Системи приводу від Toyota

Toyota відома різноманітністю своїх приводних систем і є піонером у галузі гібридних технологій. У наступній статті описано всі особливості різних систем приводу.

На останній фінансовій прес-конференції президент Toyota Коджо Сато окреслив ключові теми автомобільного сьогодення та найближчого майбутнього: акумуляторні електромобілі (BEV), водень, високоефективні бензинові двигуни та програмно-визначені транспортні засоби (SDV). Японська компанія планує інвестувати два трильйони ієн у майбутні та поточні розробки лише в наступному році, що дорівнює приблизно 12 мільярдам євро. На відміну від деяких європейських брендів, Toyota ніколи не виступала за заборону двигунів внутрішнього згоряння, частково тому, що гібриди з бензиновими двигунами складають дуже велику частку в портфелі автомобілів японської компанії.

Айко Тойода, попередник нинішнього президента Коджо Сато, є онуком засновника компанії Кіічіро Тойода. Його батько Сакічі вже пропонував один мільйон ієн у 1925 році для розвитку акумуляторних батарей. На момент заснування компанії Тойода вже усвідомлював обмеженість сирої нафти як сировини і шукав альтернативи. Вимоги до початкової батареї Sakichi полягали в тому, що вона повинна була забезпечувати 100 к.с. протягом 36 годин. Вага батареї не повинна була перевищувати 225 кілограмів, а максимальний об’єм – 280 літрів. Ці специфікації досі не були виконані, і навіть сучасні батареї все ще далекі від цієї мети.

Після Другої світової війни Toyota виробляла переважно економічні невеликі автомобілі, якими компанія постачала японський ринок. Знаменита хороша якість забезпечила зростання компанії. Свою концепцію якості японці назвали Кайдзен, що означає постійне прагнення до кращого. Навіть «Мерседес» у 1970-х роках інтегрував принцип кайдзен як процес безперервного вдосконалення на своїх заводах.

Toyota і світовий ринок

Значна частина наведеної нижче інформації взята з презентації Джеральда Кіллманна на Віденському автомобільному симпозіумі у квітні 2023 року. Кіллманн народився в Австрії і є віце-президентом Toyota в Європі та відповідає за дослідження.

Toyota продає свої автомобілі у понад 170 країнах світу. Навіть у тих країнах, де досі немає інфраструктури для зарядки електромобілів, Toyota прагне запропонувати рішення для мобільності, які зменшують викиди CO2. Гібридні приводи ще довго відіграватимуть у цьому вирішальну роль. Toyota також підтримує синтетичні види палива, такі як біопаливо та електронне паливо. У багатьох регіонах світу вони можуть вироблятися з використанням чистої енергії та використовуватися на місцях, тим самим зменшуючи викиди CO2.

Успішна модель Prius

Завдяки Prius компанія Toyota здійснила переворот і зарекомендувала себе як екологічно чистий виробник автомобілів. Інженери Toyota першими запропонували гібридний автомобіль у всьому світі, випустивши Prius 1 у 1997 році.

До 2023 року буде продано 20 мільйонів автомобілів з цим приводом.

На попередньому зображенні показана типова конфігурація гібридного приводу першого Prius, на наступному – привід Prius 3.

Гібридний автомобіль має два типи приводу: двигун внутрішнього згоряння та один або (у випадку Prius) два електродвигуни. Автомобіль рекуперує енергію гальмування і зберігає її в акумуляторі. Це дозволяє гібридним транспортним засобам долати короткі та середні відстані виключно на електротязі. Prius зіграв важливу роль у зміцненні репутації Toyota як розробника екологічно чистих автомобілів.

Нинішній Prius, вже 5-го покоління, має три двигуни: двигун внутрішнього згоряння і два так звані мотор-генератори.

