Hybrydą w góry, upalnym latem...

hybrydy torque prius motoryzacja 2013-08-04, 15:08,

O tym, że hybryda radzi sobie z zimą już było. Pora spojrzeć jak radzi sobie na drugim biegunie pogodowym, czyli w gorących górach Toskanii. A radzi sobie? O dziwo całkiem nieźle. Zaobserwowany wzrost spalania w granicach 5 – 10%, biorąc pod uwagę teren, można uznać za pomijalny, a systemy chłodzenia wywiązywały się z zadania znakomicie.

Co, gdzie i jak?

Po pierwsze – odrobina trudnych warunków nikomu jeszcze nie zaszkodziła. Aby zbadać, z czym faktycznie musiał się spinać samochód skorzystałem z aplikacji Torque na Androida (więcej o aplikacji w OBD II, ELM 327 i Torque App w spotkaniu z hybrydą). Co sekundę rejestrowałem kluczowe parametry pracy pojazdu oraz parametry środowiska. Wszystkie dane są na wykresie poniżej.

Startujemy z miejscowości Prato, kończymy u podnóża Grotta del Vento (Jaskinia Wiatrów). Na zdjęciu widok na góry, z którymi będziemy mieli do czynienia na kolejnych wykresach. Trasa biegnie niemal na wprost, między zielonymi zboczami, a gołymi, marmurowymi ścianami. Początek podróży znajduje się na wysokości około 50mn.p.m., koniec wspinaczki na około 750mn.p.m. To wszystko sprawia, że zarówno w górę, jak i w dół silniki będą miały co robić. Jest też duża szansa na wykorzystanie trybu górskiego (B) przekładni hybrydowej oraz zagonienie klimatyzacji do pracy.

Start i podjazd

Gwoli przypomnienia zasady działania przekładni hybrydowej Toyoty, złożona jest ona z trzech silników. Jednostki spalinowej (zwanej ICE – Internal Combustion Engine) oraz dwóch silników elektrycznych: trakcyjnego MG2 (Motor – Generator 2, sprzężony na stałe z kołami przednimi) oraz generatora MG1 (Motor – Generator 1, odpowiedzialny za produkcję energii, zapłon silnika spalinowego oraz regulację obrotów silnika spalinowego, gdy jest włączony). Konstrukcja jest bardzo prosta i wydajna, jednak jej zrozumienie wcale proste być nie musi. Dla ułatwienia wideo z zasady działania generacji 2. Trójka oparta jest na podobnych zasadach, wyeliminowany został z niej jednak łańcuch, dodany drugi zestaw przekładni planetarnych i reduktor obrotów, zatem dla zrozumienia samej idei lepiej obejrzeć wideo dla drugiej generacji i/lub pobawić się symulatorem przekładni

Startujemy rano. Jak widać na wykresie – jest około 25 stopni Celsjusza (Ambient). W podobnej temperaturze są także płyny chłodzące silnik spalinowy (ICE Coolant), akumulator (Battery), płyn chłodzący przetwornicę (INV Coolant), przetwornica silnika MG2 (MG2 INV) oraz silniki elektryczne (MG1, MG2). Próbki na wykresie generowane są co około 1 sekundę.

Bateria (State of charge) naładowana jest w okolicach 54%. Dla przypomnienia, poziom dwóch kresek to około 53%, 6 kresek to 60%, 8 kresek to 80%. System hybrydowy nie pozwoli zejść poniżej 40% (0 kresek baterii), ani wspiąć się powyżej 80% (8 kresek). W tym pierwszym przypadku czeka nas wizyta w ASO, w celu załadowania, specjalną ładowarką, baterii powyżej poziomu minimalnego. W tym drugim – system zrobi wszystko, by ładunku się pozbyć.

To co każdy Prius robi na początku, to rozgrzanie silnika i katalizatora. Widać to przez pierwsze 50 sekund wykresu Engine Speed. Stałe obroty (1280 RPM), obciążenie na poziomie 60% i równomierny wzrost temperatury płynu chłodniczego (ICE Coolant). System odpuszcza, gdy temperatura przekroczy 40 stopni, nie wcześniej niż 50 sekund po uruchomieniu silnika. Ten okres nie jest spektakularnie użyteczny w Priusie tej generacji. Silnik produkuje gdzieś między 4 a 7 kW mocy. Około 2 kW idą na pokonanie oporów własnych, z pozostałych 2 kW zasilany jest system hybrydowy (około 0.3 kW, klimatyzacja około 1 kW i światła mijania 0.2kW). Jak coś zostanie, to albo idzie do baterii, albo używane jest do napędzania pojazdu.

