Các bộ phận hệ thống truyền lực xe Toyota Hybird System II
Mô hình tổng quát của ô tô hybrid
Xe Toyota hybrid có hai nguồn động lực bao gồm: Động cơ xăng và động cơ điện. Với hai hai nguồn động nêu trên thì xe toyota hybird sẽ lựa chọn một trong hai nguồn động lực này để vận hành thích nghi trong từng điều kiện của xe di chuyển trên đường. Năm 2001 – 2003, Toyota hybrid cho ra phiên bản THS I (Toyota Hybrid System I). Từ sau năm 2004 đến nay, Toyota hybrid cho ra phiên bản THS II (Toyota Hybrid System II) như hình dưới đây.
Động cơ xăng Atkinson
Ô tô hybrid có thể dùng động cơ xăng, động cơ Diesel, động cơ Hydro, khí hóa lỏng hoặc pin nhiên liệu để làm nguồn động lực chính. Động cơ xăng trên ô tô hybrid toyota prius hoạt động với chu trình nhiệt Atkinson. Chu trình này là một phát minh đi từ lý thuyết đến ứng dụng thực tế lại kéo dài thời gian như động cơ chu kỳ Atkinson.
Từ năm 1882, kỹ sư người Anh, Jame Atkinson đã phát hiện ra nhược điểm của động cơ đốt trong 4 kỳ do Nikolaus Otto (1832-1891), kỹ sư người Đức sáng chế năm 1864. Atkinson đã chỉ ra trong 4 kỳ của động cơ Otto, chỉ có kỳ nổ dẫn là tạo ra sức mạnh động cơ, 3 kỳ còn lại chỉ hấp thu động rằng do kỳ nổ dãn đã tạo ra, tiêu tốn động năng nhiều nhất ở kỳ nén. Atkinson đi đến kết luận để tăng công suất động cơ và giảm tiêu hao nhiên liệu cần phải tăng thêm thể tích kỷ dãn, giảm thể tích hút nén.
Atkinson đã chế tạo thành công động cơ “giảm hút tăng dần” Động cơ Atkinson được xem như một biến thể của động cơ Otto. Tuy nhiên nguyên mẫu động cơ của Atkinson quá cồng kềnh, chỉ là mô hình minh họa cho lý thuyết, không thể ứng dụng vào thực tế. Suốt 130 năm, động cơ Atkinson đã là một thách thức đối với các nhà cơ khí trên thế giới. Nhưng động cơ Otto 4 kỷ nguyên thủy vẫn không có gì thay đổi trong thời gian dài. Các kỹ sư Honda là người tìm được lời giải cho bài toán.
Năm 2011, lần đầu tiên trên thế giới Honda trình làng động cơ “tăng dẫn” lấy tên là EXlink viết tắt Extended Expansion Linkage Engine dựa trên lý thuyết của động cơ Atkinson. Từ năm 1882, kỹ sư người Anh, Jame Atkinson đã phát hiện ra nhược điểm của động cơ đốt trong 4 kỳ do Nikolaus Otto (1832-1891), kỹ sư người Đức sáng chế năm 1864. Atkinson đã chỉ ra trong 4 kỳ của động cơ Otto, chỉ có kỳ nổ dẫn là tạo ra sức mạnh động cơ, 3 kỳ còn lại chỉ hấp thu động rằng do kỳ nổ dãn đã tạo ra, tiêu tốn động năng nhiều nhất ở kỳ nén. Atkinson đi đến kết luận để tăng công suất động cơ và giảm tiêu hao nhiên liệu cần phải tăng thêm thể tích kỷ dãn, giảm thể tích hút nén. Atkinson đã chế tạo thành công động cơ “giảm hút tăng dần” Động cơ Atkinson được xem như một biến thể của động cơ Otto.
Tuy nhiên nguyên mẫu động cơ của Atkinson quá cồng kềnh, chỉ là mô hình minh họa cho lý thuyết, không thể ứng dụng vào thực tế. Suốt 130 năm, động cơ Atkinson đã là một thách thức đối với các nhà cơ khí trên thế giới. Nhưng động cơ Otto 4 kỷ nguyên thủy vẫn không có gì thay đổi trong thời gian dài. Các kỹ sư Honda là người tìm được lời giải cho bài toán. Năm 2011, lần đầu tiên trên thế giới Honda trình làng động cơ “tăng dẫn” lấy tên là EXlink viết tắt Extended Expansion Linkage Engine dựa trên lý thuyết của động cơ Atkinson.
Ở động cơ thông thường, pít tông được kết nối với trục khuỷu (crankshaft) thông qua thanh truyền (connecting rod). Ở EXlink có thêm 3 chi tiết mới, một chi tiết hình tam giác (Trigonal link), một đỉnh tam giác nối với thanh truyền, một đỉnh nối với trục khuỷu, đỉnh còn lại nối với “thanh lúc lắc” (Swing rod).
