Технологии ремонта и обслуживания гибридных автомобилей. Школа Сергея Гордеева. Урок третий
Прошлую лекцию в рамках этого цикла мы посвятили устройству Prius. То есть говорили об особенностях этого автомобиля, когда он неподвижно стоит на парковке. Прощаясь с читателем, пообещали, что в следующий раз заведем гибрид и будем его эксплуатировать в разных режимах. В своих рассуждениях перейдем от анализа узлов и агрегатов в статическом состоянии к изучению их взаимодействия в динамике. Будем рассматривать работу этих узлов и агрегатов в разных режимах эксплуатации автомобиля Prius. Впрочем, по возможности коснемся и других вопросов. Итак, TOYOTA Prius – урок третий. Заводим гибрид.
Холодный запуск
Что происходит в конструкции гибрида при запуске холодного двигателя? Motor/Generator1 (далее – MG1), связанный с солнечной шестерней, начинает вращение, используя электроэнергию высоковольтной батареи (ВВБ). В этот момент автомобиль неподвижен, коронная шестерня планетарного механизма, которая связывает силовой агрегат с колесами ТС, будет также неподвижна. MG1, вращая солнечную шестерню через водило сателлитов, передает вращательный момент на вал ДВС. Скорость такого вращения соответствует 1/3,6 от скорости MG1. В отличие от обычного автомобиля, который подает топливо в момент включения зажигания, управляющая программа Prius делает паузу, прежде чем MG1 не разгонит ДВС приблизительно до скорости 1000 об/мин. Это случится меньше чем за 1 секунду. MG1 обладает значительно большей мощностью, чем электродвигатель стартера. Чтобы вращать ДВС с указанной скоростью, он сам должен работать в режиме 3600 об/ мин.
Описанный старт для ДВС не создает почти никакого напряжения, потому что такая скорость соответствует работе двигателя внутреннего сгорания в комфортных режимах холостого хода. Кроме того, запуск ДВС Prius осуществляется только на одной паре цилиндров. В результате такого конструктивного решения обеспечиваются повышенный эксплуатационный комфорт автовладельца, заводящего гибрид, и минимизируется существенный износ деталей двигателя в режиме холодного запуска, характерного для обычных автомобилей.
Здесь сразу обращаю внимание на распространенную ошибку ремонтников и автовладельцев. Они часто звонят мне и спрашивают: что мешает работе ДВС после запуска? Почему он заводится, а секунд через 40 глохнет? На самом деле, пока рамочка «READY» мигает – ДВС НЕ РАБОТАЕТ! Его вращает MG1! Хотя визуально все соответствует работе двигателя внутреннего сгорания: он шумит, из выхлопной трубы идет дым и т. д. Схема такого режима работы очень проста (рис. 1).
Как только ДВС заработал от энергии сгорания углеводородного топлива, блок управления включит процесс управления дроссельной заслонки и установит оптимальную скорость холостого хода. На MG1 перестает поступать напряжение от ВВБ. Если батарея разряжена, MG1из потребителя превращается в электрогенератор, который подзарядит ВВБ. Такой режим обеспечивается управляющей программой, которая регулирует открытие дроссельной заслонки ДВС. В результате при достижении двигателем внутреннего сгорания скорости вращения примерно до 1200 об/мин MG1 начинает работать как генератор электрического тока (рис. 2).
При запуске Prius с холодным двигателем главным приоритетом управляющей программы является разогрев двигателя и каталитического нейтрализатора. В нужный момент включается система управления токсичностью выхлопа. На это, как правило, уходит несколько минут в зависимости от фактической температуры этих агрегатов до начала пуска. В это время программа принимает меры по управлению выхлопом во время прогрева, включая задачу по сохранению несгоревших углеводородов в поглотителе. Потом он (поглотитель) будет очищен работой двигателя в специальном режиме.
Теплый запуск
В случае запуска Prius с теплым двигателем, на К10 и К11 ДВС будет работать в течение короткого промежутка времени на холостых оборотах со скоростью 1000 об/мин, а затем остановится.
