हाइब्रिड वाहनों में e-CVT असल में कैसे काम करता है?

हाइब्रिड कारों में e-CVT, शास्त्रीय अर्थों में एक गियरबॉक्स नहीं है: इसमें बेल्ट, पुली और गियर दांते नहीं होते। इसके बजाय यह एक ग्रहीय गियर सेट और दो इलेक्ट्रिक मोटरों से बना एक पावर स्प्लिटर है; यह इंजन की शक्ति और जनरेटर की शक्ति को लगातार बदलते अनुपातों में जोड़कर गाड़ी की गति से स्वतंत्र एक गियर जैसा अनुभव देता है। इसीलिए हाइब्रिड में गियर बदलने जैसी कोई चीज़ लगभग नहीं होती।

e-CVT वास्तव में कैसे काम करता है?

इसके नाम का "CVT" हिस्सा भ्रामक है। "electronic continuously variable transmission" शब्द, टोयोटा द्वारा अपने पावर स्प्लिटर डिवाइस को नियामक मानकों में वर्गीकृत करने के लिए चुना गया एक नाम है; यांत्रिक रूप से बेल्ट वाले CVT से इसका कोई संबंध नहीं है। आइए बॉक्स के अंदर मिलने वाली चीज़ों को गिनें: एक कॉम्पैक्ट ग्रहीय गियर सेट, दो इलेक्ट्रिक मोटर, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स और एक नियंत्रण कंप्यूटर। ये सभी इंजन पर बोल्ट किए गए एक ही ट्रांसएक्सल बॉडी में समाहित होते हैं।

सिस्टम के हृदय ग्रहीय गियर में केंद्र में एक सन गियर, उसके चारों ओर घूमते ग्रहीय गियर और इन्हें घेरने वाला एक रिंग गियर होता है। इंजीनियरिंग की दृष्टि से इसका जादू यह है: इन तीन तत्वों में से प्रत्येक से अलग स्रोत जोड़कर एक ही गियर सेट से अनंत संख्या में गियर अनुपात प्राप्त किए जा सकते हैं। हाइब्रिड अनुप्रयोग में सन गियर से जनरेटर (MG1), रिंग गियर से मुख्य ट्रैक्शन मोटर (MG2) और दहन इंजन जुड़ा होता है। इस प्रकार इंजन, जनरेटर और ट्रैक्शन मोटर एक ही यांत्रिक नोड पर मिलते हैं और सिस्टम समानांतर हाइब्रिड मोड में काम करता है।

MG1 और MG2: कार्य विभाजन

दोनों मोटर-जनरेटर का कार्य का दायरा स्पष्ट है। MG1 एक स्थायी चुंबकीय AC मशीन है; दहन इंजन को स्टार्ट करने के लिए यह मोटर और हाई-वोल्टेज बैटरी को चार्ज करने के लिए जनरेटर के रूप में कार्य करती है। इसकी सबसे महत्वपूर्ण भूमिका और भी रोचक है: उत्पन्न बिजली को नियंत्रित करके पूरे ट्रांसमिशन को वास्तव में नियंत्रित करती है। MG2 आमतौर पर दोनों में से अधिक शक्तिशाली मुख्य ट्रैक्शन मोटर है; यह पहियों को टॉर्क देता है और आवश्यकता पड़ने पर ब्रेकिंग के दौरान जनरेटर में बदल जाता है।

पूरा सिस्टम drive-by-wire तर्क पर काम करता है: एक्सीलेटर पेडल और इंजन के बीच कोई सीधा यांत्रिक संबंध नहीं होता, पेडल और गियर लीवर कंप्यूटर को केवल विद्युत संकेत भेजते हैं। कंप्यूटर, हर सेकंड कई बार इष्टतम शक्ति वितरण की पुनर्गणना करके टॉर्क और दक्षता के संतुलन को बनाए रखता है।

शास्त्रीय CVT से अंतर क्या है?

पारंपरिक CVT, दो कोनो-पुली के बीच घूमने वाली एक स्टील पट्टी के साथ निरंतर अनुपात प्रदान करता है। इस संरचना की ज्ञात कमियां हैं: स्टॉप-स्टार्ट ट्रैफिक में पट्टी और पुली का घिसना, तेजी के दौरान आरपीएम की आवाज़ बढ़ने और गति के देर से पीछा करने का अहसास, तथा निरंतर उच्च आरपीएम से होने वाला गूंज। e-CVT इन सभी समस्याओं को यांत्रिक रूप से समाप्त कर देता है, क्योंकि घिसने वाली कोई पट्टी नहीं होती। Toyota के डिज़ाइन में घर्षण वाला कोई तत्व नहीं होता; तरल केवल बेयरिंग और सतत मेश होने वाले प्लैनेटरी गियरों को स्नेहन देता है।

यह अंतर स्वामित्व अनुभव में भी झलकता है। क्लासिक CVT में सुझाए गए बार-बार तेल बदलने के अंतराल हाइब्रिड ट्रांसएक्सल के लिए उसी तरह लागू नहीं होते; क्योंकि इसमें बहुत कम सामग्री का घिसाव होता है। फिर भी आवधिक रखरखाव के अंतराल के लिए वाहन की आधिकारिक रखरखाव गाइड को आधार माना जाना चाहिए।

इंजन आरपीएम को वाहन की गति से स्वतंत्र कैसे रखा जाता है?

