Home Автомобили и Автотехника Автотехника БОЛЬШАЯ КРАСНАЯ КНОПКА: МАХОВИКИ-НАКОПИТЕЛИ
БОЛЬШАЯ КРАСНАЯ КНОПКА: МАХОВИКИ-НАКОПИТЕЛИ PDF Печать E-mail
Семена будущих зеленых автомобилей проращивают в теплицах «Формулы-1»




Маховиковая KERS компании Flybrid, целый сезон отъездившая в экстремальных условиях «Формулы-1», легла в основу простой и дешевой системы для серийных автомобилей

Маховиковая KERS компании Flybrid, целый сезон отъездившая в экстремальных условиях «Формулы-1», легла в основу простой и дешевой системы для серийных автомобилей

«Формула-1»всегда была колыбелью технологий для гражданского автотранспорта. Именно вкоролевских гонках оттачивались технологии применения композитных панелейкузова, керамических тормозных дисков, роботизированных коробок передач имногих других узлов, позволяющих автомобилю ехать по-настоящему быстро. Кто бымог подумать, что именно «Формула» даст толчок развитию нового поколениягибридных автомобилей, цель которых – быть не только и не столько динамичными,сколько энергетически эффективными, экономичными и экологически чистыми. Речьидет об автомобилях с маховиковой системой рекуперации энергии торможения.

Всеначалось в 2007 году, когда президент FIA Mакс Мосли и Ассоциациякоманд-участниц F1 FOTA начали диалог об изменении технического регламентасоревнований с целью «озеленения» гонок. В результате поправок, внесенных втехнический регламент гонок, с 2009 года команды получили возможностьустанавливать на свои болиды системы KERS любой конфигурации. Аббревиатура KERSрасшифровывается как Kinetic Energy Recovery System, или система рекуперациикинетической энергии. KERS позволяет аккумулировать энергию торможения болида,вместо того чтобы расходовать ее на бесполезный нагрев тормозных дисков, азатем вновь передавать эту энергию на вал трансмиссии.

Максимальныйобъем аккумулируемой энергии был ограничен 400 кДж, мощность системы – 60 кВт,а период работы в режиме вспомогательного двигателя – 6,7с на каждомкруге трассы. В режиме аккумулятора KERS могла работать непрерывно, а активацияее вызывалась нажатием специальной кнопки на штурвале болида на скорости свыше100 км/ч. Дополнительная тяга могла использоваться пилотами для совершенияобгонов и быстрого набора скорости после прохождения поворотов.

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

Карусель вБольшом цирке

Втрадиционных гибридных системах кинетическая энергия тормозящего автомобиляпреобразуется в электрическую с помощью генератора. Генератор не толькозаряжает аккумуляторную батарею, которая впоследствии отдает энергиюэлектромотору, но и создает дополнительное тормозное усилие, облегчая жизньтормозам. Такая электромеханическая KERS для «Формулы-1» была разработанакомпанией Zytek. Тогда же, в 2007 году, ведущие технологические партнерыформульных команд – Torotrak, X-Trac, Ricardo и Flybrid – создали концепциюмаховиковой KERS. В ней кинетическая энергия болида преобразуется вкинетическую же энергию вращающегося маховика.

Макс Мослиназвал интеграцию KERS в F1 вызовом компетентности конструкторам команд. По словам Мосли, «Формула» в последниегоды превратилась в застоявшееся технологическое болото. Инновации и смелыеинженерные решения остались в прошлом, когда со сцены ушли легендарныеконструкторы Колин Чепмен, Джон Купер и Кит Дакуорт. «Сейчас личностей такогомасштаба в F1 уже не осталось, за исключением Патрика Хеда из Williams», –досадует Мосли. Руководство команд предпочитает бесконечную модернизацию ужеимеющегося технического арсенала, игнорируя все новое. После того как FIAограничила обороты моторов до 19 000, а снаряженную массу машин до 605 кг,инженеры принялись за улучшение трансмиссий – критически важного компонентасиловых установок. Многие команды тратят на это до €25 млн ежегодно, делаякоробки все более быстрыми, легкими и прочными. Использование стандартных узловобошлось бы всего в миллион. Макс Мосли убежден, что максимальнаястандартизация болидов F1 не только на порядок снизит затраты команд, но иосвободит время и ресурсы для разработки по-настоящему прорывных технологий, ккоторым он относит KERS.

Командыприняли вызов Мосли со скрипом и скепсисом. Ветеран гонок, трехкратный чемпионмира Ники Лауда предрек KERS провал, а вице-президент Ferrari Пьеро Феррарибез обиняков назвал систему пустой тратой времени и денег. Команда BMW, располагавшаядостаточным бюджетом, и ее глава Марио Тайссен время от времени рапортовали обочередном успехе. Нелепые случаи вроде попавшего под высокое напряжение и чудомоставшегося в живых механика BMW только подогревали интерес публики. McLarenангажировал для работы над KERS профессионалов из Zytec, а группа инженеров изFlybrid, Torotrak, Ricardo и X-Trac пришла на помощь Williams. Забавновыглядела перепалка Тайссена и Ferrari. После того как в конце 2008 годаитальянцы испытали аж три варианта KERS и остались крайне недовольны, Тайссензаявил, что проблема заключается не в технологии, а в квалификации техперсоналаScuderia. Мосли как мог отстаивал идею KERS в прессе, а Лауда шутил, что ккаждому болиду F1 придется приладить трейлер с батарейками.

