Información técnica del Toyota Prius
Componentes del sistema de tracción
El diagrama siguiente es un esquema del sistema de tracción del Prius. "Esquema" significa que muestra los elementos fundamentales, pero con ciertas libertades en el detalle. En particular, la forma en que el motor de combustión interna (MCI) se conecta al engranaje planetario en el dispositivo repartidor de potencia (DRP), y la forma en que el engranaje de corona está conectado con la polea de la correa y el motor/generador 2 (MG2) se han simplificado mucho. No obstante, sí es cierto que el eje del motor de gasolina (azul) pasa a través del eje del MG1 y el engranaje planeta (verde) para llegar al portasatélites al otro lado del DRP. Las secciones siguientes contienen descripciones de los distintos componentes del sistema de tracción. Hay también un párrafo acerca de lo que no hay en un Prius que sí tendría un coche convencional.
Motor de combustión interna
El Prius tiene un motor de combustión interna (MCI) inusualmente pequeño para un coche de esta envergadura (1300 Kg). Esto es posible por la presencia de los motores eléctricos y la batería, que complementan al MCI cuando la necesidad de potencia es alta. Un coche convencional, con un motor dimensionado para tener una buena aceleración y subir pendientes pronunciadas, casi siempre usará ese motor de forma poco eficiente. Un motor pequeño puede funcionar más cerca de esa eficiencia máxima, porque la demanda de potencia habitual en una conducción normal será una parte mayor de la potencia máxima.
Además de reducir su tamaño, el motor del Prius emplea muchas técnicas para mejorar la eficiencia y aumentar el rango de condiciones en las que se logra un alto rendimiento. El motor utiliza el ciclo de Atkinson en lugar del habitual ciclo de Otto, que mejora la eficiencia sobre todo con baja potencia al reducir las "pérdidas por bombeo". Al limitar la velocidad máxima de giro (a 4500 r.p.m. en el Prius de 2ª generación (2000 - 2003) y a 5000 en el de 3ª (2003 en adelante)) es posible emplear partes más ligeras, reduciendo las pérdidas por inercia y rozamiento. El cigüeñal está desplazado de los ejes del cilindro para que en el movimiento de explosión la fuerza del pistón se transmita al cigüeñal a través de una barra recta y no en ángulo. Los vástagos de las válvulas son estrechos y los muelles poco fuertes, para reducir la cantidad de energía perdida sólo en mover las válvulas.
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Motores/Generadores
El Prius tiene dos motores/generadores eléctricos. Son de construcción muy similar, pero de distinto tamaño. Ambos son motores síncronos trifásicos de imán permanente. Esto parece más complicado de lo que realmente es. El rotor (la parte que hace girar al eje) no es más que un gran y potente imán, y no tiene conexiones eléctricas. El estator (la parte que no se mueve y está unida al resto del coche) tiene tres bloques de bobinados. Cuando pasa la corriente en un sentido por uno de esos bloques, el rotor es atraído a una posición determinada. Haciendo pasar la corriente de forma secuencial por cada bloque de bobinados, primero en un sentido y después en el otro, se puede mover el rotor de una posición a la siguiente y girar. Es una explicación bastante simplista, pero recoge la esencia de este tipo de motor.
Si el motor gira movido por una fuerza exterior, fluirá cierta corriente por cada uno de los bobinados, en secuencia, y se podrá utilizar para cargar la batería o alimentar el otro motor. Por tanto, el mismo dispositivo puede ser un motor o un generador, dependiendo de si se introduce corriente en los bobinados para atraer al imán del rotor o si se saca, y es otra cosa lo que hace que gire el rotor. Esto está aún más simplificado, pero servirá para nuestras explicaciones.
El motor/generador 1 (MG1) está conectado al planeta del dispositivo repartidor de potencia. Es el más pequeño de los dos y su potencia nominal es de unos 18 kW. Tradicionalmente, su función ha sido descrita como arrancar el MCI y controlar la velocidad de giro del MCI generando una cantidad variable de energía eléctrica. El motor/generador 2 (MG2) está conectado al engranaje de corona del dispositivo repartidor de potencia y, por tanto, al eje reductor y, de ahí, a las ruedas. Por tanto es capaz de mover el coche directamente. Es el mayor de los dos y su potencia nominal es de unos 33 Kw en el Prius de 2ª generación, y de 50 en el de 3ª. Descrito a veces como el "motor de tracción", su papel tradicional es mover el coche como motor, o recuperar energía de frenado como generador. Ambos motores/generadores están refrigerados por agua.
Inversores
Como los motores/generadores eléctricos funcionan con corriente alterna trifásica y la batería del Prius, como todas las demás, produce corriente continua, es necesaria una electrónica que haga esa conversión.
