Многие годы всем казалось, что время великих инженерных потрясений в автомобилестроении прошло. Удивить техническими новинками в эпоху электроники, полимерных материалов и высоких промышленных технологий почти невозможно. И вдруг - революция. Исподволь вызревавшая не одно десятилетие, вобравшая в себя многочисленные достижения из разных областей человеческого знания. 10 декабря 1997 года - новая памятная дата в более чем вековой истории автомобиля.
До этого шло накопление "критической" массы и вот - взрыв. "Toyota Motor Corporation" на Токийской международной выставке прошлого года объявила, что с 10 декабря дилеры компании в Японии начинают продажу серийного легкового электромобиля "Prius". Точнее легковой машины с гибридным бензо-электрическим приводом.
Заменить коробку передач комбинацией генератор-электромотор идея не новая. В конце сороковых на улицах наших городов можно было встретить дизель-электрические автобусы ЗИС-154, да и сегодня такая передача применяется на карьерных самосвалах БелАЗ. Тяговый электродвигатель сам приспосабливается к изменениям внешней нагрузки, но для легковых машин блок генератор-электромотор тяжел и громоздок. У электромобиля с питанием от аккумуляторов силовая установка электродвигатель-батареи тоже неподъемна и слишком велика. Но если с ростом размеров и массы машины этот недостаток становится менее заметным, то в легковом варианте - наоборот: чем легче электромобиль, тем больше дают о себе знать отмеченные минусы конструкции.
А если найти разумный компромисс и, подобно Мичурину, вырастить полезный гибрид? Такую задачу и поставила перед собой Toyota. Как известно, по масштабам производства корпорация идет на втором месте в мире. Модельный ряд невероятно обширен. Но имиджу известной марки не хватало фундаментальных прорывов в автомобильной технике и технологии.
Теперь такой принципиальный шаг в инженерно-конструкторской области сделан. Создан серийный автомобиль с гибридной силовой установкой, в которой объединены двигатель внутреннего сгорания, генератор переменного тока, тяговый электромотор и аккумулятор. Согласованную работу на всех режимах обеспечивают планетарный механизм, преобразователи тока и управляющий компьютер.
Новый электромобиль позволил решить четыре важнейшие задачи.
Прежде всего уменьшены в 10 (десять!) раз выбросы вредных веществ в атмосферу. (На неблагоприятных режимах движения, когда токсичность выхлопа максимальна, в работу включается электродвигатель.)
Во-вторых, удалось существенно снизить массу электрической части силовой установки.
В третьих, нет необходимости заряжать аккумулятор от внешнего источника - батареи подпитываются от бортовой энергетической установки. (Тем самым можно отказаться от сооружения дорогостоящих и неудобных зарядных станций.)
И, наконец, в четвертых, такому автомобилю не нужна коробка передач. Изменение силы тяги на ведущих колесах происходит автоматически, благодаря "врожденным" свойствам электромотора переменного тока. Концепт-кар "Toyota Prius" впервые демонстрировался на международной автомобильной выставке во Франкфурте в сентябре 1995 года. Информация тогда была весьма расплывчатой: переднеприводной автомобиль, у которого двигатель (почему-то оснащенный динамо-стартером и бесступенчатым вариатором вместо обычной коробки передач) работает в паре с тепловым аккумулятором, накапливающим энергию, отдаваемую тормозами. На остановках силовой агрегат выключался автомеханическим устройством. Хотя мотор числился полуторалитровым, расход топлива был неправдоподобно мал -3,6 л/100 км.
Обрывочная информация поражала воображение, но не давала ясных ответов. На следующий год "Prius" привезли на московский автосалон. Отгороженный красным шнуром, центральный экспонат на стенде фирмы хранил гробовое молчание.

Теперь мы знаем, что неспроста...
Силовая установка "Prius" весьма интересна. Это двигатель внутреннего сгорания (1496 см3, 58 л.с. при 4000 об/мин), работающий в паре с тяговым электромотором переменного тока (30 кВт при 940 - 2000 об/мин). Компьютер самостоятельно, в зависимости от условий движения, определяет степень участия каждого из них. Оба (или каждый порознь) вращают через редуктор передние ведущие колеса.

Работа силовой установки на разных режимах: 1 - генератор, 2 - преобразователь тока, 3 - аккумулятор, 4 - тяговый электродвигатель, 5 - редуктор, 6 - планетарный механизм, 7 - бензиновый двигатель.

