Почему маховики не прижились в автомобилях?
Идея родилась при подготовке к гонкам Формулы-1, однако с переменным успехом выступила лишь на гонке «24 часа Ле-Мана».
В 2010 году во время 10-часовой гонки Petit Le Mans, проводящейся в городе Брэзелтон, шт. Джорджия, США, экспериментальный гоночный автомобиль компании Porsche 911 GT3 R Hybrid находился в первой 20-ке среди 45 автомобилей. В это время репортёры телевизионной сети Speed брали интервью у Марго Т. Оге, которая тогда была директором отдела транспорта и качества воздуха при агентстве по охране окружающей среды США.
Репортёры при каждой возможности обращали внимание зрителей на новый автомобиль Porsche. Гибридные автомобили для дорог общего пользования становились всё более привычными, и Оге постоянно подчёркивала «большую значимость» этого автомобиля, вкупе с энергетической независимостью и низкими углеродными выбросами. Именно таких целей и добивалось агентство.
В 2009 году командам F1 первые разрешили использовать гибридные системы. Команда Williams решила разработать гибрид с маховиком вместо химических аккумуляторов. Но эта система так и не вышла на трассу.
Однако, как и его ближайший гибридный родственник с гонок «Формула-1», эту модель 911 GT3 R не планировалось выпускать на улицы. Этот гибрид использовал маховик. Вместо совместного применения бензинового двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя с аккумуляторами, гоночная машина совместила нижнеклапанный шестицилиндровый ДВС с электромеханической системой хранения энергии на маховике.
Как выглядел маховик Williams Hybrid Power
Инженеры Porsche начали изучать применение гибридных систем в гонках в 2007 году. Примерно в то же время руководство F1 разрешило интеграцию гибридных технологий. С сезона 2009 года F1 позволила командам использовать умеренные гибридные системы рекуперации кинетической энергии (kinetic energy recovery system, KERS).
Williams открыла дочернюю компанию Williams Hybrid Power для разработки и полировки гибрида с маховиком. В 2010 году она организовала партнёрство с Porsche Motorsport для создания 911 GT3 R Hybrid
Большинство команд F1 разрабатывало системы рекуперации на основе аккумуляторов, однако команда Williams создала электромеханический маховик. В итоге из-за технических ограничений гонок команде Williams так и не довелось выставить эту машину на трассу. Интересно, что компания Chrysler также пыталась сделать гибридный автомобиль с ДВС/маховиком для Ле-Мана за 15 лет до этого, но и их разработка не дошла до гонок.
Audi успешно использовала гибридную систему с маховиком для машины R18 e-tron Quattro. Эта машина выигрывала Ле-Ман три раза подряд.
Однако Porsche в итоге купила лицензию на технологию Williams Hybrid Power, и вознамерилась адаптировать её для гонок на выносливость в модели 911 GT3 R Hybrid. Компания Audi также занялась внедрением маховика в свой всепобеждающий дизель-электрический прототип R18 e-tron Quattro. В прототипе использовался доработанный маховик производства британской компании GKN, делающей запчасти для автомобилей и самолётов. Она купила эту технологию у Williams ещё в 2014 году. Полученный гибрид с маховиком выиграл десятки гонок, включая и «24 часа Ле-Мана» в 2012, 2013 и 2014 годах.
Схема гибридной системы Audi R18 e-tron Quattro
Учитывая такой вклад производителей в спортивные автомобили, очень многие наблюдатели ожидали, что технология маховика через несколько лет перейдёт и на обычные автомобили. Но этого так и не произошло. Почему?
Высокооборотистый ускоритель
Вкратце автомобильная гибридная система с маховиком использует механическую энергию маховика для кратковременной дополнительной помощи двигателю внутреннего сгорания. На осях или в колёсах машины расположены электромоторы/генераторы. Они используют кинетическую энергию, которая в ином случае просто уходит в тепло при торможении колодками.
