Нанотехнологии - УрФО

Перейти на основной сайт
ИА ИНВУР Логотип Инновационного портала УрФО
Вы здесь: Главная // Аналитика

Гибрид на обочине

Добавлено: 2011-06-19, просмотров: 1969


Мир активно строит гибриды – автомобили, оборудованные комбинированными силовыми установками, совмещающими в себе различные энергоносители. На сегодня среди массовых авто они не знают себе равных в экономии топлива и снижении вредных выбросов. Мы подробно рассказывали об этом в статьях «Война гибридов» и «Пятёрка» за бережливость». Классическая и самая распространённая комбинация электромотора и двигателя внутреннего сгорания в тяговом агрегате гибридного автомобиля – это отнюдь не единственно возможный вариант. Существуют и другие виды гибридных силовых установок – меньшевики, так сказать.

Однако производят их немногие и немного. Часто речь идёт об экзотических проектах университетских лабораторий или малых фирм. Скорее, об опытных исследовательских разработках. Проверку временем они пока не выдержали, массового спроса на них нет.

Как известно, гибридные технологии хороши тем, что могут применяться лишь частично. Сэкономить десяток другой процентов топлива можно и не переоборудуя существенно автомобиль, установив лишь некоторые из гибридных систем. Например, систему рекуперации, позволяющую возвращать энергию торможения. Или, чтобы не гонять двигатель на холостом ходу, предусмотреть его автоматическое отключение и надёжный старт. Эти паллиативные решения привлекают сегодня многих автопроизводителей, особенно при растущих ценах на горючее.

Некоторые из этих систем достаточно совершенны и для специфических применений даже выпускаются небольшими сериями. Наиболее известны широкой публике гибридные автомобильные конструкции с механическими маховиками, пневматические и гидравлические автомобили, экипажи на жидком азоте.

Раскрученный спортсмен

Один из путей частичной гибридизации – применение маховиков в качестве аккумуляторов энергии. Вращающийся ротор – древнейший из способов запасти механическую энергию. Тысячелетиями маховик был неотъемлемой деталью ремесленных мастерских, будь то средневековый токарный станок или древний гончарный круг. Достаточно было его раскрутить тем или иным способом, чтобы станок некоторое время мог работать. Но делать это надо было довольно часто, ведь подвешенный на обычных подшипниках ротор теряет десятки процентов энергии вращения за минуты. Сегодня маховики в промышленности повсеместно заменили электромоторы.

Механикам известно, что кинетическая энергия вращающегося тела пропорциональна произведению его массы на квадрат скорости вращения. В стационарной мастерской масса не очень важна, но для движущегося транспортного средства это условие существенно. Поэтому увеличение скорости, то есть частоты вращения, остаётся основным путём повышения энергозапаса. И здесь на первый план выходят неразрушающиеся материалы и удерживающие маховик вакуумные подвесы с малым трением.

Очень опасно разрушение маховика на больших оборотах, так как летящие осколки обладают энергией пули. Профессиональный фольклор современных слесарей обязательно включает архетипическую историю о пэтэушнике, убитом разлетевшимся точильным камнем.

Теоретические расчёты показывают, что при массе в десятки килограммов для хранения мощностей, необходимых для движения автомобиля, частоты вращения маховиков должны достигать многих десятков тысяч оборотов в секунду, то есть примерно на порядок превышать стандартные обороты двигателя внутреннего сгорания. И всё же энергозапас маховика в пять – десять раз ниже, чем у углеводородного топлива.

На практике получается ещё меньше, но и этого достаточно для специфических гибридно-транспортных целей. Ещё не умерла надежда заменить тяжёлые аккумуляторные батареи, которые недостаточно ёмки, медленно заряжаются, недолговечны. Сегодня маховики успешно применяют в источниках бесперебойного питания для некрупного потребителя. Они занимают мало места, не требуют частого техобслуживания.

