Jak naprawdę działa e-CVT w hybrydach?

e-CVT w samochodach hybrydowych nie jest przekładnią w klasycznym rozumieniu: nie zawiera paska, kół pasowych ani kół zębatych przełożeń. Zamiast tego składa się z jednego zestawu kół zębatych planetarnych i dwóch silników elektrycznych, tworząc dystrybutor mocy; łącząc moc silnika spalinowego z mocą generatora w stale zmiennych proporcjach, zapewnia wrażenie zmiany biegów niezależne od prędkości pojazdu. Właśnie dlatego w hybrydach praktycznie nie ma czegoś takiego jak zmiana biegów.

Jak naprawdę działa e-CVT?

Część nazwy "CVT" jest myląca. "electronic continuously variable transmission" to nazwa wybrana przez Toyotę w celu sklasyfikowania jej dystrybutora mocy w normach regulacyjnych; mechanicznie nie ma on nic wspólnego z CVT paskowym. Wymieńmy, co znajdujemy wewnątrz obudowy: kompaktowy zestaw kół zębatych planetarnych, dwa silniki elektryczne, energoelektronikę i komputer sterujący. Wszystko to zostało zebrane w jednej obudowie przełącznika zamocowanej do silnika śrubami.

Koło zębate planetarne, będące sercem układu, składa się z centralnego koła słonecznego, kół planetarnych krążących wokół niego oraz koła koronowego, które je otacza. Pod względem inżynieryjnym magia polega na tym, że: podłączając różne źródła do każdego z tych trzech elementów, z jednego zestawu kół zębatych można uzyskać nieskończoną liczbę przełożeń. W rozwiązaniu hybrydowym do koła słonecznego podłączony jest generator (MG1), do koła koronowego główny silnik napędowy (MG2) oraz silnik spalinowy. W ten sposób silnik spalinowy, generator i silnik napędowy spotykają się w tym samym węźle mechanicznym, a układ pracuje w równoległym trybie hybrydowym.

MG1 i MG2: Podział zadań

Definicja pracy dwóch silników-generatorów jest jasna. MG1 to maszyna AC z magnesami trwałymi; pełni rolę rozrusznika silnika spalinowego oraz generatora ładującego baterię wysokonapięciową. Najciekawsza jest jednak jego właściwie kluczowa rola: regulując wytwarzaną energię elektryczną, kontroluje całą przekładnię. MG2 natomiast jest zazwyczaj mocniejszym z obu głównym silnikiem napędowym; przekazuje moment obrotowy do kół, a podczas hamowania zamienia się w generator.

Cały układ działa w oparciu o logikę drive-by-wire: między pedałem gazu a silnikiem nie ma bezpośredniego połączenia mechanicznego; pedał i dźwignia zmiany biegów wysyłają do komputera jedynie sygnał elektryczny. Komputer, przeliczając optymalny podział mocy wiele razy na sekundę, zachowuje równowagę między momentem obrotowym a wydajnością.

Czym różni się od klasycznej skrzyni CVT?

Tradycyjna skrzynia CVT zapewnia płynne przełożenia za pomocą stalowego paska obracającego się między dwoma stożkowymi kołami pasowymi. Ta konstrukcja ma znane wady: węzeł ruchu stop-and-go powoduje zużycie paska i kół pasowych, odczucie rosnącego dźwięku obrotów przy przyspieszaniu, gdy prędkość nadąża z opóźnieniem, oraz buczenie wynikające ze stałych wysokich obrotów. e-CVT całkowicie eliminuje te problemy mechanicznie, ponieważ nie ma w nim paska, który mógłby się zużywać. W konstrukcji Toyoty nie ma elementów ciernych; płyn jedynie smaruje łożyska i stale zazębiające się koła planetowe.

