Reklama

Mechanika - Podzespoły - układy jezdne i układy napędowe

Układ napędowy Lexus Hybrid Drive

dokument
pobierz +

Lexus CT 200h posiada w pełni hybrydowy układ napędowy, który ma wszystkie zalety układu szeregowo-równoległego. Pozwala on na korzystanie z obu silników w sposób niezależny (albo silnik elektryczny albo spalinowy) lub równoczesny. Oznacza to oszczędność energii, tak jak w przypadku układów szeregowych i pozwala uzyskać wysokie osiągi tak, jak w przypadku układów równoległych.

Dzięki napędowi Lexus Hybrid Drive model CT 200h rozpędza się imponująco i płynnie, a także jest wyjątkowo cichy. Z drugiej strony otrzymujemy wiodący w klasie poziom zużycia paliwa i wyjątkowo niski poziom emisji zanieczyszczeń.

W pełni hybrydowy układ napędowy drugiej generacji w modelu CT 200h składa się z silnika benzynowego o pojemności 1,8 litra, silnika elektrycznego dużej mocy, prądnicy, wydajnego akumulatora NI-MH, modułu sterującego mocą i przekładni planetarnej, która, w zależności od zapotrzebowania, pozwala sterować przepływem mocy z silnika spalinowego, elektrycznego i prądnicy.

Montaż napędu hybrydowego Lexus Hybrid Drive w modelu Lexusa stał się możliwy dzięki umieszczeniu silnika elektrycznego, prądnicy i przekładni planetarnej w lekkiej i bardzo zwartej obudowie, o rozmiarach porównywalnych z rozmiarami typowej skrzyni biegów. Napęd na przednie koła przekazywany jest płynnie za pośrednictwem przekładni bezstopniowej z elektrycznym układem sterowania typu "Shift-by-Wire".

Silnik elektryczny może pracować razem z jednostką benzynową, wspomagając rozpędzanie pojazdu, albo samodzielnie, napędzając koła podczas jazdy w trybie EV.

Podczas zwalniania lub hamowania, silnik elektryczny pracuje jak prądnica dużej mocy, realizując funkcję odzyskiwania energii. W ten sposób w układzie napędowym Lexus Hybrid Drive optymalizowany jest przepływ energii. W klasycznym układzie napędowym, podczas hamowania lub zwalniania, energia kinetyczna jest tracona w postaci ciepła. W układzie napędowym Lexus Hybrid Drive energia kinetyczna jest odzyskiwana i przekształcana w energię elektryczną gromadzoną w wydajnych akumulatorach.

Poza tym, w trybie EV hybrydowy Lexus charakteryzuje się zerowym poziomem emisji dwutlenku węgla (CO2), tlenków azotu (NOX) i cząstek stałych. W tym trybie pojazd może poruszać się maksymalnie z prędkością 45 km/h, a jego zasięg wynosi maksymalnie dwa do trzech kilometrów.

Silnik o pojemności 1,8 litra pracujący w cyklu Atkinsona

 

Lekki, zwarty, 4-cylindrowy, 16-zaworowy silnik benzynowy o pojemności 1798 cm3 z mechanizmem rozrządu typu DOHC, pracujący w cyklu Atkinsona osiąga moc 99 KM/73 kW przy 5200 obr/min i przekazuje maksymalny moment obrotowy wynoszący 142 Nm przy 4000 obr/min. Zastosowanie cyklu Atkinsona razem z układem recyrkulacji gazów spalinowych (EGR) z chłodnicą oraz trzeciej generacji układem odzyskiwania ciepła z układu wydechowego (EHR) pozwoliło uzyskać bardzo niskie zużycie paliwa oraz niski poziom emisji zanieczyszczeń.

W klasycznym silniku spalinowym powstaje potrzeba wzbogacenia mieszanki paliwowo-powietrznej w celu obniżenia temperatury procesu spalania i ochrony reaktora katalitycznego przed uszkodzeniem lub zniszczeniem. W cyklu Atkinsona zawory zamykają się z opóźnieniem, w związku z czym sprężanie trwa krócej niż rozprężanie. Zatem stopień rozprężania jest większy od stopnia sprężania, co pozwala zmniejszyć straty podczas dolotu i wylotu, a także poprawić sprawność procesu spalania. Temperatura gazów spalinowych jest niższa w porównaniu z silnikiem klasycznym.