Jak tylko ten etap się skończy, gwałtownie zmienia się obciążenie silnika. Cechą charakterystyczną tego pojazdu jest fakt, że silnik chodzi obciążony na 90 – 100%, albo nie chodzi w ogóle. Świetnie to widać analizując cały wykres Calculated Load i GPS Speed. Niezależnie od prędkości, nachylenia drogi, silnik albo chodzi i wtedy jest mocno obciążony, albo nie robi nic.

Kolejne zjawisko, które widać na wykresie, to troska o akumulator. Mimo jazdy pod górę (czyli zwiększonego zapotrzebowania na energię), komputer dba o to, by powoli, systematycznie załadować akumulator do optymalnego poziomu 60% SoC.

Temperatury, temperatury

Właśnie. Ten element ciekawił mnie najbardziej. Co się dzieje tam pod maską, gdy jest gorąco, a silnik ma co robić? Dużo i nie dużo. Po pierwsze dalej gaśnie bezwzględnie, przy każdej możliwej okazji. Ile razy gaśnie? Zerknijcie na wykres Engine Speed. Za każdym razem, gdy wykres spada do 0 silnik zgasł, gry wzrasta powyżej 1000, silnik się uruchomił.

Po drugie płyn chłodzący silnik spalinowy jest utrzymywany w widełkach od 40 do 91 stopni. Powyżej 40 stopni silnik może już zgasnąć i temperatura rośnie podczas jego pracy maleje, gdy jest zgaszony. Po drugie, bez względu na obciążenie (czy to góry, czy autostrada), nie przekracza 90,6 stopnia. A, że Prius pompę wody sterowaną ma elektrycznie, niezależnie od pracy silnika, to uzyskanie odpowiedniego efektu chłodzenia także nie stanowi wielkiego problemu.

Kolejny punkt zainteresowania stanowiły przetwornice. Wszak pływają przez nie prądy sięgające 140A przy 230V lub ich odpowiedniki przy 500 – 650V (tego nie ma na wykresie, ale silniki elektryczne głównie utrzymują 500V, a w chwili największych obciążeń podskakują do pełnych 650V). Te natomiast nie nagrzewają się jakoś spektakularnie. W chwilach, gdy następuje gwałtowny wzrost obciążenia, na chwilę wyraźnie rośnie też temperatura elementów, jednak bardzo szybko wraca do poprzedniego poziomu. Podobnie wzrasta temperatura płynu chłodzącego przetwornice, stabilizując się w okolicach 45 stopni (przy Tambient = 27 stopni). Jak na jazdę pod górę – nieźle.

Ostatni element termiczny, który budził moją ciekawość, to silniki elektryczne. Te przecież mają co robić, niezłe prądy przez nie przepływają, więc i temperatury powinny być odpowiednio wysokie. Jednak – wcale nie są. Konstrukcja przekładni hybrydowej jest taka, że najpierw jest silnik spalinowy, następnie w miejscu skrzyni biegów znajduje się przekładnia. MG1 jest bliżej silnika (i jest znacznie mniejszy), MG2 jest po drugiej stronie (i jest większy). Całość zanurzona w chłodzącym układ oleju przekładniowym.

I co widać na wykresie? Wygląda to tak, jakby większość ciepła w silnikach MG1 / MG2 pochodziła z ogrzewania się o jednostkę spalinową. Pierwszy grzeje się MG1 (żółta linia na wykresie temperatur), w swym maksimum przy jeździe autostradowej dotarł do 105 stopni, wolniej nagrzewa się MG2. Po bardzo długiej (5 – 7 godzin) jeździe w trasie jego temperatura była o kilka stopni niższa niż MG1.

Dlaczego to takie ciekawe? Ponieważ przy małych prędkościach część momentu obrotowego nie pochodzi z silnika spalinowego bezpośrednio, a ścieżką elektryczną. Silnik MG1 w roli generatora produkuje prąd, który trafia do MG2, a ten korzystając ze swojego potężnego momentu obrotowego pcha auto do przodu. Silniki te mają więc całkiem dużo pracy, mimo iż energia elektryczna do ich zasilania wcale nie pochodzi w tym momencie z baterii (ta ostatnia służy do wygładzania charakterystyki pracy oraz pełni rolę bufora przy starcie/gaszeniu jednostki spalinowej oraz nagłych zmianach obciążenia/obrotów).