आंतरिक दहन इंजन एक संकीर्ण आरपीएम सीमा में सबसे कुशलता से काम करता है। निश्चित गियर अनुपात वाले ट्रांसमिशन इंजन को इस सीमा से बाहर, अकुशल आरपीएम की ओर खींच लेते हैं। e-CVT का समाधान इंजन आरपीएम और पहिया आरपीएम के बीच संबंध को पूरी तरह तोड़ना है: तेजी के दौरान जब पहिया आरपीएम बढ़ता है, कंप्यूटर MG1 के माध्यम से जनरेटर भार को लगातार समायोजित करके इंजन को इष्टतम ईंधन खपत क्षेत्र में बनाए रखता है। इंजन स्टॉप-स्टार्ट में आइडल भी नहीं करता; यदि आवश्यकता न हो तो पूरी तरह बंद हो जाता है।

यदि आप हाईवे पर तेज गति करते समय इंजन के अचानक आरपीएम बढ़ाने को देखें, तो यह कोई खराबी का संकेत नहीं है; यह सिस्टम की दक्षता मैप में इष्टतम क्षेत्र पर स्विच करना है। इसी तरह शहर के भीतर निरंतर त्वरण का अहसास भी यहीं से आता है: MG2 का तात्कालिक टॉर्क गियर बदलाव के बिना एक स्वाभाविक और रैखिक धक्का प्रदान करता है। चूंकि इंजन की गति वाहन की गति से स्वतंत्र रूप से प्रबंधित होती है, इसलिए क्लासिक ट्रांसमिशन का कट-जंप चक्र समाप्त हो जाता है।

पावर स्प्लिटर किन मोड में काम करता है?

एक ही यांत्रिक संरचना, नियंत्रण सॉफ्टवेयर के कारण एक ही हार्डवेयर से बहुत अलग ड्राइविंग स्थितियों को पूरा करती है:

• EV मोड: कम गति और मध्यम टॉर्क पर आंतरिक दहन इंजन पूरी तरह बंद रहता है। यदि पर्याप्त चार्ज हो तो सिस्टम, 40 किमी/घंटा से नीचे लगभग 1.6 किमी तक पूरी तरह इलेक्ट्रिक ड्राइविंग दे सकता है।
• बैटरी चार्जिंग: वाहन के रुके रहने पर इंजन चलाया जाता है और MG1 से बिजली ली जाती है; उदाहरण के लिए ट्रैफिक प्रतीक्षा में या कैटलिटिक कन्वर्टर के गर्म होने की आवश्यकता होने पर यह सक्रिय होता है।
• निम्न गियर समकक्ष: तेजी के दौरान अतिरिक्त इंजन आरपीएम MG1 में जनरेटर के रूप में जाता है, उत्पन्न शक्ति MG2 में मोटर में बदलकर शाफ्ट में टॉर्क जोड़ती है।
• उच्च गियर समकक्ष: हाईवे पर इंजन, पहिये से धीमा होने पर भी आवश्यकता से अधिक टॉर्क उत्पन्न करता है; इस बार MG2 जनरेटर बन जाता है, और शक्ति MG1 को मोटर के रूप में देकर पहिया आरपीएम बढ़ाया जाता है।
• रीजनरेटिव ब्रेकिंग: पहिए से MG2 तक, और वहाँ से बैटरी तक ऊर्जा प्रवाहित होती है; पारंपरिक ब्रेक छोटे आकार में बनाए जाते हैं और अधिक टिकाऊ होते हैं।
• B मोड: ढलान पर उतरते समय मोटर ब्रेक का काम करती है; जब बैटरी उच्च चार्ज स्तर के करीब पहुँचती है, तो सिस्टम स्वतः MG2 से MG1 पर स्विच कर देता है।

दो मोटर-जनरेटरों के बीच विद्युत शक्ति के इस प्रकार निर्देशित होने से एक और लाभ मिलता है: आंतरिक दहन इंजन को औसत भार के अनुसार छोटा और अधिक कुशल बनाया जा सकता है; तात्कालिक टॉर्क की आवश्यकता बैटरी पूरी करती है। रिवर्स गियर के मामले में कोई यांत्रिक गियर बिल्कुल नहीं होता; कंप्यूटर MG2 के फेज क्रम को उलटकर ऋणात्मक टॉर्क लागू करता है। पेट्रोल पूरी तरह समाप्त होने पर सिस्टम सिद्धांत रूप में बिजली से चलता रह सकता है; व्यवहार में शेष ऊर्जा से 1-2 मील आगे बढ़ना संभव है।