Ещё полстолетия назад по Швейцарии ездили автобусы с маховиками в качестве силовой установки, так называемые гиробасы. Пару десятилетий назад фирма Rosen Motors предложила гибридную силовую установку последовательного типа, состоящую из газовой турбины и маховика. В ней удачно дополняют друг друга небольшая мощность, высокий КПД первой и солидная энергоёмкость и приёмистость второго. Маховик состоял из титана и углеродного волокна. В 1997 году прототип автомобиля фирмы был успешно протестирован, но в массовое производство так и не пошёл.

Как известно, передовые автомобильные технологии нередко рождаются и тестируются на гонках «Формулы-1». Даром что их технические правила постоянно изменяются. Несколько лет назад Джон Хилтон и Дуг Кросс, английские инженеры, обслуживавшие «формульные» автомобили, организовали фирму Flybrid. В 2006 году их вдохновило заявление руководства гонок о необходимости создания системы рекуперации энергии. Буквально за пару лет им удалось разработать для «формульных» приложений компактную и лёгкую систему KERS (Kinetic Energy Recovery System). Её название переводится как система возвращения кинетической энергии.

KERS
KERS - система возвращения кинетической энергии. Она позволяет через трансмиссию с непрерывным вариатором запасать энергию во вращении ротора и позже использовать её для ускорения болида. Разрешена на болидах «Формулы-1» в 2009 году

В 2009 году Международная автомобильная федерация разрешила рекуперацию энергии торможения на болидах «Формулы-1». Так был дан зелёный свет использованию системы KERS, которая позволяет через трансмиссию с непрерывным вариатором запасать энергию во вращении ротора и позже использовать её для ускорения болида.

Пятикилограммовый маховик системы рекуперации сделан из стали, обёрнутой углеволокном. Он запасает до 60 киловатт мощности при вращающем моменте 18 Нм и 64,5 тысячи оборотов в минуту. Весит вакуумированная конструкция всего в три с половиной раза больше самого маховика, а её размеры в сечении не превышают стандартного листа формата А4. На рабочий режим система выходит за минуты.

Через непрерывную трансмиссию с вариатором и сцепление KERS присоединяется к главной передаче автомобиля. Тесты на разрушение показали, что безопасность системы очень высока. Разрушались обычно подвес и маховик, причём разбиваясь на мелкие части. Оболочку же можно было использовать снова.

Для выхода на массовый авторынок фирма слегка снизила предельно высокие показатели эффективности всей системы и энергонагруженность её деталей, что привело к резкому удешевлению всей системы. Потребительская версия KERS была разработана для автомобилей Oreca 01-Volksvwagen Hope Racing, принимающих участие в 24-часовой гонке Ле-Ман этого года. Она устанавливается как дополнительное звено между двигателем и трансмиссией, управляется с помощью электроники и теперь называется сцепляемой маховичной трансмиссией (CFT). Систему легко подключить к разным точкам трансмиссии, что открывает широкие возможности выбора режимов съёма и набора мощности.

Специфика применения KERS на шоссе несколько отличается от спортивных трасс. Здесь надо сэкономить топливо, а не резко поддать газу. Но принцип тот же – запас энергии и быстрое её извлечение. Наиболее перспективно такое применение в автомобилях, совершающих «старт-стоп» поездки с многочисленными или регулярными остановками в пути. Это могут быть мусоровозы, школьные автобусы, молочные и товарные развозные фургончики и т.п. Подойдёт Flybrid KERS и для поездов метро.

В свете последних достижений науки у систем с маховиками есть существенные перспективы развития. Их роторы могут быть сделаны из нанотрубок, прочность которых чрезвычайно высока. Магнитные подвесы на основе высокотемпературных сверхпроводников позволяют снизить трение в них до минимума и увеличить их и без того высокий КПД, уже сегодня составляющий 90 процентов. Без ремонта работать они смогут десятилетиями.

Однако есть у таких систем и негативный для транспорта эффект. Быстро вращающее тело стремится сохранить своё положение в пространстве и сопротивляется перемещению в некоторых направлениях. Такой эффект гироскопа ограничивает мощность этих систем в движущихся экипажах и заставляет размещать их парами или искать особые способы подвеса.

