Toyota Prius: Двадцать лет меж двух миров

По оценке аналитиков компании Schaeffler, к 2030 году до 70% новых машин будут иметь чисто электрический или гибридный привод. И эта компания уже разрабатывает узлы для своих клиентов – крупнейших производителей автомобилей. Сейчас гибридные модели есть в программе большинства автопроизводителей.


У подзаряжаемого Toyota Prius cзади расположе- на батарея увеличенной емкости. 8,8 кВт.ч вместо 4,4 у обычной версии

Сложность – это выгодно

Первым серийным автомобилем с гибридным приводом стал Toyota Prius –родоначальник целой плеяды моделей. Он построен по смешанной параллельно-последовательной схеме. Потоки мощности от бензинового ДВС, работающего по циклу Аткинсона, и двух электромоторов-генераторов сходятся в планетарном редукторе, а оттуда передаются на ведущие колеса. Один мотор-генератор связан с солнечной шестерней, другой – с коронной, а ДВС – с блоком сателлитов. От участия электромотора, связанного с внутренней шестерней, зависит передаточное отношение, то есть степень передачи усилия от ДВС. Некоторые режимы работы этого агрегата, который Toyota назвала Hybrid Synergy Drive, напоминают вариатор. Бензиновый мотор, разумеется, используется и для подзарядки батареи. Управляющий блок следит за уровнем заряда и при снижении его до критического уровня принудительно включает двигатель, даже если машина движется в режиме электромобиля.

Главное достоинство гибридов в том, что они собирают излишки мощности, производимой двигателем. При замедлении кинетическая энергия автомобиля расходуется и на нагрев тормозов. Генератор позволяет вместо этого зарядить аккумулятор (рекуперация), что особенно полезно в городском режиме, когда поток часто останавливается на перекрестках.

Этот силовой агрегат с небольшими изменениями дошел уже до четвертого поколения Toyota Prius. После оптимизации и подбора нужных мощностей ДВС и электромоторов, а также емкости батарей агрегаты были установлены и на другие модели Toyota – Yaris, Auris и пр.

Интересно реализован гибридный привод на полноприводном кроссовере Lexus RX 450h. Впереди у него размещен силовой агрегат, аналогичный по конструкции Toyota Prius. А задние колеса приводит электромотор. Никаких карданных валов, не нужны дифференциалы, муфты и блокировки – регулировка передачи тягового усилия на задние колеса производится электротехнически.

Силовой агрегат Toyota Prius обеспечивает плавное изменение передаточного числа и подключение ДВС и двух электромоторов в разных режимах

Конкурирующие соседи

Успехи японцев не дают покоя корейским производителям. К примеру, Hyundai решила доказать, что собирается не только успешно конкурировать, но и обскакать признанного «короля гибридов» Toyota. Пока ничего революционного конструкторы Hyundai не изобрели – они комбинируют, складывая пазлы из узлов известных конструкций. Большие надежды возлагаются на новинку Hyundai Ionic, вышедшую сразу в трех ипостасях: электромобиль и два гибрида – обычный и подключаемый. В гибридном силовом агрегате к бензиновому 4-цилиндровому мотору Kappa объемом 1,6 л, работающему по циклу Аткинсона, пристыкован 43-сильный электромотор-генератор, а дальше идет шестиступенчатая роботизированная коробка с двумя сцеплениями. Трогаться с места надо на электротяге. Да и не только трогаться, запаса энергии в аккумуляторах достаточно для пробега до 43 км. Бензиновый двигатель подключается, когда требуется более динамичная езда или назрела потребность подзарядки батареи. 

BMW 530e iPerformance

Европейский подход

Недавно появившийся седан BMW 530e iPerformance – очередной подключаемый гибрид в линейке баварского производителя после X5, X1, «трешки», «семерки» и Active Tourer. Его силовой агрегат представляет собой турбонаддувную «четверку», работающую в тандеме с восьмиступенчатым «автоматом», только между ними вместо гидротрансформатора встроен 113-сильный электродвигатель. Гениальная замена! Вместо того чтобы с помощью сложного гидродинамического узла исправлять врожденно неудобную тяговую характеристику ДВС, использован электрический мотор-генератор. В тяговом режиме электромотор выдает недюжинный крутящий момент непосредственно с нулевых оборотов, а при торможении он же в качестве генератора заряжает батарею. Трогание и первичный разгон – самые тяжелые для ДВС режимы движения – производятся на электротяге, далее по мере необходимости подключается ДВС. В качестве опции предлагается устройство беспроводной зарядки, способное полностью заправить аккумулятор часа за три.

Аналогично устроен и подключаемый гибрид Audi A3 e-tron, но коробка передач в нем шестиступенчатый «робот» с двумя сцеплениями – любимая трансмиссия группы Volkswagen.