Cada MG tiene un "inversor" que realiza esta función. El inversor conoce la posición del rotor de MG mediante un sensor situado en el eje y hace pasar corriente por los bobinados como sea preciso para hacerlo girar con la velocidad y el par deseados. La corriente de cada bobinado se cambia cuando el polo magnético del rotor pasa un bobinado y se dirige al siguiente. Además, el inversor pone y quita la tensión de batería que llega al bobinado muy rápidamente para variar el valor medio de la corriente y, por tanto, el par. Utilizando la "auto inductancia" de los bobinados del motor (una propiedad eléctrica que presenta resistencia al cambio de corriente), el inversor puede hacer pasar por el bobinado una corriente mayor que la que se saca de la batería. Esto sólo funciona cuando la tensión del bobinado es menor que la tensión de batería, de ahí el ahorro de energía. Sin embargo, como la magnitud de la corriente del bobinado determina el par motor, esta multiplicación de corriente permite conseguir un par muy alto cuando el motor gira despacio. Hasta los 11 Km/h, el MG2 es capaz de proporcionar un par de 350 newton metro al eje reductor. Esto es lo que hace posible "lanzar" el coche con una aceleración aceptable sin utilizar marchas para multiplicar el par del MCI.
La batería
La batería de alta tensión del Prius de 2ª generación contiene 228 células de 1,2 voltios cada una, dando una tensión nominal de 273,6 voltios. Las células están dispuestas en 38 módulos de 6 células cada uno y el conjunto entero está montado en una unidad que se fija tras el asiento trasero. Se puede ver dónde va viendo el abultamiento del suelo del maletero. La corriente máxima de la batería es de 80 amperios en descarga y 50 en carga. Esto es notable, pues el tamaño de cada célula es similar al de una pila de tipo D, como la que podría usarse para una linterna grande. De hecho, el Prius de 1ª generación utilizaba una versión más antigua de estas células que eran, realmente, pilas de tipo D. El Prius de 3ª generación tiene una batería menos potente que el de 2ª generación. Está hecho con el mismo tipo de células de 1,2 voltios, pero en lugar de 38 módulos de 6 células tiene sólo 28, para conseguir una tensión nominal de 201,6 voltios.
Después se emplea electrónica de potencia para elevar la tensión de modo que el motor eléctrico principal del Prius de 3ª generación recibe 500 voltios en lugar de los 273,6 voltios de la 2ª generación.
La capacidad de ambas baterías es de 6,5 amperios hora, pero la electrónica del coche sólo permite utilizar un 40% de la misma para prolongar su vida útil. El estado de carga sólo se deja fluctuar entre un 40% y un 80% de la carga máxima. Multiplicando la tensión de batería por su capacidad en corriente, la capacidad de almacenamiento de energía es de 6,4 MJ (megajulios) de los cuales se pueden utilizar 2,56 MJ. Esta energía es suficiente para acelerar coche, conductor y un pasajero hasta 105 Km/h (sin ayuda del MCI) cuatro veces. O también, para elevar el coche casi 200 metros en vertical. Para producir esta cantidad de energía, el MCI consumiría algo menos de un cuarto de litro de gasolina. Estas cifras se muestran sólo para hacernos una idea de la capacidad de almacenar energía de la batería. El coche nunca debería funcionar sin gasolina y, aun si así fuera, comenzar con una carga del 80% del máximo precisa de un recorrido de bajada bastante largo. La mayor parte del tiempo, la batería tendrá aproximadamente 1 MJ utilizable.
El Prius cuanta también con una batería auxiliar (que no se muestra en el diagrama). Es una batería de 12 voltios, 28 amperios hora situada en el maletero, en el lado del pasajero (en el Prius de 2ª generación), o en el lado del conductor (3ª generación). Suministra energía a la electrónica y accesorios cuando está apagado el sistema híbrido y el relé de la batería de alta tensión está abierto. Cuando el sistema híbrido funciona, la alimentación de 12 voltios se toma de un convertidor DC/DC alimentado desde el sistema de alta tensión. Esto permite también recargar la batería auxiliar si es preciso.
Dispositivo repartidor de potencia
El par y la potencia del MCI y los dos motores/generadores se combinan y distribuyen mediante un conjunto de engranajes planetarios que Toyota llama "dispositivo repartidor de potencia" o, en inglés, Power Split Device (PSD).
Aunque su construcción no es terriblemente complicada (sólo 21 piezas móviles), es difícil comprender cómo funciona este dispositivo, y más aún hacerlo dentro del contexto del sistema de tracción. Brevemente, permite al Prius funcionar tanto en modo serie como paralelo y conseguir algunas de las ventajas de cada modo. El MCI puede mover las ruedas directamente (mecánicamente) a través del DRP. A la vez, se puede extraer parte de la potencia del MCI y convertirla en electricidad utilizando uno de los motores/generadores eléctricos. Ésta puede cargar la batería, o pasarse al otro motor/generador para que ayude a mover las ruedas. La flexibilidad de esta división de energía mecánica / eléctrica permite al Prius mejorar el consumo de combustible y controlar las emisiones de un modo que no sería posible con una unión mecánica rígida entre el MCI y las ruedas, como en un híbrido paralelo, pero sin la pérdida de energía de un híbrido serie. Se dice del Prius con frecuencia que tiene una Transmisión Variable Continua (CVT) de la cual es responsable el DRP. Sin embargo, una CVT convencional es igual que una caja de cambios salvo que la relación se puede variar de forma continua en lugar de en unos pocos saltos (primera marcha, segunda, etc). El Prius tiene únicamente una marcha (directa) y toda la aceleración (par motor) la recibe de los motores eléctricos. Así que cuando el empuje del motor de gasolina y de los motores eléctricos llegan al DRP, las distintas relaciones de par de estos dan la sensación de una CVT tradicional.