GT3 R Hybrid был создан для гонок на выносливость на знаменитом состязании «24 часа «Нюрбургринга»» в 2010 году
Но вместо того, чтобы отправлять эту энергию в химический аккумулятор для хранения и последующего использования, электричество используют для раскрутки маховика. Электрическая энергия преобразуется в кинетическую энергию вращения посредством инновационного магнитного материала (иногда это магнитный порошок), нанесённого на маховик. Чем больше энергии приходит, тем быстрее он крутится. Это, кстати, отличает его от гибридной системы с механическим маховиком, которую компания Nissan безуспешно пыталась разработать для Ле-Мана 2015 года.
Схема трансмиссии у GT3 R Hybrid. Красным обозначены компоненты маховика, силовая электрика и два мотора/генератора.
Количество энергии, которое можно снять с маховика, определяется его массой и скоростью вращения. Обычно он вращается со скоростями от 25 000 до 55 000 об/мин. Для преобразования хранящейся в маховике кинетической энергии обратно в электрическую вращающееся магнитное поле генерирует ток, идущий в обратном направлении, и энергия поступает на те же самые моторы/генераторы, что собирали её во время торможения.
Схема GT3 R Hybrid под другим углом
Как было упомянуто ранее, эти моторы могут располагаться прямо в колёсах. Или же такой мотор можно подсоединить к ведущему валу двигателя через бесступенчатую или другую трансмиссию. По запросу она соединяется с валом, забирает энергию у маховика и превращает её в кинетическую энергию, вращающую вал и ведущие колёса.
У обычного автомобиля на этом месте располагается пассажирское сиденье. У GT3 R Hybrid там стоит маховик.
Маховики часто сравнивают с конденсаторами, способными быстро накапливать и отдавать энергию. Сторонники этой технологии считают её преимуществами малый вес, стоимость и малое воздействие на окружающую среду по сравнению с традиционными гибридами, использующими химические аккумуляторы.
Маховик 911 GT3 R был сделан из композитного углеволокна, и его диаметр равнялся 406 мм. Корпус маховика, также сделанный из углеволокна, располагался на месте пассажирского сиденья. Маховик отправлял и получал энергию от электрических моторов/генераторов по 80 л.с. (60 кВт), располагавшихся в обоих передних колёсах. Такая конфигурация позволяла улучшить управление автомобилем на поворотах.
Ёмкость маховика в машине Porsche составляла 0,2 кВт*ч. Он мог выдавать до 163 л.с. (122 кВт) на периоде до 6 секунд, помогая разгонять машину после поворотов или на длинных дистанциях – в зависимости от того, как водитель решал применить дополнительную энергию, нажимая на специальную кнопку на руле.
Общая мощность всей системы составляла 670 л.с. (500 кВт), а весила машина примерно 1300 кг. Маховик с корпусом весили порядка 47 кг – значительно меньше, чем аккумулятор у электрических гибридов. В целом машина весила на 104 кг больше, чем обычные гоночные Porsche GT3, вместе с которыми она ездила по треку.
В Porsche решили, что хранить энергию в маховике в условиях экстремальных гоночных нагрузок надёжнее, чем в литий-ионных аккумуляторах. В отличие от последних, маховик можно было полностью заряжать (т.е. разгонять до максимальной скорости) и разряжать (останавливать почти полностью) много раз в минуту без всяких побочных эффектов.
Благодаря относительно эффективному использованию горючего, не самый быстрый среди участников гонки 2010 года «24 часа «Нюрбургринга»» 911 GT3 R Hybrid лидировал восемь часов подряд. В гонке 2010 года Petit Le Mans машина пришла 18-й – сказался износ деталей.
В 2011 году она снова вышла на трассу, но потом в Porsche сконцентрировались на прототипе 919 Hybrid для чемпионата мира по автогонкам на выносливость.
Не быстрое, а медленное хранение и восстановление энергии
Переход на 919 Hybrid в частности был связан с тогдашним проектом суперкара от Porsche. Так утверждает президент и генеральный директор североамериканского подразделения Porsche Motorsport, Дэниел Армбрюстер.
«Примерно тогда мы уже начали работать над гибридным заряжаемым прототипом спортивного автомобиля 918 Spyder, — вспоминает он. – И в обоих моделях, 919 и 918, обнаружилось, что литий-ионные аккумуляторы обеспечивают наилучший баланс между сохранением энергии и мощностью питания».
