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Toyota Prius Hibrido

El Toyota Prius es el hbrido ms demandado entre los compradores de este tipo de vehculos. Funciona con gasolina pero gasta menosque un Diesel (4,3 L/100 km) y es el modelo que emite menos CO2 del mercado, con slo 104 gr/km; un 30% menos que el resto deturismos. Su secreto es la tecnologa Hybrid Sinergy Drive (HSD), desarrollada por Toyota, y que combina un motor trmico con otroelctrico alimentado por unas bateras que se recarga con la fuerza de las frenadas. Lo que inicialmente parece una idea tan sencilla comobrillante, resulta, a la postre, tcnicamente muy compleja, y con en reto aadido de que todos los componentes extra que precisa unamecnica semejante deben ocupar el mismo espacio que habitualmente precisa el motor de un automvil convencional.

El Toyota Prius a evolucionado con los aos montando una nueva versin (THS II) que ha mejorado la primera versin THS (Toyota HybridSystem)..

Vehiculos Hibridos: Toyota Prius http://www.mecanicavirtual.org/hibridos-prius.htm

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Para el funcionamiento del Prius se dispone de dos motores; por una parte, tenemos un motor de gasolina de 1,5 litros, con 78 CV depotencia mxima a 5.000 rpm. Por otra, se apoya en un motor elctrico, con una potencia mxima equivalente a 68 CV (50 kW), con lo cual,cuando los dos trabajan al unsono, se logra una potencia total de unos 111 CV. El par mximo es impresionante, alrededor de 400 Nm.,desde el motor parado y hasta las 1.200 revoluciones.

Con todo ello los consumos de combustible anunciados por Toyota son de 4,3 litros a los 100 kilmetros en ciclo combinado, 4,2 litros cada100 kilmetros en carretera y 5 litros cada 100 kilmetros en ciudad.

Motor


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El motor trmico funciona segn el llamado "ciclo Atkinson", ideado por el ingeniero ingls James Atkinson (1887), y que se diferencialigeramente del tradicional motor de "ciclo Otto" de cuatro tiempos. Bien es sabido que el rendimiento termodinmico de cualquier motor decombustin interna se ve favorecido por un alto valor de la relacin de compresin, que a su vez tiene el inconveniente de la tendencia queposee la gasolina a producir detonacin para altas relaciones de compresin.

El ciclo Atkinson trata de aprovechar las ventajas que supone una alta relacin de compresin reduciendo la duracin efectiva de la carrerade compresin con respecto a la de expansin del tradicional ciclo Otto. La forma ms viable y sencilla de conseguir esto es retrasar elcierre de la vlvula de admisin, permitiendo un cierto reflujo de gases hacia el colector de admisin mientras el pistn asciende. Esamezcla se aprovecha en el siguiente ciclo de aspiracin.

El cierre de la vlvula determina la cantidad de gases que permanecen en el interior del cilindro y el comienzo de la compresin. La menorcantidad de mezcla retenida se traduce en unas menores prestaciones, pero autoriza a usar relaciones de compresin altas (13:1 en elToyota Prius) sin que se produzca detonacin, lo que permite un mayor aprovechamiento de la energa liberada en la combustin durante lacarrera de expansin. Este ciclo ha sido en ocasiones denominado como de cinco tiempos: admisin, reflujo de gases, compresin,expansin y escape.

El motor Toyota que lleva el Prius tiene distribucin variable de tipo VVT-i. Puede cerrar la vlvula de admisin entre 78 y 105 despus delpunto muerto inferior. Es decir, en funcin de las condiciones de funcionamiento, es posible que no cierre las vlvulas de admisin hastadespus de llevar media carrera ascendente. La relacin de compresin real nunca es ms de 9:1, mientras que la relacin de expansin es13:1.

El funcionamiento de este vehculo dispone que el "motor elctrico" es el que acta a bajas velocidades y cuando no se exige un rendimientomecnico elevado. El "motor de gasolina", en cambio, entra en funcionamiento cuando se aumenta la velocidad o se solicita ms potencia.Este proceso se realiza de forma completamente automtica y sin que el conductor note apenas el trabajo de uno u otro, a pesar de que elmonitor de energa, situado en la pantalla multifuncin de la consola central, informa a los ocupantes de los trnsitos de energa trmica yelctrica, el estado de carga de la batera y la recuperacin de energa cintica. sta ltima es precisamente una de las grandes ventajas


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de este coche, que no necesita alimentacin externa su batera no precisa ser recargada, ya que la fuerza de las frenadas y elfuncionamiento del motor de explosin ya recargan la batera de ion-litio, la ms sofisticada y potente del mundo en su gnero. Gracias aesta inteligente combinacin, el Prius logra un consumo medio homologado de combustible de 4,3 litros a los 100 km, todo un rcord paraun coche de gasolina.

