Большая красная кнопка: маховики-накопители

Большая красная кнопка: маховики-накопители

Семена будущих зеленых автомобилей проращивают в теплицах «Формулы-1».

«Формула-1» всегда была колыбелью технологий для гражданского автотранспорта. Именно в королевских гонках оттачивались технологии применения композитных панелей кузова, керамических тормозных дисков, роботизированных коробок передач и многих других узлов, позволяющих автомобилю ехать по‑настоящему быстро. Кто бы мог подумать, что именно «Формула» даст толчок развитию нового поколения гибридных автомобилей, цель которых — быть не только и не столько динамичными, сколько энергетически эффективными, экономичными и экологически чистыми. Речь идет об автомобилях с маховиковой системой рекуперации энергии торможения.

Все началось в 2007 году, когда президент FIA Mакс Мосли и Ассоциация команд-участниц F1 FOTA начали диалог об изменении технического регламента соревнований с целью «озеленения» гонок. В результате поправок, внесенных в технический регламент гонок, с 2009 года команды получили возможность устанавливать на свои болиды системы KERS любой конфигурации. Аббревиатура KERS расшифровывается как Kinetic Energy Recovery System, или система рекуперации кинетической энергии. KERS позволяет аккумулировать энергию торможения болида, вместо того чтобы расходовать ее на бесполезный нагрев тормозных дисков, а затем вновь передавать эту энергию на вал трансмиссии.

Опасность разрушения маховиков принято считать одним из проблемных факторов механических KERS. Но, по мнению его создателя Джона Хилтона, это не более чем миф. Еще в 2007 году компания Flybrid провела серию успешных тестов в знаменитом краш-центре F1 Кранфилд. Инженеры Центра смоделировали реальную аварийную ситуацию на трассе. Маховик был раскручен на стенде до предельной скорости 64 500 оборотов в минуту внутри макета гоночного болида, который затем разбили о неподвижное препятствие. Замедление составило более 20 g. Осмотр узла показал, что вакуумный корпус и сам маховик после удара абсолютно не пострадали. Более того, маховик продолжал вращение на скорости более 60 000 оборотов!

Максимальный объем аккумулируемой энергии был ограничен 400 кДж, мощность системы — 60 кВт, а период работы в режиме вспомогательного двигателя — 6,7с на каждом круге трассы. В режиме аккумулятора KERS могла работать непрерывно, а активация ее вызывалась нажатием специальной кнопки на штурвале болида на скорости свыше 100 км/ч. Дополнительная тяга могла использоваться пилотами для совершения обгонов и быстрого набора скорости после прохождения поворотов.

Предварительные расчеты показали, что KERS дает преимущество до 0,4 с на круге в сравнении со стандартной машиной. Это примерно 30 м разницы на финише. Не так уж и много, но зачастую именно мгновения решают судьбу команд. Более того, техническая комиссия наметила траекторию развития KERS. Предполагалось, что постепенно ее показатели будут расти — до 100 кВт мощности и 800 кДж в 2011 году и до 200 кВт и 1600 кДж в 2013-м. А это уже не жалкие тридцать метров форы.

Карусель в Большом цирке

В традиционных гибридных системах кинетическая энергия тормозящего автомобиля преобразуется в электрическую с помощью генератора. Генератор не только заряжает аккумуляторную батарею, которая впоследствии отдает энергию электромотору, но и создает дополнительное тормозное усилие, облегчая жизнь тормозам. Такая электромеханическая KERS для «Формулы-1» была разработана компанией Zytek. Тогда же, в 2007 году, ведущие технологические партнеры формульных команд — Torotrak, X-Trac, Ricardo и Flybrid — создали концепцию маховиковой KERS. В ней кинетическая энергия болида преобразуется в кинетическую же энергию вращающегося маховика.

Торроидальный вариатор Torotrak IVT обеспечивает передачу потока мощности от силовой установки на маховик и обратно с минимальными потерями энергии. Всего за 50 миллисекунд он способен изменить передаточное отношение с 6:1 до 1:1.