Ta różnica przekłada się także na doświadczenie posiadania. Zalecane częste interwały wymiany oleju w klasycznej CVT nie znajdują zastosowania w skrzyniach hybrydowych w takim samym zakresie; ponieważ zużycie materiału jest znacznie mniejsze. Mimo to dla okresowych interwałów serwisowych należy kierować się oficjalną instrukcją obsługi pojazdu.

Jak utrzymywane są obroty silnika niezależnie od prędkości pojazdu?

Silnik spalinowy pracuje najwydajniej w wąskim zakresie obrotów. Skrzynie o stałym przełożeniu wyprowadzają silnik poza ten zakres, na nieefektywne obroty. Rozwiązaniem e-CVT jest całkowite rozłączenie połączenia między obrotami silnika a obrotami kół: podczas przyspieszania, gdy obroty kół rosną, komputer stale reguluje obciążenie generatora poprzez MG1, utrzymując silnik w obszarze optymalnego zużycia paliwa. Silnik nie pracuje też na biegu jałowym podczas zatrzymań w ruchu miejskim; gdy jest niepotrzebny, całkowicie się wyłącza.

Jeśli podczas jazdy autostradą zauważysz, że obroty silnika nagle rosną, nie jest to oznaka usterki; to przejście do optymalnego obszaru mapy wydajności układu. Podobnie stąd pochodzi poczucie ciągłego przyspieszania w mieście: natychmiastowy moment MG2 zapewnia naturalny i liniowy napęd bez zmian biegów. Ponieważ obroty silnika są zarządzane niezależnie od prędkości pojazdu, znika cykl szarpania i przerywania charakterystyczny dla klasycznych skrzyń biegów.

W jakich trybach pracuje przekładnia rozdzielająca moc?

Ta sama konstrukcja mechaniczna dzięki oprogramowaniu sterującemu obsługuje bardzo różne sytuacje jazdy jednym sprzętem:

• Tryb EV: Przy niskiej prędkości i średnim momencie silnik spalinowy jest całkowicie wyłączony. Jeśli jest wystarczający naładowanie, system może zapewnić około 1,6 km czysto elektrycznej jazdy poniżej 40 km/h.
• Kiedy bateria jest rozładowana Gdy pojazd stoi, uruchamiany jest silnik i pobierana jest energia z MG1; włącza się na przykład podczas oczekiwania w korku lub gdy katalizator musi się rozgrzać.
• Odpowiednik niskiego biegu: Podczas przyspieszania nadmiarowe obroty silnika trafiają do MG1 jako generator, a wytworzona moc jest przekazywana do MG2, dodając moment na wał.
• Odpowiednik wysokiego biegu: Na autostradzie silnik produkuje więcej momentu niż to konieczne, ale wolniej niż koła; wtedy MG2 staje się generatorem, a moc jest przekazywana do MG1 jako silnik, zwiększając obroty kół.
• Hamowanie rekuperacyjne: Energia płynie z kół do MG2, a stamtąd do baterii; konwencjonalne hamulce są mniejsze i bardziej trwałe.
• Tryb B: zapewnia hamowanie silnikiem na zjazdach; gdy bateria zbliża się do wysokiego poziomu naładowania, system automatycznie przełącza z MG2 na MG1.

Przekierowanie mocy elektrycznej między dwoma silnikami-generatorami w ten sposób przynosi jeszcze jedną dodatkową zaletę: silnik spalinowy można zmniejszyć i zaprojektować bardziej wydajnie w odniesieniu do średniego obciążenia; chwilowe zapotrzebowanie na moment obrotowy pokrywa bateria. Jeśli chodzi o bieg wsteczny, nie ma żadnego mechanicznego biegów; komputer odwraca kolejność faz MG2, stosując ujemny moment obrotowy. Gdy benzyna całkowicie się skończy, system może w zasadzie nadal działać na prądzie; w praktyce na pozostałej energii można przejechać 1-2 mil.

