Die nuwe Hybrid Synergy Drive-stelsel wat in die jongste Prius gebruik word, is omvattend hersien en verbeter. Altesame 90 persent van die komponente is herontwerp om die stelsel ligter en meer kompak te maak. Die nuwe ontwerp bied meer krag, doeltreffender werking in koue weerstoestande, ‘n toename in brandstofdoeltreffendheid en ‘n aansienlike vermindering in CO2-emissies.
Afgesien van die verbetering in verrigting is die algehele brandstofverbruik met 9 persent besnoei. Die toename in enjingrootte van 1,5 tot 1,8 liter het beteken dat die algehele ratverhouding verbeter kon word, wat op sy beurt laer enjintoere by hoër snelhede verseker. Die gevolg is ‘n verbetering van tot 10 persent in brandstofverbruik oor lang afstande. In die standaard-bestuursmodus gebruik die nuwe Prius net 4,1 liter/100 km (Europese gekombineerde siklus). Met ‘n petrolverbruik soortgelyk aan dié van ‘n klein stadsmotor het die nuwe Prius ‘n reikafstand van 1 150 kilometer op ‘n vol tenk – 150 kilometer meer as die bestaande model, ten spyte daarvan dat die grootte van die petroltenk dieselfde gebly het.
Die nuwe Prius voldoen maklik aan die strenge Euro 5-emissiestandaarde en sal na verwagting ook aan die Euro 6-standaarde voldoen wanneer dié ingestel word. Die Prius se CO2-emissies kan deur geen ander gesinsmotor geëwenaar word nie en is aansienlik benede die vlak van 140 gm/k wat gespesifiseer word vir die instelling van ‘n voorgestelde emissiebelasting in Suid-Afrika. Wanneer die motor in die unieke EV (Elektriese Voertuig)-modus bestuur word, is daar vir ‘n afstand van tot 2 kilometer teen 50 km/h geen emissies hoegenaamd nie.
Argitektuur van die Hybrid Synergy Drive-stelsel
Die Hybrid Synergy Drive-stelsel van die nuwe Prius is ‘n volle hibriedstelsel wat al die voordele van ‘n serie/parallelle kragoorbringstelselontwerp bied. In teenstelling hiermee gebruik die flou hibriedstelsels wat in mededingende voertuie aangetref word, ‘n parallelle uitleg.
In ‘n parallelle hibriedstelsel word die aanvullende elektriese motor net gebruik om die verrigting van die konvensionele petrolenjin aan te jaag wanneer die bestuurder versnel. Die petrolenjin en die elektriese motor werk altyd parallel en kan nie onafhanklik van mekaar krag aan die dryfwiele lewer nie. Hoewel hierdie soort stelsel ‘n kleiner en ligter batterystel vereis as ‘n volle hibriedstelsel, bied die parallelle hibriedvoertuig nie die uitmuntende brandstofekonomie en lae emissies van ‘n volle hibriedvoertuig nie. Laasgenoemde het die voordeel dat dit vir kort afstande, wanneer die voertuig net deur die elektriese motor aangedryf word, geen emissies hoegenaamd vrystel nie.
Wat ook op die mark beskikbaar is, is serie-hibriedvoertuie waarin net die elektriese motor krag aan die dryfwiele lewer. Die petrolenjin word net gebruik om die battery(e) te laai. Hoewel hierdie soort hibriedvoertuig wel minder emissies vrystel, vereis dit ‘n groter en swaarder batterystel as die serie/parallelle stelsel. ‘n Serie-hibriedvoertuig kan ook nie die hoë verrigting en volgehoue hoë kruissnelheid van ‘n serie/parallelle hibriedvoertuig soos die Prius ewenaar nie.
As ‘n volle hibriedvoertuig kan die nuwe Prius onafhanklik in die petrol- of die elektriese modus bedryf word, sowel as in ‘n kombinasie van albei stelsels. Die Prius se Hybrid Synergy Drive-stelsel kombineer die beste eienskappe van die serie- sowel as die parallelle stelsel en spog met indrukwekkende, ononderbroke versnelling en stille verrigting tesame met klasleier-brandstofekonomie en die laagste moontlike emissievlakke.
Die jongste Prius se Hybrid Synergy Drive-stelsel bestaan in wese uit ‘n Atkinsonsiklus-petrolenjin van 1,8 liter in kombinasie met ‘n kragtige elektriese motor en generator. Hierdie komponente is verbind aan ‘n hoëverrigtingbatterystel via ‘n kragbeheereenheid. ‘n Kragverdelingstoestel, gebaseer op ‘n planeetratstel, kombineer en herverdeel die krag van die enjin, die elektriese motor en die generator op grond van die bedryfstoestande.
