Popularność pojazdów z napędem hybrydowym stale rośnie. Również przekrój modeli dostępnych na rynku jest coraz większy. Dzisiaj w portfolio, praktycznie każdego producenta pojazdów, który chce liczyć się na rynku motoryzacyjnym, jest w ofercie chociaż jeden model hybrydowy. Producenci bardzo chętnie sięgają po technologię hybrydową, ponieważ pomaga ona spełnić coraz bardziej rygorystyczne normy emisji spalin.

Różnorodność dostępnych technologii hybrydowych jest ogromna, w tym artykule skupimy się jednak na rozwiązaniu firmy Toyota. Na przykładzie modelu RAV-4 XA40 z 2016 roku, wyposażonego w silnik spalinowy 2.5i Hybrid 2AR-FXE o łącznej mocy układu 145 kW wykonamy analizę pracy systemu podczas jazdy. Rejestrowanie wybranych parametrów jazdy oraz ich późniejszą analizę umożliwił najnowszy sprzęt firmy TEXA, NAVIGATOR TXT MULTIHUB z oprogramowaniem IDC5 CAR.

Napęd hybrydowy w rozpatrywanym samochodzie składa się głównie z silnika spalinowego pracującego w cyklu atkinsona, silniko-generatora MG1, silniko-generatora MG2, przekładni oraz akumulatora trakcyjnego. Samochód ma możliwość jazdy wyłącznie w trybie elektrycznym, wykorzystując tylko silniko-generator MG2. Do rozruchu silnika spalinowego wykorzystywany jest silniko-generator MG1, służy on również do realizowania zmiany przełożenia przekładni e-CVT poprzez zmianę swojej prędkości obrotowej i momentu obrotowego. Silniko-generator MG2 ma za zadanie realizować napęd pojazdu lub wspomagać w tym silnik spalinowy. Może również odzyskiwać energię podczas hamowania.

Na początku przeanalizujemy, jak wyglądają parametry w poszczególnych stanach pracy układu napędowego. Gdy jest włączony tylko zapłon, pojazd nie porusza się, silnik spalinowy jest wyłączony i pozycja pedału przyspieszenia jest równa 0% parametry są zgodne jak na rysunku pierwszym. Prędkości jak i moment obrotowy silniko-generatorów MG1 oraz MG2 wynosi 0.

Podczas delikatnego ruszania oraz przy odpowiednio naładowanym akumulatorze trakcyjnym pojazd porusza się tylko przy pomocy silniko-generatora MG2. Wygenerowany moment obrotowy wynosi prawie 53 Nm. Szczegółowe informacje przedstawia rysunek 2. W takich warunkach widać też, że silniko-generator MG1 nie wytwarza żadnej energii.

Gdy poziom naładowania akumulatora trakcyjnego spadnie poniżej wartości progowej, nawet gdy pojazd jest w stanie spoczynku uruchamiany jest silnik spalinowy, aby wprowadzić w ruch silniko-generator MG1 do ładownia akumulatora. Taki stan przedstawia rysunek 3. Obroty silnika stabilizowane są na poziomie 1280 obr/min. Moment obrotowy z wartością ujemną pokazuje, że silniko-generator stawia opór, czyli jest w trybie generatora. Uwagę zwraca również wysoka wartość prędkości obrotowej silniko-generatora MG1 ponad 4500 obr/min.

Jeżeli pojazdem poruszamy się z niewielką prędkością a energii w akumulatorze trakcyjnym jest na tyle mało, że nie możliwe jest wykorzystywanie jest możliwości jazdy tylko przy pomocy napędu elektrycznego to wspomaga on tylko lekko silnik spalinowy. Wartość momentu obrotowego generowanego przez MG2 wynosił tylko 4,25 Nm. Silniko-generator MG1 w tym czasie jest nastawiony na generowanie prądu do ładowania akumulatora trakcyjnego. Szczegółowe dane przedstawiam rysunek 4.