Вони можуть передавати енергію на колеса як паралельно, так і послідовно. При цьому гібридна система Toyota виконує функцію безступінчастої трансмісії. На сьогоднішній день система постійно вдосконалюється. Гібриди, що підключаються до електромережі (PHEV), також мають більшу батарею із зарядним роз’ємом. Це дозволяє заряджати PHEV ззовні, що значно збільшує чисто електричний запас ходу, який у поточного Prius становить 86 кілометрів згідно з WLTP.

Незважаючи на складність системи приводу Prius, модель є – типово для Toyota – одним з найнадійніших легкових автомобілів в історії. Навіть в умовах надзвичайно високого зносу ці автомобілі досягають дуже високих пробігів. Наприклад, Toyota Prius, що використовується як таксі у Відні, без проблем проїхав один мільйон кілометрів. Зараз ця таксомоторна компанія має понад 200 Toyota Prius.

У Prius бензиновий двигун зазвичай працює в найбільш сприятливих діапазонах навантаження. Під час коротких поїздок використовується електропривод, допоки батарея має заряд. Зараз Toyota використовує екологічно чисту гібридну технологію майже у всіх сегментах автомобілів. Навіть легендарний Land Cruiser випускається у вигляді нової моделі з опціональним м’яким гібридним приводом. Новий Land Cruiser J25, розроблений як автомобіль світового рівня, доступний з 2,7-літровим чотирициліндровим базовим двигуном, а також з 2,4-літровим бензиновим двигуном з турбонаддувом потужністю 281 к.с., який також доступний у гібридній версії з потужністю системи 330 к.с. Однак у нас жоден з них не буде доступний; в Західній Європі залишиться перевірений 500 Нм турбодизель від попередньої моделі.

До 2025 року частка гібридів серед усіх пропонованих моделей Toyota має становити близько 80 відсотків. І нарешті, до 2035 року всі нові автомобілі Toyota повинні бути без викидів CO2.

Історія створення Prius

Інженери Toyota продовжують розвивати технологію в кожному поколінні Prius:

► Підвищувальний перетворювач (інвертор) підвищує напругу в системі до 650 вольт – навіть якщо батарея подає лише 200 вольт.

► Починаючи з третього покоління, Prius також доступний як гібридний автомобіль з можливістю підключення до електромережі (PHEV).

► Завдяки новій технології обмотки електродвигуни можуть працювати на більш високих швидкостях: Електродвигуни Prius 1 розкручуються до максимальних 5600 об/хв. Мотор-генератори Prius 5 працюють з максимальною швидкістю 17 000 об/хв.

► Компонування міжосьової передачі в трансмісії було змінено з коаксіального на двовісне.

► Мотор-генератори тепер виробляють 70 кіловат замість попередніх 30 кіловат.

► Об’єм осердя ротора зменшено з 5,1 літра до 2,7 літра.

Бензинові двигуни для гібридів

Однією з цілей розробки кожного двигуна є підвищення ефективності. Це стосується і Toyota. Більшість цих двигунів поєднуються з гібридними технологіями, щоб зменшити викиди CO2. Протягом наступних кількох років для європейського модельного ряду будуть впроваджуватися вдосконалення в напрямку стандарту Євро 7.

Деякі бензинові двигуни Toyota, такі як 2,5-літровий двигун Lexus NX, працюють за циклом Аткінсона. Це означає, що стиснення і розширення не є симетричними. Впускні клапани закриваються пізніше, і тому компресія також збільшується пізніше. Це призводить до більш високого коефіцієнту розширення при нижчому ступені стиснення, що мінімізує втрати при обміні зарядів і забезпечує більш ефективне перетворення енергії згоряння в потужність двигуна. Температура вихлопних газів у циклі Аткінсона нижча, ніж у звичайному бензиновому двигуні.

Акумулятори для гібридів

Перше покоління Prius все ще оснащувалося круглими елементами NiMH. Попит на акумулятори надзвичайно зріс. Різні типи транспортних засобів потребують різних розмірів акумуляторів. Toyota використовувала як NiMH, так і літій-іонні акумулятори.

У 2021 році для японського ринку було випущено малолітражний автомобіль Toyota Aqua. Він був оснащений батареєю з біполярним електродом.

Відрізняються лише верхній і нижній компоненти, які використовуються для контакту з електричною системою автомобіля.

Lexus NX PHEV використовує літій-іонну батарею ємністю 18,1 кВт-год, яка зручно розташована під пасажирським салоном. Максимальний запас ходу на електротязі становить близько 70 кілометрів, а максимальна швидкість на електротязі – 135 км/год. NX має повний привід завдяки електричній осі ззаду.

Акумуляторні електромобілі (BEV)

Toyota також припускає, що в майбутньому буде продаватися все більше і більше електромобілів (BEV). Це вимагатиме значних інвестицій, особливо в технології акумуляторів. Однак Toyota також вагалася довше, ніж інші виробники, перш ніж запропонувати свій перший електромобіль.

e-TNGA була створена як нова платформа для акумуляторних електромобілів, і bZ4X є першою моделлю з такою архітектурою.

«e-TNGA» розшифровується як “electrified Toyota New Global Architecture”. Загадкову абревіатуру назви моделі Toyota перекладає як «за межами нуля», «4» означає «D-сегмент», а «X» – «кросовер», тобто компактний позашляховик.

Модель bZ4X була розроблена у співпраці з Subaru. Метою є зниження витрат. Над новою моделлю bZ3 Toyota працює разом з BTET та FAW. BTET – це співпраця, започаткована чотири роки тому з китайським виробником автомобілів Build Your Dreams BYD (BYD Toyota EV Technology). Це також дає Toyota доступ до технології літій-іонних LFP акумуляторів BYD (LFP = літій-феррофосфатний акумулятор). «FAW» – це абревіатура китайської автомобільної компанії First Automotive Works. Вона продає комерційні автомобілі та електромобілі. FAW працює разом з іншими виробниками, такими як VW, Toyota та Mazda. Це дає FAW міжнародний та передовий досвід.

Літій-залізо-фосфатна батарея (LFP) має напругу елемента від 3,2 до 3,3 В. Позитивний електрод складається з літій-залізо-фосфату (LiFePO4). Негативний електрод утворює графіт з вбудованим літієм. Хоча щільність енергії нижча, ніж у звичайних літій-іонних акумуляторів, батарея не схильна до “thermal run-away” – найбільш небезпечне явище для акумуляторів, яке може призвести до вибуху.

Зараз Toyota вдосконалює структуру батареї, охолодження, контроль і моніторинг безпеки. Оскільки Китай є найбільшим у світі ринком електромобілів, це вплине на кількість одиниць продукції, а отже, і на конкурентоспроможність японської компанії. До 2026 року серія bZ має включати ще шість моделей для світового ринку.

Lexus з повним приводом

Lexus RZ також базується на платформі e-TNGA, яка також доступна з повним приводом Direct4. Система приводу розподіляє потужність приводу під електронним контролем на всі чотири колеса. Вона може безперервно змінювати зусилля на передні та задні колеса в діапазоні від 0 : 100 до 100 : 0. Найпоширенішим є співвідношення 60 : 40 до 40 : 60. За розподіл потужності відповідають електричні вісі.

До 2030 року Toyota хоче розширити свій модельний ряд до 30 автомобілів BEV. Мета – продавати 3,5 мільйона автомобілів на рік по всьому світу. Lexus хоче повністю перейти на BEV до 2035 року, що, без сумніву, також є реакцією на оголошення багатьох країн про те, що з 2035 року їм більше не дозволять продавати двигуни внутрішнього згоряння.

Паливний елемент

Toyota розробляє технологію паливних елементів вже багато років. У 1996 році в Осаці, Японія, був представлений перший прототип електромобіля FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle). Він був створений на базі RAV4, компактного позашляховика Toyota. Однак з Mirai Toyota запропонувала водневий автомобіль, який можна було придбати, але він не мав успіху через нерозвиненість водневої інфраструктури в усьому світі і високу ціну продажу.

З іншого боку, нинішній Mirai, безумовно, є автомобілем, на який варто звернути увагу і який підходить для повсякденного використання. Баки вміщують 5,6 кілограма водню під тиском 700 бар. За ціною від 66 000 євро він знаходиться на одному рівні з аналогічними електромобілями.

Єдиною проблемою була і залишається недостатня інфраструктура заправних станцій Н2.

Перший серійний автомобіль Toyota на паливних елементах з’явився на європейському ринку восени 2015 року. В Японії чотиридверний седан Mirai доступний з грудня 2014 року – і користується таким рівнем популярності, якого не очікувала навіть Toyota. Вже за короткий час річний обсяг виробництва довелося збільшити з початкових 700 одиниць до 3 000 автомобілів у 2017 році.

Паливний елемент Toyota Mirai постачає електроенергію для електродвигуна потужністю 134 кВт (182 к.с.) і 300 Нм. Він потребує від 0,79 до 0,89 кг водню на 100 км при комбінованому перевезенні. Він виробляє 0 г/км викидів CO2 і тому віднесений до класу А за рівнем викидів CO2. Однак, як і у випадку з електромобілями, експлуатація є екологічно безпечною, лише якщо водень виробляється з використанням електроенергії без викидів CO2. До речі, паризький таксопарк налічує кілька сотень Mirai. Це робить його найбільшим у світі парком таксі на водневому паливі з нульовим рівнем викидів.

Hilux з паливним елементом

Hilux вже давно став однією з легендарних робочих конячок Toyota. Пікап довів свою надійність та драйвовість по всьому світу, особливо на складних трасах, таких як в Африці. Тепер Toyota запустила прототип Hilux з паливними елементами в Європі.

Проект був запущений в Англії і зараз перебуває на стадії доопрацювання.

Toyota також має чисте рішення для міського транспорту: автобуси з паливними елементами для перевезень без викидів. «H2.City Gold» працює на паливних елементах від Mirai. Водневий автобус компанії CaetanoBus здійснив поїздку за маршрутом Ганновер-Нібюль під час виставки комерційних транспортних засобів IAA Transportation 2022. Довжина маршруту становить близько 350 км. Автобус витрачав від 4,4 до 5,5 кг H2 на 100 км шляху. Він продемонстрував високий рівень практичності та ефективності.

Вантажівка з паливним елементом

Toyota також тестує вантажівки з паливними елементами. Вони могли б стати кращою альтернативою електричним вантажівкам, якби не брак волі з боку виробників і політиків і, перш за все, відсутність інфраструктури.

Подальші можливості

Toyota постачає паливні елементи також для залізниць і для кораблів. У 2021 році Toyota стала новим акціонером стартапу Energy Observer Developments (EODev). Французька компанія, що спеціалізується на застосуванні водню, була заснована у 2019 році з метою просування досліджень і розробок катамарана Energy Observer з електричним приводом. Також пропонуються електрогенератори, що працюють на водні.

Двигун внутрішнього згоряння H2

У сезоні 2022 року гоночні інженери Toyota змогли підвищити продуктивність Corolla з двигуном внутрішнього згоряння H2 на 20 відсотків. Час заправки скоротився з 4 хвилин 40 секунд до 1:30 хвилин. Двигун являє собою трициліндровий агрегат з турбонаддувом.

У 2017 році Yamaha розпочала розробку восьмициліндрового водневого двигуна для Toyota. У 2022 році Toyota представила водневий двигун V8, який базується на 5,0-літровому двигуні розкішного спортивного купе Lexus RC F. Форсунки, головка блоку циліндрів і впускний колектор були модифіковані та адаптовані до палива H2. Максимальна потужність двигуна внутрішнього згоряння становить 331 кВт (450 к.с.) при 6800 об/хв, а максимальний крутний момент – 540 Нм при 3600 об/хв. Двигун поки що не пропонується в серійній моделі.