Езда по дорогам общего пользования заключается в постоянном разгоне и торможении, что как раз подходит для рекуперативного торможения. Однако в таких условиях ни о каком быстром разгоне с максимальным ускорением от одного поворота до другого, как в гонках, речи не идёт. Вместо быстрого и интенсивного восстановления энергии, и последующего активного её сохранения, на передний план выходит сравнительно медленная генерация энергии, из-за чего главным становится вопрос её хранения.
«Гибридная технология с использованием маховика в 911 GT3 R Hybrid позволяла экономить топливо, что уменьшало время, проведенное на пит-стопе, по сравнению с соперниками, — поясняет Армбрюстер. – В гонках маховик работает эффективнее из-за постоянного резкого торможения и резкого разгона. Для такого режима отлично подходит кратковременное хранение энергии с мощной отдачей».
«Но у этой технологии есть свои недостатки. В целом, в маховике не получается хранить много энергии – только ту, что дало торможение, — говорит он. – Аккумулятор же способен стабильно и долговременно хранить энергию, и с этими показателями маховику не сравняться. Во многих местах Европы возможность разгоняться, не делая выбросов в атмосферу, оказывается важной. Поэтому решение на основе аккумуляторов представляется наилучшим вариантом».
И хотя Porsche отказалась от маховика из-за ограниченной ёмкости, Армбрюстер добавляет, что «нет сомнений в том, что 911 GT3 R Hybrid сыграла важнейшую роль, доказав применимость гибридной технологии в скоростных гонках».
Глен Паско, ведущий инженер Williams Advanced Engineering, говорит, что с сегодняшней точки зрения понятно, что быстрый захват и отдача энергии в системах с маховиком больше подходит для режимов езды с периодической пиковой нагрузкой.
«Кроме поездок по центру города цикл работы типичного пассажирского автомобиля не подходит под режим »разгон-торможение», свойственный маховикам, — говорит Паско. – Энергия, хранящаяся в маховике, постоянно теряется, а в химическом аккумуляторе она может храниться очень долго».
На автобусах
Принцип работы маховика от Williams всё же нашёл применение в городских условиях в 2015 году, когда GKN модифицировала эту систему для установки на лондонские автобусы. В гибридную систему Gyrodrive с маховиком входит тяговый двигатель, связанный с ведущим валом машины, электрический маховик, инвертер для мотора/маховика, и электронная система управления.
Эта система с различными вариациями использовалась в как в одноэтажных, так и в двухэтажных автобусах британского производителя Alexander Dennis. Однако Gyrodrive оказалась слишком большой и дорогой для легковых городских автомобилей (например, такси), которые постепенно переходят на аккумуляторы.
Глен Паско говорит, что в настоящее время в WAE не занимаются какими-либо маховиками. Однако он добавляет, что «мы работаем с широким спектром индустрий и тщательно изучаем требования клиентов, поэтому такая технология может найти своё применение в будущем».
Среди примеров применения могут оказаться и гонки, если их устроители позволят использовать подобные устройства. Хотя в настоящее время, судя по всему, их больше интересуют аккумуляторные гибриды и технологии быстрой зарядки. Сейчас WAE занимается разработкой топливных систем на водородных ячейках для больших самосвалов. Там рекуперативное торможение используется практически так же, как у маховиков.
Президент североамериканского подразделения Porsche Motorsport говорит, что его компания «постоянно оценивает, какие технологии дают наилучшее решение в конкретных ситуациях», и не отказывается заранее ни от каких подходов.
Армбрюстер объясняет, что в стратегию Porsche «входят ДВС, спортивные заряжаемые гибриды и полностью электрические машины. Также мы исследуем вопрос синтетического топлива, делающего ДВС уже существующих машин более дружественными к окружающей среде».
Иронично, что большая часть тех из нас, кто столкнётся с гибридными автомобилями с маховиками, будет ехать в машине в качестве пассажира, а не водителя. Также в разработке находятся статичные маховиковые системы. Немецкая компания Chakratec недавно развернула маховиковую систему хранения энергии в гостинице Premier Inn в Лейпциге, позволяющую сглаживать пиковые нагрузки на зарядные станции для электромобилей.
