W celu podkreślenia najwyższego poziomu zaawansowania techniki, nowy model GS 450h wyposażono w najnowocześniejszy hybrydowy układ napędowy. Opracowany przez inżynierów Lexusa najnowszy układ hybrydowy charakteryzuje się najniższym zużyciem paliwa oraz najmniejszą emisją zanieczyszczeń przy jednoczesnym dostarczaniu niebywałej mocy, która zapewnia płynne przyspieszanie w całym zakresie prędkości.
Najnowszy hybrydowy układ napędowy spalinowo-elektryczny wykorzystany do napędu luksusowego modelu Lexusa nosi oznaczenie “450”, jednak nie jest to liczba określająca pojemność skokową silnika spalinowego, ale nawiązanie osiągami układu hybrydowego do mocy klasycznych silników spalinowych o pojemności właśnie 4.5 litra w układzie widlastym V8. Dalsze rozszyfrowanie oznaczenia nowego modelu wiąże się z występującą literką “h”, która oznacza najbardziej zaawansowany hybrydowy układ napędowy Lexusa.
ELEMENTY UKŁADU HYBRYDOWEGO NAPĘDU LEXUSA
Podobnie jak w modelu RX 400h, nowy GS 450h wyposażono w szeregowo-równoległy napęd hybrydowy. Dzięki temu układowi silnik spalinowy może napędzać silnik elektryczny o wyrafinowanej konstrukcji (tryb pracy szeregowej), lub silnik spalinowy wspólnie z silnikiem elektrycznym mogą przekazywać jednocześnie napęd na koła pojazdu (tryb pracy równoległej). Układ hybrydowy modelu GS 450h może również pracować w trybie napędu elektrycznego.
Jednocześnie w nowym układzie hybrydowym Lexusa zastosowano generator, wysoko napięciowy niklowo–wodorkowy akumulator hybrydowy, dwu stanową przekładnię redukującą oraz zespól sterujący mocą o zwartej budowie.
W modelu GS 450h zastosowano przekładnie hybrydową umieszczoną wzdłużnie.
Zarówno silnik elektryczny jak i generator oraz zespół sterujący mocą wraz z dwu stanową przekładnią redukującą umieszczono we wspólnej niewielkiej obudowie, która jest dłuższa tylko o 1 cm w porównaniu z 6-biegową mechaniczną skrzynią biegów modelu IS.
Podobnie jak w modelu RX 400h, obrotomierz umieszczono wspólnie ze wskaźnikiem pomiaru mocy, aby kierowca otrzymywał rzeczywiste informacje o mocy wytwarzanej przez układ hybrydowy oraz o ilości generowanej energii podczas hamowania odzyskowego lub późnienia pojazdu.
Dla zapewnienia bezproblemowej eksploatacji, wszystkie elementy układu hybrydowego (z pominięciem silnika spalinowego oraz przekładni hybrydowej), zostały objęte europejska gwarancją na 5 lat lub 100,000 km.
Silnik widlasty V6 z kombinowanym układem wtryskowym
Nowy model GS 450h wyposażono w silnik spalinowy o zapłonie iskrowym o objętości skokowej 3,456 cm3, w układzie widlastym V6 z cylindrami rozwartymi o kąt 60 stopni. Silnik ten dostarcza moc 296 hp/218 kW (wg normy DIN) oraz moment napędowy o wartości 368 Nm.
W celu zmniejszenia masy silnika takie jego elementy jak: kadłub silnika, głowica, pokrywy zaworów, niska olejowa, tłoki oraz panewki łożysk głównych i korbowodów wykonano ze stopu aluminium, natomiast korbowody zostały odkute ze stali wysokowytrzymałej. Dodatkowo tuleje cylindrowe są zatapiane w kadłubie silnika dzięki czemu udało się zmniejszyć odległość między cylindrami do zaledwie 11,5 mm. Oprócz tego zespolenie silnika spalinowego z układem hybrydowym pozwoliło na rezygnację z rozrusznika, alternatora oraz paska napędowego, których funkcję przejął generator.