К сожалению, на этих моделях невозможно препятствовать запуску ДВС, когда вы планируете без запуска ДВС переместить автомобиль на несколько метров – например, в пределах ремонтной зоны. На К20 и К30 применен другой алгоритм запуска. На таких моделях для перемещения ТС на короткое расстояние следует нажать на педаль тормоза и на кнопку «старт». Если в ВВБ достаточно энергии и вы не включите отопитель салона или стекла – ДВС не запустится, а на табло загорится надпись «READY» («Готов»). Это будет означать, что автомобиль ПОЛНОСТЬЮ готов к движению. Тогда останется лишь переключить джойстик (выбор режимов на К20 и К30 производится с помощью джойстика) в положение «D» или «R» и отпустить тормоз. И вы поедете.
Троганье с места
Напомним, что двигатель внутреннего сгорания Prius всегда находится на прямой передаче. Это означает, что он (ДВС) не сможет в одиночку обеспечить весь крутящий момент для энергичного старта автомобиля с места. Крутящий момент для начального ускорения дополняется мощностью MG2 через вращение коронной шестерни планетарного механизма. Этот механизм связан с редуктором, который затем передает вращение на колеса. Мы уже знаем, что электрические двигатели развивают существенно лучший, по отношению к ДВС, крутящий момент на низких скоростях, поэтому они идеально подходят для обеспечения любого режима движения автомобиля со старта.
Представим себе, что ДВС работает, а автомобиль неподвижен. В таком режиме MG1 всегда вращается в противоположном направлении. В этот момент электроника снимает электрическую энергию с MG1 как генератора и подает ее на мотор MG2. В таком режиме работы силового гибридного агрегата появляется момент противоположного направления, препятствующий вращению ДВС. Он локализован в механизме распределения мощности (PSD). Компенсируя силовые потери агрегата, компьютер увеличивает обороты ДВС. Полученная таким образом дополнительная мощность от двигателя внутреннего сгорания передается на водило сателлитов планетарного механизма. Взаимные моменты, сконцентрированные в PSD, рождают результирующий момент на коронной шестерне, обеспечивающий передачу вращения на колеса автомобиля (рис. 3).
Вспомним, что в планетарном механизме крутящий момент ДВС делится в процентном соотношении 72 : 28 между «короной» и «солнцем». Пока мы не нажали на педаль акселератора, ДВС только бездельничал и не производил никакого выходного крутящего момента. После нажатия обороты добавились и 28% крутящего момента стали вращать MG1. Он начал работать как генератор. Оставшиеся 72% крутящего момента механически распределились на коронную шестерню и, следовательно, на колеса. Одновременно с тем, что большая часть крутящего момента поступает от мотора MG2, ДВС действительно передает крутящий момент к колесам таким образом (рис. 4).
Теперь стоит проследить как 28% крутящего момента ДВС, передаваемых генератору MG1, могут усилить старт автомобиля с помощью мотора MG2. Чтобы сделать это, мы должны ясно различать два понятия: крутящий момент и энергия. Крутящий момент – это вращающая сила, которая по аналогии с прямолинейной силой не требует расхода энергии на поддержание самой силы. Предположим, вы вытягиваете из колодца ведро воды с помощью лебедки. Она (лебедка) отнимает энергию. Если бы лебедка вращалась электромотором, вы должны были бы обеспечить ее электроэнергией. Но, когда ведро поднято наверх и подцеплено крюком за что-нибудь, сила (вес ведра), которая приложена к веревке, и крутящий момент, передаваемый веревкой барабану лебедки, никуда не исчезли. Поскольку она (сила) никуда не перемещается, то нет и никакой передачи энергии. И расхода энергии тоже.
Аналогичная ситуация и с автомобилем. Фактически работающий ДВС 72% крутящего момента передает на колеса. Но, поскольку в таком режиме силового агрегата коронная шестерня не вращается, нет и никаких потоков энергии в этом направлении. Нет и энергетических потерь. Солнечная же шестерня, хотя и получает только 28% момента, вращаясь с высокой скоростью, позволяет MG1 производить значительное количество электрического тока. Этой электроэнергии будет достаточно для того, чтобы MG2 обеспечил механический редуктор, не требующий большой мощности, необходимым крутящим моментом. Значительная часть энергии больших токов, текущих через обмотки мотора MG2, преодолевая электрическое сопротивление, теряется в виде тепла. Но, когда автомобиль со старта начинает медленное движение, этой энергии, поступающей от MG1, бывает вполне достаточно.