Макс Мосли назвал интеграцию KERS в F1 вызовом компетентности конструкторам команд. По словам Мосли, «Формула» в последние годы превратилась в застоявшееся технологическое болото. Инновации и смелые инженерные решения остались в прошлом, когда со сцены ушли легендарные конструкторы Колин Чепмен, Джон Купер и Кит Дакуорт. «Сейчас личностей такого масштаба в F1 уже не осталось, за исключением Патрика Хеда из Williams», — досадует Мосли. Руководство команд предпочитает бесконечную модернизацию уже имеющегося технического арсенала, игнорируя все новое. После того как FIA ограничила обороты моторов до 19 000, а снаряженную массу машин до 605 кг, инженеры принялись за улучшение трансмиссий — критически важного компонента силовых установок. Многие команды тратят на это до ?25 млн ежегодно, делая коробки все более быстрыми, легкими и прочными. Использование стандартных узлов обошлось бы всего в миллион. Макс Мосли убежден, что максимальная стандартизация болидов F1 не только на порядок снизит затраты команд, но и освободит время и ресурсы для разработки по‑настоящему прорывных технологий, к которым он относит KERS.

Команды приняли вызов Мосли со скрипом и скепсисом. Ветеран гонок, трехкратный чемпион мира Ники Лауда предрек KERS провал, а вице-президент Ferrari Пьеро Феррари без обиняков назвал систему пустой тратой времени и денег. Команда BMW, располагавшая достаточным бюджетом, и ее глава Марио Тайссен время от времени рапортовали об очередном успехе. Нелепые случаи вроде попавшего под высокое напряжение и чудом оставшегося в живых механика BMW только подогревали интерес публики. McLaren ангажировал для работы над KERS профессионалов из Zytec, а группа инженеров из Flybrid, Torotrak, Ricardo и X-Trac пришла на помощь Williams. Забавно выглядела перепалка Тайссена и Ferrari. После того как в конце 2008 года итальянцы испытали аж три варианта KERS и остались крайне недовольны, Тайссен заявил, что проблема заключается не в технологии, а в квалификации техперсонала Scuderia. Мосли как мог отстаивал идею KERS в прессе, а Лауда шутил, что к каждому болиду F1 придется приладить трейлер с батарейками.

KERS Ricardo Kinergy с бесконтактной магнитной муфтой

BMW первой отказалась от применения большой красной кнопки уже после четвертого этапа сезона, а Ferrari гонялась с электромотором и батареями дольше всех остальных. Все, чем отличились KERS в F1, — это несколько ярких эпизодов с участием Кими Райконена и блестящая победа в Венгрии Льюиса Хэмилтона. В конце лета члены FOTA решили отказаться от использования KERS в сезоне 2010 года.

Две скорости звука

Специалисты компании Flybrid считают работу в F1 забавным, но крайне полезным экспериментом. Основное применение своей механической KERS британцы видят в массовом гражданском автомобилестроении — в частности, в скоростных моделях премиум-класса. Для этого старый добрый маховик придется сделать маленьким, легким и энергоемким.

В 2007 году Джон Хилтон и Даг Кросс, основатели Flybrid, заявили о создании уникального компактного маховика массой около 5 кг, способного вращаться со скоростью до 64 000 об/мин. Стальная болванка, в разрезе похожая на двояковогнутую линзу, одетая в прочнейшую рубашку из карбона, была помещена ими в вакуумный корпус. Вал маховика установлен на специальных керамических подшипниках. Коренной компонент маховика Flybrid — патентованная система вращающихся центробежных уплотнений, обеспечивающих герметичность узла. Зачем тут вакуум? Элементарно: трение воздуха, кажущееся нам неощутимым, на таких скоростях приводит к нагреванию и постепенному разрушению маховика. Постепенное торможение болванки происходит в основном из-за трения в опорных подшипниках и системе прокладок. Раскрученный маховик за минуту теряет лишь 2% сохраненной энергии. Полная разрядка этой механической батареи наступает примерно через полчаса.

«Наш маховик как минимум втрое быстрее любого аналога, когда-либо установленного в автомобилях, — скорость вращения его внешней кромки достигает 660 м/с, что в два раза превосходит скорость звука в воздухе при нормальных условиях, — говорит Джон Хилтон. — Это позволило сделать его в девять раз меньше и легче. По габаритам он сопоставим с обычными дополнительными агрегатами, находящимися под капотом легковушек. Это полноценная гибридная система размером со штатный аккумулятор».

Конечно, вряд ли на рулевом колесе легкового автомобиля появится красная кнопка Boost — система будет работать в автоматическом режиме. Традиционные гибриды не способны обеспечить высокую динамику из-за ограниченной производительности батарей, а в маховиковых системах накопленная энергия может быть использована почти мгновенно. При этом владелец получает еще и 30%-ную экономию топлива за счет возросшего КПД.