Po raz pierwszy na świecie zastosowano układ zasilania z dwoma wtryskiwaczami na cylinder oznaczany D-4S (4-suwowy, z kombinowanym układem wtrysku bezpośredniego i pośredniego) będący najnowszym rozwiązaniem technicznym układów wtrysku bezpośredniego 4-suwowych silników spalinowych na mieszankę stechiometryczną. W układzie tym jeden z wtryskiwaczy znajduje się bezpośrednio w komorze spalania a drugi umieszczono w kolektorze dolotowym. Takie rozwiązanie stanowi połączenie cech układu wtrysku bezpośredniego z układem wtrysku pośredniego, przyczyniające się do poprawy przebiegu spalania a tym samym wzrostu o 7% momentu obrotowego w szerokim zakresie przy jednoczesnym obniżeniu zużycia paliwa oraz zmniejszenia emisji zanieczyszczeń.
W celu lepszego rozpylenia paliwa wtryskiwacze pośrednie posiadają 12 otworków i pracują przy maksymalnym ciśnieniu wtrysku o wartości 4 barów. Natomiast wtryskiwacze umieszczone w komorach spalania posiadają po dwie szczeliny prostokątne (0.52 x 0.13 mm), które nadają wtryskiwanemu paliwu odpowiednie zawirowanie poprawiające uwarstwienie mieszanki homogenicznej. Wtryskiwacze te pracują przy maksymalnym ciśnieniu 13 barów (wskaźnik wartości dla silników spalinowych).
Przy zimnym rozruchu, wtryskiwacze pośrednie wtryskują paliwo w czasie suwu dolotu, a wtryskiwacze bezpośrednie wtryskują paliwo w czasie suwu sprężania. Uzyskana w ten sposób bogata mieszanka o nadmiarze powietrza 15-16:1, wpływa na znaczny wzrost temperatury spalania i szybkie rozgrzanie dwóch dwufunkcyjnych reaktorów katalitycznych. Jednocześnie elektroniczny sterownik układu hybrydowego utrzymuje prędkość obrotową silnika na właściwym poziomie zapewniającym najniższą emisję zanieczyszczeń – co nie jest możliwe w klasycznym silniku spalinowym.
Na biegu jałowym silnik pracuje tylko dzięki wtryskowi bezpośredniemu. Kiedy silnik zaczyna pracować z większym obciążeniem, przy niskich prędkościach obrotowych, włączają się oba układy wtryskowe, które wtryskują paliwo podczas suwu dolotu. Dzięki temu w komorze spalania tworzy się homogeniczna mieszanka stechiometryczna z nadmiarem powietrza 12-15:1, co daje stabilna pracę silnika oraz wpływa znacznie na zmniejszenie paliwa oraz obniżenie emisji zanieczyszczeń.
Przy znacznych obciążeniach silnika, pracuje jedynie układ wtrysku bezpośredniego. Takie sterowanie wpływa na poprawę procesu napełniania cylindra dzięki efektowi ochładzania powietrza dolotowego przy wtryskiwaniu paliwa bezpośrednio do komory spalania. To pozwala na utrzymanie stechiometrycznej mieszanki paliwowo-powietrznej z nadmiarem powietrza w granicach 12-15:1, która powstaje w suwie dolotu.
W silniku D-4S podwyższono stopień sprężania do 11,8:1, co przyczyniło się do wzrostu jego sprawności oraz zminimalizowało tendencję do samozapłony.
W celu zwiększenia mocy silnika oraz obniżenia zużycia paliwa i emisji zanieczyszczeń, w nowym silniku V6 zastosowano podwójny układ zmiennych faz rozrządu VVT-i oddzielny dla wałka dolotowego i wylotowego, który zmienia kąt pomiędzy 60 a 35 stopniem faz rozrządu. Układ ten dobrano odpowiednio do charakteru pracy silnika współpracującego z układem hybrydowym. Obecnie zawory zostają otwarte wcześniej i zamknięte później niż zwykle, dzięki zastosowaniu zwalniacza faz rozrządu wałka dolotowego.