В режиме, когда автомобиль только начинает движение, генератор MG1 вращается медленно и производит небольшое количество электроэнергии. При разгоне потребность в электричестве возрастает. Тогда компьютер добавляет обороты ДВС. Усилия, поступающие от двигателя внутреннего сгорания, начинают расти, а это значит, что MG1 через солнечную шестерню будет обеспечен большим вращательным моментом. В результате генерация электроэнергии поднимется на очень высокий уровень. В показанном режиме эксплуатации со старта пониженная скорость вращения ДВС компенсируется увеличением суммарного момента всего силового агрегата.
Мы избегали упоминания о ВВБ до этого места, чтобы стало ясно, почему она не обязательна для приведения автомобиля в движение. Однако большинство троганий с места есть результат управления компьютера, при котором энергия от батареи передается непосредственно к мотору MG2 (рис. 5).
Существуют пределы высоких скоростей ДВС при медленном движении автомобиля. Они обусловлены необходимостью предотвращения поломок MG1, которому приходится вращаться на предельных оборотах. Такая зависимость ограничивает количество энергии, производимой ДВС для движения гибрида. Кроме того, слишком высокие обороты ДВС в режиме плавного трогания своим повышенным шумом могли бы ухудшить комфорт автовладельца.
Схема работает так. Чем сильнее вы нажимаете на акселератор, тем больше ДВС увеличивает обороты, но одновременно и больше энергии поступает от батареи. Если утопить педаль в пол, то примерно 40% энергии будет поступать от ВВБ, а 60% – от ДВС при скоростях, близких к 40 км/ч. Дальнейшее увеличение скорости автомобиля приводит к тому, что двигатель отдает энергии еще больше, приближаясь к величине в 75% при скорости автомобиля 96 км/ч и при полном нажатии педали до пола.
Как мы помним, полная энергия силового агрегата включает работу ДВС и то, что снято с генератора MG1 и передано в виде электричества к мотору MG2. При скорости 96 км/ч MG2 фактически дает больше крутящего момента, и, следовательно, больше мощности к колесам, чем поставляется через планетарный механизм от ДВС. Но большая часть электроэнергии, которую использует MG2, поступает от MG1 и, следовательно, косвенно и от ДВС, а не от ВВБ.
Ускорение и езда в гору
Когда требуется очень большая мощность, ДВС и MG2 совместно создают крутящий момент, чтобы обеспечить автомобиль возможностью старта и ускорения. С ростом скорости уменьшается крутящий момент, который в состоянии выдать MG2, так как он начинает работать на пределе своей мощности. Чем быстрее он вращается, тем меньший крутящий момент может выдать. К счастью, это совпадает с ожиданиями водителя. Когда обычный автомобиль ускоряется, ступенчатая коробка переключается на более высокую передачу и вращающий момент на оси уменьшается так, чтобы двигатель мог понизить свои обороты до безопасного значения. Хотя это делается с использованием абсолютно разных механизмов, Prius создает такие же ощущения, как и ускорения при езде на обычном автомобиле. Главное различие – полное отсутствие «дерганий» при переключении передач в связи с отсутствием самой коробки передач. Чем это достигается?
Мы неоднократно говорили, что ДВС вращает водило сателлитов планетарного механизма. При этом 72% крутящего момента, поступающего от двигателя внутреннего сгорания, через коронную шестерню механически доставляются к колесам. А 28% через солнечную шестерню достаются генератору MG1, который превращает его в электричество. Результирующая электроэнергия питает мотор MG2 и добавляет крутящий момент на коронной шестерне. Чем больше вы нажимаете на акселератор, тем больше крутящего момента производит ДВС.
Если совсем упростить работу силовой схемы гибридного агрегата, то получим следующее. Разгоняя ДВС путем управления дроссельной заслонкой, мы увеличиваем механическую отдачу крутящего момента с прямой передачей ее на колеса ТС и одновременно наращиваем ее за счет прибавки усилий MG2, работающего за счет электроэнергии MG1. В зависимости от различных факторов, таких как состояние заряда батареи, уклон дороги, и особенно от того, как сильно вы нажимаете педаль, компьютер может направлять дополнительную энергию от батареи к MG2, чтобы повысить его вклад в мощность силового агрегата. Таким образом, достигается ускорение, достаточное для движения по шоссе такого большого автомобиля, как Prius с ДВС мощностью всего в 78 л. с. (рис. 6).