Слово из-за океана

Таким образом, мы видим два подхода в конструировании гибридного привода: комбинирование с обычной автоматической трансмиссией либо организация так называемого синергетического агрегата (электромеханического вариатора), который объединяет и распределяет тягу ДВС и электромоторов. Первый вариант предпочитают европейские компании, второй, кроме Toyota, выбрала и General Motors для своего подключаемого гибрида Chevrolet Volt, поступившего в продажу в 2010 году. В Европе известен «брат» этой модели Opel Ampera. В конструкции гибридного силового агрегата Volt имеются ДВС, планетарный редуктор и два мотор-генератора. Однако управление в сравнении с Toyota организовано иным способом: подключение компонентов и блокировка элементов осуществляются с помощью трех фрикционов. Первый присоединяет к трансмиссии ДВС, второй – мотор-генератор, а третий фиксирует коронную шестерню – в этом режиме Volt едет на одной электротяге. Полностью заряженный гибрид Volt без подключения ДВС способен проехать до 55 км.

Гибридный агрегат Volt сложнее, чем у Toyota. Три фрикциона срабатывают довольно часто и при этом изнашиваются. Соответственно, уровень безотказности и показатели ресурса силового агрегата GM меньше, чем у гибридных агрегатов Toyota, которые показывают высокий уровень надежности. Большинство неисправностей японского привода связано с электронными компонентами типа инвертора или с огрехами обслуживания.

Ради чего же американцы отдали предпочтение более сложной схеме? Видимо, была задача построить что-то собственное, без копирования патентованной конструкции. Кроме того, в США для владельцев электромобилей предоставляют налоговые льготы, и GM называла Volt не гибридом, а электромобилем с дополнительным источником энергии на борту. Дескать, при сравнительно коротких поездках водитель может вообще не использовать ДВС, ограничиваясь электричеством из аккумуляторов. В инструкции даже есть пункт, касающийся того, что бензин в баке надо выработать, если в течение года ДВС не включался.

К гибридам можно отнести электромобили, в которых в качестве дополнительного модуля используется двигатель для подзарядки. У BMW i3 среди опций предусмотрен Range Extender. Этот бензиновый двухцилиндровый мотор 0,65 л/ 28 л.с. не связан с колесами, а предназначен только для подзарядки аккумулятора. За счет выработки 9-литрового бака он способен продлить запас хода еще примерно на 150 км.



Новинки

По появлению новинок на рынке видно, что и другие фирмы активно развивают гибридизацию. В частности, Honda разместила свою гибридную установку i-MMD, известную по применению на Accord 2014 года, на кроссовер CR-V. BMW продолжает использовать схему с электромотором, размещенным между ДВС и АКП. Заявлено, что концептуальный флагманский кроссовер BMW X7 с мощной батареей сможет проехать на электротяге уже 100 км. Mercedes-Benz показал свой новый подключаемый гибрид S 560 e, который расходует фантастически мало топлива – чуть более 2 л/100км. Правда, запас хода на электротяге довольно скромный – около 50 км. Гибридная установка S 560 e не имеет революционных решений в конструкции: конструкторы состыковали трехлитровый 367-сильный ДВС с 122-сильным электромотором и 9-ступенчатым «автоматом». А Toyota объявила о новой стратегии в отношении гибридов: одни будут нажимать на экономичность, другие – на динамику. Примером «заряженного» гибрида стал представленный на Франкфуртском автосалоне концепт Toyota CH-R Hy-Power, о подробных технических данных которого пока не сообщается.

Перспективы

Популярный у европейских конструкторов вариант, когда к АКП пристыковывают электромотор (иногда вместо гидротрансформатора) – менее затратный на сегодняшний день, так как не подразумевает глобальных переделок. Но «японско-американский» более сложный вариант перспективнее благодаря компактности и эффективности, хотя и требует больше вложений.

Темпы внедрения гибридов в ближайшие годы будут довольно высокими – Volvo, Maserati, Jaguar уже объявили о том, что к 2020 году все их автомобили станут получать либо чисто электрический, либо гибридный привод. К 2030 году планирует полностью электрифицировать выпускаемые автомобили Ford, это собирается сделать и Mazda. Но есть и исключение –Lexus, который начал выпуск гибридов вскоре после Toyota, намерен отказаться от них. Это подразделение Toyota решило, что надо переходить на электромобили. Тем не менее доля гибридов в парке будет только нарастать в ближайшие два десятилетия как минимум.

Cправка

Гибридный привод – привод, сочетающий различные источники энергии. Самый распространенный включает ДВС и электромотор. Возможны и другие: сочетание ДВС и пневмопривода или любого двигателя и маховика.

Цикл Аткинсона в отличие от цикла Отто, используемого в большинстве бензиновых двигателей, имеет более длинный такт рабочего хода. Он реализован благодаря дополнительному механизму. Такой ДВС меньше шумит и расходует меньше бензина, при этом сложнее и имеет худшие характеристики. Однако в составе гибридного привода его недостатки незаметны.

Параллельная схема – когда колеса соединены с обоими двигателями и могут приводиться как от одного из них, так и от обоих вместе.

Последовательная  схема – когда привод колес осуществляет только электромотор, а ДВС используется для привода генератора, который питает электромотор и заряжает аккумулятор. Последовательный привод без аккумулятора – электротрансмиссия.

Дмитрий Лазо