Układ wylotowy nowego silnika o pojemności 3.5 litra V6 wykonano ze stali nierdzewnej w technologii dwu ścianowej, co przyczyniło się do zmniejszenia hałasu oraz poprawy procesu nagrzewania reaktora katalitycznego. Zawory sterujące ciśnieniem, umieszczone w oby przewodach wylotowych, pozostają zamknięte, gdy silnik pracuje na biegu jałowym co przyczynia się do obniżenia hałasu, a otwierają się, gdy prędkość obrotowa silnika wzrasta zapobiegając powrotnemu zassaniu spalin i tym samym wzrosta sprawności silnika.
Silnik elektryczny
Dla zwiększenia osiągów nowego modelu GS 450h, niewielki silnik elektryczny o dużej mocy ma za zadanie wspomóc silnik spalinowy poprawiając jego charakterystykę. Jest to synchroniczny silnik trójfazowy z magnesami stałymi wchodzący w skład układu hybrydowego, który zasilany jest napięciem przemiennym o wartości 650V z zespołu sterującego mocą.
Aby zmieścić silnik elektryczny wewnątrz niewielkiej obudowy napędu hybrydowego, jego stojan wykonano metodą podwójnej gwiazdy składającej się z elementów o niewielkich wymiarach, na które nawinięto uzwojenie. Silnik ten charakteryzuje się wyższą mocą w porównaniu z innymi silnikami elektrycznymi montowanymi w pojazdach hybrydowych. Jego moc wzrosła o 20 % w porównaniu z silnikiem elektrycznym modelu RX 400h (obecne parametry silnika elektrycznego wynoszą: moc 200 KM/147 kW oraz moment obrotowy 275 Nm).
Wysokonapięciowy akumulator hybrydowy
Wysoką moc układu hybrydowego Lexusa zapewnia akumulator niklowo-wodorkowy o napięciu 288V. Właściwą praca akumulatora steruje układ zapobiegający uszkodzeniu, który ma za zadanie monitorować stan ładowania akumulatora i wykrywać ewentualne uszkodzenia.
Akumulator hybrydowy modelu GS 450h składa się z 240 cel po 1.2 V każda i jest lżejszy o 13% w porównaniu z akumulatorem modelu RX 400h. Ogniwa dostarczane przez firmę Panasonic podlegają 100% recyklingowi. Akumulator umieszczono za tylna kanapą, w bagażniku pojazdu tuż nad tylna osią. Proces ładowania akumulatora przebiega automatycznie w układzie hybrydowym i nie wymaga zewnętrznej ładowarki. Żywotność akumulatora jest porównywalna z długotrwałością innych podzespołów napędu pojazdu. Najważniejszym czynnikiem wpływającym na długotrwałą prace akumulatora jest właściwy proces przebiegu cykli ładowania i rozładowywania. W tym celu moduł ECU układu hybrydowego steruję za pomocą układu SOC (stan ładowania) procesem ładowania i rozładowywania akumulatora, aby nie dopuszczając do przekroczenia, którejś z tych wartości, co w konsekwencjo może doprowadzić do zniszczenia akumulatora.
Zespół sterujący mocą (PCU)
Zespół sterujący mocą (PCU) jest połączeniem przetwornika wzmacniającego napięcie oraz falownika przekształcającego prąd stały w prąd przemienny. Przetwornik wzmacniający układu hybrydowego zwiększa napięcie z akumulatora, z 288 V do napięcia 650 V, które służy do napędu silnika elektrycznego oraz czasowo również do napędu generatora. W tym czasie, falownik przekształca prąd stały w prąd przemienny trójfazowy.
Proces miniaturyzacji całego układu hybrydowego pociągną również za sobą zmianę wymiarów wykorzystanych tranzystorów. W rezultacie nowy zespól jest wielkości akumulatora 12 V o objętości 11.6 litra, co zaowocowało zmniejszeniem wymiarów o 63% oraz masy ukladu o 43% w porównaniu z zespołem sterującym mocą modelu RX 400h.
