствования? Разумеется; скажем, делать кузов цельноалюминиевым – как у некоторых моделей Audi. Снаряженный вес удастся тогда понизить до 1225-1250 кг, расход топлива станет еще меньше. Затем питание природным газом. Представьте Prius III с мотором на метане: у него чрезвычайно высокое октановое число, и д.в.с. мог бы работать на газе со степенью сжатия 13,0 в нормальные 4 такта – безо всякого ограничения наполнения цилиндров. Как ни странно, двигатель «приуса» на газе выдавал бы больше л.с. и Нм, чем на бензине. И издержки на топливо понизились бы чуть не до нуля, – уже не говоря об экологии. Улет.

Дальше – только полный отказ от двигателя внутреннего сгорания и переход на топливные элементы (ТЭ) на водороде. Силовой агрегат на ТЭ вообще ничего – кроме водяного пара – в окружающую среду не выбрасывает. Но до ТЭ далеко – и высоко (они пока чудовищно дорогие). Да и «нулевой выброс» на водородном топливе – только в узком смысле, на месте действия. Ведь водород нужно получить электролизом воды, а электроэнергию выработать на ТЭЦ или АЭС – с выбросами вредных веществ и с риском для всего живого (Чернобыль). Экологи уже прикинули: «на полный круг» автомобиль с реальным «гибридным» силовым агрегатом оказывается экологически чище, чем с перспективным водородным. Не исключено, что гиганты автомобилестроения своими широкомасштабными проектами автомобилей на ТЭ просто морочат голову общественности. А Prius II – вот он: живой, привлекательный, по разумной цене – в Европе он пойдет (с марта 2004) за 24900 евро. В Северной Америке экологичный автомобиль пользуется государственным дотированием, и Prius II поколения там отдают за 22 тыс. долл.

Вывод: Prius II – продукт самого продвинутого японского автомобилестроения. Предназначен он для перенаселенного Токио – и для Калифорнии, жители которой повернуты на сохранении окружающей их среды. А в нашем солнечном краю ему просто нечего делать – со всеми его непонятными нам достоинствами. Тем более забавно увидеть иногда Prius на улицах Н-ска.

Стандартные сведения. Длина Prius II – 4445 мм, ширина – 1725, высота – 1490. База – 2700 мм, колеи – 1510/1490; снаряженный вес – 1375 кг. Коэффициент сопротивления воздуха – 0,26(!), лобовая площадь – 2,23 м2, аэродинамический фактор – 0,58. Емкость багажника (с 5-ю пассажирами на борту) – 408 л, задние сиденья складываются; бензобак – 45 л.

Подвеска спереди – McPherson, сзади – на сопряженных продольных рычагах; винтовые пружины, поперечные стабилизаторы. Реечный рулевой механизм с сервоусилителем, разумеется, – электрическим. Тормоза дисковые «по кругу», диаметр спереди – 255 мм, сзади – 269 мм. Шины 195/55 R на 16-дюймовых легкосплавных колесах.

С места до 100 км/ч Prius II способен разогнаться за 10,9 сек., объявленная максимальная скорость – 170 км/ч. Средний расход бензина (EU) – лишь 4,3 л на 100 км пробега! Невероятно; небольшого бензобака хватит на 1000 с лишним км пути. Дорогого стоит.