Но всего десять лет назад гоночные автомобили, оснащённые маховиками, лидировали в гонке «24 часа «Нюрбургринга»» и убедительно соперничали с более лёгкими GT3. В будущем инвестиции в эту технологию могут как облегчить эту систему, так и увеличить её энергетическую ёмкость, и вновь дать гонщикам маховики – в спорте, где редко что-то выбрасывают просто так.
Инерционный двигатель с автономным приводом
Использование: относится к автомобильному транспорту и предназначен для использования в качестве экологически чистой силовой установки автомобилей. Сущность изобретения: содержит супермаховик, кинематически связанный с выходным валом автономного привода, выполненного в виде детонационного двигателя внутреннего сгорания, содержащего по меньшей мере блок спаренных цилиндров с разделительными поршнями, образующими камеры сгорания с детонаторами и подпоршневые гидравлические полости, сообщенные при помощи магистралей рабочей жидкости между собой и гидротурбиной, установленной на выходной валу автономного привода, что дает возможность приводу, использующему детонационное горение топлива, раскручивая до высоких скоростей супермаховик, передавать большой запас энергии в короткий промежуток времени на ходу или стоянке для длительной бездымной и бесшумной работы инерционного двигателя в качестве силовой установки автомобиля. 1 ил.
Изобретение относится к автомобильному транспорту и предназначено для использования в качестве экологически чистой силовой установки автомобилей.
Известны инерционные силовые установки транспортных средств, содержащие двигатель и размещенный в корпусе маховик, вал которого установлен в подшипниках корпуса и кинематически связан с валом двигателя, что дает возможность при торможении кинетической энергии транспортного средства запасаться во вращающемся маховике, а при последующем разгоне упомянутая энергия возвращается на движитель. (авт. св. СССР N 1094982, кл. F 03 G 3/08, 30.05.84.).
Вышеназванная силовая установка отличается тем, что маховик установлен на сферическом основании с шарнирной сферической опорой для повышения надежности путем уменьшения вредных силовых воздействий силовой установки на систему управления транспортного средства.
Инерционные рекуперативные силовые установки используются на местности с затяжными подъемами и спусками, а в качестве двигателей автомобилей применения не нашли.
Целью изобретения является создание инерционного автомобильного двигателя с экологически чистой работой, обеспечивающего гибкую эксплуатацию автомобиля.
Поставленная цель достигается тем, что супермаховик (Термин «супермаховик», введенный проф. Д.В. Рабенхорстом, означает маховик, основной аккумулирующий элемент которого изготовлен из высокопрочных полимерных материалов, высокой энергоемкости, обусловленной большой удельной прочностью. Гулиа Н.В. Инерционные двигатели для автомобилей, 1974.) кинематически связанный с выходным валом автономного привода, выполненного в виде детонационного двигателя внутреннего сгорания, содержащего по меньшей мере блок спаренных цилиндров с разделительными поршнями, образующими камеры сгорания с детонаторами и подпоршневые гидравлические полости, сообщенные при помощи магистралей рабочей жидкости между собой и гидротурбиной, установленной на выходном валу автономного привода, что дает возможность приводу, использующему детонационное горение топлива, раскручивая до высоких скоростей супермаховик, передавать большой запас энергии на ходу или стоянке в короткий промежуток времени для длительной бездымной и бесшумной работы инерционного двигателя.
Работа инерционного двигателя начинается с запуска привода, запуск детонационного двигателя начинается включением зажигания, в нижний цилиндр подается сжатый воздух, воздействующий на поршень, который при своем движении посредством рабочей жидкости 9 приводит в действие поршень 7, перекрывающий продувочные 5 и выхлопные 6 окна, создающий в цилиндре воздушную подушку, в которую через форсунку 3 впрыскивается топливо, создавая заряд горячей смеси, которая, воспламеняясь в детонаторе 4 предварительно полученной детонационной волной, инициирует детонацию всего заряда. Ударная волна через поршень 7, посредством рабочей жидкости 9, которая через сопло 8 скоростным напором приводит в действие турбину 10 и кинематически связанный с выходным валом супермаховик 1. Отдавая основную часть кинетической энергии турбине 10 для вращения супермаховика 1, рабочая жидкость 9 поступает в нижний цилиндр и весь процесс повторяется по двухтактному циклу.