Układ rozdzaiłu mocy
Układ rozdziału mocy jest sercem nowego hybrydowego Lexusa GS 450h. Jego budowę oparto na szeregu planetarnym (nazwa odnosi się do układu planetarnego, w centrum którego znajduje się słońce), którego zadaniem jest rozdział na dwie drogi mocy dostarczanej z silnika spalinowego. Przekładnia planetarna składa się z koła słonecznego, koła koronowego oraz kół pośrednich zwanych satelitami. Satelity mogą obracać się wokół własnych osi i są połączone wspólnym jarzmem, które może obracać się wokół koła słonecznego.
Generator połączony jest z kołem słonecznym a silnik spalinowy połączony jest z jarzmem. Natomiast silnik elektryczny bezpośrednio połączony z przekładnią główną a tym samym i kołami napędowymi, połączony jest z kołem koronowym przekładni planetarnej. Niezależnie od rozdziału mocy z silnika spalinowego pomiędzy napęd pojazdu, napęd silnika elektrycznego lub obu tych układów jednocześnie, prędkość obrotowa koła koronowego przekładni planetarnej jest proporcjonalna do prędkości pojazdu.
Niezależnie od aktualnego stanu napędu hybrydowego, przekładnia planetarna rozdziela stale dostarczaną moc. Przy uruchamianiu pojazdu oraz przy jeździe z niewielkimi prędkościami, silnik spalinowy pozostaje wyłączony a jarzmo przekładni planetarnej pozostaje nieruchome. Mamy do czynienia z napędem elektrycznym, w którym obraca się koło koronowe przekładni planetarnej a tym samym i koła pojazdu. Obracają się również koła pośrednie – satelity przekładni planetarnej, ale jarzmo pozostaje nieruchome. Dzięki temu obraca się również koło słoneczne połączone z generator.
Przy rozruchu silnika podczas przyspieszania, natychmiast zatrzymywane jest koło słoneczne przekładni planetarnej połączone z generatorem. W wyniku tego na jarzmie powstaje dostatecznie duża siła wprawiająca w ruch wał korbowy silnika. Po rozruchu, moc dostarczana z silnika spalinowego powraca jarzmem do przekładni planetarnej, skąd przekazywana jest do napędu kół pojazdu oraz napędu koła słonecznego. Obracające się koło słoneczne napędza generator, który dostarcza energie elektryczną. Energia ta rozdzielana przez zespół rozdziału mocy może posłużyć do ładowania akumulatora lub do napędu silnika elektrycznego.
Dwu stanowa przekładnia redukująca
Dwu stanowa przekładnia redukującą połączona z silnikiem elektrycznym stanowi części unikalnej przekładnia hybrydowa umieszczonej wzdłużnie nowego modelu GS 450h. Automatyczny zespół sterujący podobny budową do niewielkich automatycznych skrzyń biegów, automatycznie zmienia przełożenie dla niskich prędkości obrotowych (przełożenie 3.900) oraz dla wyższych prędkości obrotowych (przełożenie 1.900). W czasie przyspieszania układ zmieni przełożenie przy prędkości pojazdu około 90 km/h (56 mil/h). Dla zapewnienia właściwego przyspieszenia przy niewielkich prędkościach, dwu stanowa przekładnia przekazuje maksymalny moment obrotowy na koła pojazdu.
Elektronicznie sterowna przekładnia planetarna E-CVT z trybem sekwencyjnej zmiany biegów
Rozwinięciem wyrafinowanego układu napędu hybrydowego nowego modelu GS 450h stanowi elektrycznie sterowana przekładnia planetarna E-CVT z trybem sekwencyjnej zmiany biegów. W porównaniu z klasyczną przekładnią planetarną, przekładnia E-CVT może zapewnić płynne przeniesienie mocy dostarczanej zarówno z silnika spalinowego jak i silnika elektrycznego.
