Запасной маховик
Маховичный накопитель кинетической энергии
«Основные Средства» завершают публикацию серии материалов об основных разновидностях вспомогательных приводов, устанавливаемых на серийных образцах автотранспортных средств для снижения потребности постоянного использования двигателя внутреннего сгорания. Напомним, краткий обзор подобных решений, охватывающих аккумуляторы, дизель-генераторы и емкостные накопители (конденсаторы), также обозначивший ряд других существующих подходов к этому вопросу, а также рассказ о вспомогательном гидроприводе. Сегодня мы рассмотрим маховичный накопитель.
Предыстория
Попутно уточним, что вспомогательный жидкостный и воздушный приводы – «близнецы-братья», поскольку хранящееся в баке масло и в пневмоцилиндре азот удачно дополняют друг друга. Именно в паре их использует компания PSA Peugeot Sitroên, чьи транспортные средства – самый известный пример серийного использования гидропневмонакопителя как вспомогательного источника тяги. Под воздействием кинетической энергии масло сжимает находящийся в цилиндре азот. При вытеснении азотом масла соединенный с колесами гидропневмонакопитель добавляет им крутящего момента. «Чистый» пневмопривод, напомним, рассматривался «ОС» в статье с красноречивым названием «Вместо бензина – воздух».
Почему, к слову, в упомянутых материалах обойдена вниманием гидрообъемная передача? Дело в том, что, по сообщениям отраслевых СМИ, работа гидрообъемной передачи, обеспечивающей привод колес полуприцепа тягача КамАЗ-44108 (т. н. «автопоезд с активным прицепом») требует «Автономной насосной станции» (с ДВС).
Завершение указанной подборки кратким описанием используемого в качестве дополнительного источника тяги маховичного накопителя представляется логичным еще вот почему. Дело в том, что следующий шаг в этом направлении представляет собой «опосредованное использование вспомогательных приводов автотехники», назовем это так. Речь идет об оснащении транспортного средства сразу несколькими используемыми с этой целью устройствами. Дизель-генератор с аккумуляторным либо емкостным (конденсаторным) накопителем – давно известное решение? Не все так просто, в связи с чем просим наших читателей запомнить предлагаемое определение (в значении состава новейших вспомогательных «силовых пар» и порядка их работы) для краткого рассказа в дальнейшем о них на примере «седельника» Iveco-Glider и опытного автопоезда Renault-Optifuel (Lab 2). Между прочим, в выставочном Iveco-Glider «старшим» вспомогательным приводом выступает как раз маховик.
Маховичный (ранее – также маховичковый) накопитель, используемый в качестве вспомогательного источника тяги и «докручивающий» (как известно, неэкономичный при разгоне, на малых скоростях) двигатель, кроме назначения имеет целый ряд других отличий. Во-первых, речь не идет о знакомых по предмету «Теория и конструкция автомобиля» маховиках коробок передач стародавних грузовиков. Рассматриваемый нами вспомогательный, «запасной» маховик (в отличие от них выполнен из легких сплавов-композитов) вращается в безвоздушном пространстве, а в ряде случаев располагается горизонтально (что требует конической зубчатой передачи). Маховичный накопитель в 1960-е гг. обкатывался на различных классах автотехники, в 1980-е к его испытаниям вернулись в составе легковой Volvo (серии 200), а позже он «оседлал» автомобили гоночные. Сегодня в зарубежной печати все это направление, включая седельный тягач Glider – первый использующий его промышленно-выставочный образец такого класса техники, проходит под обозначением KERS (Kinetic Energy Recovery System).
Насколько далек СНГ от использования на линии маховичного накопителя при том, что его создание и проработка в этом качестве связаны с именем профессора МГИУ Н.В. Гулиа! С легкой руки ученого такой маховик стал известен с приставкой «супер». Среди прочего становилось понятно, что речь идет об устанавливаемом на транспортном средстве маховике другого предназначения.
Конструкция
Главная цель продвижения указанных накопителей – «секрет Полишинеля»: исключение затрат кинетической энергии на трение колодок о тормозные диски, возникающее при замедлении автомобиля, и ее преобразование во вращение маховика, который в последующем участвует в приводе транспортного средства. К одной из осей транспортного средства определенным образом подключается маховик-накопитель. При торможении он раскручивается через соединенный с осью транспортного средства вращающийся вал. Продолжая вращаться после остановки автомобиля, маховик «вкладывается» в его разгон при возобновлении движения. Иными словами, при торможении и на спусках кинетическая энергия не пропадает в тормозных устройствах автомобиля, а накапливается рассматриваемым маховиком. Особенно востребованным маховичный накопитель оказывается в «городском цикле» движения, отличающемся частыми троганиями и торможениями. ДВС и маховичный накопитель могут срабатывать и по отдельности, а именно: двигатель подзаряжает маховик, который затем в одиночку разгоняет транспортное средство (но и в этом случае энергия торможения возвращается маховичному накопителю).
Маховичные накопители последнего поколения (к примеру, Torqstor) отличают композитные сплавы на основе углеродистых волокон и размещение в безвоздушной среде для уменьшения потерь мощности. Современные маховичные накопители, выполняемые, повторим, из углепластика, отличающиеся навивкой из углеволокна, являются высокопрочными (как и защитный корпус); сталь в качестве материала их изготовления ушла в прошлое. В ряде случаев композитный сплав маховичных накопителей наполняют магнитной пудрой, попутно сводя на нет возникновение вихревых токов. Кроме того, намагниченный таким образом маховик способен работать в условиях повышенных температур не в ущерб сроку службы. В новейших образцах рассматриваемых устройств механическое соединение вала, привода маховичного накопителя и главной передачи в ряде случаев уступило место магнитному, исключающему проскальзывание вращающихся валов. Согласует частоту вращения маховика и в конечном счете крутящий момент колес, плавно меняет передаточное отношение между входным и выходным валами бесступенчатый привод, сегодня известный как Compact Variator Transmission (CVT-вариатор, тот же Torotrak, ранее – планетарный дисковый вариатор). Его наличие и надлежащий уровень изготовления – одно из главных условий использования маховичного накопителя.