Die vernaamste rede vir die sukses van die Hybrid Synergy Drive-stelsel in die Prius is dat die elektriese motor, generator en die kragverdelingstoestel almal gehuisves is in ‘n enkele, uiters kompakte en liggewig-transmissiekas wat ongeveer so groot soos die ratkas van ‘n konvensionele voorwielaangedrewe motor is. In sy jongste vorm is energieverliese deur hierdie stelsel met tussen 10 en 20 persent verminder.
Tydens remming en spoedvermindering funksioneer die elektriese motor as ‘n hoëleweringsgenerator wat help om die energiebestuur in die Hybrid Synergy Drive-stelsel te optimaliseer deur kinetiese energie (energie wat normaalweg verlore gaan tydens remming en spoedvermindering) om te skakel tot elektriese energie, wat dan in die batterystel opgeberg word.
Atkinsonsiklus-enjin
Die nuwe Prius is toegerus met ‘n 1,8 liter-petrolenjin (1 798 cm3). In die tweede geslag-model is ‘n 1,5 liter-enjin gebruik. Die maksimum-krag en -wringkrag van die 1,8 liter-enjin is onderskeidelik 27 en 23 persent hoër as dié van die 1,5 liter-kragbron.
Hoewel die gebruik van ‘n groter en kragtiger enjin moontlik gesien kan word as teenstrydig met die algehele oogmerk om brandstofekonomie te optimaliseer, beteken die groter verplasing van die nuwe enjin dat dit met groter doeltreffendheid by kruissnelhede bedryf kan word, wat bydra tot die beter algehele verbruik.
Met ‘n maksimum-kraglewering van 73 kW by 5 200 r/min en 142 Nm wringkrag by 4 000 r/min lewer die nuwe enjin ook meer wringkrag by laer enjintoere. Trouens, ‘n ekstra 32 Nm is beskikbaar tussen 2 200 en 2 500 r/min. By ‘n kruissnelheid van 120 km/h is die nuwe Prius opmerklik stiller, terwyl daar ‘n 12 persent-verbetering is in langafstand-brandstofekonomie.
‘n Atkinsonsiklus-enjin verskil van ‘n konvensionele binnebrandenjin in die opsig dat die kompressie en uitsetting van die gasse nie simmetries is nie en dat die kleppe laat sluit en gevolglik volle kompressie vertraag. Hierdie siklus skep ‘n hoë gasuitsettingsverhouding met minder kompressie om inlaat- en uitlaatenergieverliese te bekamp. In die proses word ontbrandingsenergie doeltreffender in enjinkrag omgeskep.
In kombinasie met ‘n verkoelde Uitlaatgasresirkulasie (UGR)-stelsel – ‘n nuwe innovering in die jongste Prius – bied die Atkinsonsiklus-enjin aansienlike voordele ten opsigte van brandstofdoeltreffendheid en lae emissies.
Met die UGR-stelsel word presies afgemete volumes uitlaatgas, verkoel van 880oC tot 150oC, weer in die inlaatstelsel ingevoer om die werktemperatuur van die enjin te verlaag. Dit verminder ook enjinpompverliese deur die inlaatvakuumdruk te verminder.
Saam minimaliseer hierdie tegnologieë situasies waarin brandstofverryking
nodig sou wees om uitlaatgastemperature te verlaag en dit beskerm die katalitiese omsetter teen oorverhitting. Dit verbeter brandstofekonomie verder en verminder ook emissies.
Talle verbeteringe is aan die nuwe 1,8 liter-enjin aangebring om verrigting te verbeter en om brandstofverbruik en emissies te verlaag. VVT-i (Variable Valve Timing-intelligent)-tegnologie help om die enjinreaksie deur die hele toerebestek te verbeter deur die lug/brandstof-inlaat- en die kleptydreëling te wissel om op enige gegewe tydstip by die bedryfstoestande aan te pas. Wringkrag by lae en medium enjinsnelhede word verhoog, terwyl brandstofdoeltreffendheid verbeter en emissies verminder word.
Hierdie nuwe enjin is ook toegerus met roltuimelarm-klepaandrywing, ‘n harsinlaatspruitstuk met ‘n geoptimaliseerde poortkonfigurasie en 12 gat-, langnosselbrandstofinspuiters vir optimum-petrolverstuiwing. Klein, langdeursnee-, langreik-vonkproppe help om enjinklop te bekamp. Die suierspanning is minder, en so ook suierwrywing. ‘n Vaste oliestraal verskaf verkoeling aan die suiers, terwyl ‘n SUS-pyp-uitlaatspruitstuk help om uitlaatgasse doeltreffend uit die enjin te verwyder. Dit help enjindoeltreffendheid aan. Gesamentlik dra hierdie gevorderde tegnologieë by tot verbeterde kraglewering, tesame met ‘n afname in brandstofverbruik en emissies.