Konserwacja i oczekiwana żywotność

Harmonogram konserwacji hybrydy z e-CVT jest podobny do tego w pojeździe konwencjonalnym: wymiany oleju i filtrów dotyczą silnika, natomiast nie ma rutynowego programu obsług dla transaksa. Po stronie hybrydowej zwraca się uwagę na elementy takie jak filtr chłodzenia baterii, płyn chłodzący i świece zapłonowe. Harmonogramy konserwacji producentów obejmują na przykład przedziały od 5 000 do 150 000 mil; ten harmonogram nie wymaga żadnych specjalnych zabiegów dla transaksa.

W kwestii oczekiwanej żywotności w społecznościach internetowych krążą ambitne liczby; ponieważ jednak brak zweryfikowanych niezależnych danych, twierdzeń typu "wytrzyma 500 000 mil" nie należy traktować jako pewnej informacji. Pewne jest następujące spostrzeżenie: ten konstrukcja, która mechanicznie nie ma paska podlegającego zużyciu, strukturalnie eliminuje główny słaby punkt zwykłej przekładni CVT. Dodajmy też praktyczne ostrzeżenie dotyczące nazewnictwa: przenoszenie na hybrydy skojarzeń związanych ze słowem "CVT" z klasycznymi przekładniami paskowymi jest zbędne; jedyne, co te dwa mechanizmy mają wspólnego, to idea przełożeń bezstopniowych.

Wady i kwestie sporne

Uczciwa ocena techniczna musi również przyznać, że system nie jest pozbawiony kontrowersji. W architekturze rozdziału mocy stale zachodzi konwersja między mocą mechaniczną a elektryczną; w niektórych dyskusjach inżynierskich podnosi się, że straty w tym łańcuchu konwersji mogą być większe niż w podejściu hybrydy szeregowej. Częścią tej samej dyskusji jest również pogląd, że alternatywne architektury z dwoma silnikami, dzięki prostszej konstrukcji przekładni, zmniejszają wewnętrzne straty tarcia. Jeśli chodzi o sprawność hamowania rekuperacyjnego, należy pamiętać, że nawet w idealnych warunkach tylko część energii kinetycznej może zostać przekształcona w energię elektryczną.

Z drugiej strony nie można pominąć prostej konstrukcyjnej architektury rozdziału mocy: zestawem kół zębatych pojedynczej planety, dwoma maszynami elektrycznymi i komputerem wykonuje się całą pracę klasycznej przekładni, alternatora i rozrusznika. Mała liczba części, rozkład obciążeń mechanicznych i brak elementów ciernych sprawiają, że ta konstrukcja jest inżyniersko niezwykle elegancka.

Podsumowanie: Nie Skrzynia Biegów, lecz Inteligentny Rozdzielacz Mocy

Próba oceniania e-CVT jako systemu biegów to pominięcie sedna sprawy. To nie jest skrzynia, która mechanicznie ustala i zmienia przełożenie między silnikiem a kołami; węzłem dystrybucyjnym, który matematycznie dzieli i łączy moc silnika, generatora i silnika trakcyjnego zgodnie z bieżącym zapotrzebowaniem. Konstrukcja pozbawiona paska, biegów i elementów ciernych zapewnia zarówno nieprzerwane przyspieszanie w mieście, jak i cichą jazdę w trasie za sprawą jednego mechanizmu. Dla kupującego patrzącego na hybrydy "strach przed CVT" traci tu sens; tym, co trzeba zrozumieć, nie jest przekładnia, lecz dobrze zaprojektowany system zarządzania energią.

Źródła

• Hybrid Synergy Drive
• Jak działa hybrydowy układ Toyoty: przewodnik dla początkujących
• Czym jest E-CVT i czym różni się od CVT?
• Skrzynia e-CVT a CVT: jakie są różnice?
• Czym jest E-CVT?
• W środku hybrydy Toyoty
• ... - University of Tennessee at Chattanooga
• Toyota opracowuje nowy system hybrydowy
• Kompletny harmonogram serwisowania hybryd Toyoty
• Nie nienawidź - eCVT to genialne skrzynie biegów!