Кроме того, механическая KERS впятеро дешевле электромеханической, надежна при любых температурах и выдерживает миллионы циклов разряда. Литий-ионная батарея используется лишь на 80% номинальной емкости — компьютер не допускает разряда более 80%, так как при полном разряде батарея выходит из строя. Маховик же можно разряжать до нуля. Безопасность маховика многократно проверена в серии краш-тестов — карбоновая рубашка не дает кускам стали разорвать корпус даже на самых высоких оборотах.


Магнетизм

Маховик и внешний ротор муфты Ricardo сделаны по технологии MLC (Magnetically Loaded Composite), разработанной компанией Urenco для атомной энергетики. В стальную поверхность деталей интегрирован магнитный неодимовый порошок и более крупные упорядоченные постоянные магниты, скрепленные прочнейшей эпоксидной смолой. Вращение маховика вызывает разнонаправленное вращение внешнего ротора муфты, соединенного с тороидальным вариатором Torotrak с передаточным числом от 10:1 до 1:1. Для достижения максимальной эффективности бесконтактного зацепления стенку корпуса маховика пришлось сделать чрезвычайно тонкой — зазор между двумя вращающимися элементами муфты составляет всего 2 мм. По заявлению разработчиков, КПД магнитной передачи необычайно высок — 99,9%.


Вакуум взаперти

Слабое звено KERS Хилтона и Кросса — патентованные центробежные прокладки вала маховика. На предельных скоростях вращения в них возникает микроскопический зазор, и для откачки воздуха требуется дополнительный вакуумный насос с блоком контроля и управления. Инженеры Ricardo радикально пересмотрели конструкцию Flybrid и создали полностью герметичный модуль с поистине уникальной технологией передачи потока мощности под названием Kinergy. Базовый элемент Kinergy — бесконтактная магнитная муфта. Для Kinergy не требуется вакуумный насос и сложнейший в изготовлении комплекс прокладок вала. Энергия вращения колес поступает на маховик, а затем обратно на трансмиссию благодаря магнитной индукции, а не зубчатому или ременному зацеплению. Причем магниты здесь — постоянные.

Намагниченный маховик стоит на двух подшипниках из стали и керамики, не требующих замены в течение всего срока эксплуатации узла. Для ликвидации возможного проникновения паров воды внутрь корпуса и постепенного разрушения подшипников инженеры Ricardo применяют адсорбирующий элемент с большой удельной емкостью, который поглощает все жидкости и газы, кроме водорода.

По словам эксперта компании Ricardo Энди Аткинса, KERS на основе технологии Kinergy выдерживает не менее 10 млн циклов разряда, обладает удельной мощностью в 3 кВт на килограмм веса, а ее удельная энергоемкость равна 32,5 кДж на килограмм. Стоимость гибридной системы Kinergy для легкового автомобиля среднего класса составит не более $1300. Kinergy может применяться также в качестве идеальной трансмиссии для автомобилей — в сравнении с популярной ныне преселективной механикой маховик с магнитной муфтой на 20% экономичнее.

Маховик, сэр!

Эффективность и дешевизна Kinergy понравились автокомпаниям. В настоящее время уже начались испытания этой системы на прототипе Jaguar XJ следующего поколения и на знаменитых лондонских даблдеккерах. По словам Криса Боркбэнка, технолога компании Torotrak, стратегического партнера Ricardo, расход топлива двухэтажных автобусов снижается при этом почти на 30%. Потеря энергии на маховике в данном случае не является критическим фактором — средняя продолжительность остановки автобуса в Лондоне не превышает 55 с.

Как считает Энди Аткинс, диапазон применения Kinergy огромен — любые нагруженные механические системы, работающие в условиях знакопеременных потоков мощности, будут на 20−30% более эффективны с новыми маховиками, чем без них. Локомотивы, трамваи, экскаваторы, горнодобывающая техника, краны, электростанции и многое другое — для Kinergy везде найдется достойное применение. Гоночные автомобили F1 — не исключение. Как знать — может быть, вскоре на штурвалах стремительных болидов вновь появится Большая Красная Кнопка?

Статья «» опубликована в журнале «Популярная механика» (№2, Февраль 2010).
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.