Afgesien van die lae petrolverbruik en laer emissievlakke is een van die glanspunte van Toyota se nuwe Hybrid Synergy Drive-stelsel sy ultra-lae GVH (Geraas, Vibrasie en Hardheid)-kenmerke. Met die oog hierop is die rigiditeit van die enjinkomponente, insluitende die silinderblok en krukkas, geoptimaliseer deur die gebruik van RG (Rekenaargesteunde Genieuring)-ontleding. Die geribde aluminiumsilinderkopdeksel is nie net lig nie, maar dit help ook om geraas en vibrasie te beperk.
Deur die hele installasie is besonder baie aandag daaraan geskenk om die deurvoer van geraas en vibrasies te beperk. Die enjin self is op ‘n vierpunt-veerstelsel gemonteer, waarvan die rubbermonterings ontwerp is om geraas en vibrasie te onderdruk. ‘n Dinamiese tweestapdemper is in die enjinmontering geïntegreer om geraas en vibrasie verder te onderdruk en ook om skokke wat deur die aan- en afskakel van die enjin veroorsaak word, te demp.
Die nuwe enjinhittebestuurstelsel kombineer ‘n hitteherwinningstelsel met ‘n elektriese waterpomp. Die elektriese pompstelsel vervang die bandgedrewe waterpomp en verminder meganiese kragverliese. Die elektriese pomp beheer die vloeikoers van die enjinkoelmiddel nie net noukeuriger nie, maar dit beteken ook dat die kajuitverhittingstelsel gebruik kan word sonder dat die enjin loop. Dit verminder petrolverbruik verder.
Die uitlaathitteherwinningstelsel herlei uitlaatgas om die enjinkoelmiddel te verhit wanneer die enjin aangeskakel word. Dit verminder opwarmingstyd en verbeter ook die doeltreffendheid van die hibriedstelsel, en gevolglik die algehele brandstofdoeltreffendheid, deurdat die enjin vroeër afgeskakel kan word vir langer periodes waarin net die elektriese motor gebruik word, veral in koue weer. Die stelsel verseker ook dat die kajuit vinniger verhit word in koue weerstoestande.
Hibried-transasstelsel
Die kern van die Hybrid Synergy Drive-stelsel is ‘n herontwerpte transasstelsel. Die transas is gehuisves in ‘n kompakte en liggewig-transmissiekas – ongeveer dieselfde grootte as die ratkas van ‘n konvensionele voorwielaangedrewe motor. In die kas is die elektriese motor, generator, kragverdelingstoestel en die motor se spoedverminderingstoestel.
Die nuwe transas het ‘n nuwe veelfunksie-ratreeks met ‘n hoë vlak van meganiese integrasie, insluitende ‘n spoedverminderingsrat. In vergelyking met sy voorganger is die lengte met 12,5 mm en die massa met 20 kg verminder.
Talle maatreëls is getref om komponentgeraas te verminder. Energieverliese is tot 20 persent verminder om brandstofverbruik te beperk. ‘n Gevorderde ratmasjineringsproses is gebruik om die noukeurigheid van die planeetkransrat te verseker, wat op sy beurt transmissiegeraas tot die minimum beperk. Die smeringstelsel is hersien om kragverliese te beperk en die wrywing tussen transaskomponente is aanmerklik verminder deur die tapse laers wat voorheen gebruik is, met koeëllaers te vervang.
Die ononderbroke transmissie van die Prius se volle hibriedaandrywingstelsel word beheer deur ‘n elektroniese, rekenaarbeheerde ratskakelstelsel (Shift-by-Wire). Die rathefboom is so ontwerp dat dit altyd na sy “tuis”-posisie terugkeer wanneer dit gelos word. Die ratposisie word aangedui op die inligtingsvertoon in die instrumenthuls voor die bestuurder.
Langs die rathefboom is ‘n parkeerskakelaar met ‘n kliklig. Dit word gebruik om die parkeerremmeganisme in die transmissieratstel te sluit of te ontkoppel. Die parkeerslot word outomaties ontsluit wanneer die bestuurder van stilstaan af wegtrek en outomaties gesluit wanneer die motor afgeskakel word.
Die 60 kW- elektriese motor
Die nuwe Prius is toegerus met ‘n sinchrone, hoëverrigtings- elektriese motor van 60 kW met ‘n permanente magneet wat in tandem met die petrolenjin werk om versnelling aan te help. Dit verskaf op sy eie krag aan die dryfwiele wanneer die motor in die EV-modus bestuur word. Gedurende regeneratiewe remming werk die motor ook as ‘n hoëleweringsgenerator en herwin kinetiese energie as elektriese energie om die batterystel te laai.