Установленный за двигателем внутреннего сгорания планетарный механизм разделяет поток мощности на две ветви: одна идет к редуктору главной передачи, другая - к генератору переменного тока. Тот заряжает через преобразователь аккумулятор, от которого при необходимости поступает энергия (через преобразователь) в тяговый электромотор.
При торможении электромотор действует в режиме генератора и через преобразователь пополняет запас энергии в батарее. А при пуске двигателя внутреннего сгорания генератор играет роль стартера. Все эти узлы, работающие с разными числами оборотов, согласуются компьютером, по командам которого тормозятся различные шестерни планетарного механизма и включается преобразователь.
Получается сложный, самостоятельно действующий агрегат, но все же не такой тяжелый, как в электромобиле. Во всяком случае "Prius" длиной 4275 мм и шириной 1695 мм (почти как ВАЗ-21099) весит в снаряженном состоянии 1515 кг (против 915 кг у "девяностодевятой"). И при этом "Prius" расходует в среднем 3,57 л/100 км, в то время как у ВАЗ-21099 (езда по условному городскому циклу) - 8,8 л/100 км.
На панели приборов у "Prius" установлен дисплей, на котором можно видеть, откуда в каждый момент на ведущие колеса подается тяговое усилие. Для гибридной силовой установки существуют пять характерных режимов работы. Первый: начало поездки, движение с малой нагрузкой, небольшой скоростью или под небольшой уклон. Действует электромотор. Двигатель и генератор не работают. Аккумулятор разряжается.
Второй: нормальная езда. Планетарный механизм один поток мощности (В) направляет через редуктор к ведущим колесам, а второй (С) - к генератору, который вырабатывает энергию для электромотора (своего рода саморегулирующаяся трансмиссия), передающего через редуктор свою часть крутящего момента ведущим колесам. Аккумулятор бездействует.
Третий: разгон с полностью открытым дросселем. Все происходит, как на втором режиме, но теперь вступает в действие аккумулятор, отдающий дополнительную энергию (А) электромотору, чей вклад в совместный крутящий момент на ведущих колесах заметно вырастает. Компьютер для достижения максимальной отдачи постоянно регулирует долю каждого потока мощности.
Четвертый: торможение, замедление. В результате инерции колес начинается вращение тягового электромотора, который в этом режиме становится генератором. Вырабатываемая энергия (переменный ток) через преобразователь (А) идет на зарядку (постоянный ток) аккумулятора. Двигатель внутреннего сгорания и генератор не работают.
Пятый: зарядка. Когда запас энергии в батарее истощается, через двигатель и генератор (под контролем компьютера) начинается подача тока (Д) в аккумулятор.

Общий вид гибридной силовой установки "Prius". Правее маховика виден генератор, далее (после пластинчатой приводной цепи "Морзе") - планетарный механизм и затем тяговый электродвигатель.

Планетарный механизм: 1 - солнце, 2 - корона, 3 - сателлит, 4 - водило.

Когда машина останавливается, двигатель автоматически заглушается.
В гибридной трансмиссии важную роль играет планетарный механизм (родственный тому, что применяется в колесных редукторах "мазов", "лиазов" и автоматических коробках передач). Это своеобразный "кран", регулирующий направление потоков мощности. В нашем случае с солнечной шестерней связан генератор, с водилом - двигатель внутреннего сгорания и с коронной шестерней - тяговый электромотор. При необходимости каждое звено можно сделать или неподвижным (остановив ленточным тормозом по команде компьютера) или ведущим. Таким образом, открываются широкие возможности для комбинаций самых разнообразных кинематических вариантов.
Но, помимо планетарного механизма. в "Prius" есть еще один любопытный узел. Вместо привычного свинцово-кислотного аккумулятора в силовой установке электромобиля используется никель-металлическая гидридная батарея из 40 банок емкостью 260 ампер-часов, работающая на соединениях водорода с некоторыми металлами, например, никелевыми сплавами. Эта батарея - плод многолетних экспериментов и исследований. Водород, необходимый базовому аккумулятору, поступает из теплового аккумулятора (вспомним экспонат Франкфуртского салона), который под воздействием тепла выделяет его из гидрида никеля.
Как видим, силовая установка довольно сложна и тяжела. Ради сокращения массы "Toyota" выполнила несущий каркас кузова автомобиля из легированной стали, а некоторые его элементы подвергла термообработке. Этой же цели служат колеса из алюминиевого сплава - стандартное оборудование машины.
О том, сколь серьезно отнеслась фирма к снижению вредных выбросов и уменьшению расхода топлива, свидетельствуют многочисленные технические ухищрения, внедренные на модели "Prius".
Двигатель работает по так называемому рабочему циклу Аткинсона, по которому степень сжатия и степень расширения имеют разные значения, что и способствует экономии топлива. Реализовать цикл Аткинсона помогают изменяемые на ходу фазы открытия и закрытия выпускных клапанов.
Большая работа проведена фирмой и для максимального сокращения в двигателе внутренних потерь на трение, автоматического выключения мотора при остановках, перехода от гидравлического усилителя руля к электрическому (расходующему энергию только на поворотах), по внедрению низкопрофильных (65%) шин с малым сопротивлением качению. Не остался без внимания и кузов - выгодная с точки зрения аэродинамики форма предопределила низкий коэффициент лобового сопротивления 0,3.Словом, использованы были все резервы.
Что касается удобства и комфортабельности, то такой сравнительно небольшой автомобиль оборудован кондиционером, навигационной системой с аудиоинформатором, фильтром поступающего в салон воздуха и дисплеем, подробно информирующим о работе всех механизмов и узлов. Много внимания уделено безопасности: установлены две серийные надувные подушки, у всех сидений трехточечные ремни, а на передних сиденьях - ремни с преднатягом.
"Toyota Prius" - рывок в XXI век, попытка создать "экологически дружелюбный" и максимально безопасный автомобиль с уникальным набором технических новшеств. И, главное, первый в мире гибридный бензо-электрический автомобиль - не прототип, а реальная торговая модель.
Пока, правда, у нас нет конкретных цифр по объему выпуска и розничной цене. Ясно одно - прорыв совершен и, по всей видимости, "Prius" нацелен не только на японский рынок. Власти Калифорнии, например, всерьез намерены в будущем приостановить постановку на учет "экологически грязных" автомобилей. И в такой "зеленой" ситуации "Prius" может оказаться там весьма желанной машиной, более того - первой. Эту цель "Toyota", наверное, имела в виду прежде всего.