BMW первойотказалась от применения большой красной кнопки уже после четвертого этапасезона, а Ferrari гонялась с электромотором и батареями дольше всех остальных.Все, чем отличились KERS в F1, – это несколько ярких эпизодов с участием КимиРайконена и блестящая победа в Венгрии Льюиса Хэмилтона. В конце лета членыFOTA решили отказаться от использования KERS в сезоне 2010 года.

Двескорости звука

Специалистыкомпании Flybrid считают работу в F1 забавным, но крайне полезнымэкспериментом. Основное применение своей механической KERS британцы видят вмассовом гражданском автомобилестроении – в частности, в скоростных моделяхпремиум-класса. Для этого старый добрый маховик придется сделать маленьким,легким и энергоемким.

В 2007году Джон Хилтон и Даг Кросс, основатели Flybrid, заявили о созданииуникального компактного маховика массой около 5 кг, способного вращаться соскоростью до 64 000 об/мин. Стальная болванка, в разрезе похожая надвояковогнутую линзу, одетая в прочнейшую рубашку из карбона, была помещенаими в вакуумный корпус. Вал маховика установлен на специальных керамическихподшипниках. Коренной компонент маховика Flybrid – патентованная системавращающихся центробежных уплотнений, обеспечивающих герметичность узла. Зачемтут вакуум? Элементарно: трение воздуха, кажущееся нам неощутимым, на такихскоростях приводит к нагреванию и постепенному разрушению маховика. Постепенноеторможение болванки происходит в основном из-за трения в опорных подшипниках исистеме прокладок. Раскрученный маховик за минуту теряет лишь 2% сохраненнойэнергии. Полная разрядка этой механической батареи наступает примерно черезполчаса.

«Нашмаховик как минимум втрое быстрее любого аналога, когда-либо установленного вавтомобилях, – скорость вращения его внешней кромки достигает660 м/с, что в два раза превосходит скорость звука в воздухе принормальных условиях, – говорит Джон Хилтон. – Это позволило сделать его вдевять раз меньше и легче. По габаритам он сопоставим с обычнымидополнительными агрегатами, находящимися под капотом легковушек. Этополноценная 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 неспособны обеспечить высокую динамику из-за ограниченной производительностибатарей, а в маховиковых системах накопленная энергия может бытьиспользована почти мгновенно. При этом владелец получает еще и 30%-ную экономиютоплива за счет возросшего КПД.

Крометого, механическая KERS впятеро дешевле электромеханической, надежна при любыхтемпературах и выдерживает миллионы циклов разряда. Литий-ионная батареяиспользуется лишь на 80% номинальной емкости – компьютер не допускает разрядаболее 80%, так как при полном разряде батарея выходит из строя. Маховик жеможно разряжать до нуля. Безопасность маховика многократно проверена в сериикраш-тестов – карбоновая рубашка не дает кускам стали разорвать корпус даже насамых высоких оборотах.

Вакуумвзаперти

Слабоезвено KERS Хилтона и Кросса – патентованные центробежные прокладки валамаховика. На предельных скоростях вращения в них возникает микроскопическийзазор, и для откачки воздуха требуется дополнительный вакуумный насос с блокомконтроля и управления. Инженеры Ricardo радикально пересмотрели конструкциюFlybrid и создали полностью герметичный модуль с поистине уникальнойтехнологией передачи потока мощности под названием Kinergy. Базовый элементKinergy – бесконтактная магнитная муфта. Для Kinergy не требуется вакуумныйнасос и сложнейший в изготовлении комплекс прокладок вала. Энергия вращенияколес поступает на маховик, а затем обратно на трансмиссию благодаря магнитнойиндукции, а не зубчатому или ременному зацеплению. Причем магниты здесь –постоянные.

Намагниченныймаховик стоит на двух подшипниках из стали и керамики, не требующих замены втечение всего срока эксплуатации узла. Для ликвидации возможного проникновенияпаров воды внутрь корпуса и постепенного разрушения подшипников инженерыRicardo применяют адсорбирующий элемент с большой удельной емкостью, которыйпоглощает все жидкости и газы, кроме водорода.

По словамэксперта компании Ricardo Энди Аткинса, KERS на основе технологии Kinergyвыдерживает не менее 10 млн циклов разряда, обладает удельной мощностью в 3 кВтна килограмм веса, а ее удельная энергоемкость равна 32,5 кДж на килограмм.Стоимость гибридной системы Kinergy для легкового автомобиля среднего классасоставит не более $1300. Kinergy может применяться также в качестве идеальнойтрансмиссии для автомобилей – в сравнении с популярной ныне преселективноймеханикой маховик с магнитной муфтой на 20% экономичнее.

Маховик,сэр!

Эффективностьи дешевизна Kinergy понравились автокомпаниям. В настоящее время уже началисьиспытания этой системы на прототипе Jaguar XJ следующего поколения и назнаменитых лондонских даблдеккерах. По словам Криса Боркбэнка, технологакомпании Torotrak, стратегического партнера Ricardo, расход топлива двухэтажныхавтобусов снижается при этом почти на 30%. Потеря энергии на маховике в данномслучае не является критическим фактором – средняя продолжительность остановкиавтобуса в Лондоне не превышает 55 с.

Как считает Энди Аткинс, диапазонприменения Kinergy огромен – любые нагруженные механические системы, работающиев условиях знакопеременных потоков мощности, будут на 20–30% более эффективныс новыми маховиками, чем без них. Локомотивы, трамваи, экскаваторы,горнодобывающая техника, краны, электростанции и многое другое – для Kinergyвезде найдется достойное применение. Гоночные автомобили F1 – не исключение.Как знать – может быть, вскоре на штурвалах стремительных болидов вновьпоявится Большая Красная Кнопка?