豐田普銳斯的發動機和電機分別是怎么工作的？

轉載網上，詳解豐田普銳斯(Toyota Prius)工作模式

從普銳斯靜止狀態下汽油機的啟動、冷車啟動、熱車啟動、起步、加速和爬坡、巡航、滑行、剎車、爬行和電力起步和低速行駛和電動行車這十種工作模式剖析普銳斯工作模式。

三代普銳斯與二代相比，電機和汽油機的馬力都加大了，但基本結構和工作原理還是那些。

一、關于普銳斯的核心運動部件

1、汽油機：普銳斯的1.5L的汽油機是阿特金森循環汽油機，與普通轎車的奧托循環汽油機相比，阿特金森循環汽油機的優點是燃燒效率較高，負荷較輕，特別適合反復點火啟動，缺點是單位重量和功率比不如奧托循環汽油機。

2、電機：普銳斯有兩臺電機，資料上分別稱為一號電機和二號電機。一號電機10KW，二號電機50KW。這兩臺電機在車載計算機控制下，有時以發電機模式工作，有時以電動機模式工作。有時正轉，有時反轉。正轉時，有時是發電機，有時是電動機；反轉時只作為電動機使用。

http://player.youku.com/player.php/sid/XNDI0MTc1NjE2/v.swf

3、PSD（Power SplitDevice）：即“動力分配器”。本質上是一個行星齒輪組（planetary gear set），它是普銳斯的機械中樞。汽油機和電動機的動力結合、無級變速的實現都要靠它完成。其示意圖如下：

?

通過觀察這個示意圖，可以看到動力分配器由一個中心齒輪、四個小的行星齒輪、一個圓形的行星齒輪座、一個外齒圈構成。

A. 中心的齒輪稱為“恒 星齒輪”，它與一號電機相聯。由于一號電機既可以正轉，也可以反轉，所以恒星齒輪也隨一號電機正轉或反轉（恒星齒輪和一號電機見圖中黃色的部分）。

B. 恒星齒輪四周有四個小齒輪圍繞著旋轉，稱為“行星齒輪”。

C. 承載四個行星齒輪的圓環稱為“行星齒輪座”，它上面有四個獨立的短軸，四個行星齒輪分別裝在短軸上。“行星齒輪座”本身沒有齒，它依靠行星齒輪與恒星齒輪咬合在一起。

“行星齒輪座”與汽油機聯接，由于汽油機只能正轉，所以“行星齒輪座”也只能正轉。（行星齒輪、行星齒輪座和汽油機見圖中的藍色部分）

最外面的圓環是一個齒圈，齒圈的齒全部向內，與四個行星齒輪咬合在一起。齒圈的一端與二號電機相聯。由于二號電機既可以正轉，也可以反轉，所以齒圈也隨二號電機正轉或反轉。齒圈的另一端通過減速齒輪與普銳斯的車輪相聯。這樣，當二號電機正轉時，普銳斯向前行駛，當二號電機反轉時，普銳斯向后倒退。（外齒圈和二號電機見圖中的紅色部分）

行星齒輪本身沒有動力源，但它們有“自轉”和“公轉”。行星齒輪在短軸上的旋轉為自轉，自轉可以是正轉，也可以是反轉；公轉是指四個行星齒輪隨“行星齒輪座”一起圍繞恒星齒輪公轉。

四個行星齒輪雖然沒有動力源，但卻有特別的功效。正是由于它們的存在，才使行星齒輪座、恒星齒輪和齒圈之間的微妙相互作用成為可能。譬如，當齒圈固定不動（即普銳斯車輪靜止不動）時，有了行星齒輪的自轉，恒星齒輪（暨一號電機）才可以帶動行星齒輪座（即汽油機）轉動；有了行星齒輪的自轉，當齒圈（暨二號電機）正轉時，恒星齒輪（即一號電機）才可以反轉，而當齒圈（暨二號電機）反轉時，恒星齒輪（暨一號電機）又可以正轉。又如，當齒圈和恒星齒輪以某個速度同向轉動時，行星齒輪可以不轉，造成行星齒輪座的公轉，從而帶動汽油機轉動。當行星齒輪座不轉（相當于發動機停轉）時，齒圈和恒星齒輪仍可以自由轉動，等等。總之，有了這個行星齒輪組，發動機與車輪及電動機之間就可以始終保持聯接了，也就不需要離合器了。理解動力分配器的工作狀態需要一點想像力。

二、普銳斯的各種工作模式：

1、靜止狀態下汽油機的啟動

為了啟動汽油機，一號電機在電力驅動下帶動恒星齒輪正轉，如果普銳斯處于靜止狀態，則與車輪相聯的外齒圈是不轉的。于是，恒星齒輪的正轉使行星齒輪反轉，并迫使行星齒輪座開始正轉并帶動汽油機轉動。下面的示意圖顯示動力分配器在啟動時的工作狀態：

?