Rozwinięciem klasycznego układu stanowi dodatkowy tryb sekwencyjnej zmiany biegów z 6 przełożeniami, który w nowym modelu GS 450h jest dostępny po przestawieniu dźwigni wybieraka w położenie “S”. Po przesuwaniu dźwigni wybieraka w górę można zmieniać biegi od 1. do 5. (bieg 6. jest dostępny po przesunięciu dźwigni wybieraka w lewo). Dla spotęgowania wrażenia znanego z klasycznych skrzyń oferujących tryb sekwencyjnej zmiany biegów, w momencie zmiany biegów następuje przyhamowanie silnikiem spalinowym. Nową funkcję stworzono z myślą o dostarczeniu kierowcy poczucia zwiększonej kontroli nad pojazdem oraz w celu dostarczenia wielu wrażeń podczas sportowej jazdy nowym Lexusem.
Przy hamowaniu silnikiem lub opóźnianiu na niskim biegu, moduł ECU sterujący siłą hamowania zwiększa obciążenie generatora w taki sposób, aby zapewnić właściwe ładowanie akumulatora oraz wytworzyć odpowiednią siłę hamowania silnikiem spalinowym.
Wybór trybu jazdy
Nowy układ hybrydowy pozwala na wybranie jednego z trzech dostępnych trybów jazdy: tryb “Normal” zapewnia optymalną moc, tryb “Power” odpowiedni dla sportowego stylu jazdy oraz tryb “Snow” zapewniający utrzymanie przyczepności na śliskiej nawierzchni. Wszystkie trzy tryby jazdy można wybrać po naciśnięciu przycisku wyboru trybu jazdy znajdującego się na konsoli środkowej.
DZIAŁANIE HYBRYDOWEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO LEXUSA
W celu zapewnienia najwyższej sprawności układu napędowego niezależnie od warunków jazdy, układ hybrydowy nowego modelu GS 450h może pracować w jednym z siedmiu zaprogramowanych trybów. Kiedy silnik spalinowy nie jest rozgrzany a zapłon jest włączony, układ uruchomi silnik w celu rozgrzania układu napędowego. Po osiągnięciu właściwej temperatury, w celu zmniejszenia zużycia paliwa układ wyłącza silnik spalinowy. Jednak jeśli samochód pozostaje dłużej unieruchomiony z włączonym układem hybrydowym, nastąpi automatyczne włączenie silnika spalinowego w celu doładowania akumulatora hybrydowego.
Kiedy moc silnika spalinowego jest wykorzystywana w niewielkim zakresie, co ma miejsce w czasie rozruchu lub jazdy z niewielkimi prędkościami, pojazd napędzany jest wyłącznie silnikiem elektrycznym zapewniając zerową emisję zanieczyszczeń. Wówczas układ zapewnia minimalną prędkość „pełzania”, zbliżoną do tej znanej z klasycznej automatycznej skrzyni biegów.
W czasie normalnej pracy układu napędowego, układ rozdziału mocy rozdziela moc silnika spalinowego pomiędzy napęd kół pojazdu oraz napęd generatora, który jednocześnie zasila silnik elektryczny oraz ładuje akumulator. Dla zapewnienia maksymalnej sprawności, układ stale monitoruje i reguluje rozdział mocy pomiędzy silnikiem spalinowym i elektrycznym. Kiedy wystąpi potrzeba nagłego przyspieszania, zarówno silnik spalinowy jak i silnik elektryczny zasilany jest z akumulatora, jednocześnie napędzają pojazd.
Podczas opóźnienia lub podczas hamowania, silnik spalinowy zostaje wyłączony, a silnik elektryczny przełącza się w stan pracy generatora. Układ hybrydowy Lexusa w czasie hamowania odzyskowego, zamienia energie kinetyczną w energię elektryczną magazynowaną w akumulatorze hybrydowym. Niezależnie od tego, poziom naładowania akumulatora jest stale monitorowany i w każdej chwili może nastąpić proces ładowania akumulatora.
NIEZWYKŁE DOZNANIA Z JAZDY
Luksusowa limuzyna GS 450h z nowym napędem hybrydowym Lexusa, łączy w sobie wszystkie zalety luksusowych samochodów segmentu E wyposażone w silniki V8 z osiągami sportowych limuzyn z tego segmentu.