Гибриды марки Форда

В гибридных гидро- и пневмоавтомобилях двигатель внутреннего сгорания полностью или частично задействуют для нагнетания газа в аккумулятор давления, запасающий энергию упругого сжатия. Эти системы дешевле электрических, имеют меньшие утечки энергии. По тестам Агентства по защите окружающей среды США (EPA – Environmental Protection Agency), экономия топлива с их помощью может достигать 70 процентов. Задача создания этих гибридных систем облегчается широким опытом применения гидравлики и пневматики в самых разных отраслях промышленности, в частности в авиации и космонавтике.

Наиболее известна в этой области корпорация Ford. Принцип действия её силового агрегата не сложен. Экологически безвредный азот под высоким давлением помещается в газовый баллон с изменяющимся объёмом. Этот «аккумулятор энергии» при расширении отдаёт энергию и приводит в движение «поршень» – рабочую жидкость, а она, в свою очередь, вращает гидромотор автомобиля. Расход энергии постоянно восполняется дизельным двигателем, который подключён к гидронасосу, непрерывно закачивающему отработанную рабочую жидкость обратно. Таким образом, давление в баллоне снова увеличивается.

Энергию торможения автомобиль тоже не теряет. Гидромотор при замедлении работает как насос и перекачивает рабочую жидкость обратно, увеличивая давление в баллоне. Такая рекуперация энергии имеет очень высокую эффективность – около 90 процентов. Возвращается почти вся энергия торможения. Это колоссальное преимущество перед электрическими гибридными автомобилями, у которых КПД рекуперации значительно ниже.

История новой силовой установки начиналась на рубеже веков в американском штате Мичиган, в исследовательском центре EPA. При администрации президента Клинтона проект финансировал государственный фонд, занимающийся поддержкой высокоэкономичных разработок в автопромышленности. Долгое время условием продолжения работ была их секретность, поскольку результаты предназначались для ведущих автомобильных компаний Америки, активно борющихся за рынок гибридных автомобилей с зарубежными конкурентами.

Новая силовая установка оказалась очень удачной, но шумноватой. Уже первый её вариант полностью подтвердил реалистичность задуманного. Испытания показали, что оснащённый ею автомобиль типа Ford Taurus расходовал немногим меньше четырёх литров дизельного топлива на сотню километров пути при объёме камеры сгорания двигателя 1,9 литра.

К этому проекту позже подключились и другие фирмы. Так, известный поставщик гидросистем Eaton разработал гидравлический ускоритель – накопитель энергии для торможения. Фирма установила его на концепт-кар Ford Mighty F-350 Tonka.

Tonka На Ford Mighty F-350 Tonka установлен гидравлический ускоритель – накопитель энергии для торможения

В 2004 году EPA представило гидравлическую систему помощи старту (hydraulic launch assist), позволяющую сэкономить от 25 до 40 процентов топлива. Система помогала снизить вредные выбросы на треть. Её стоимость невысока, цена дооборудования автомобиля не превышает тысячи долларов. Её предполагали применять на тяжёлых пикапах, лёгких грузовиках и даже спортивных авто, которые относятся к ним по расходу топлива.

Недавно для продвижения гибридных гидротехнологий был сформирован целый альянс фирм, государственных учреждений и университетов. Под эгидой Инженерного центра национального фонда науки в него входят семь университетов и 55 промышленных компаний.

Сейчас идёт речь об оборудовании фордовского бестселлера F-150 с шестицилиндровым 3,5-литровым мотором гидравликой, экономящей на хайвее до 80 процентов топлива в сравнении с серийным прототипом. Пару месяцев назад Ford F-150 проехал 40 миль на галлоне бензина, это примерно 7 литров на километр пути. Разработчики заявляют, что новая модель будет потреблять столько же топлива, сколько гибридный Toyota Prius. Однако до начала массового выпуска пройдёт не менее нескольких лет.

В отличие от маховиков, масштабирование гидроустановок сталкивается с техническими трудностями. Сегодня эти силовые установки занимают значительное место и с трудом размещаются под капотом автомобилей компакт-класса. Не в последнюю очередь из-за объёмного газобака. Поэтому компания Ford ориентируется на тяжёлые автомобили, в первую очередь на полноприводные экипажи, лёгкие грузовики, автобусы, фургончики, например почтовые.