Lepsze zobrazowanie pracy układu podczas jazdy będzie możliwe wykorzystując wykresy. Skupimy się na wartościach momentów i prędkości obrotowych poszczególnych silników podczas dynamicznego przyspieszania, jazdy ze stałą prędkością w warunkach pozamiejskich oraz hamowaniu z wykorzystaniem układu hybrydowego. Rysunek 5 przedstawia wykresy jak zachowuje się układ napędowy podczas gwałtownego przyspieszania. Na wykresie wyszczególniono parametry dla trzech punktów czasowych, zestawiono je w postaci tabelarycznej dla wyższej czytelności i interpretacji wyników [Tabela 1]. Pierwszy punkt pomiarowy obejmował początek przyśpieszania, widać, że największą rolę odgrywał silnik elektryczny MG2 generując 123 Nm. To między innymi dlatego pojazdy z układem hybrydowym potrafią być tak oszczędne podczas jazdy miejskiej. Najwięcej energii bowiem zużywane jest do wprawienia samochodu w ruch, silnik elektryczny posiada maksymalny moment obrotowy dostępny od najniższych obrotów więc wykorzystuje się go przy każdym ruszaniu z miejsca. Obroty silnika spalinowego wynosiły tylko 1184 obr/min. Silniko-generator MG1 nawet w pierwszej fazie generował już prąd do akumulatora trakcyjnego.

Tabela 1. Zestawienie parametrów pracy układu podczas przyspieszania.

Mniej więcej w połowie przyspieszania (punkt 2), kiedy obciążenie było największe, silniko-generator MG2 dalej bardzo mocno wspomaga silnik spalinowy (moment obrotowy 107Nm). Widać jednak, że silnik spalinowy ma wysoką prędkość obrotową wynoszącą około 3700 obr/min aby mógł w głównej mierze realizować napęd pojazdu i napędzać silniko-generator MG1 do wytwarzania prądu (moment obrotowy MG1 -48,75 Nm). W końcowej fazie (punkt 3) im bardziej wzrasta prędkość pojazdu tym bardziej maleje udział silnika elektrycznego a zwiększa się silnika spalinowego.

Podczas jazdy ze stałą prędkością (rysunek 6) w warunkach pozamiejskich napęd samochodu realizowany jest przy pomocy silnika spalinowego, udział silniko-generatora MG2 wynosi około 6 Nm. Układ poprzez MG1 produkuje energię do ładowania akumulatora trakcyjnego – moment obrotowy na poziomie -43 Nm. Dlatego też w takich warunkach jazdy, samochody z układem hybrydowym nie wykazują znaczących różnic w zużyciu paliwa wobec pojazdów wyposażonych tylko w silnik spalinowy.

Podczas hamowania, silniko-generator MG2 pełni rolę hamulca elektrycznego równocześnie odzyskując energię. Szczegółowo przedstawiono to na rysunku 7. Podczas hamowania silnik spalinowy jest wyłączony. Wartość wygenerowanego momentu przez MG2 wynosi -55,38 Nm. Układ zaprojektowano tak, że jeżeli hamowanie nie jest awaryjne to nie używane są hamulce zasadnicze. Pozwala to wydłużyć ich żywotność.

Podsumowując pojazdy z napędem hybrydowym nie bez powodu cieszą się coraz większą popularnością. Dzięki zastosowaniu silniko-generatorów pozwalają na ograniczenie zużycia paliwa podczas jazdy miejskiej i przedłużenie żywotności zasadniczego układu hamulcowego. Podczas przyspieszania poprawiają osiągi trakcyjne pojazdu. Wykorzystując nowoczesny tester diagnostyczny jesteśmy w stanie zweryfikować jak taki układ zarządza energią podczas jazdy a następnie interpretując wyniki pomiarów ocenić, czy system działa prawidłowo.

Zachęcamy do odwiedzenia strony: https://www.texapoland.pl/produkty