如果是普通汽車，啟動電機帶動汽油機開始旋轉時，就該向汽油機注入燃料并點火了。而普銳斯卻要等到汽油機轉速達到每分鐘1000轉時才開始點火。啟動汽油機的整個過程不到一秒鐘。普銳斯的一號電機功率高達10千瓦，比普通汽車的啟動電機強勁得多，由于恒星齒輪與行星齒輪及外齒圈的齒比關系，行星齒輪座（即汽油機）的轉速為恒星齒輪（即一號電機）轉速的1/3.6。也就是說，為了使汽油機轉速達到每分鐘1000轉，一號電機的轉速要達到每分鐘3600轉。

對汽油機來說，每分鐘1000轉的啟動轉速實在算不了什么，因為汽油機本來就能靠自己的力量以這個速度從容運轉。另外，普銳斯啟動時只給2個汽缸點火，這就使得汽油機啟動非常平穩和寧靜，避免了普通汽油機的啟動磨損。

汽油機啟動完成后，普銳斯的車載計算機會控制汽油機節氣門的開度，以保持預熱時的合理怠速。這時，電池組不再向一號電機供電，如果電池組電量不足，反而可以利用一號電機發電來給電池組充電。為此，車載計算機只需將一號電機切換到發電狀態（正轉）并將汽油機節氣門開大一點即可將電力導出。

2、冷車啟動

普銳斯的汽油機冷車啟動后，會運轉一會兒，主要是給汽油機和催化劑轉換器預熱，使廢氣排放控制系統開始工作。具體運轉多長時間取決于汽油機和催化劑轉換器的實際溫度。冷車啟動以后，汽油機怠速為每分鐘1300轉。

3、熱車啟動

普銳斯熱車啟動時，汽油機轉一會兒就會停下來。汽油機怠速略低于每分鐘1000轉。

4、起步

通過考察行星齒輪組的結構，我們可以認為普銳斯的汽油機相當于始終掛在最高檔上。這意味著光靠汽油機不能提供起步所需的扭矩。起步加速所需的扭矩是由二號電機來補充的。二號電機直接作用于動力分配器的外齒圈，而外齒圈又與推動車輪的減速齒輪動力輸入端聯在一起。電動機最適合在低速下提供扭矩，所以電動機起步是讓普銳斯開動起來的好辦法。

由于汽油機運轉時，車子最初還處于靜止狀態，所以一號電機是正向旋轉的。控制單元把從一號電機獲得電能傳遞到二號電機。為了抵消一號電機的“發電阻力”，車載計算機會增加汽油機節氣閥的開度，提高汽油機的出力。這時，汽油機在更賣力地推動行星齒輪座圈轉動，而一號電機卻想降低恒星齒輪的轉速。結果這兩股力量的合力施加到外齒圈上，推動了外齒圈，也就推動了普銳斯的車輪。下面的示意圖顯示動力分配器在起步時的工作狀態：

?

動力分配器將汽油機扭矩的72%分配給了外齒圈，28%分配給了恒星齒輪。在踩下油門踏板之前，汽油機處于怠速狀態，沒有扭矩輸出。踩下油門踏板之后，節氣閥開大了，28%的扭矩用于推動一號電機發電，其余72%的扭矩傳到了外齒圈及車輪。盡管起步的主要扭矩來自二號電機，但汽油機的確通過這種方式也向車輪提供了扭矩。

那么，汽油機分配給一號電機的這28%的扭矩是如何引導二號電機的輸出動力來使普銳斯起步的呢？

為此，首先必須弄清楚扭矩與動力的區別。扭矩是一股旋轉的力，但如果只是維持扭矩，就不需要消耗能量。

當普銳斯尚未起步時，盡管汽油機扭矩的72%傳遞到了車輪上，但是由于外齒圈尚未轉動，動力并未朝這個方向傳遞。盡管只得到汽油機扭矩的28%，恒星齒輪這時卻在狂轉，發出大量的電能。當普銳斯開始緩慢移動后，它的動力是一號電機提供的。