Корпорация Chrysler в следующем году также обещала продемонстрировать тестовый вариант мини-вэна с гидросиловой установкой Агентства по защите окружающей среды. Уникальная система передачи мощности заменит его автоматическую трансмиссию. Это будет полный гибрид, позволяющий полностью отключать в пути двигатель, работающий в оптимальном по экономии топлива режиме.

Слишком длительная разработка гидравлических гибридных систем подвергается резкой критике многих экспертов и американской прессы. Они нередко выражают законные сомнения в их конкурентоспособности по сравнению с электрическими, которые становятся более гибкими и адаптивными. Гидросистема может устареть, так и не появившись на массовом рынке. Но это закономерно. Существование крупных провальных проектов – характерная черта развития нашей цивилизации. Ещё более интересные вещи творятся в старушке Европе.

Мутный французский воздух


AirCar
Пневматический автомобиль AirCar французской фирмы MDI так и не пошёл в производство, не смотря на то, что мог бы стать самым экологичным: топливо и выхлоп у него – воздух

Разработкой чисто пневматических автомобилей в конце прошлого века начали заниматься во Франции. Автомобиль экологичнее трудно себе вообразить, топливо и выхлоп у него одно и то же – это воздух. Экипаж без малого десять лет назад был создан инженерами французской фирмы MDI и родственной ей Zero Pollution Motors, название которой переводится как «моторы с нулевым загрязнением». Он стал триумфатором одного из Мотор шоу 2002 года.

Простая и дешёвая, по заявлению создателей, система предназначена для небольших автомобилей. Их концепт e.Volution был способен проехать на одной заправке около двухсот километров. Его максимальная скорость составляла 130 км/ч. Сжатый воздух хранился в трёхсотлитровом баллоне из кварцевого или карбонового волокна и через специальный инжектор подавался в рабочие камеры двигателя. Автомобиль весил около семисот килограммов и был оснащён автоматической трансмиссией.

Для заправки e.Volution на четыре часа подключали к обычной розетке. С помощью же мощного воздушного компрессора его можно было заправить за считанные минуты. Домашние варианты подобных компрессоров уже давно выпускают серийно.

Интересна силовая установка гибрида – двухцилиндровый поршневой двигатель. Он был способен работать и в режиме обычного двигателя внутреннего сгорания, используя в качестве топлива бензин, газ или дизельное топливо. Переход с воздуха на углеводородное топливо управлялся электроникой. Режимы были такими: на скоростях ниже 60 км/ч автомобиль передвигается на воздухе, выше – на обычном топливе.

История его полна загадок. За десяток лет MDI так и не удалось внедрить пневмогибрид в производство, хотя предполагалось десятками тысяч выпускать эти маленькие машинки в развивающихся странах. Заключённый несколько лет назад с индийским автоконцерном Tata договор на производство альтернативного двигателя для индийского народного шестисоткубового автомобильчика Tata Nano не принёс ожидаемых результатов. В прессе стали появляться утверждения, что MDI – это масштабная афёра. В Европе постоянно идут патентные суды фирмы с другими предполагаемыми производителями и даже происходят аресты по обвинению в промышленном шпионаже.

Критические утверждения подкрепляются отсутствием независимых тестов пневмомобилей. Сейчас ясно, что пробега без дозаправки воздушных машин пока не вполне достаточно для автономной эксплуатации. Однако появление таких авто, например, в качестве общественного транспорта или такси, могло бы существенно облегчить экологическую напряжённость в крупных городах.

Надо заметить, что поршневой двигатель не единственный вариант воздухомобиля. Одно время английские инженеры из Университета Вестминстера (University of Westminster) разрабатывали воздушный автомобиль с приводом от турбины и встроенной в дисковые тормоза системой рекуперации энергии. Запас хода этого автомобиля также был невелик – около сотни километров.

Известны и другие пневматики. Так, корейская Energine Corporation на базе силовой установки хорошо известного в нашей стране Daewoo Matiz построила прототип пневмоэлектрического гибрида. В Австралии фирма Engineair производит маленький пневмомотор собственной конструкции. В прошлом году известная своими гибридами японская фирма Honda представила свой «воздушный» концепт Honda Air на Мотор шоу в Лос-Анджелесе.