El Prius tiene un motor elctrico permanentemente engranado al diferencial de la transmisin, sin ningn tipo de embrague. Es decir, elmotor elctrico y las ruedas son siempre solidarios. El funcionamiento del motor elctrico es posible durante unos pocos km y por debajo de50 km por hora y esto suponiendo que la batera este a plena carga, porque sino la autonoma seria mucho menor..

Para mover a las ruedas, el motor elctrico puede estar impulsado elctricamente (por una batera, un generador o ambas cosas a la vez)o mecnicamente (por un motor de gasolina). El motor trmico nunca mueve directamente a las ruedas; su fuerza se aprovecha para movera un generador elctrico o para mover mecnicamente al motor elctrico.

Con la electricidad que produce el generador elctrico cuando lo impulsa el motor de gasolina se puede: mover al motor elctrico,almacenar energa en la batera o ambas cosas al mismo tiempo.

La batera sirve como fuente de electricidad para todo el coche. Obtiene la energa por dos medios: uno, del motor trmico, a travs delgenerador. Dos, del motor elctrico cuando ste no impulsa al coche (en ese caso, el motor elctrico se convierte en otro generador).

En la imagen siguiente, que simula una aceleracin y una deceleracin del coche, se pueden apreciar todos los procesos citados.


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El sistema est controlado por una centralita que distribuye la fuerza de cada elemento, de acuerdo con la fuerza que sea necesaria encada momento y con el nivel de carga de la batera.

En la siguiente imagen se puede ver un ejemplo de funcionamiento. En las dems imgenes se ve una ilustracin del flujo de fuerza en cadacaso, junto con el esquema que puede aparecer en el monitor del coche.


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Si el conductor selecciona la funcin de mxima retencin con el mando del cambio, el motor trmico gira sin alimentacin de combustible(es decir, se convierte en una bomba de aire). En esa posicin del cambio, adems, la retencin que da el motor elctrico convertidor engenerador tambin es mayor.

Hay un botn que anula completamente el motor trmico, si la batera no baja de una cierta carga y si el conductor no solicita demasiadafuerza del sistema (una aceleracin fuerte, un rampa pronunciada o una velocidad superior a unos 50 km/h). Esta funcin puede ser til parasalir circular por espacios cerrados (como aparcamientos), sin que el coche contamine ni haga ruido.

TransmisinToyota denomina a la transmisin utilizada en el Prius como Power Split Device. Esta transmisin no tiene una caja de cambiosconvencional con distintos engranajes, ni una caja automtica de variador continuo con correa. Este vehculo dispone de un engranajeplanetario para transmitir el movimiento a las ruedas. No tener una caja de cambio normal aporta ventajas notables y especialmente


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necesarias en un coche como ste: menos peso, ms espacio y menos prdidas por rozamiento.

Dado que el motor funciona siempre casi a plena carga y con un margen de revoluciones no muy amplio, haca falta algo para que (en esascondiciones) valiera igual para arrancar en marcha lenta y para ir a gran velocidad. Ese algo es el engranaje planetario, que tiene treselementos: un planeta o engranaje central; unos satlites que giran alrededor de l; y una corona con un dentado interior a la cualtambin estn engranados los satlites.

El engranaje planetario utilizado en esta transmisin une cada uno de sus componentes (figura inferior):

Engranaje central o "planetario" est unido al generador elctrico.

El portasatlites est unido al motor trmico.

La corona esta unida al motor elctrico.

A uno de estos elementos est engranado el motor trmico, al otro un generador elctrico y el otro es solidario con las ruedas el coche. Laclave del sistema es que el giro del generador elctrico puede ser mayor o menor, en funcin de la resistencia que oponga. Si es preciso undesarrollo corto, el generador elctrico opone una gran resistencia al movimiento. A consecuencia de ello roba fuerza al motor trmico yla enva al motor elctrico, que tambin impulsa a las ruedas. La fuerza que va a parar al motor es finalmente la misma, si no entran enjuego las bateras. Pero, mediante este mtodo, el engranaje epicicloidal tiene el desarrollo corto que hace falta (por ejemplo para arrancar)y largo para alcanzar un velocidad alta, a igualdad de rgimen del motor.


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A medida que el coche gana velocidad, el generador elctrico opone menos resistencia y su giro aumenta. A causa de ello, el desarrollo sehace ms largo. Si las bateras no intervienen en la aceleracin, toda la fuerza de la que dispone el coche parte del motor trmico. Peropuede llegar a las ruedas bien a travs del motor elctrico, alimentado por el generador, o bien directamente a travs del motor trmico, siel generador no acta.