Całkowita moc 3405 KM/2504 kW układ hybrydowy, pozwoliła na osiągnięcie bariery 100 KM z jednego litra pojemności. Teraz nowy model GS 450h przyspiesza od 0 do 100 km/h (62 mph) w 5.9 sek. i osiąga prędkość maksymalną 250 km/h (155 mph) – pierwszy samochód hybrydowy na świecie, który osiągnął tę magiczną barierę.
W czasie nagłego przyspieszania w zakresie niskiego i średniego momentu napędowego silnika spalinowego, następuje podniesienie jego charakterystyki poprzez włączenie silnika elektrycznego, który działa jak elektryczny kompresor doładowujący. W przeciwieństwie do silnika spalinowego, silnik elektryczny dysponuje dużym momentem napędowym (275 Nm) uzyskiwanym od zerowej prędkości obrotowej. Taka charakterystyka momentu napędowego jest korzystna podczas przyspieszania oraz przy wykonywaniu manewrów wyprzedzania w średnim zakresie prędkości. Model GS 450h przyspiesza z 80 km/h do 120 km/h w niespełna 4.7 sek.
Dzięki współpracy dwóch źródeł mocy, możliwe jest ciągłe i płynne przyspieszanie, aż do osiągnięcia maksymalnej prędkości jazdy. Tego odczucia nie da się tego porównać z klasycznym układem napędowym.
Nowy układ hybrydowy dostarcza niesamowitych wrażeń z jazdy nieporównywalnych z silnikiem spalinowym V8. W zależności od stanu naładowania akumulatora, nowy GS 450h może przebyć do 2 km przy prędkości ponad 40 km/h napędzany wyłącznie silnikiem elektrycznym (z wyłączonym układem klimatyzacji). Przy tym napędzie udało się zmniejszyć o połowę hałas wewnątrz kabiny w porównaniu z modelem GS 430. Przy prędkościach w granicy 100km/h hałas wewnątrz kabiny udało się zmniejszyć o 3 %.
OCHRONA ŚRODOWISKA I OBNIŻONE KOSZTY EKSPLOATACJI
Zużycie paliwa nowego modelu GS 450h jest relatywnie małe. Mieści się na poziomie 7.9 litra/100km (w cyklu mieszanym) co jest porównywalne z samochodami o dwa segmenty niższej klasy. Jednocześnie obniżenie zużycia paliwa nie odnosi się jedynie do cyklu miejskiego, ale jak wykazały badania fabryczne, udało się zmniejszyć o 8% zużycie paliwa przy jeździe po autostradzie (ze stała prędkością 120 km/h) w porównaniu z modelem GS 430.
Przy zużyciu paliwa opisanym w odnośniku, nowy model GS 450h jest pierwszym na świecie samochodem, który przyspiesza od 0-100 km/h w niespełna 6 sek. i jednocześnie zapewnia pokonanie ponad 800 km na jednym tankowaniu benzyny bezołowiowej 95 oktanowej.
Jednocześnie model GS 450h ma najniższą w swojej klasie emisję CO2 na poziomie 186 g/km , porównywalną z silnikami 4-cylindrowymi o zapłonie samoczynnym.
Tak niska emisja CO2 plasująca nowy model GS 450h na równi z ekonomicznymi 4-cylindrowymi silnikami o zapłonie samoczynnym, pozwala na opłacenie niższego podatku w kilku krajach Europy (Belgia, Cypr, Dania, Francja, Grecja, Holandia, Portugalia, Słowenia, Szwecja oraz Wielka Brytania). Dodatkowo każdy właściciel nowego GS 450h na terenie Wielkiej Brytanii, będzie mógł płacić mniej niż połowę stawki miesięcznej opłaty za samochód służbowy, w porównaniu z tym co zapłaci właściciel samochodu z silnikiem V8 o zbliżonych osiągach.
W dodatku nowy model ma najniższą emisję związków NOX oraz HC (w przybliżeniu odpowiednio 0 g/km oraz 0.01 g/km) wśród wszystkich silników spalinowych,.