Một đầu thanh lúc lắc nối với chi tiết tam giác, đầu còn lại là một vòng tròn lớn bắt với tâm bánh răng có trục nhỏ hơn được đặt tên trục lệch tâm (Eccentric shaft). Sự phối hợp giữa 3 chi tiết Trigonal link, Swing rod, Eccentric shaft giúp cho động cơ Exlink có thể tăng được dung tích kỳ dẫn. Với thiết kế này, động cơ Exlink đã tăng dung tích 110 cc ở kỳ hút lên 163 cơ ở kỳ dẫn nở.
Ở động cơ đốt trong thông thường, chỉ có 1 điểm chết dưới (ĐCD), tăng thể tích kỳ dẫn cũng đồng nghĩa với tăng thể tích kỳ hút và nén, dẫn đến tăng tỷ số nén hòa khí. Khi đó, với ĐCD được thiết kế ở thấp như động cơ này, tỷ số nén sẽ là 17,6:1, sẽ xảy ra hiện tượng nổ sớm, tạo ra tiếng gõ trong động cơ làm giảm công suất.
Nhờ công nghệ độc đạo “giảm hút tăng dần” EXlink vẫn giữ được tỷ lệ nén 12,2: 1 ngăn ngừa được hiện tượng cháy sớm không mong muốn, nhưng vẫn nâng được hiệu suất nhiệt của xe trên lý thuyết từ 110 lên 163 (thực tế một phân hiệu suất bị mất đi do lực ma sát ở cơ cấu chi tiết tam giác, thanh lúc lắc và trục lệch tâm. Một sáng tạo độc đáo trong việc ứng dụng nguyên lý của động cơ Atkison là giảm ma sát.
Do chuyển động thanh truyền (connecting rod), ở động cơ truyền thống nổi pít tông với trục khuỷu, để biến chuyển động thẳng thành chuyển động quay, không song song với thành xy lanh mà tạo thành 1 góc 16 độ nên lực ma sát lớn, làm giảm công suất hữu dụng. Ở động cơ EXlink, việc bổ sung kết cấu tam giác giúp cho chuyển động lệch góc của thanh truyền gần như song song với thành xy lanh (2,4 độ), giảm đáng kể lực ma sát có hại. Năm 1957, một kỹ sư người Mỹ tên Ralph Miller đã đưa ra một giải pháp thay thế cho cơ cấu truyền động tam giác “giảm hút tăng dẫn” phức tạp, khó thực hiện, bằng giải pháp đơn giản hơn “tăng dẫn giảm nền”.
Để giảm nén, Miller chế tạo trục cam có thể kéo dài thời gian mở của van hút gối qua kỳ nén. Khoảng 1/5 thời gian nén, van hút được mở để hòa khi thoát trở lại bộ phận cung cấp. Để tránh thất thoát nhiên liệu nhà sản xuất thiết kế hộp chứa khí gas phản hồi hoặc trang bị supercharger để hạn chế lượng ga phản hồi.
Tuy nhiên lợi ích của công nghệ này đối với động cơ hút khí tự nhiên không lớn lắm nên ít nhà sản xuất ô tô áp dụng. Cho đến khi công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp (Direct Injection) và van biến thiên theo thời gian Variable valve timing (VVT) được hoàn thiện, công nghệ động cơ Miller mới phát huy tác dụng. Thời gian mở của van hút vẫn gói qua kỳ nên, một lượng khi được thoát ra ngoài qua ngả hút khí. Nhưng lúc này nhiên liệu chưa được phun vào xy lanh nên khi phản hồi chi là không khí không chứa nhiên liệu. Nhiên liệu chỉ được phun khi van hút đã đồng nên không tổn thất nhiên liệu.
Công nghệ van biến thiên thông minh với trục cam kép (DOHC) kết hợp với phun nhiên liệu trực tiếp, phối hợp hoạt động một cách thông minh giữa van hút và van xả nhằm tăng hiệu suất động cơ ở giải tốc độ rỗng hiện nay được hầu hết nhà sản xuất ô tô sử dụng để sản xuất động cơ xe hybrid tiết kiệm nhiên liệu và được đặt tên là động cơ i-VTEC hoặc VVT-i.
Công nghệ này cũng có khi được nhà sản xuất gọi là động cơ chu kỳ Atkinson do ứng dụng nguyên lý “tăng dẫn nổ, giảm hút nên”. Prius với công nghệ continuously variable transmission (CVT) được gọi là động cơ chu kỳ Atkinson của Toyota. Nhưng chỉ là thay thế hay giống như Atkinson, chỉ có công nghệ Exlink của Honda có thể xem là Atkinson chính thống. Tuy nhiên, dù là Atkinson chính thống hay thay thế đều đem lại hiệu quả nhiên liệu tương đương.