Двигуни внутрішнього згоряння з майбутнім

«Toyota, Mazda і Subaru розробляють нові покоління двигунів». Ця новина змусила людей сісти і звернути на неї увагу кілька тижнів тому. Однак цей крок в жодному разі не слід розглядати як протидію електрифікації приводних систем, а скоріше як логічне продовження і подальший розвиток нинішніх систем приводу. Але про що йдеться?

► Нові двигуни будуть спеціально розроблені для електрифікованих трансмісій.

► Основна увага приділяється використанню палива з нейтральним вмістом CO2.

► Більш компактна конструкція відкриває нові можливості пакування.

Мінімізація викидів CO2 – одна з головних цілей Toyota, Mazda та Subaru. З цією метою нові двигуни розроблені настільки компактно, що їх можна ідеально інтегрувати в силову установку відповідних автомобілів. Це забезпечує кращу інтеграцію в електрифіковану силову установку, наприклад, у гібридах, що підключаються до електромережі. Крім того, розробка також зосереджена на тому, щоб нові двигуни могли працювати на паливі з нейтральним рівнем викидів CO2. До них відносяться синтетичні види палива (електронне паливо), біопаливо і рідкий водень.

Співпраця між трьома японськими автовиробниками має прості причини. Кодзі Сато, президент і головний виконавчий директор Toyota, пояснює: «Для того, щоб запропонувати нашим клієнтам нові можливості для CO2-нейтрального водіння, ми повинні прийняти виклик розробки двигунів, пристосованих до майбутнього енергопостачання. Всі партнери будуть продовжувати розвивати технології двигунів в умовах дружньої конкуренції». Масахіро Моро, генеральний директор Mazda Motor Corporation, додав: «Оскільки роторний двигун може поєднуватися з електрифікованими силовими агрегатами і паливом з нейтральним рівнем викидів CO2, Mazda продовжує розвивати цю технологію в рамках нової співпраці, щоб вона могла зробити далекосяжний внесок у створення суспільства з нейтральним рівнем викидів CO2».  

Хоча Subaru, Toyota і Mazda конкурують між собою за допомогою своїх продуктових лінійок, всі три компанії переслідують спільну мету: нейтральність викидів CO2 за допомогою багатостороннього технологічного підходу. Однак шляхи, якими вони досягли цього, поки що відрізняються, що характеризується підходами, характерними для кожної компанії:

► Toyota: рядний чотирициліндровий з високою тепловою ефективністю.

► Mazda: компактний і легкий роторно-поршневий двигун.

► Subaru: опозитний двигун з горизонтально розташованими поршнями. Це забезпечує більш плоску конструкцію, нижчий центр ваги і більш плавний хід.

На відміну від багатьох європейських автовиробників, Toyota не зосереджується на забороні двигунів внутрішнього згоряння, а продовжує розвивати двигун внутрішнього згоряння як частину гібридного приводу. Toyota також зосереджується на дослідженнях і розробці біопалива другого покоління, в якому для виробництва палива використовуються залишкові матеріали, а не харчові продукти.

З цією метою Toyota та п’ять інших японських компаній заснували «Дослідницьку асоціацію інновацій з біомаси для автомобільного пального наступного покоління» (Research Association of Biomass Innovation for Next Generation Automotive Fuels). Ця організація досліджує, як можна максимально ефективно виробляти альтернативні види палива.

Жодне інше паливо не має такої високої енергетичної щільності, як рідке паливо.

Навіть стиснений водень не наближається до такої щільності енергії. Ось чому Refuels є можливим рішенням для Toyota, щоб зменшити викиди CO2. Абревіатура «Refuels» означає відновлюване паливо. Вони включають в себе як електронне паливо, так і біопаливо другого покоління.