Как на самом деле работает e-CVT в гибридах?

e-CVT в гибридных автомобилях - это не коробка передач в классическом понимании: в ней нет ремня, шкивов и шестерён передач. Вместо этого она состоит из одного планетарного ряда и двух электромоторов, образуя силовой распределитель; она объединяет мощность двигателя и мощность генератора в постоянно меняющихся пропорциях, обеспечивая ощущение передачи, не зависящее от скорости автомобиля. Именно поэтому в гибридах переключение передач практически отсутствует.

Как на самом деле работает e-CVT?

Часть "CVT" в названии вводит в заблуждение. Выражение "electronic continuously variable transmission" - это название, выбранное Toyota для классификации своего силового распределительного устройства в регуляторных стандартах; механически оно не имеет ничего общего с ремённым CVT. Перечислим, что находится внутри корпуса: компактный планетарный ряд, два электромотора, силовая электроника и управляющий компьютер. Всё это собрано в едином корпусе трансаксла, прикрученном к двигателю.

Планетарная передача - сердце системы - состоит из центральной солнечной шестерни, вращающихся вокруг неё шестерён-сателлитов и охватывающей их коронной шестерни. Инженерная магия в том, что, подключив к каждому из этих трёх элементов разные источники, от одного планетарного ряда можно получить бесконечное множество передаточных отношений. В гибридной конфигурации к солнечной шестерне подключается генератор (MG1), к коронной шестерне - главный тяговый электромотор (MG2) и двигатель внутреннего сгорания. Таким образом, ДВС, генератор и тяговый электромотор встречаются в одном механическом узле, и система работает в режиме параллельного гибрида.

MG1 и MG2: разделение задач

Функциональные обязанности двух мотор-генераторов чётко определены. MG1- это машина переменного тока с постоянными магнитами; она служит стартером для запуска двигателя внутреннего сгорания и генератором для зарядки высоковольтной батареи. Но её по-настоящему важная роль ещё интереснее: регулируя вырабатываемую электроэнергию, она фактически управляет всей трансмиссией. MG2 же обычно является более мощным из двух главным тяговым электромотором; он передаёт крутящий момент на колёса и при необходимости превращается в генератор во время торможения.

Вся система работает по принципу drive-by-wire: между педалью газа и двигателем нет прямой механической связи, педаль и рычаг передач отправляют на компьютер только электрический сигнал. Компьютер много раз в секунду пересчитывает оптимальное распределение мощности, поддерживая баланс между крутящим моментом и эффективностью.

Чем это отличается от классического CVT?

Традиционный вариатор обеспечивает бесступенчатую передачу с помощью стального ремня, вращающегося между двумя конусными шкивами. У этой конструкции есть известные недостатки: износ ремня и шкивов в режиме «старт-стоп», ощущение, что при разгоне обороты растут по звуку, а скорость отстаёт, и гул из-за постоянно высоких оборотов. e-CVT полностью устраняет все эти проблемы механическим путём, поскольку в ней нет ремня, который мог бы изнашиваться. В конструкции Toyota отсутствуют элементы трения; жидкость лишь смазывает подшипники и постоянно находящиеся в зацеплении планетарные шестерни.

Это различие отражается и на опыте владения. Рекомендуемые частые интервалы замены масла для классического CVT не применимы к гибридным трансмиссиям в том же виде, поскольку износ материалов там значительно меньше. Тем не менее для интервалов периодического обслуживания следует руководствоваться официальным руководством по обслуживанию автомобиля.

Как обороты двигателя удерживаются независимо от скорости автомобиля?

Двигатель внутреннего сгорания наиболее эффективно работает в узком диапазоне оборотов. Коробки передач с фиксированным передаточным отношением выводят двигатель за пределы этого диапазона, на неэффективные обороты. Решение e-CVT состоит в том, чтобы полностью разорвать связь между оборотами двигателя и оборотами колёс: при разгоне, когда обороты колёс растут, компьютер непрерывно регулирует нагрузку генератора через MG1, удерживая двигатель в зоне оптимального расхода топлива. Кроме того, двигатель не работает на холостом ходу в режиме «старт-стоп»; при ненадобности он полностью отключается.

Если вы заметили, что на трассе двигатель внезапно повышает обороты, это не признак неисправности; это переход системы в оптимальную зону карты эффективности. Точно так же отсюда берётся ощущение непрерывного ускорения в городе: мгновенный крутящий момент MG2 обеспечивает естественную и линейную тягу без переключения передач. Поскольку обороты двигателя управляются независимо от скорости автомобиля, исчезает цикл рывков и провалов, характерный для классических коробок передач.

В каких режимах работает силовой распределитель?