Hộp số và bộ phân phối công suất (Hybrid Transaxel)
Cấu tạo
Công suất từ động cơ nhiệt truyền tới bánh răng mặt trời. Công suất từ động cơ điện MG2 truyền tới vành răng nếu đường đường công suất ngược lại thì động cơ điện lúc này sẽ trở thành máy phát.
Nguyên lý làm việc
Cụm bánh răng hành tinh trong hộp số đóng vai trò như một bộ chia công suất có nhiệm vụ chia công suất từ động cơ chính của xe thành hai thành phần tạm gọi là phần dành cho cơ và phần dành cho điện. Các bánh răng hành tinh của nó có thể truyền công suất đến động cơ chính, động cơ điện – máy phát và các bánh xe chủ động trong hầu hết các điều kiện khác nhau. Các bánh răng hành tinh này hoạt động như một cơ cấu truyền động biến đổi liên tục (CVT- Continuously Variable Transmission).
Motor điện và máy phát điện
Tổ hợp motor điện – máy phát số 1 (MG1-Motor Generater 1) có nhiệm vụ nạp điện trở lại cho ắc-quy điện áp cao (HV Battery), đồng thời cấp điện năng để dẫn động cho MG2 (MG2-Motor Generater 2). MG1 hoạt động như một motor để khởi động động cơ chính của xe đồng thời điều khiển tỷ số truyền của bộ truyền bánh răng hành tinh gần giống như một CVT. Tổ hợp motor điện – máy phát số 2 (MG2) có nhiệm vụ dẫn động cho các bánh xe chủ động tiền hoặc lùi xe. Trong suốt quá trình giảm tốc và phanh xe, MG2 hoạt động như một máy phát và hấp thu động năng (còn gọi là quá trình hãm tái sinh năng lượng) chuyển hóa thành điện năng để nạp lại cho ắc-quy điện áp cao. Trên Toyota dùng một motor đồng bộ xoay chiều 3 pha, là một motor không chổi than DC hiệu suất cao với dòng AC.
Các nam châm vĩnh cửu và một rotor được làm bằng các tầm thép điện tử ghép lại thành một motor công suất cao. Hơn nữa, bởi sự bố trí các nam châm vĩnh cửu theo một dạng tối ưu, mô men dẫn động được cải thiện và công suất được tăng lên. Cả MG1 và MG2 đều có kích thước gọn, nhẹ và là loại đồng bộ nam châm vĩnh cửu dòng điện xoay chiều hiệu quả cao.
Bộ phận chuyển đổi điện (Inverter With converter)
Bộ chuyển đổi biến dòng điện một chiều từ ắc-quy điện áp cao (HV Batterry) thành dòng xoay chiều làm quay motor điện hoặc biến dòng xoay chiều từ máy phát thành dòng điện một chiều để nạp điện cho ắc-quy.
Về cấu tạo, nó gồm một bộ khuếch đại điện năng để tăng điện áp được cung cấp lên đến 500V đồng thời nó được trang bị một bệ chuyển đổi dòng một chiều để nạp điện cho ắc-quy phụ của xe và một bộ chuyển đổi dòng xoay chiều để cấp điện cho máy nén trong hệ thống điều hòa của xe hoạt động.
Ắc quy điện áp cao (HV battery – high volt battery)
Ắc-quy chính của xe được bảo vệ trong một vẻ niken-kim loại hyđrua chắc chắn hơn và có mật độ năng lượng cao hơn so với bình thường. Thường gồm 120250 cặp cực ắc-quy với điện áp chuẩn là 144V-350 Volt (1,2V/cặp cực ắc-quy) được nạp điện bởi động cơ chính thông qua tổ hợp MG1 khi xe chạy bình thường và tổ hợp MG2 trong suốt quá trình hãm tái sinh năng lượng. Ford Escape Hybrid, Honda Insight, Civic Hybrid và Toyota Prius đều sử dụng những pin hydrua kim loại kiềm (NiMH), công nghệ pin giống như trong điện thoại di động và máy tính xách tay.
Cáp nguồn
Cáp nguồn hay cáp công suất trong xe hybrid dùng để truyền dòng điện có cường độ và điện áp cao giữa các thiết bị như ắc-quy điện cao áp, bệ chuyển đổi, các tổ hợp MG1, MG2 và máy nén trong hệ thống điều hòa. Đường dây cao áp và các giắc nối được đánh dấu bằng màu da cam như trong hình trên.
Ắc quy phụ
Loại ắc-quy DC 12V này được bố trí cố định phía sau xe, duy trì và cung cấp dòng điện một chiều ổn định cho các thiết bị như đèn xe, hệ thống âm thanh, các ECU điều khiển v..v…
Thông qua một quá trình rèn đặc biệt, sự ma sát ở thành xylanh giảm làm tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Kết hợp với công nghệ Offset Cylinder Bores nhằm tăng khả năng tiết kiềm nhiên liệu bằng cách giảm ma sát đầy của pít tông khi chúng di chuyển bên trong xylanh.
Xem thêm: