Ето защо хибридните системи с маховици не намериха приложение в обикновените автомобили

1
1629

Идеята се заражда при подготовката за състезанията на Формула 1 и с променлив успех е реализирана по време на 24-те часа на Льо Ман.

През 2010 година по време на 10-часовото състезание Petit Le Mans в град Бразелтън, щата Джорджия, САЩ, експерименталният състезателен автомобил на компанията Porsche 911 GT3 R Hybrid се класира сред първите 20 места от всичко общо 45 автомобила.

По това време репортерите при всяка възможност обръщат внимание на зрителите на новия автомобил на Porsche. Хибридните автомобили за пътищата за обществено ползване по това време вече стават все по-обичайни и компанията постоянно подчертава голямото значение на този автомобил за околната среда, понеже има съвсем малки въглеродни емисии.

През 2009 година на екипите от F1 за първи път е разрешено да използват хибридни системи. Тогава Williams разработва хибрид с маховик, който се използва вместо химически акумулатори. Но този автомобил така и не излиза на трасето.

По подобен начин неговият хибриден роднина от състезанията на Формула 1 – моделът 911 GT3 R, никога не излиза на шосето, а и по принцип не е бил предвиден да излиза на пътищата за обществено ползване. Този хибрид също използва маховик. Вместо съвместното използване на бензинов двигател с вътрешно горене и електродвигател с акумулаторен блок, състезателният автомобил е използвал шестцилиндров ДВГ с електромеханична система за акумулиране и съхранение на енергията с помощта на маховик.

Маховикът Williams Hybrid Power

Специалистите на Porsche започват да анализират и разглеждат използването на подобни хибридни системи в състезанията от 2007 година. Приблизително по това време ръководството на F1 разрешава използването на хибридни технологии. От 2009 година F1 разрешава използването на умерени хибридни системи за рекуперация на кинетичната енергия (kinetic energy recovery system, KERS).

Почти всички състезателни отбори от F1 разработват собствени системи за рекуперация на базата на акумулаторни батерии, а екипът на Williams решава да използва електромеханичен маховик. Но в крайна сметка заради техническите ограничения на Формула 1 Williams така и не изкарва този автомобил на трасето.

Audi R18 e-tron quattro – хибридният автомобил на Audi

В крайна сметка Porsche купува лиценза за технологията Williams Hybrid Power и възнамерява да я адаптира за ралитата, при които тя да покаже издръжливостта на модела 911 GT3 R Hybrid. Компанията Audi също се заема да използва маховик в своя побеждаващ всичко и всички дизелово-електрически прототип R18 e-tron Quattro. В този прототип се използва усъвършенстван маховик произвеждан от британската компания GKN, известна със своите резервни части за автомобили и самолети. GKN е закупила тази технология от Williams още през 2014 година. Въпросният хибрид с маховик спечелва десетки автомобилни състезания, включително и 24 часовото Льо Ман през 2012, 2013 и 2014 години.

Схемата на Audi R18 e-tron quattro

Като се има предвид този голям принос на производителите в областта на спортните автомобили, пазарните анализатори са на мнение, че след няколко години технологията за използване на маховик ще бъде приложена и в обикновените автомобили. Но това така и не става. Защо?

Рекуперацията на енергията

Казано накратко хибридният автомобил с маховик използва механичната енергия на маховика за кратковременна допълнителна помощ на двигателя с вътрешно горене. На осите или в самите колела на автомобилите са поставени електромотори, които могат да работят и като генератори. Те използват кинетичната енергия, която при класическите автомобили се превръща в топлина при натискане на спирачките.

GT3 R Hybrid

Но вместо тази енергия да отиде към акумулаторен блок, където да бъде запазена и използвана по-късно, електрическата енергия от тези електромобили се преобразува в кинетична енергия – в завъртане на маховика с висока скорост с помощта на иновационен магнитен материал, който е нанесен на повърхността на маховика (най-често това е магнитен прах). Колкото повече енергия се подава, толкова по-бързо се върти маховикът.

Трансмисията на GT3 R Hybrid. С червен цвят са показани компонентите на маховика, силовите електрически компоненти и двата електромотора/генератора

Количеството енергия, което може да бъде взето от маховика директно зависи от неговата маса и скоростта на въртене. Обикновено тези маховици се въртят със скорости от 25 000 до 55 000 оборота в минута. За преобразуването на акумулираната в маховите кинетична енергия обратно в електрическа, въртящото се магнитно поле генерира ток, който постъпва към двата електродвигателя, които дотогава са играли ролята на генератори.

Схемата на същия GT3 R Hybrid, но под друг ъгъл

Както казахме по-рано, тези електромотори могат да бъдат поставени директно в колелата. Понякога се използва един от тези електромотори/генератори който е съединен към водещия вал на автомобила чрез скоростна кутия, която няма предавки – трансмисията има само една предавка. Когато водачът реши, тази трансмисия се съединява с водещия вал, взема енергия от маховика и я превръща в кинетична енергия, която завърта вала и водещите колела (обикновено предните).

В обикновения автомобил на това място се намира седалката на пътника до шофьора. Това е основната причина маховиците да не се използват в конвенционалните автомобили

Маховиците често биват сравнявани с кондензаторите, които могат бързо да натрупват и да отдават енергия. Привържениците на тази технология за преимущества считат малкото тегло, ниската цена и съвсем малката вреда за околната среда в сравнение с традиционните хибриди, в които се използват химически акумулаторни батерии.