Za pomocą kolektora wykonanego ze stali nierdzewnej, układ EGR dostarcza do układu dolotowego dokładnie odmierzoną ilość gazów wylotowych schłodzonych do 130°C – ich początkowa temperatura wynosi 700°C – dodatkowo obniżając temperaturę procesu spalania. Równocześnie układ EGR ogranicza straty doprowadzania mieszanki do cylindra obniżając podciśnienie w kolektorze dolotowym.

Cykl Atkinsona oraz układ EGR przyczyniają się do rzadszego występowania sytuacji, w której powstaje potrzeba wzbogacenia mieszanki paliwowo-powietrznej, w celu obniżenia temperatury procesu spalania i ochrony reaktora katalitycznego przed przegrzaniem. Obniżeniu ulegają również zużycie paliwa i emisja zanieczyszczeń.

Mniejszy, lżejszy i bardziej wydajny układ EHR trzeciej generacji za pomocą przepustnicy w układzie wydechowym kieruje przepływem gazów spalinowych tak, aby skrócić czas rozgrzewania cieczy chłodzącej zaraz po rozruchu silnika. Dzięki temu skrócono również czas ogrzewania powietrza trafiającego do kabiny. Układ EHR zwiększa sprawność hybrydowego układu napędowego i obniża zużycie paliwa, skracając czas rozgrzewania silnika. Dzięki temu, szczególnie w zimne dni, wcześniej można włączyć napęd elektryczny.

Aby dodatkowo obniżyć zużycie paliwa w zimne dni i poprawić komfort w kabinie, w układzie sterowania chłodzeniem silnika wprowadzono elektryczną pompę cieczy chłodzącej. Zastąpiła ona tradycyjną pompę napędzaną paskiem. W ten sposób zmniejszone zostały straty mechaniczne silnika. Zastosowanie pompy elektrycznej nie tylko pozwala na bardziej precyzyjne sterowanie przepływem cieczy chłodzącej, ale również umożliwia korzystanie z układu ogrzewania i klimatyzacji, kiedy silnik nie pracuje. A to z kolei wpływa na zmniejszenie zużycia paliwa.

W silniku o pojemności 1,8 litra znajduje się wiele rozwiązań technicznych poprawiających osiągi i zmniejszających zużycie paliwa. Inteligentny układ zmiennych faz rozrządu (VVT-i) poprawia osiągi silnika w całym zakresie prędkości obrotowych, dopasowując fazy rozrządu zaworów dolotowych i wylotowych do warunków pracy. Układ zwiększa moment obrotowy w zakresie niskich i średnich prędkości obrotowych, a także obniża zużycie paliwa i poziom emisji zanieczyszczeń.

W silniku zastosowano również łożyskowane dźwignie zaworowe, kolektor dolotowy z tworzyw sztucznych ze zoptymalizowanymi kształtami kanałów dolotowych, komorę spalania o zmodyfikowanym kształcie i 12-otworowe wtryskiwacze z długim rozpylaczem. Długie świece zapłonowe o małej średnicy zmniejszają możliwość wystąpienia spalania stukowego. Pierścienie tłokowe o mniejszej sztywności obniżają tarcie zespołu tłok-cylinder. Dysze chłodzące tłoki olejem i kolektor wylotowy ze stali nierdzewnej dodatkowo przyczyniają się do poprawy sprawności silnika. Przedstawione rozwiązania techniczne zwiększają moc silnika, obniżając zużycie paliwa i poziom emisji zanieczyszczeń.

Zblokowany zespół napędowy

 

Lekka, zwarta obudowa, której rozmiary są porównywalne z rozmiarami typowej skrzyni biegów, mieści w sobie silnik elektryczny, prądnicę, przekładnię planetarną i reduktor silnika elektrycznego. Zblokowany zespół napędowy zajmuje centralne miejsce w układzie napędowym Lexus Hybrid Drive.

Znajdująca się w układzie napędowym bezstopniowa skrzynia biegów, jest sterowana za pomocą sygnałów elektrycznych (Shift-by-Wire). Tryb pracy skrzyni biegów jest wybierany za pomocą dźwigni przekładni napędowej, która jest połączona ze skrzynią biegów jedynie za pomocą przewodów elektrycznych. Dźwignia jest tak zaprojektowana, aby po zwolnieniu zawsze wracała do tej samej pozycji neutralnej. Aktualny tryb pracy przekładni można sprawdzić na wyświetlaczu znajdującym się w zespole wskaźników.