隨著車速提高，一號電機轉速開始下降，發電量就會減少。這時，車載計算機會進一步開大汽油機節氣閥，產生更大的扭矩，由于增加的扭矩的一部分也傳遞到了恒星齒輪上，使一號電機得以維持發電量。也就是說，扭矩的增加抵消了一號電機轉速下降的趨勢。

電池組對于普銳斯起步并非必不可少。不過實際上，起步時通常都是靠計算機指令從電池組直接取電傳送到二號電機的。當普銳斯緩慢前行時，為了避免一號電機因轉速過高受損，汽油機的轉速是受到限制的，因此一號電機的發電量也受到了限制。再說，汽油機轉速過高，起步時的聲音會很難聽。油門踏板踩得越深，汽油機轉速越高，從電池組汲取的電能也會越多。在時速25英里以下時，如果把油門踏板踩到底，大約有40%的動力來自電池組，60%的動力來自汽油機。 隨著車速提高，汽油機轉速也隨之提高，其供電的份額也在增加，如果踩住油門不放，當車速達到每小時100公里時，則有75%的動力來自汽油機。需要說明的是，來自汽油機的動力應當包括被一號電機用來發電并傳遞給二號電機的那部分動力。當車速達到每小時100公里時， 二號電機提供了更多的扭矩，但增加的動力并非直接來自汽油機，其中相當一部分來自一號電機，這是由汽油機間接提供的動力，而不是由電池組提供的動力。

5、加速和爬坡

當需要很大的動力時，汽油機和二號電機共同提供扭矩來推動普銳斯，就像前面提到過的起步階段一樣。隨著車速的提高，二號電機已經以50千瓦滿負荷工作了，它能提供的扭矩不斷下降。功率是扭矩與轉速的乘積。由于二號電機功率是一定的，其轉速越高，提供的扭矩就越小。幸好，這與司機的要求是一致的。

當一輛普通轎車加速時，其步進式變速箱不斷地向高檔位切換，傳遞到驅動軸的扭矩隨之減少，這就使汽油機轉速得以降低到安全水平。盡管普銳斯采用了完全不同的變速機構，但在加速時給人的感覺與常規轎車沒什么兩樣。主要區別是完全沒有了換檔時的頓挫感。這是因為普銳斯根本沒有采用步進式變速箱。（裝備真正無級變速器的轎車，譬如Insight，在加速時同樣感覺十分平順）。下面的示意圖顯示動力分配器在加速和爮坡時的工作狀態：

?

現在再來歸納一下。汽油機驅動動力分配器的行星齒輪座，把72%的扭矩通過外齒圈傳遞到最終驅動器和車輪，把28%的扭矩通過恒星齒輪傳遞到一號電機。一號電機轉動時發出電能，供給二號電機，使二號電機向外齒圈提供額外的扭矩。

油門踏板得越深，汽油機產生的扭矩越大。結果，一方面增加了通過外齒圈傳遞的扭矩，另一方面增加了一號電機供給二號電機的電能，使二號電機能向外齒圈提供更多的扭矩。車載計算機根據電池組的電量、道路的坡度、踩油門的力度等因素，可能還會調用電池組的電能，以進一步提高二號電機的出力。正是因為如此，像普銳斯這么大的車才能以區區77馬力在高速公路上加速超車。

另一方面，如果動力需求不太大，一號電機發出的一部分電能便可以給電池組充電，甚至在超車時也在充電！關鍵是汽油機既帶動行星齒輪座，又帶動一號電機發電。發出的電能怎樣使用，以及是否需要電池組供電則取決于各種復雜因素。

?

6、巡航

在平坦的路面上，當普銳斯達到穩定的速度以后，汽油機需要提供的動力遠低于加速和爬坡所需的動力，只須提供動力來克服空氣阻力和滾動阻力即可。為了在低功率時能保持高效率，汽油機以低轉速運行。下面這張表顯示的是在平坦的路面上普銳斯以不同速度行駛所需的純動力。

車速：

60公里

動力：

3.6 kW

汽油機轉速：1300 r.p.m.

一號電機轉速： -1470r.p.m.

車速：

80 公里

動力：

5.9 kW

汽油機轉速：

1500 r.p.m.

一號電機轉速： -2300r.p.m.