С другой стороны, если необходимая мощность не так высока, часть электричества, производимого MG1, может использоваться для зарядки батареи даже в режиме набора скорости. Важно помнить, что двигатель внутреннего сгорания вращает и колеса ТС, и генератор MG1, производящий электричество. Как оно будет использовано и куда будет направлено – определяет контроллер.
Езда на умеренной скорости
Как только вы достигли устойчивой скорости на ровной дороге, мощность, которая поставляется двигателем, расходуется на преодоление аэродинамического сопротивления и трение качения. Это намного меньше, чем мощность, необходимая для езды в гору или разгона автомобиля. Чтобы работать эффективно на низкой мощности, а также не создавать много шума, ДВС работает на низких оборотах. Следующая далее таблица показывает, какая мощность нужна для перемещения автомобиля на различных скоростях по горизонтальной дороге и приблизительные обороты двигателя, который обеспечивает такие режимы эксплуатации.
Обратим внимание, что высокая скорость автомобиля и низкие обороты ДВС ставят устройство распределения мощности в сложное положение, при котором генератор MG1 должен вращаться назад (см. таблицу выше). Работая таким образом, MG1 заставляет сателлиты вращаться вперед. Вращение сателлитов складывается с вращением водила (от ДВС) и существенно ускоряет вращение коронной шестерни. Еще раз отмечу, что различие состоит в том, что в более раннем случае мы были рады с помощью высоких оборотов ДВС получить большую мощность, даже передвигаясь с меньшей скоростью. В этом же случае мы хотим, чтобы ДВС остался на низких оборотах, даже если мы разогнались до приличной скорости, чтобы совместить более низкое потребление мощности с высокой эффективностью.
Из таблицы, посвященной распределению мощности в разных режимах эксплуатации, мы видим, что генератор MG1 должен произвести обратный крутящий момент на солнечной шестерне. Это как бы точка опоры рычага, с помощью которого ДВС вращает коронную шестерню (а значит, и колеса). Без сопротивления MG1 ДВС просто вращал бы этот мотор/генератор вместо того, чтобы приводить в движение автомобиль.
Следует отметить, что при вращении MG1 вперед в силовых цепях появляется обратный вращательный момент. Он может создаваться только генераторной нагрузкой, когда электроника инвертора начинает отбор энергии от MG1. Этим объясняется появление обратного крутящего момента. Но теперь MG1 вращается назад. Как же тогда добиться, чтобы он создавал этот обратный крутящий момент? Хорошо, что бы мы сделали для того, чтобы MG1 вращался вперед и производил прямой крутящий момент? То есть чтобы он работал как мотор. На самом деле, все наоборот: если MG1 вращается назад, и мы хотим получить крутящий момент в том же самом направлении, MG1 должен быть двигателем и вращаться, используя электроэнергию, поставляемую инвертором.
Это начинает выглядеть экзотически. ДВС толкает, MG1 толкает, MG2, что, толкает тоже? Нет никакой механической причины, почему это не может происходить. На первый взгляд это может выглядеть привлекательным. Два двигателя и ДВС – все одновременно вносят свой вклад в создание движения.
Но мы должны помнить, что попали в эту ситуацию, уменьшая обороты ДВС для эффективности работы. Это не было бы эффективным способом получить большую мощность на колесах. Чтобы сделать это, мы должны увеличить обороты ДВС и возвратиться к более ранней ситуации, когда MG1 вращается вперед в режиме генератора. Есть еще одна проблема: мы должны придумать, откуда собираемся брать энергию для вращения MG1, когда он работает в режиме электромоторамотора. Из батареи? На некоторое время мы можем сделать это, но вскоре будем вынуждены выйти из этого режима, оставшись без заряда батареи для ускорения движения или при подъеме в гору. А мы должны получать эту энергию все время, не допуская снижения заряда батареи. Таким образом, мы пришли к заключению, что энергия должна поступать от MG2 непрерывно.