Накопление значительной кинетической энергии предполагает использование высоко-оборотистых маховиков. Частота вращения их современных образцов достигает 60 000 об/мин, масса составляет от 6 до 100 и выше кг, а к примеру, при мощности 100 кВт они запасают 200 кДж энергии. Современные маховичные накопители для автотехники различных классов предлагают Ricardo, Williams Hybrid Power, Flybrid Automotive (с 2014 г. – Torotrak Group).
Свою новейшую разработку Ricardo представил в 2014 г. в составе дорожно-строительной техники. Изготовленный ранее автобус среднего класса Optare (Solo Midibus), оборудованный вспомогательным маховиком Ricardo, получил название Flybus. На автобусах в Лондоне в качестве вспомогательного привода испытывались маховики от компании Williams Hybrid Power (работающей с этом направлении на гоночные автомобили «Формула-1», а также вагоностроительным отделением многопрофильного французского объединения Alstom). Уточним, что в самом известном примере использования маховика – кстати, при маршрутных перевозках пассажиров – жиробусе «Орликон» (1950-е гг., в Швейцарии, Конго, Бельгии) он выступал в качестве основного источника тяги подвижного состава. Английский FlyBrid Automotive (Torotrak Group) взаимодействует с Volvo. В открытой печати об этом сообщалось в разрезе легковушки, однако шведская фирма – всемирно известный изготовитель тяжелых грузовиков и дорожно-строительной техники. Кроме того, как и в случае с Ricardo, сотрудничество ведется с изготовителем коммерческой автотехники (Ford), а также марками Jaguar, Rover.
Энергия, возникающая при торможении, преобразуется во вращение маховика и используется для привода колес транспортного средства. Пропорционально снижается потребность использования ДВС на малоэкономичных режимах – суть рекуперация.
Гладко было на бумаге, да забыли про овраги?
За городом маховик рискует остаться без «подкормки» из-за ограниченного числа торможений (выручит только движение «под гору»). В случае привода ДВС и маховичного накопителя на разные мосты (мол, вот и полный привод) появляется беспокойство за устойчивость подвижного состава. Конструкция маховичного накопителя обусловливает, в частности, выверенность значений угловой скорости, момента инерции, передаточных чисел, электронного регулирования. Требования к продуманности системы управления подтверждает одна только возможность участия водителя в подключении (клавишей приборной доски) маховичного накопителя для добавки «мощи» при разгоне, ускорении (к примеру, до 80 л.с. за 7 сек).
Стоит ли овчинка выделки в значении обоснованности использования маховичных накопителей для, пожалуй, ключевого показателя – расхода топлива? Судите сами, сообщалось о его снижении в этом случае на 5–25% (верхняя граница, понятно, для отдельных режимов движения). К числу общих преимуществ маховичных накопителей относят обещанный их изготовителями длительный срок службы, отсутствие потребности в редкоземельных элементах (хотя «батарейки» сегодня применяются на транспорте все шире для множества самых разных задач). Массогабаритные характеристики современных маховичных накопителей становятся все привлекательнее (сама за себя говорит возможность их установки на крыше современных трамваев). И наоборот, снижение грузоподъемности (вместимости) ранее во многом сдерживало их применение. Что ж, мы далеко ушли от приведенного на рисунке варианта размещения маховичного накопителя, однако в Porsche RSR (2011 г.) гироскопический энергоаккумулятор (как его иногда называют) занимает место рядом с водителем. Высокий момент инерции вызывает вопросы по балансу маневрирования, ведь маховик совершает десятки тысяч оборотов в минуту.
Уточним, что маховичный накопитель «дружен» как с ДВС, так и с электродвигателем. Мало того, в маховичном накопителе TorqStor от Ricardo подзарядка происходит при опускании стрелы экскаватора. Среди прочего это сводит на нет доводы об использовании данной разновидности накопителей только при торможении транспортного средства. Кроме того, управление вспомогательным маховиком может включать в себя электрогидравлические клапаны и гидронасос с электроприводом. Добавим, что выполненное во второй половине 1980-х гг. сотрудниками МАДИ, МАМИ, МАСИ (МГИУ), НАМИ математическое моделирование использования в составе ЛиАЗ-5256 маховичкового накопителя включало в себя однопоточную гидропередачу. Масса «маховичка» составляла 35 кг, частота вращения – до 12 000 об/мин, что вполне достаточно для автобуса.
Железнодорожный и городской рельсовый транспорт не является исключением в деле опытного применения вспомогательных маховиков. Известно, что маховичный накопитель ССМ (Голландия) еще в 2004 г. обеспечил проезд многоосного трамвая Alstom через один из мостов г. Роттердама без токоприемника. Оборудованные маховичным накопителем (энергии торможения и при движении «накатом», с последующим участием в разгоне вместе с ДВС) облегченные рельсовые автобусы Rail PPM с середины 2000-х гг. перевозят пассажиров на малодеятельной ветке г. Стоурбридж (Stourbridge) английского графства Западный Мидлендс.
Важно, что в городах США (Филадельфия и ряд др.) начато использование стационарных маховиков (также из углеродистых волокон), установленных на подстанциях метрополитена и запасающих энергию, возникающую при торможении поездов с ее последующей передачей на контактный рельс или питающий провод. Особенностью применения рассматриваемых накопителей в этом случае являются многочисленные участники проекта.