Honda Концепт 2010 года Honda Air Car с пневматическим двигателем

Отмороженная фракция

Как известно всем потребителям газового топлива, энергоноситель может храниться не только в сжатом, но и в сжиженном виде. В этом случае удельный энергозапас несколько выше. Однако для воздуха он всё равно на порядок меньше, чем у углеводородов. И всё же в Университете Вашингтона (University of Washington) были проведены интересные исследования. Здесь был создан действующий прототип LN2000 (англ. Liquid Nitrogen – жидкий азот) на жидком азоте.

Разработчики LN2000 также называют его «воздушным», ведь, по большому счёту, неважно, какой из содержащихся в воздухе газов будет приводить его в движение. Важно другое: именно азот, составляющий 78 процентов атмосферы, можно в большом количестве запасти в криогенном топливном баке автомобиля при температуре около минус 196 градусов Цельсия. Технология же получения жидкого азота давно развита промышленностью. Выхлоп автомобиля на азоте абсолютно экологичен.

Принцип действия двигателя LN2000 такой же, как у парового двигателя, за одним исключением: у азотного мотора нет топки. Сжиженный газ, подобно воде в котле паровоза, испаряется в специальной ёмкости, где его объём увеличивается во многие сотни раз. Давление этого расширяющегося газа и приводит в движение поршни двигателя.

Перед подачей в теплообменник криогенное топливо предварительно подогревается от разогретой выхлопной системы. Нагревается же оно в незамерзающем теплообменнике, внешне подобном радиатору системы охлаждения обычного автомобиля, за счёт температуры окружающего автомобиль воздуха.

Прототип – почтовый автомобиль Grumman-Olson Kubvan 1984 года выпуска с передним приводом и пятиступенчатой ручной коробкой передач фирмы Volkswagen с воздушным мотором от якорной лебёдки достигал скорости 35 км/ч и мог проехать несколько километров. Для проверки работоспособности идеи этого было вполне достаточно.

CooLN2
CooLN2 Car - протопит Университета Северного Техаса. Вместо топливного бака у него - криокулер, а в качестве топлива - жидкий азот

Утверждается, что при масштабном производстве цена на жидкий азот сравняется со стоимостью бензина. Производство азота возможно на гигантских «холодильных» фабриках. Двигатели же азотных машин будут тратить литр жидкого топлива на милю пути. Однако переход на новое топливо потребует серьёзной перестройки автопромышленности. Понадобится и сеть надёжных и безопасных криогенных автозаправок. Это азотная экономика. При нынешнем уровне развития технологий она даже более дорогостоящая и затратная, чем водородная, о которой мы уже рассказывали.

Кроме того, эффективность получения жидкого азота невысока. Он побочный продукт получения жидкого кислорода при сжижении атмосферного воздуха. Общая эффективность перевода углеводородного горючего в километры пробега в этом случае в разы меньше, чем у существующих сегодня авто.

Сейчас работы над азотным автомобилем продолжаются в исследовательской группе Университета Северного Техаса (University of Northern Texas). Их прототип под названием CooLN2 Car – это, скорее, лабораторная платформа на четырёх колёсах, внешне слегка напоминающая багги. Его устройство принципиально не отличается от LN2000.

Обочина хайвея

Все эти экзотические гибридные автомобили очень разнятся по степени своего совершенства и, как кажется на первый взгляд, лежат на обочине главной дороги автомобильного прогресса. Но эти конструкции, как и обочина, определяют ту технологическую границу, по которой можно двигаться, но заступать за которую при сегодняшнем уровне техники нет смысла.

Но с этой обочины можно разглядеть некоторые черты автомобильного будущего, выбрать направление объездных дорог или убедиться в их тупиковости и бесперспективности. В будущем большинство этих инновационных подходов и технологий, конечно, реализовано не будет. Но они обеспечат уверенность в правильном направлении основного хайвея, а с некоторых из них могут начаться и новые дороги.

Источник: Наука и технологии РФ