रखरखाव और जीवनकाल की अपेक्षा

e-CVT वाले हाइब्रिड का रखरखाव कार्यक्रम पारंपरिक वाहन के समान है: तेल और फिल्टर परिवर्तन इंजन के लिए होते हैं, ट्रांसएक्स के लिए कोई नियमित हस्तक्षेप कार्यक्रम नहीं होता। हाइब्रिड पक्ष में ध्यान देने योग्य वस्तुओं में बैटरी कूलिंग फिल्टर, कूलेंट और स्पार्क प्लग जैसी चीजें शामिल हैं। निर्माताओं के रखरखाव कैलेंडर उदाहरण के लिए 5,000 मील से 150,000 मील तक की अवधियों को कवर करते हैं; इस कैलेंडर के लिए ट्रांसएक्स के लिए कोई विशेष कार्रवाई आवश्यक नहीं है।

जीवनकाल की अपेक्षा के बारे में ऑनलाइन समुदायों में दावेदार आंकड़े घूमते हैं; हालाँकि, सत्यापित स्वतंत्र डेटा के अभाव के कारण "500,000 मील चलेगा" जैसे कथनों को निश्चित जानकारी नहीं मानना चाहिए। ठोस तथ्य यह है: यांत्रिक रूप से घिसने वाली बेल्ट न होने से यह डिज़ाइन एक साधारण CVT की प्रमुख कमजोरी को संरचनात्मक रूप से समाप्त कर देता है। एक व्यावहारिक चेतावनी भी नामकरण से जुड़ी है: "CVT" शब्द की क्लासिक बेल्ट-वाली ट्रांसमिशनों से जुड़ी धारणाओं को हाइब्रिड पर लागू करना अनावश्यक है; इन दोनों तंत्रों में केवल निरंतर अनुपात का विचार साझा है।

नुकसान और विवादास्पद पहलू

एक ईमानदार तकनीकी मूल्यांकन यह भी स्वीकार करना चाहिए कि सिस्टम विवादरहित नहीं है। शक्ति-विभाजन आर्किटेक्चर में यांत्रिक शक्ति और विद्युत शक्ति के बीच निरंतर रूपांतरण होता रहता है; कुछ इंजीनियरिंग बहसों में यह तर्क दिया जाता है कि इस रूपांतरण श्रृंखला के नुकसान सीरीज़ हाइब्रिड दृष्टिकोण की तुलना में अधिक हो सकते हैं। यह राय कि वैकल्पिक दो-मोटर आर्किटेक्चर सरल गियर संरचना के साथ आंतरिक घर्षण नुकसान को कम करते हैं, उसी बहस का हिस्सा है। रिजेनरेटिव ब्रेकिंग की दक्षता के बारे में यह नहीं भूलना चाहिए कि आदर्श परिस्थितियों में भी गतिज ऊर्जा का केवल एक हिस्सा ही बिजली में बदला जा सकता है।

इसके बदले में शक्ति-विभाजन की वास्तुकला की सरलता को नज़रअंदाज़ नहीं किया जा सकता: एक ग्रहीय गियर सेट, दो विद्युत मशीनें और एक कंप्यूटर से एक क्लासिक ट्रांसमिशन, अल्टरनेटर और स्टार्टर मोटर का पूरा काम हो जाता है। पुर्जों की कम संख्या, यांत्रिक भार का वितरण और घर्षण वाले तत्वों का न होना, इस डिज़ाइन को इंजीनियरिंग की दृष्टि से अत्यंत सुंदर बनाता है।

निष्कर्ष: गियरबॉक्स नहीं, बल्कि एक बुद्धिमान शक्ति वितरक

e-CVT को एक गियर प्रणाली के रूप में आंकने की कोशिश करना विषय के सार को चूक जाना है। यह इंजन और पहियों के बीच के अनुपात को यांत्रिक रूप से स्थिर या बदलने वाला एक बॉक्स नहीं है; यह इंजन, जनरेटर और ट्रैक्शन मोटर की शक्ति को क्षणिक आवश्यकता के अनुसार गणितीय रूप से विभाजित और संयुक्त करने वाला एक वितरण नोड है। बेल्ट रहित, गियर रहित और घर्षण वाले तत्व से मुक्त इसकी संरचना शहर में निरंतर त्वरण और लंबी दूरी पर शांत चाल दोनों को एक ही तंत्र से प्रदान करती है। हाइब्रिड की ओर देखने वाले एक खरीदार के लिए "CVT का डर" यहाँ अपना अर्थ खो देता है; यहाँ समझने योग्य चीज़ किसी ट्रांसमिशन से अधिक, एक अच्छी तरह से इंजीनियर की गई ऊर्जा प्रबंधन प्रणाली है।

स्रोत

• Hybrid Synergy Drive
• Toyota हाइब्रिड सिस्टम कैसे काम करता है: शुरुआती लोगों के लिए गाइड
• E-CVT क्या है और यह CVT से कैसे भिन्न है?
• e-CVT बनाम CVT ट्रांसमिशन: क्या अंतर है?
• E-CVT क्या है?
• Toyota के Hybrid Synergy Drive के भीतर
• हाइब्रिड वाहन - University of Tennessee at Chattanooga
• Toyota का नया हाइब्रिड सिस्टम विकसित करना
• Toyota का संपूर्ण हाइब्रिड रखरखाव कार्यक्रम
• नफरत मत करें - eCVT उत्तम ट्रांसमिशन हैं!