Раскрутив турбиной 10 через повышающий редуктор 11 до высокой скорости супермаховик 1 привод заглушается до следующей зарядки, обгонная муфта 12 автоматически отключает привод от супермаховика 1, получившего большой запас энергии для экологически чистой работы инерционного двигателя.
Удельная энергоемкость супермаховика (по данным проф. Гулиа Н.В.) составляет 1,75
10 5 кгсм/кг.
Скорость детонации углеводородных топлив достигает 3000 м/с, мощность топливного заряда определяется по формуле взрыва: 
где Q удельная теплота смеси, кКал m масса топливного заряда, кг 427 механический эквивалент D скорость детонации, м/с l длина камеры сгорания, м.
Инерционный двигатель с автономным приводом, содержащий супермаховик, кинематически связанный с выходным валом автономного привода, отличающийся тем, что автономным приводом служит детонационный двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере блок спаренных цилиндров с разделительными поршнями, образующими камеры сгорания с детонаторами и подпоршневые гидравлические полости, сообщенные при помощи магистралей рабочей жидкости между собой и гидротурбиной, установленной на выходном валу автономного привода.
Диски высокой энергии: маховичный накопитель
Мир электроники и электричества наступает! Милые поклонникам механики устройства все чаще уступают место машинам с электромоторами и электронными схемами. Однако мир будущего станет более механическим! Так считает профессор Нурбей Гулиа. За последние десятилетия механические накопители энергии заметно прибавили в энергоемкости, и именно их, по мнению ученого, будут использовать во многих устройствах вместо привычных электрохимических аккумуляторов.
Пружина, резина, конденсатор.
Во всем мире вряд ли найдется человек, который посвятил себя разработке маховичных накопителей энергии в большей мере, чем Нурбей Гулиа. Ведь делом своей жизни изобретатель начал заниматься в 15 лет. Тогда советский школьник Нурбей решил изобрести «энергетическую капсулу» — так он назвал накопитель энергии, который должен был стать столь же энергоемким, как бак с бензином, но при этом копить в себе абсолютно безвредную для человека энергию. Первым делом любознательный школьник опробовал аккумуляторы различных типов. Одним из самых безнадежных вариантов оказался пружинный накопитель. Чтобы обычный легковой автомобиль проехал с таким аккумулятором 100 км пути, последний должен был весить 50 т.
Резиновый аккумулятор показался куда перспективней: накопитель с зарядом на 100 км мог весить «всего» 900 кг. Заинтересовавшись, Нурбей даже разработал резиноаккумулятор инновационной конструкции для привода детской коляски. Один из прохожих, очарованный самоходной коляской, посоветовал разработчику подать заявку в Комитет по изобретениям и даже помог ее составить. Так Гулиа получил первое авторское свидетельство на изобретение.
Вскоре резину сменил сжатый воздух. И опять Нурбей разработал инновационное устройство — относительно компактный гидрогазовый аккумулятор. Однако, как выяснилось в ходе работы над ним, при использовании сжатого газа энергетический «потолок» был невысок. Но изобретатель не сдался: вскоре им был построен пневмокар с подогревом воздуха горелками. Эта машина получила высокую оценку у его друзей, но по своим возможностям была еще далека от того, чтобы конкурировать с автомобилем.