Генератор MG2 производит энергию для мотора MG1? Поскольку и ДВС, и MG1 вносят свой вклад в мощность, которая объединена планетарным механизмом, можно назвать это «режимом объединения мощности». Однако такая идея относительно MG2, производящего энергию для мотора MG1, вступила бы в противоречие с представлениями людей о работе единой системы. А ее название стало бы звучать как «еретический режим».
Давайте снова «пробежимся» по понятию «режим объединения мощности» и постараемся изменить такую точку зрения. ДВС вращает водило сателлитов с низкими оборотами. MG1 вращает солнечную шестерню в противоположном направлении. Это заставляет сателлиты вращаться вперед и увеличивает скорость вращения коронной шестерни, которая все еще получает только 72% крутящего момента ДВС. Но скорость, с которой вращается коронная шестерня, увеличена вращением мотора MG1 назад. Ускорение вращения короны позволяет автомобилю ехать быстрее при низких оборотах ДВС. MG2, что невероятно, сопротивляется движению автомобиля как генератор и производит электричество, которое питает мотор MG1. Автомобиль движется вперед за счет остаточного механического крутящего момента от ДВС.
Вы можете определить, что движетесь в таком режиме, если имеете навык определения скорости вращения ДВС на слух. Дисплей (монитор), включенный в режим отображения работы гибридной системы, показывает подачу энергии от ДВС колесам и мотор-генератору, заряжающему батарею. Картинка может меняться чередованием процессов заряда разряда батареи и подачей электроэнергии на мотор, чтобы вращать колеса. Я интерпретирую это чередование как регулирование генераторной нагрузки MG2 для поддержания постоянной энергии движения.
Движение накатом
Когда вы убираете ногу с педали акселератора, можно сказать, что автомобиль движется накатом. Двигатель не толкает ТС и не тянет его вперед. Движение постепенно замедляется вследствие трения качения и аэродинамического сопротивления. В обычном автомобиле двигатель все еще связан с колесами трансмиссии. Он вращается без топлива и поэтому авто замедляет ход. Этот эффект называют «торможение двигателем».
Prius, в силу конструктивных особенностей, лишен необходимости такого режима. Но, руководствуясь укоренившейся привычкой автовладельцев обычных автомобилей, TOYOTA оснастила свое детище программой имитации торможения двигателем. Когда Prius движется накатом, он замедляется быстрее, чем если бы на него действовали только силы сопротивления качения и аэродинамическое сопротивление. Чтобы производить эту дополнительную замедляющую силу, MG2 включается как генератор и подзаряжает батарею. Его генераторная нагрузка имитирует торможение двигателем (рис. 7).
Для остановки автомобиля двигатель не нужен. Водило сателлитов остановлено, а коронная шестерня все еще вращается, так как MG2 соединен непосредственно с коронной шестерней. Сателлиты вращаются вперед, а MG1 вращается назад. В этот момент электроэнергия не производится и не потребляется, а MG1 просто свободно вращается. Скорость его вращения, как мы знаем, в 2,6 раза выше, чем коронной шестерни.
Что может случиться при резкой остановке ТС? MG1, как мы знаем, может вращаться назад со скоростью более 6500 об/мин, а MG2 имеет противоположное направление вращения. При резком торможении ТС на скорости 67 км/ч и выше, в случае резкой остановки водила сателлитов может случиться серьезная поломка трансмиссии. Чтобы этого не произошло, компьютер включает MG1 как генератор и начинает снимать энергию. Генераторная нагрузка предотвращает превышение оборотов MG1, а водило сателлитов начинает вращаться вперед. Такая защита водила сателлитов и MG1 обеспечивается в режимах эксплуатации ДВС со скоростью до 1000 об/мин, а ТС – до 104 км/ч. На более высоких скоростях водило сателлитов и ДВС вращаются быстрее. Электроэнергия, произведенная MG1 в этом режиме, может использоваться для подзарядки батареи.
Торможение
Если вы планируете замедлить движение автомобиля быстрее, чем при движении накатом, используя сопротивление качения, аэродинамическое сопротивление и торможение двигателем, вы нажимаете на педаль тормоза. В обычном автомобиле это давление передается гидравлическим контуром на колесные тормозные механизмы. Тормозные колодки прижимаются к металлическим дискам или барабанам, и энергия движения автомобиля преобразовывается в тепловую, и автомобиль замедляет движение, а затем останавливается. Prius имеет точно такие же тормоза, но имеет и кое-что еще – регенеративное торможение. Что это такое?
