Toyota prius своими руками

Toyota prius своими руками

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.

		Prius (NHW10)	Prius (NHW11)	Prius (NHW20)	Prius (ZVW30)
Начало продаж		1997	2000	2003	2009
Коэффициент аэродинамического сопротивления		Cx = 0,26	Cx = 0,29	Cx = 0,26
Ёмкость, А⋅ч	6,0	6,5	6,5	6,5
Масса, кг	57	50	45	45
Число модулей (число сегментов в модуле)	40 (6)	38 (6)	28 (6)	28 (6)
Всего сегментов	240	228	168	168
Напряжение одного сегмента, В	1,2	1,2	1,2	1,2
Суммарное напряжение, В	288,0	273,6	201,6	201,6
Электродвигатель	Мощность, кВт	30	33	50	60
Мощность, при частоте вращения, кВт/об/мин	43/4000 (1NZ-FXE)	53/4500 (1NZ-FXE)	57/5000 (1NZ-FXE)	98/5200 (2ZR-FXE)
Объем двигателя, л		1,5 (1NZ-FXE)	1,5 (1NZ-FXE)	1,5 (1NZ-FXE)	1,8 (2ZR-FXE)
Синергетический режим: мощность, кВт (л.с.)		58 (78,86)	73 (99,25)	82 (111,52)	100 (136)
Разгон от 0 до 100 км/ч, с		13,5	11,8	10,9	9,9
Максимальная скорость (на электродвигателе), км/ч		160 (40)	170 (60)	180 (60)	—

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.

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

Источник

Как устроен гибридный автомобиль? На примере Toyota Prius

Будущее марки Тойота – это гибридные автомобили. Пока электромобили не совершенны и передвигаются без подзарядки максимум до 150 км. Аккумуляторные батареи гибридных автомобилей получают подзарядку от ДВС, обеспечивая комфорт и экономичность при езде на любые расстояния.

Устройство гибридного автомобиля

Устройство гибридного автомобиля (например, Тойота Приус) основано на последовательно-параллельно схеме. У таких транспортных средств крутящий момент на колеса может подаваться и от мотора, и от мотора-генератора. При этом величина мощности агрегатов варьируется в зависимости от степени заряда и возможностей мотора.

Основу конструкции составляют двигатель внутреннего сгорания, электромотор, два генератора и делитель мощности. Последнее устройство позволяет трогаться и осуществлять движение на малых скоростях исключительно на электромоторе. ДВС в этот момент будет обеспечивать только работу генератора.

Зарядка гибридного автомобиля осуществляется посредством отдельного генератора, поэтому электрический мотор-генератор используется только для привода ведущих колес. Во время высоких нагрузок, таких как подъем в гору или езда на высокой скорости в работу активно подключается бензиновый мотор. Делитель мощности контролирует передачу от крутящего момента ДВС на колеса, перераспределяя часть ее для заряда АКБ и генератора.

Принцип работы гибридного автомобиля

Принцип работы гибридного автомобиля (например, Тойота Приус) состоит в следующем: старт, первоначальный разгон и езду на малых оборотах обеспечивает электрический мотор-генератор, при повышенных нагрузках подключается бензиновый мотор. Компьютер регулирует его работу так, чтобы были обеспечены самые высокие показатели экономичности.

Шестерня делителя мощности, передающая крутящий момент на ведущие колеса, вращается посредством электромотора. Основной принцип действия гибридного автомобиля заключается в формировании передаточного числа трансмиссии делителем мощности, именно он распределяет уровень включенности в работу каждого из моторов.

Такая схема гибридного автомобиля называется последовательно-параллельной. Она соединила все преимущества последовательно и параллельной схем. В итоге инженеры японского автоконцерна смогли создать максимально надежный агрегат, ведь управление крутящим моментом происходит при помощи электроники, исключая участие множественных механических узлов и механизмов.

Рекуперативная система торможения также передает кинетическую энергию на генератор, восполняя запас аккумулятора. Для экстренного торможения применяется обычная фрикционная тормозная система.

Двигатель (ДВС) гибридного автомобиля

Мотор авто, работающего по принципу гибрида, в первую очередь основывается на принципе экономичности. Для Тойота Приус инженеры компании Toyota смогли выпустить агрегат в 1,8 литров мощностью 98 лошадиных сил. Теперь расход Тойота Приус гибрид составляет примерно 4,5 литра на 100 км (5 литров по городу и 3,9 литра по трассе). В холодное время года вне зависимости от режима езды потребление топлива увеличивается в среднем на 2 литра на 100 км. Для заправки завод-изготовитель рекомендует использовать бензин марки АИ-95.

Стоит отметить, что разогнать машину до сотни получится чуть боле, чем за 10 секунд. При этом максимальная скорость авто составит 180 км/ч.

Тип двигателя Тойота гибрид подбирался с точки зрения максимального коэффициента полезного действия. У современных гибридов он составляет 40%. Такие показатели позволило получить использование мотора, работающего по циклу Аткинсона. Основная особенность такого бензинового мотора состоит в том, что сжатие топлива запаздывает за ходом поршня. Оно запускается несколько позже начала движения поршня в верхнюю часть гильзы. Благодаря такой уловке некоторое количество топливно-воздушной смеси возвращается во впускной коллектор.

Данный тип ДВС дал современному мотору Toyota Prius следующие преимущества:

• увеличение рабочего хода поршня;
• повышение КПД;
• уменьшение расхода топлива;
• оптимально подходящая конструкция для работы в узком диапазоне оборотов коленчатого вала;
• 122 лошадиных силы суммарной мощности движущей установки.

Электромотор автомобиля Тойота

В Toyota Prius имеется два электромотора: управляющий и тяговый моторы-генераторы. Оба движка питает АКБ.
Тяговый мотор-генератор обеспечивает авто запуск и первоначальный разгон. Управляющий мотор-генератор отвечает за зарядку гибридного автомобиля, а также выполняет функции стартера.

Как правило, по городу в режиме «старт/стоп» Toyota Prius перемещается исключительно за счет электрической установки.

Мощность электромотора Тойота Приус определяется следующими характеристиками:

Последние модели Prius получили возможность заряжаться и от электрической розетки, что позволило сделать их еще экономичнее. Минус один – полная зарядка аккумулятора составит 6 часов, поэтому пока использование транспортного средства без участия двигателя внутреннего сгорания неудобно для поездок на дальние расстояния.

На борту Тойота Приус аккумуляторных батарей две:

1. Вспомогательная аккумуляторная батарея автомобиля емкостью 45 А/ч.

2. Основная никель-металлгидридная высоковольтная аккумуляторная батарея емкостью 6,5 А/ч и напряжением 201,6 В, состоящая из 168 ячеек.

Особенность устройства основной аккумуляторной батареи автомобиля состоит в том, что они оснащены собственной системой охлаждения.

В свое время Тойота Приус была первопроходцем среди автомобилей гибридов. Сегодня установки типа hybrid удалось усовершенствовать так, что они стали устанавливаться и на другие более массовые модели Toyota, тем не менее Prius заслуженно входит в . Популярность подобной схемы мотора можно объяснить ее экологичностью, экономичностью и надежностью, проверенной годами.

Источник