Благодаря управляющему программному обеспечению одна и та же механическая конструкция охватывает самые разные режимы движения единым аппаратным решением:

• Режим EV: На низкой скорости и при среднем крутящем моменте двигатель внутреннего сгорания полностью выключен. При достаточном заряде система может обеспечить полностью электрическую езду примерно на 1,6 км на скорости ниже 40 км/ч.
• Зарядка батареи: Двигатель запускается, когда автомобиль стоит, и электроэнергия снимается с MG1; это задействуется, например, при ожидании в пробке или когда необходимо прогреть каталитический нейтрализатор.
• Эквивалент пониженной передачи: При разгоне избыточные обороты двигателя идут в MG1 как генератор, а вырабатываемая мощность превращается MG2 в тяговый момент, добавляя крутящий момент на вал.
• Эквивалент повышенной передачи: На трассе двигатель медленнее колёс, но вырабатывает больше крутящего момента, чем требуется; в этот раз генератором становится MG2, а мощность подаётся на MG1 как двигатель, увеличивая обороты колёс.
• Рекуперативное торможение: Энергия передаётся от колеса к MG2, а оттуда - к батарее; обычные тормоза делаются меньшего размера и служат дольше.
• Режим B: На спусках он обеспечивает торможение двигателем; когда заряд батареи приближается к высокому уровню, система автоматически переключается с MG2 на MG1.

Такое перераспределение электрической мощности между двумя мотор-генераторами даёт ещё одно преимущество: двигатель внутреннего сгорания можно уменьшить в соответствии со средней нагрузкой и спроектировать более эффективным; потребность в мгновенном крутящем моменте покрывает батарея. Что касается заднего хода, механической передачи здесь нет вообще - компьютер меняет порядок фаз MG2 на обратный, создавая отрицательный крутящий момент. При полном израсходовании бензина система в принципе может продолжать работать на электричестве; на практике на оставшейся энергии можно проехать 1-2 мили.

Обслуживание и ожидаемый срок службы

Программа обслуживания гибрида с e-CVT похожа на таковую для обычного автомобиля: замена масла и фильтров касается двигателя, а для трансакселя нет регулярной программы вмешательств. С гибридной стороны внимание уделяется таким элементам, как фильтр охлаждения батареи, охлаждающая жидкость и свечи зажигания. Графики обслуживания производителей охватывают, например, интервалы от 5 000 до 150 000 миль; этот график не требует специальных процедур для трансакселя.

Что касается ожидаемого срока службы, в онлайн-сообществах циркулируют смелые цифры; однако, поскольку проверенных независимых данных нет, заявления вроде «прослужит 500 000 миль» не следует принимать как достоверную информацию. Надёжным является следующий вывод: эта конструкция, в которой нет механически изнашиваемого ремня, конструктивно устраняет главное слабое место обычного вариатора. Добавим и практическое предупреждение, связанное с названием: переносить на гибриды ассоциации, связанные со словом «CVT» и классическими ременными трансмиссиями, излишне; единственное, что объединяет эти два механизма, - идея бесступенчатого изменения передаточного отношения.

Недостатки и спорные аспекты

Честная техническая оценка должна признать, что система небесспорна. В архитектуре разделения мощности происходит постоянное преобразование между механической и электрической энергией; в некоторых инженерных дискуссиях утверждается, что потери этой цепочки преобразований могут быть больше, чем у подхода последовательного гибрида. К той же дискуссии относится и мнение, что альтернативные архитектуры с двумя двигателями, имеющие более простую зубчатую структуру, снижают внутренние потери на трение. Что касается эффективности рекуперативного торможения, следует помнить, что даже в идеальных условиях в электричество можно превратить лишь часть кинетической энергии.

Вместе с тем нельзя игнорировать архитектурную простоту разделения мощности: с одним набором планетарной передачи, двумя электрическими машинами и одним компьютером выполняется вся работа классической коробки передач, генератора и стартера. Малое количество деталей, распределение механической нагрузки и отсутствие элементов трения делают эту конструкцию чрезвычайно элегантной с инженерной точки зрения.

Заключение: не коробка передач, а интеллектуальный распределитель мощности

Попытка рассматривать e-CVT как систему переключения передач означает упустить суть вопроса. Это не коробка, которая механически фиксирует или изменяет передаточное отношение между двигателем и колёсами; это распределительный узел, который математически делит и объединяет мощность двигателя, генератора и тягового электромотора в зависимости от текущей потребности. Конструкция без ремня, без передач и без элементов трения обеспечивает как плавное ускорение в городе, так и тихую езду на длинных дистанциях с помощью единого механизма. Для покупателя, присматривающегося к гибриду, "страх перед CVT" здесь теряет смысл; понимать нужно не коробку передач, а хорошо спроектированную систему управления энергией.

Источники

• Hybrid Synergy Drive
• How the Toyota Hybrid System Works: A Beginner's Guide
• What Is An E-CVT And How Is It Different From A CVT?
• e-CVT vs. CVT Transmission: What's the Difference?
• What Is E-CVT?
• Inside Toyota's Hybrid Synergy Drive
• Hybrid Vehicles - University of Tennessee at Chattanooga
• Toyota's Develops New Hybrid System
• The Complete Toyota Hybrid Maintenance Schedule
• Don't Hate - eCVTs Are Genius Transmissions!