Obok dźwigni przekładni napędowej znajduje się włącznik położenia P (postojowego) przekładni automatycznej z wbudowaną lampką kontrolną. Służy on do włączania i wyłączania blokady parkingowej znajdującej się w przekładni. Blokada jest automatycznie wyłączana w chwili ruszania, a włącza się, kiedy zostanie wyłączony hybrydowy zespół napędowy.

Wprowadzono szereg rozwiązań ograniczających hałaśliwość i straty energii, co dodatkowo obniża zużycie paliwa. Zaawansowany proces obróbki mechanicznej kół zębatych zwiększa dokładność wykonania wieńca zębatego przekładni planetarnej, zmniejszając głośność pracy przekładni. Układ smarowania został tak zaprojektowany, aby ograniczyć straty wynikające z pienienia się oleju. Zmniejszono również tarcie między elementami przekładni stosując łożyska stożkowe zamiast kulkowych.

Silnik elektryczny o mocy 82 KM/60 kW

 

Synchroniczny silnik elektryczny o mocy 82 KM/60 kW z magnesem trwałym współpracuje z silnikiem benzynowym, w celu poprawy osiągów samochodu. Może też samodzielnie napędzać koła, kiedy zespół napędowy pracuje w trybie EV. Podczas fazy hamowania, w której odzyskiwana jest energia, silnik pracuje jak prądnica dużej mocy, zamieniając odzyskaną energię kinetyczną na energię elektryczną, gromadzoną w akumulatorach.

Chłodzony powietrzem silnik wytwarza moment obrotowy o wartości 207 Nm przy zerowej prędkości obrotowej. Moment obrotowy silnika jest zwiększany za pomocą przekładni redukcyjnej znajdującej się w zblokowanym układzie napędowym. Jest on zasilany prądem stałym, którego maksymalne napięcie wynosi 650 V. W celu obniżenia zużycia paliwa, podczas normalnej jazdy, jeżeli nie ma zapotrzebowania na maksymalną moc, silnik jest zasilany prądem o niższym napięciu.

 

Prądnica

 

Zastosowana w samochodzie prądnica, podobnie jak silnik elektryczny, jest urządzeniem synchronicznym prądu przemiennego. Prądnica spełnia wiele funkcji w układzie napędowym Lexus Hybrid Drive.

W zespole napędowym nie ma rozrusznika. Prądnica służy zatem do rozruchu silnika spalinowego. W czasie normalnej jazdy, część mocy silnika jest kierowana do kół a część do prądnicy, która za pośrednictwem modułu sterującego mocą (PCU) zasila silnik elektryczny i ładuje akumulatory wysokiego napięcia. Poza tym, sygnał z prądnicy jest wykorzystywany również do sterowania prędkością obrotową silnika spalinowego. Takie rozwiązanie zwiększa możliwości sterowania silnikiem i pozwala uzyskać najwyższą sprawność hybrydowego zespołu napędowego.

Sygnał z prądnicy może wyłączyć silnik spalinowy, kiedy, z punktu widzenia hybrydowego układu napędowego, jego praca jest niepotrzebna. Jeżeli natomiast źródłem napędu Lexusa CT 200h jest tylko silnik elektryczny, w razie potrzeby prądnica uruchomi silnik spalinowy, który zapewni ładowanie akumulatorów, na czas potrzebny do ich naładowania.

Wydajne akumulatory

 

Hybrydowy układ napędowy Lexus Hybrid Drive wykorzystuje akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe o napięciu znamionowym 202 V i mocy 37 KM/27 kW. Pozwalają one modelowi CT 200h na wykorzystywanie do napędu wyłącznie silnika elektrycznego. Akumulatory znajdują się pod tylną częścią podłogi przestrzeni bagażowej i są chłodzone za pomocą wentylatora. Ich rozmiary zostały zmniejszone, aby ograniczyć ich wpływ na aranżację przestrzeni pasażerskiej.