La corona del engranaje planetario est solidariamente unida a las ruedas delanteras del coche, a travs de un diferencial con grupo 4,113a 1. Esa relacin de 4,113 a 1 da un desarrollo de 27,6 km/h cada 1.000 r.p.m. del motor elctrico. Si el coche puede salir desde paradocon una marcha tan larga, es porque hasta unos 25 km/h el par que puede generar el sistema de propulsin es unos 480 Nm. Comoen cualquier otro coche, la transmisin multiplica ese par (en este caso por 4,113).

Por razones de espacio, la transmisin de par entre la corona y el diferencial se hace mediante una cadena de transmisin y dos pares deengranajes (figura inferior).

Siempre que el coche esta en movimiento, la corona del engranaje planetario tambin se mueve. La fuerza para moverse proviene del motorelctrico directamente o del empuje que le da el motor trmico. Cuanto ms lenta es la velocidad del coche, tanto mayor fuerza proviene delmotor elctrico. Cerca de la velocidad mxima, toda la fuerza proviene del motor trmico.

Estos son algunos ejemplos del funcionamiento del sistema:

El coche se mueve slo con la energa de la batera. Un rgimen del motor elctrico distinto de cero indica que el coche est enmarcha. El motor trmico est parado y el generador funciona en sentido inverso, sin producir corriente.

El coche est parado y el motor trmico est recargando la batera. Si el coche est parado y la batera llega al lmite tolerado dedescarga, el motor trmico se pone en marcha. El generador ofrece par resistente y por eso genera una energa que se destina arecargar la batera.

El coche est avanzado a velocidad constante. En este caso, el coche se est desplazando porque el portasatlites (motor trmico)empuja a la corona (motor elctrico) mientras el que planeta est detenido (generador). En estas condiciones la propulsin esenteramente mecnica, aunque se realice (tambin mecnicamente) a travs del motor elctrico.

El coche acelera fuertemente. Cuando el coche est en marcha y el conductor pisa el acelerador, el generador se pone en marcha.En ese caso, la fuerza con que el motor elctrico impulsa a las ruedas procede de tres fuentes simultneamente: una, el motortrmico mueve al generador que a su vez alimenta al motor elctrico. Dos, el motor trmico impulsa mecnicamente al motorelctrico. Tres, la batera suministra electricidad al motor elctrico.

Hay otras condiciones de funcionamiento posibles, pero en cualquiera de ellas el principio de funcionamiento es el mismo. La energa quesuministra el generador no depende slo de su giro. El sistema puede variar o eliminar completamente el par resistente del generador paraadecuar la energa que genera a cada condicin de funcionamiento.

Esta transmisin no dispone de marcha atrs, de esta funcin se encarga el motor elctrico que puede girar en ambos sentidos, por lo tantola marcha atrs se har siempre con el motor elctrico, para esta funcin no se utiliza el motor trmico.


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BateraLa batera del Prius es de nquel e hidruro metlico; la fabrica Panasonic. Proporciona 202 V, tiene 6,5 Ah de capacidad (3 horas), pesa 42kg y tiene la densidad de energa ms alta del mundo entre las bateras de su tamao.Esta batera slo se recarga con el generador, al que impulsa el motor trmico. No tiene ningn tipo de conexin para conectarla a una redo a otro dispositivo de carga.

La batera no tiene efecto memoria porque el sistema elctrico est hecho para que nunca baje de un cierto nivel de carga, mientras elcoche est funcionando. Cuando el coche queda parado y desconectado, el proceso de descarga es muy lento. No est prevista susustitucin en el programa de mantenimiento y, como todos los elementos del sistema hbrido, tiene ocho aos de garanta.Est conectada a un elemento que convierte los 202 V de corriente continua en 500 de corriente alterna. Este dispositivo tambin invierte lacorriente elctrica cuando hay que cargar la batera (bien con el generador, o bien con el motor elctrico).


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GeneradorEl generador es el elemento que transforma en electricidad el trabajo del motor trmico; tambin funciona como motor de arranque delmotor trmico. Es de corriente alterna sncrono y como mximo gira al doble de rgimen que el motor trmico.