Jedziemy z górki

Jak już pod górkę się podjechało, to kiedyś trzeba z niej zjechać. Co wtedy? Po pierwsze trzeba utrzymać rozsądną prędkość, by w razie potrzeby się zatrzymać. Po drugie – nie używać zbyt długo hamulców, bo się przegrzeją (poza tym jest to bardzo nieekonomiczne). Co zrobić w zwykłym samochodzie? Wrzucić 2 lub 3 bieg i gotowe, hamujemy silnikiem. Co zrobić w hybrydzie? Na bardzo krótkim zjeździe (mała górka w mieście) hamować regeneracyjnie (nie przekraczając skali Charge na zegarach). A w górach? Cóż – po to producent zostawił tryb B przekładni. Zwiększa ona domyślne hamowanie regeneracyjne (z -10A do -40A) oraz uruchamia silnik, by bez podawania paliwa wytracał nadmiar energii (około 2kW przy 1000 RPM, więcej wraz ze wzrostem obrotów).

Zjazd będzie długi, więc niemal od samego początku włączam tryb B. Zjazd na poważnie zaczyna się gdzieś w okolicy 350 próbki wykresu. Widać najpierw hamowanie (pewnie był jakiś zakręt lub zwężenie). Przez kilkanaście sekund do baterii idzie prąd -70A, silnik elektryczny MG2 generuje około 75Nm momentu hamującego przednią oś. Później do baterii wędruje dawka około -20A, silnik spalinowy kręci się bez paliwa w okolicach 1000 RPM. I dzieje się tak aż do momentu osiągnięcia przez baterię 79% załadowania.

Od tego momentu prąd idący do baterii gwałtownie spada, jeszcze przez chwilę doładowuje się do 80% (maksimum), gwałtownie rosną obroty jednostki spalinowej. Stabilizuje się ona na poziomie około 3000 RPM, a widoczne na wykresie zagłębienia (spadki obrotów do poziomu 1000 – 1800 RPM), to momenty gdy delikatnie dodawałem gazu, gdyż tak duże hamowanie nie było potrzebne (bardziej płaski teren, długa prosta).

Bardzo wolno rośnie także temperatura baterii. Mniej od samego ładowania (gdyż po osiągnięciu 80% przestaje być ładowana), więcej od rozładowywania. A strategia jest taka, że pomiędzy 7 a 8 kresek załadowania, komputer zrobi wszystko, by się nadmiaru energii pozbyć. Efekt jest taki, że tu, gdzie normalnie już silnik spalinowy powinien pracować (2/3 wskaźnika HSI) przy nadmiarze energii jedziemy w całości z baterii. Objawia się to dalszym wzrostem temperatury (najwyższa zanotowana w pomiarach to 45 stopni przy klimatyzacji w pojeździe na 23 stopnie) oraz solidnym szumem wentylatora w tylnej kanapie. Ten ostatni uspokoił się m/w 10 minut po zakończeniu zjazdu i zużywania nadmiaru baterii.

Podsumowanie

Układ hybrydowy gór się nie boi. Nawet wtedy gdy jest ciepło. Oczywiście systemy chłodzenia mają co robić. Gdy wyszedłem zrobić tytułowe zdjęcie, szum pochodzący z układu chłodzenia (na zewnątrz) był zbliżony do 4-cylindrowego silnika benzynowego pracującego przy minimum 1500 RPM. Jednak ani układ baterii, ani silnika spalinowego nie sprawiały żadnych kłopotów. Nie czuć było też żadnej różnicy w wydajności, czy reakcji na gaz całego układu.

Regeneracyjny system hamowania daje radę. Auto właśnie zaliczyło drugi przegląd i stan klocków hamulcowych jest zadowalający (8.5mm z 12mm z przodu, 8mm z 9mm z tyłu).

Zużycie paliwa w takich warunkach stabilizuje się na poziomie 4.5 litra/100km. Wydaje się, że to wynik bardzo dobry, biorąc pod uwagę dynamicznie pracującą klimatyzację i krętą drogę. Pokonując większą górę regularnie można byłoby pokusić się o opróżnienie baterii do 2 – 3 kresek u szczytu góry, by znacznie dłużej pojechać na samej regeneracji, a krócej wytracając całą energię silnikiem. To jednak zabawa dla znających trasę. Pewnie nie bez znaczenia dla żywotności samej baterii.

Komentarze