Во время движения накатом MG2 «организует» генераторную нагрузку, которая имитирует торможение двигателем. При нажатии на педаль тормоза увеличивается генерация электроэнергии MG2, что реализуется резким повышением такой нагрузки. В результате автомобиль быстрее замедляет ход. В отличие от тормозов трения, которые тратят впустую кинетическую энергию на производство тепла, электроэнергия, произведенная регенеративным торможением, сохранится в батарее и в дальнейшем будет использована. Компьютер вычисляет, какое замедление будет произведено таким способом, и на соответствующую величину уменьшает гидравлическое давление, передаваемое фрикционным тормозным механизмам.
В обычном автомобиле в режиме эксплуатации крутого спуска вы переключаетесь на пониженную передачу, чтобы увеличить интенсивность торможения двигателем. Силовой агрегат, противодействуя движению, помогает тормозам замедлить скорость. Тот же выбор режима торможения доступен и Prius. Установив рычаг управления ТС в положение «B», вы, собственно, задаете режим, при котором двигатель будет использован и для торможения. Как правило, двигатель в режиме торможения работает в программе «B». Она реализует задачу таким образом, чтобы мотор/генераторы включились в процесс торможения путем управления электрическими потоками, а ДВС вращался без топлива и с почти закрытым дросселем. Сопротивление, которое создает силовой агрегат, работающий в этой программе, эффективно замедляет автомобиль, уменьшая нагревание тормозов, и позволяет ослабить усилия давления на педаль тормоза (рис. 8).
Но помните, что режим «В» применяется только как горный тормоз. Езда по ровной дороге в этом режиме не желательна, так как может привести к выходу из строя трансмиссии.
Prius «ползает» и стартует на электричестве
Обычный автомобиль с автоматической коробкой передач тронется с места, когда вы снимете ногу с педали тормоза. Это побочный эффект работы гидротрансформатора, но он выгодно препятствует автомобилю скатываться назад на подъеме, в тот момент, когда вы переносите ногу на педаль акселератора. В таких случаях говорят: машина «ползет». Инженеры TOYOTA не решились лишать водителей привычных дорожных ощущений: и приятных, и не совсем. Потому что отсутствие традиционных сигналов может негативно отразиться на отработанных алгоритмах действий автовладельца. Для этого, как и в случае с конструктивно-программной имитацией режима торможения двигателем, в Prius также реализован сымитированный эффект «сползания» под гору. Небольшое количество энергии из батареи передается мотору MG2, когда вы отпускаете тормоз. Она мягко отправляет автомобиль вперед (рис. 9).
При нажатии на акселератор поступающая к мотору MG2 энергия будет увеличена и автомобиль поедет резвее. Так как MG2 – мощный двигатель и имеет высокий крутящий момент, вы можете стартовать только на электроэнергии и разгоняться до приличной скорости, пока дорожная ситуация позволяет вам это делать. Чем сильнее вы нажимаете на акселератор, тем скорее ДВС запустится и начнет помогать движению автомобиля своим крутящим моментом и электричеством, произведенным генератором MG1 (рис. 10).
Если вдавите педаль в пол, то ДВС мгновенно заведется. Но для большинства стартов «от светофора» вы отъедете от перекрестка почти в полной тишине, используя только мотор MG2, запитанный от батареи. ДВС остается выключенным, а MG1 будет свободно вращаться назад.
Слегка отвлечемся от режимов эксплуатации и уделим некоторое внимание обслуживанию коробки «скоростей». Что бывает, когда автовладелец забывает об этом важном моменте, можно увидеть на фотографиях (см. с. 53 и 54).
На этом сегодня остановимся. Мы не успели показать режимы «медленное движение и «режим электромобиля» («режим EV»)», «замедление и движение под уклон» и «задний ход». В следующий раз с этого и начнем. Продолжим техникой безопасности при ремонте и обслуживании гибридных автомобилей. Обсудим и другие вопросы. Попытаемся сломать некоторые стереотипы и мифы, которые сложились и продолжают множиться в этом разделе автосервиса. Тема ведь, по большому счету, новая. А все новое всегда пугает. До встречи.