Moduł sterujący mocą (PCU)

 

Moduł sterujący mocą hybrydowego układu napędowego Lexus Hybrid Drive ma rozmiary podobne do rozmiarów 14-woltowego akumulatora i składa się z następujących elementów:

• Wzmacniacza napięcia, którego zadaniem jest zwiększenie napięcia prądu płynącego do silnika elektrycznego, prądnicy i akumulatorów w celu zwiększenia osiągów hybrydowego układu napędowego;

• Falownika w obwodzie silnika elektrycznego i prądnicy, który zamienia prąd stały płynący z akumulatorów na prąd przemienny o napięciu 650 V, służący do zasilania silnika elektrycznego i sporadycznie również prądnicy;

• Przetwornicy napięcia stałego, której zadaniem jest obniżenie napięcia z 202 V, prądu płynącego z akumulatorów, do 14 V, aby mógł on zasilać obwody urządzeń dodatkowych i ładować akumulator pomocniczy.

Przełącznik wyboru trybu jazdy

 

W nowym modelu Lexusa, poza trybem normalnym (NORMAL), kierowca ma możliwość wyboru jednego z trzech dodatkowych trybów pracy (EV, ECO i SPORT) hybrydowego zespołu napędowego, wybieranych za pomocą specjalnego przełącznika. Takie rozwiązanie pozwala na lepsze dostosowanie trybu pracy CT 200h do wybranego trybu jazdy – dynamicznego lub relaksującego - poprawiając albo dynamikę i osiągi auta, albo ekonomiczność jazdy – zużycie paliwa i poziom emisji zanieczyszczeń.

Tryby EV, ECO i NORMAL działają w ramach relaksującego trybu jazdy. W tym przypadku szczególny nacisk jest kładziony na komfort podróżowania, łagodne rozpędzanie oraz minimalizację hałasu i drgań w obrębie nadwozia, zawieszenia i układu napędowego.

Podczas ruszania oraz jazdy z prędkościami poniżej 45 km/h, układ napędowy modelu CT 200h w sposób automatyczny przełącza się w tryb EV, który oznacza korzystanie wyłącznie z silnika elektrycznego. Kierowca może również włączyć tryb EV ręcznie. Ten wyjątkowy tryb pracy jest niedostępny w przypadku samochodów półhybrydowych i wymaga pełnego napędu hybrydowego Lexus Hybrid Drive.

Tryb EV pozwala na poruszanie się po mieście z minimalnym hałasem oraz zerową emisją CO2, NOX i cząstek stałych, przy czym zasięg pojazdu zależy od stopnia naładowania akumulatorów i może wynosić maksymalnie dwa do trzech kilometrów. Ponieważ podczas pracy układu napędowego w tym trybie silnik benzynowy jest wyłączony, tryb EV przyczynia się do znacznego obniżenia całkowitego zużycia paliwa w nowym Lexusie.

Podczas jazdy w trybie ECO, reakcja przepustnicy na gwałtowne wciśnięcia pedału przyspieszenia jest ograniczana, a sterowanie układem klimatyzacji optymalizowane, w celu zapewnienia niższego zużycia paliwa. W zależności od warunków jazdy, tryb ten może pomóc kierowcy zachować relaksujący styl prowadzenia auta, zapewniając jednocześnie zauważalne zmniejszenie zużycia paliwa.

W dynamicznym trybie SPORT silnik elektryczny dostarcza większą moc, maksymalizując osiągi i zwrotność nowego CT 200h. Moduł PCU napędu hybrydowego podwyższa napięcie zasilania o 150 V do wartości maksymalnej 650 V, powodując wzrost całkowitej mocy układu napędowego. Prędkość obrotowa silnika utrzymywana jest w wyższym zakresie, a parametry pracy przepustnicy i zespołu elektrycznego wspomagania układu kierowniczego (EPS) zostają zmienione w celu uzyskania szybszej reakcji na działania kierowcy.

Dodatkowo, tryb SPORT ogranicza wpływ układów stabilizacji toru jazdy (VSC) i kontroli trakcji (TRC) na zachowanie pojazdu, pozwalając kierowcy w pełni wypróbować podwyższoną dynamikę nowego, w pełni hybrydowego Lexusa.

Odmienny charakter trybu dynamicznego i relaksującego w modelu CT 200h jest dodatkowo podkreślany poprzez zmianę wyglądu zestawu wskaźników, odpowiednio do wybranego trybu jazdy. W trybach EV, ECO i NORMAL zestaw wskaźników oraz przełącznik wyboru trybu jazdy są podświetlone na niebiesko, natomiast w momencie wyboru trybu SPORT kolor podświetlenia zmienia się na czerwony. Jednocześnie w miejscu wskaźnika mocy napędu hybrydowego wyświetlany jest obrotomierz.

Inf/zdjęcia LEXUS

Zasoby powiązane


Reklama