El mismo sitio web tiene una completa explicación sobre por qué el DRP del Prius es tan distinto de una CVT convencional, que también he traducido aquí.
Correa y eje reductor
El uso de una correa de transmisión no es muy frecuente, pero todos los coches convencionales tienen engranajes de reducción entre el motor y los ejes de las ruedas. Su propósito es permitir que el motor gire más rápido que las ruedas, y también multiplicar el par producido por el motor y tener un par mayor en las ruedas. La relación según la cual se reduce la velocidad de giro y se aumenta el par es conocida como "relación de transmisión final".
Se utiliza una correa porque evita el esfuerzo axial (fuerza a lo largo del eje) que se produciría con los engranajes helicoidales utilizados en las transmisiones de automóvil. También se podría evitar utilizando engranajes de espuela (corte recto), pero son ruidosos. El esfuerzo axial no es un problema en ejes intermedios y se puede neutralizar con rodamientos de bola. Sin embargo, no sería tan fácil manejarlo en el eje de salida del DRP.
Diferencial, ejes y ruedas
No hay nada muy distinto sobre el diferencial, ejes y ruedas del Prius. Como en un coche convencional, el diferencial permite que las ruedas interiores y exteriores giren a velocidades ligeramente distintas cuando el coche toma una curva. Los ejes pasan su par del diferencial a los cubos de las ruedas e incluyen una articulación que permite a las ruedas subir y bajar con la suspensión. Las llantas son de una aleación ligera de aluminio y están equipadas con neumáticos de alta presión y baja resistencia de rodaje. Esta característica se consigue utilizando sílica en su construcción. Simplificando, cuanto más dura es la goma de un neumático, menos energía absorbe, tanto en los baches como en forma de resistencia al rodar. Los compuestos de goma más duros también duran más. Por desgracia, cuanto más dura es la goma, menor es el agarre, especialmente en mojado. Aquí es donde entra la sílica: cuando se utiliza junto a la goma, mejora el agarre, especialmente en mojado. Básicamente, absorbe energía a frecuencias altas pero no a frecuencias bajas. Así que, como prácticamente cualquier otro aspecto del Prius, las ruedas también ayudan a mejorar el consumo del coche.
Qué falta
El sistema de tracción del Prius puede parecer complejo, pero hay que considerar algunas cosas que un coche convencional necesita y que el diseño del Prius ha eliminado. Son:
No hay caja de cambios con marchas, ni manual ni automática. El Prius no tiene marchas.
No hay embrague o convertidor de par. Las ruedas están unidas rígidamente por engranajes al MCI y a los motores/generadores.
No hay motor de arranque. Los motores/generadores arrancan el MCI a través de los engranajes del dispositivo repartidor de potencia.
No hay alternador. La energía eléctrica es generada por los motores/generadores cuando se necesita.
Así que la complejidad del Prius no es mayor que la de un coche convencional, sino más bien menor. Además, los componentes nuevos y menos familiares, como los motores/generadores y el DRP es probable que sean más fiables y duraderos que algunos de los que han desaparecido.
La Clean Green Car Company desea agradecer a Graham Davies su contribución al material de esta página.
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acerca del Vórtice de basura. Es una zona situada en mitad del océano Pacífico donde, debido a las corrientes marinas, se acumula toda la basura flotante del océano, especialmente todo tipo de plásticos. Estas corrientes crean una especie de movimiento giratorio, del cual dicho vórtice es el centro. No hablamos de algo curioso o anecdótico: hablamos de un montón de basura cuya superficie se calcula a veces mayor que Estados Unidos, o que África, segun los datos recogidos por Microsiervos, y del tamaño de "un continente pequeño" según el libro. 
No es éste un post relacionado con los temas habituales. Pero he encontrado que algunas personas llegan a este blog buscando soluciones para arreglar su persiana, asi que ahí va este escrito de "servicio público".
han comprado 410 de estos aparcabicis, más otros 12 "bonitos" para ciertos puntos, y los han distribuido por todo el municipio.
Este último punto es muy importante: uno de los grandes impedimentos para el uso diario de la bicicleta es la falta de espacio en casa para guardarla, o la incomodidad de andar subiendo y bajando. El Ayuntamiento lo sabe, y obligará a que las nuevas construcciones cuenten con un cuarto específico para guardar bicicletas. Los que ya tengáis la vivienda construida y contéis con un patio, ¡aprovechad la oportunidad!