Маховикът на 911 GT3 R е направен от композитни въглеродни влакна, като неговия диаметър е 406 мм. Корпусът на маховика също е направен от въглеродни влакна, като цялото устройство е поставено на мястото на предната седалка до шофьора. Маховикът изпраща и получава енергия от електромоторите/генератори с мощност 80 конски сили (60 KW), поставени в двете предни колела. Тази конфигурация изключително много подобрява управлението на автомобила на виражите.

Капацитетът на маховика в автомобила на Porsche е 0,2 киловатчаса. Той може да подаде до 163 конски сили (122 KW) в продължение на шест секунди и дава възможност за ускорение на автомобила веднага след завоя, както и при далечните дистанции. Водачът подава допълнителната енергия като натиска специален бутон на волана.

Общата мощност на цялата тази система е 670 конски сили (500 KW), като теглото на автомобила е приблизително 1300 кг. Маховикът заедно с корпуса тежи 47 кг, което е значително по-малко от акумулаторния блок, използван в електрическите хибриди. Като цяло този състезателен автомобил тежи със 104 кг повече, в сравнение с обикновените състезателни Porsche GT3, с които се е състезавал.

Специалистите на Porsche са решили, че акумулирането на енергията в маховика в условията на екстремални състезателни натоварвания е по-надеждно в сравнение с литий-йонните акумулаторни батерии. За разлика от тях, маховикът може бързо да бъде зареден – тоест, ускорен до максимална скорост, както и разреден (спрян почти до нулата) няколко пъти в рамките на една минута без каквито и да било странични ефекти.

Благодарение на маховика, горивото на автомобила се използва по-ефективно и по този начин съвсем не най-бързият сред участвалите през 2010 година в състезанието „24 часа Нюрбургринг“ автомобил 911 GT3 R Hybrid е бил лидер осем часа подред. В надпреварата от 2010 година Petit Le Mans автомобилът пристига 18-ти, понеже някои от неговите компоненти са успели да се износят.

През 2011 година той отново излиза на трасето, но след това Porsche започва активно да работи върху прототипа 919 Hybrid, който трябва да участва в световното първенство за издръжливост.

Бавното акумулиране и отдаване на енергията

Преходът към 919 Hybrid е свързан с тогавашния проект за създаването на суперкар от Porsche, споделя президентът и генерален директор на северноамериканския отдел на Porsche Motorsport, Даниъл Армбрюстър.

Той си спомня, че тогава компанията започва да работи върху прототипа на спортния автомобил 918 Spyder с хибридно зареждане. Специалистите на Porsche откриват, че и при двата модела – 918 и 919. литии-йонните акумулаторни батерии осигуряват най-добър баланс между акумулирането на енергията и мощността на захранването.

Шофирането по пътищата за общо използване е характерно с непрекъснатото ускоряване и намаляване на скоростта, за което рекуперативните спирачки са идеални. Но при този тип шофиране не може да става и дума за бързо ускоряване на автомобила с максимално ускорение от единия завой до другия, както е при ралитата. Вместо бързото интензивно възстановяване на енергията, която след това отново активно се съхранява в маховика, на преден план излиза сравнително бавното генериране на енергия, заради което основният проблем е нейното по-ефективно акумулиране.

Във състезателния автомобил 911 GT3 R Hybrid хибридната технология с използването на маховик дава възможност за значителна икономия на гориво, което намалява времето в пит-стопа. При ралитата маховикът работи изключително ефективно поради постоянното рязко намаляване на скоростта, след което следва рязко ускоряване. За подобен тип шофиране кратковременното съхраняване на енергия с помощта на маховик е идеално.

Тази технология си има своите недостатъци. Като цяло, в маховика няма как да се натрупа много енергия, понеже той получава само енергията от намаляването на скоростта. Докато акумулаторния блок може зареден и дълго време да работи стабилно, както и дълго време да запазва енергията. Маховикът изобщо няма подобни показатели. За Европа е важно автомобилите да могат да се движат с ниска и с висока скорост без да изхвърлят вредни емисии в атмосферата. Ето защо решението с акумулаторни батерии в този случай е най-добрият вариант.

Въпреки че Porsche се отказва от маховика предимно поради неговия ограничен капацитет, Армбрюстър споделя, че няма никакво съмнение в това, че 911 GT3 R Hybrid е изиграл изключително важна роля, доказвайки, че тази хибридна технология е незаменима при скоростните ралита.

Глен Паско, водещият инженер на Williams Advanced Engineering заяви, че от днешна гледна точка е съвсем ясно, че бързото съхраняване и отдаване на енергията в автомобилите с маховик, е по-подходящо за шофиране с периодично пиково натоварване.

Освен това, шофирането в градски условия няма нищо общо с шофирането по време на състезание и в този случай маховиците не са подходящи. Освен това, енергията акумулирана в маховика сравнително бързо се губи, докато в химическите акумулатори тя остава много дълго време.

Автобусите

Принципът на работа на маховика от Williams все пак намира приложение в градски условия. Това става през 2015 година, когато компанията GKN модифицира тази система за използване в лондонските автобуси. В хибридната система на Gyrodrive с маховик се използва двигател с вътрешно горене, електрически маховик, инвертор за електромотора/генератор и електронна система за управление.

Тази система с различни вариации се използва както в едноетажните така и от двуетажните автобуси на британския производител Alexander Dennis. Но Gyrodrive се оказва прекалено голяма и скъпа за леките градски автомобили, които постепенно преминават към акумулаторни блокове от литиево-йонни батерии.

5 5 гласа
Оценете статията
Абонирай се
Извести ме за
guest
1 Коментар
стари
нови оценка
Отзиви
Всички коментари