Без электричества: маховики и гидравлика

Широкому применению маховиков для хранения энергии в автомобилях мешали их большие габариты и масса. Решить эту проблему может создание маховиков с очень высокой скоростью вращения.

- Вторая часть статьи. В первой части рассказывалось о двигателях на сжатом воздухе.

Гидравлика

Если для компактных и недорогих автомобилей весьма перспективной кажется пневмогибридная схема, то главной альтернативой электрическому приводу в тяжелых гибридах является гидравлика. Вместо электродвигателя-генератора или пневматического двигателя-компрессора в этом случае используется гидромотор-насос, обеспечивающий с одной стороны, рекуперацию энергии при торможении и привод ведущих колес – с другой. В процессе торможения гидравлическая жидкость перетекает из резервуара низкого давления в резервуар высокого давления или гидроаккумулятор. Запасенная таким образом энергия затем используется, например, когда автомобиль трогается или разгоняется.

Наибольших успехов в деле создания гидравлических гибридных приводов достигла корпорация Eaton, в которой были разработаны сразу две гибридные схемы. Первая из них получила название  HLA (Hydraulic Launch Assist - в буквальном переводе "гидравлическая помощь запуску") и предназначена для использования в качестве вспомогательного привода в тяжелых машинах, работающих с частыми остановками: мусоровозах, автобусах и т.д.

Работает HLA в двух режимах: рекуперации энергии и ее использования. В процессе торможения HLA сохраняет до 70% кинетической энергии машины в гидроаккумуляторе, где гидравлическая жидкость сжимает газообразный азот. Запасенную таким образом энергию можно затем использовать для облегчения трогания или разгона. В этом случае колеса приводятся в движение одновременно дизельным двигателем и гидромотором. Имеется также экономичный режим, в котором движение осуществляется только за счет гидромотора.

С 2002 года система HLA использовалась в нескольких опытных проектах, включая концепт-грузовик F-350 Tonka и армейский автобус E-450. А в нынешнем году HLA впервые появится в серийных машинах - мусоровозах Peterbilt 320. В Peterbilt отмечают, что использование новых мусоровозов позволит сэкономить не только на топливе, но и на обслуживании тормозной системы.

Вторая система была разработана Eaton для почтовой компании UPS при участии Агентства по охране окружающей среды США, американской армии и компании International Truck, выпускающей фирменные коричневые фургоны UPS. В экспериментальном гидравлическом гибридном фургоне гидравлическая система Eaton полностью заменяет привычную трасмиссию. Дизельный двигатель приводит в действие насос, нагнетающий рабочую жидкость в гидроаккумулятор. Жидкость из гидроаккумулятора, в свою очередь, поступает в гидромотор, приводящий в действие задние колеса. Такая схема дает еще одно преимущество - при использовании дизельного двигателя он постоянно работает в оптимальном режиме вне зависимости от нагрузки. Дополнительная "подзарядка" гидроаккумулятора осуществляется за счет рекуперативного торможения. Благодаря запасенной энергии фургон может ездить и с выключенным дизелем, не выбрасывая вредных веществ в атмосферу.

Eaton - не единственная компания, разрабатывающая гидравлические гибридные приводы. В этой области работает и другая крупная корпорация - Parker Hanifin. Информации о ее разработках не так много, однако, по данным Design News, она разрабатывает гидравлический гибрид с двойным - гидравлическим и механическим - приводом на ведущие колеса. Гидравлический привод будет использоваться в городском цикле, а традиционный механический - на шоссе.

Над еще одним вариантом гидравлического гибридного привода работают в небольшой фирме Hydristor, создавшей одноименный гидромотор-насос для использования в гибридных гидравлических приводах. В нынешнем году "гидристор" планируется испытать в рамках одной из армейских исследовательских программ.

Маховики

Маховик - это, пожалуй, самый старый способ сохранения механической энергии. Описания маховиков известны из средневековой литературы; разновидностью маховика можно считать и известный с глубокой древности гончарный круг. С началом промышленной революции маховики использовались в самых разных механизмах, как стационарных, так и передвижных. Применяются маховики и в современных автомобилях. Правда, там их основная задача состоит в сглаживании перепадов мощности, передаваемой от двигателя трансмиссии, и для долговременного сохранения энергии они не предназначены.

До сих пор широкое применение мощных маховиков для хранения энергии в автомобилях сдерживалось их большими габаритами и массой. Решить эту проблему может создание маховиков с очень высокой скоростью вращения (десятки тысяч оборотов в минуту). В этом случае массу и размеры маховика удается заметно уменьшить.

Использование эффективных высокоскоростных маховиков в гибридных автомобилях считается весьма перспективным. При использовании маховика механическая энергия не требует преобразования в другие виды энергии, удается избежать связанных с такими преобразованиями потерь. С другой стороны, маховик достаточно быстро теряет энергию из-за того, что его вращению препятствует сила трения. Однако в благоприятном для гибридов режиме движения с частыми разгонами и остановками потери от трения не столь страшны, так как запасенная при торможении энергия достаточно быстро высвобождается при разгоне.

Самым известным проектом по внедрению гибридного привода на базе маховика стал проект KERS (система рекуперации кинетической энергии), реализуемый совместными усилиями компаний Flybrid Systems, Torotrak и Xtrac. Предполагается, что уже в 2009 году с вступлением в силу новых регламентов Формулы-1 KERS найдет самое широкое применение в самых известных гоночных автомобилях. Компании-партнеры уже вовсю ведут работы по внедрению нового привода вместе с одной из лидирующих "формульных" команд.

Гибридная система KERS основана на высокоскоростном маховике из стали и углеродного волокна, который вращается со скоростью 60000 оборотов в минуту в вакуумной камере. Маховик подключается к трансмиссии через несколько зубчатых передач с фиксированным передаточным числом, сцепление и вариатор. Система при массе в 24 кг обеспечивает передачу мощности в 60 кВт в обе стороны и может запасать до 600 кДж энергии с учетом потерь. Особая гордость создателей KERS – это система герметизации вакуумной камеры. Вал смонтирован в ней при помощи специальной системы уплотнений, которую Flybrid готова продавать и отдельно от маховика. Сама система KERS помимо Формулы-1 может использоваться в других спортивных машинах, а также и в обычных автомобилях и даже в поездах.

- Фото мусоровоза с сайта Peterbilt, фото фургона UPS с сайта UPS, фото маховика с сайта Flybrid.