Die elektriese motor ontwikkel 207 Nm wringkrag tussen 0 en 13 000 r/min. Hoewel dit ligter is as die motor wat in die tweede geslag-Prius gebruik is, lewer dit 20 persent meer krag. Hierdie kragtoename is moontlik gemaak deur die motor se maksimum-spoed meer as te verdubbel en deur die beskikbare wringkrag te verhoog met ‘n nuwe reduksierattoestel in die transas.
Die motor word nie, soos voorheen, deur water verkoel nie en die maksimum-dryfspanningsversterking is van 500 tot 600 volt vergroot. In normale bestuurstoestande word die motor egter, waar moontlik, aangedryf deur ‘n onversterkte spanning om brandstofdoeltreffendheid te verbeter.
Die generator
Net soos in die geval van die elektriese motor is die generator ook ‘n WS-asinchroontipe. Dit het ‘n lewering van 42 kW en vervul verskillende funksies binne die Hybrid Synergy Drive-stelsel.
Aangesien die stelsel geen aansitmotor het nie, vervul dit ‘n dubbele rol as aansitter vir die petrolenjin. In normale bestuurstoestande word die enjin se kraglewering afhangende van die stelselvereistes verdeel om die wiele aan te dryf sowel as om die generator van krag te voorsien wat, via die kragbeheereenheid, die elektriese motor aandryf en terselfdertyd die hoëspanningsbattery laai. Om enjinspoedbeheer te optimaliseer vir maksimum-brandstofdoeltreffendheid, word die enjinspoed ook deur die generator beheer.
Wanneer die hibriedstelsel nie die generator nodig het nie, stop dit die enjin. Wanneer die Prius op batterykrag alleen bestuur word en die batterye uitgeput raak, sal die generator die petrolenjin aanskakel, wat krag aan die generator lewer om die battery te herlaai.
Hoëleweringsbattery
Die 202 volt-battery van die Hybrid Synergy Drive-stelsel gebruik bewese en betroubare nikkelmetaalhidried-tegnologie. Batterykrag is met 2 kW vergroot tot 27 kW, wat meebring dat die motor baie gladder aanskakel.
Die batterystel is onder die bagasielaairuimte agter en hoewel dit kragtiger is, is dit kleiner om kajuitruimte te verbeter. ‘n Toename in die vermoë van die verkoelerwaaier het die doeltreffendheid van die batteryverkoelingstelsel genoegsaam verbeter om die toename in batterykrag te steun.
Kragbeheereenheid
Die kragbeheereenheid van die Hybrid Synergy Drive-stelsel, wat ongeveer so groot soos ‘n normale 12 volt-motorbattery is, bestaan uit die volgende:
‘n Spanningsversterkingsomkeerder wat die elektriese motor, die generator en die batteryspanning aanjaag om die lewering van die hibriedstelsel te vergroot.
‘n Omkeerder vir die motor/generator, wat die gelykstroomkrag van die battery omsit in wisselstroomkrag vir die motor en die generator.
‘n WS/GS-omkeerder wat die hoë spanning van die 202 volt-batterystel verminder tot 14 volt om krag te voorsien aan die voertuig se bybehorestelsels en om die hulpbattery te laai.
Die nuwe omkeerder is 36 persent ligter en 37 persent meer kompak as sy voorganger. Vinniger skakeling bied groter doeltreffendheid en dit sit die battery se gelykstroomkrag om in ‘n hoër, 650 volt-wisselstroom om die elektriese motor aan te dryf en, by geleentheid, ook die generator. Die doeltreffendheid van die kragbeheereenheid word gevolglik aansienlik verbeter.
Hybrid Synergy Drive in die praktyk
In die loop van enige gegewe rit sal die Hybrid Synergy Drive-stelsel van die Prius in verskillende modusse werk om die algehele doeltreffendheid van die stelsel te optimaliseer.
Wanneer die motor stilstaan, word die enjin outomaties afgeskakel om petrol te bespaar. In bedryfstoestande waarin die enjindoeltreffendheid laag is, byvoorbeeld wanneer die enjin aangeskakel word en by lae tot middelbesteksnelhede, loop die voertuig net op die elektriese motor. In die proses word CO2- en NOx-emissies heeltemal uitgeskakel.
In normale bestuurstoestande word die kragtoekenning voortdurend tussen die enjin en die elektriese motor aangepas om optimum-verrigting met die maksimum-petroldoeltreffendheid te kombineer. Danksy die nuut ontwikkelde Elektronies Beheerde Remstelsel met sy regenerasiemeganisme werk die elektriese motor as ‘n hoëleweringsgenerator gedurende spoedvermindering en wanneer gerem word. In die proses word kinetiese energie as elektriese energie herwin en in die batterystel opgeberg.
Die ladingsvlak van die battery word voortdurend beheer via ‘n enjingedrewe generator. Dit beteken dat dit nooit nodig is dat dit stelsel van ‘n eksterne kragbron af gelaai hoef te word nie.