Особенно тщательно будущий профессор отнесся к проработке варианта «электрической капсулы». Нурбей оценил возможности конденсаторов, электромагнитов и, разумеется, собрал всю возможную информацию об электрохимических аккумуляторах. Был даже построен электромобиль. В качестве аккумулятора для него конструктор использовал батарею МАЗа. Однако возможности тогдашних электрохимических аккумуляторов Гулиа не впечатлили, не было и оснований ожидать, что в области энергоемкости произойдет прорыв. Поэтому из всех накопителей энергии наиболее перспективными Нурбею Владимировичу показались механические аккумуляторы в виде маховиков, несмотря на то что в то время они ощутимо проигрывали электрохимическим накопителям. Тогдашние маховики, даже сделанные из самой лучшей стали, в пределе могли накопить только 30−50 кДж на 1 кг массы. Если раскручивать их быстрее, они разрывались, приводя в негодность все вокруг. Даже свинцово-кислотные аккумуляторы с энергоемкостью 64 кДж/кг смотрелись на их фоне крайне выигрышно, а щелочные аккумуляторы с плотностью энергии 110 кДж/кг были вне конкуренции. Кроме того, уже тогда существовали страшно дорогие серебряно-цинковые аккумуляторы: по удельной емкости (540 кДж/кг) они примерно соответствовали самым емким на сегодня литий-ионным аккумуляторам. Но Гулиа сделал ставку на столь далекий от совершенства маховик.
Маховик на миллион
Чем выше частота вращения маховика, тем сильнее его частицы «растягивают» диск, пытаясь его разорвать. Поскольку разрыв маховика дело страшное, конструкторам приходится закладывать высокий запас прочности. В результате на практике энергоемкость маховика раза в три ниже возможной, и в начале 1960-х годов самые совершенные маховики могли запасать всего 10−15 кДж энергии на 1 кг. Если же применить более устойчивые к разрыву материалы, прочность маховика станет выше, но такой скоростной маховик становится опасным. Получается порочный круг: прочность материала возрастает, а предельная энергоемкость увеличивается незначительно. Нурбей Гулиа поставил своей задачей вырваться из этого замкнутого круга, и в один памятный день он испытал момент внезапного прояснения. На глаза изобретателю попался тросик, свитый из проволок, — такие обычно применяют в тренажерах для подъема тяжестей. Тросик был примечателен тем, что обладал высокой прочностью и никогда не рвался сразу. Именно этих качеств и не хватало тогдашним маховикам.
Ученый принялся за работу: сначала поэкспериментировал с тросом, скатав из него маховик, а потом заменил проволочки тонкой стальной лентой такой же прочности — ее намотка была плотнее, а для надежности можно было склеить витки ленты между собой. Разрыв такого маховика уже не представлял опасности: при превышении предельной скорости первой должна была оторваться наиболее нагруженная внешняя лента. Она прижимается к корпусу и автоматически затормаживает маховик — никаких несчастных случаев, а оторванную ленту можно приклеить снова.
Первое испытание, когда ленточный маховик Гулиа раскручивался от скоростного электромотора пылесоса, прошло успешно. Маховик вышел на максимальную частоту вращения без разрыва. А затем, когда ученому удалось испытать этот маховик на специальном разгонном стенде, выяснилось, что разрыв наступал только при скорости обода почти 500 м/c или плотности энергии около 100 кДж/кг. Изобретение Гулиа в несколько раз превзошло по плотности энергии самые передовые на то время маховики и оставило позади свинцово-кислотные аккумуляторы.
В мае 1964 года Гулиа первым в мире подал заявку на изобретение супермаховика, но из-за бюрократизма советской патентной системы получил необходимый документ только через 20 лет, когда срок его действия уже истек. Но приоритет изобретения за СССР сохранился. Жил бы ученый на Западе — давно бы стал мультимиллионером.
Через какое-то время после Гулиа супермаховик изобрели и на Западе, и спустя годы ему находят множество применений. В разных странах разрабатываются проекты маховичных машин. Американские специалисты создают беспилотный вертолет, в котором вместо двигателя используют супермаховики. Отправляют супермаховики и в космос. Там для них особенно благоприятная среда: в космическом вакууме нет аэродинамического сопротивления, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. Поэтому на некоторых спутниках связи применяются супермаховичные накопители — они долговечнее электрохимических аккумуляторов и могут долгое время снабжать аппаратуру спутника энергией. Недавно в США стали рассматривать возможность применения супермаховиков в качестве источников бесперебойного питания для зданий. Там уже работают электростанции, которые во время пика потребления энергии увеличивают мощность за счет маховичных накопителей, а при спаде, обычно в ночное время, направляют избытки энергии на раскручивание маховиков. В итоге у электростанции значительно повышается КПД работы. Кроме того, потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% — это меньше, чем у любых других накопителей энергии.