Motor ElctricoEl motor elctrico lo fabrica Toyota. Es un motor sncrono de imanes permanentes de neodimio. Funciona a 500 V y puede dar 50 kW entre1.200 y 1.540 rpm. Su par mximo es 400 Nm hasta 1.200 r.p.m.. Pesa 104 kg y segn Toyota no hay otro motor elctrico en elmundo (en ningn sector de la industria) que d ms potencia con menos tamao y peso que ste.Dado el desarrollo de transmisin que tiene el coche y su velocidad mxima (170 km/h), el rgimen mximo del motor elctrico es unas6.150 r.p.m..

InversorSe encarga de transformar y administrar el flujo de electricidad entre la batera y el motor elctrico. Ademas posee un convertidor integradoque enva parte de la electricidad del sistema a la batera auxiliar de 12 V.

El inversor se encarga de las siguientes funciones:

Convierte los 201,6 V DC (corriente continua) que entrega la batera HV en 201,6 V AC trifsica (corriente alterna). Multiplica estos

201,6 V AC trifsica hasta un mximo de 500 V AC trifsica. al motor y al generador elctricos del THSD

Convierte los 201,6 V DC en 201,6 V AC para el compresor elctrico del aire acondicionado.

Convierte los 201,6 V DC en 12V DC y 100 A. para recargar la batera de 12V, dada la ausencia de alternador y alimentar a losdems elemento elctricos del vehculo (luces, audio, ventiladores, etc.).


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El inversor, el motor elctrico y el generador son enfriados mediante un sistema refrigeracin independiente de la refrigeracin del motortrmico. La unidad de control HV es la que se encarga de controlar la bomba elctrica de agua. En las versiones del Prius del "04" yposteriores el radiador ha sido simplificado y el espacio que ocupa ha sido minimizado.

Instalacin de alta tensinLa instalacin elctrica para la propulsin funciona con 500 V, hay otra instalacin de 12 V para los dems elementos elctricos del coche(incluida una toma de corriente para arrancar el motor con una batera normal, si fuera preciso).Para reducir peso (y precio) la red de cables de alta tensin no es de cobre, sino de aluminio. Hay sensores que cortan instantneamente lacorriente en caso de accidente o de cortocircuito.La tensin de funcionamiento del circuito de alta tensin (HV) varia en funcin de la evolucin del sistema hbrido THS (Toyota HybridSystem)..


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Sistema de controlEl sistema de control de THS II gestiona el vehculo en su mxima eficiencia controlando la energa usada por el vehculo, lo cual incluye laenerga para mover el vehculo as como tambin la energa usada para dispositivos auxiliares, como el aire acondicionado, loscalentadores, los focos delanteros y el sistema de navegacin. El control de sistema monitorea los requisitos y las condiciones operativasde componentes del sistema hbrido, como elemento principal, el motor trmico que es la fuente de energa para el vehculo hbrido entero;El generador, que se utiliza como motor de arranque para el motor trmico y ademas convierte la energa del motor trmico sobrante enelectricidad; El motor elctrico, que mueve el vehculo usando la energa elctrica de la batera; Y la batera, que almacena la energaelctrica generada a travs de la regeneracin de electricidad por el motor elctrico durante la desaceleracin. El sistema de controltambin tiene en cuenta las informaciones que recibe del sensor de freno, sensor de velocidad, posicin del acelerador, as como cuando elconductor acta sobre la palanca de cambio.

Frenado regenerativoEl sistema de frenado regenerativo funciona cuando queremos disminuir la velocidad del vehculo, utilizando el motor trmico como freno obien pisando el pedal de freno. En esta situacin el motor elctrico funciona como un generador, convirtiendo la energa cintica del vehculoen energa elctrica, la cul se usa para cargar las bateras. Este sistema es particularmente efectivo en recobrar energa cuando secircula por ciudad, donde se producen aceleraciones y deceleraciones frecuentes. Cuando se pisa el pedal de freno, el sistema controla lacoordinacin entre el freno hidrulico del ECB (Electronic Control Braking) y el freno regenerativo y preferentemente usa el frenoregenerativo, por consiguiente recobrando energa aun en las velocidades inferiores del vehculo. Con este sistema se consigue unaregeneracin de energa muy eficiente. En la grfica inferior se ve como se ha mejorado el sistema de frenado regenerativo en el THS II conrespecto a la versin inicial (THS).

Las perdidas por rozamiento en la transmisin son mnimas ya que el movimiento de las ruedas se transmite a travs del diferencial y losengranajes intermedios al motor elctrico que se convierte en este caso en generador. El sistema de frenado regenerativo consiguerecuperar un 65% de la energa elctrica que carga las bateras.


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2007 MECANICAVirtual, la web de los estudiantes de automocin. Pagina creada por Dani meganeboy.Actualizada: 13 Diciembre, 2008 . Estamos on-line desde: 24 Febrero de 2001


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