Маховик авто: Маховик в автомобиле: назначение и виды

Эрик Теглер — 14 февраля 2021 г., 15:30 UTC

Увеличить / Почему гибрид с маховиком так и не прижился на дорожных автомобилях?

GKN/Jonathan Gitlin

Когда съемочная группа телеканала Speed ​​взяла интервью у Марго Т. Оге, тогдашнего директора Управления транспорта и качества воздуха Агентства по охране окружающей среды, во время 10-часовой гонки Petit Le Mans Series 2010 на шоссе В Атланте экспериментальный гоночный автомобиль Porsche 911 GT3 R Hybrid удерживал позицию в топ-20 среди 45 автомобилей.

Съемочная группа использовала любую возможность, чтобы привлечь внимание к присутствию нового Porsche. Гибридные трамваи становились мейнстримом, и Оге неоднократно называл «дорожную актуальность» наряду с энергетической независимостью и низким уровнем выбросов углерода в качестве императивов EPA.

Но, как и его новые родственники-гибридные гоночные автомобили Формулы-1, этот особенный 911 GT3 R не был уличным гибридом. Это был «гибрид маховика». Вместо параллельных систем привода бензиновый двигатель/электродвигатель в сочетании с аккумуляторной батареей гоночный 911 сочетал в себе оппозитный шестицилиндровый двигатель внутреннего сгорания с электромеханической системой накопления энергии маховика.

Инженеры Porsche, занимающиеся автоспортом, начали исследования гибридных систем для гонок в 2007 году. Примерно в то же время F1 решила интегрировать гибридные технологии. Начиная с 2009 г.сезона F1 разрешила своим командам использовать мягкие гибридные системы, называемые системами рекуперации кинетической энергии (KERS).

Большинство команд F1 разработали KERS, в котором использовались батареи, но команда Williams F1 создала электромеханическую систему маховика. В конечном итоге Williams не участвовала в гонках по этой системе из-за технического регламента Формулы-1. (Интересно, что Chrysler пытался построить гибридный гоночный автомобиль, работающий на природном газе и маховике, для Ле-Мана 15 лет назад, но и эта программа так и не дошла до гонок.)

• В 2009 году командам Формулы-1 впервые разрешили использовать гибридные системы. Команда Williams F1 решила разработать модель, в которой в качестве накопителя энергии использовался маховик вместо химической батареи или конденсатора. Однако система никогда не участвовала в гонках F1.

  Марк Томпсон / Getty Images

• arstechnica.net/wp-content/uploads/2021/02/flywheel-150×150.jpg» data-src=»https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2021/02/flywheel.jpg» data-responsive=»https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2021/02/flywheel-980×653.jpg 1080, https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2021/02/flywheel.jpg 2560″ data-sub-html=»#caption-1741953″>

  Так выглядел маховик Williams Hybrid Power.

  ГКН

• Компания Williams создала дочернюю компанию Williams Hybrid Power для разработки и усовершенствования гибридного автомобиля с маховиком. В 2010 году компания совместно с Porsche Motorsport построила 911 GT3 R Hybrid.

  Порше

• Затем Audi успешно применила гибридную систему с маховиком в своем R18 e-tron Quattro. Эта машина трижды подряд выигрывала Ле-Ман.

  Ауди Спорт

• jpg» data-src=»https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2021/02/audi-hybrid-system.jpg» data-responsive=»https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2021/02/audi-hybrid-system-980×654.jpg 1080, https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2021/02/audi-hybrid-system.jpg 2560″ data-sub-html=»#caption-1741954″>

  Иллюстрация гибридной системы Audi R18 e-tron Quattro.

  Ауди Спорт

Тем не менее, Porsche в конечном итоге получил лицензию на концепцию от Williams Hybrid Power и приступил к адаптации ее к гонкам на выносливость в 911 GT3 R Hybrid. Audi тоже использовала маховик в своем всепобеждающем дизель-электрическом прототипе R18 e-tron Quattro. В прототипе Audi использовалась система, доработанная британским поставщиком автомобильной и аэрокосмической промышленности GKN, которая приобрела Williams Hybrid Power в 2014 году. Этот гибридный гоночный автомобиль с маховиком выиграл десятки гонок, в том числе «24 часа Ле-Мана» в 2012, 2013 и 2013 годах. 2014.

Принимая во внимание эти громкие заводские гоночные программы, ориентированные на F1 и гонки спортивных автомобилей, многие, если не большинство случайных наблюдателей, ожидали, что гибридная технология маховика будет перенесена на серийные автомобили в течение нескольких лет.

Такого никогда не было. Почему?

Ускоритель с высокими оборотами

Проще говоря, автомобильная гибридная система с маховиком использует мощность механического двигателя с маховиком для увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания на короткое время. Электродвигатели/генераторы, расположенные на колесах или осях транспортного средства, производят электричество, полученное из кинетической энергии, которая в противном случае теряется в виде тепла, когда фрикционные тормоза замедляют транспортное средство.

Но вместо того, чтобы направлять энергию в химическую батарею для хранения и повторного использования, электричество используется для привода двигателя-маховика. Электрическая энергия преобразуется в кинетическую энергию вращения с помощью нового магнитного материала (иногда магнитного порошка), встроенного в маховик. Чем больше энергии приложено, тем быстрее он вращается. (Примечание: это отличается от гибридной системы с механическим маховиком, которую Nissan безуспешно пытался разработать для своего гоночного автомобиля в Ле-Мане 2015 года). больше — определить доступность энергии, которую он может высвободить. Чтобы преобразовать кинетическую энергию, хранящуюся в маховике, обратно в электрическую, вращающееся магнитное поле генерирует ток в обратном направлении (путем инвертирования полярности приложенного напряжения), и мощность подается на те же двигатели/генераторы, которые собирали энергию во время оригинальное торможение.

Как уже отмечалось, мотор-генераторы могут располагаться на колесах. В качестве альтернативы двигатель-маховик может быть соединен с приводным валом двигателя через бесступенчатую трансмиссию (CVT) или другую муфту. При необходимости он соединяется с карданным валом, забирая потенциальную энергию маховика и преобразовывая ее в кинетическую энергию, приводящую в движение карданный вал и ведущие колеса.

Двигатели-маховики часто сравнивают с конденсаторами, способными быстро накапливать и высвобождать энергию. Сторонники ссылаются на вес, стоимость и экологические преимущества по сравнению с традиционными гибридами химических батарей.

• GT3 R Hybrid был создан для участия в 2010 году в Нюрбургринге 24, круглосуточной гонке на выносливость, проводимой на знаменитой трассе.

  Порше

• Иллюстрация трансмиссии GT3 R Hybrid сверху вниз. Компоненты, выделенные красным, — это гибридная система с маховиком, силовая электроника и два блока электродвигателя/генератора.

  Порше

• net/wp-content/uploads/2021/02/M11_1531_fine.jpg» data-responsive=»https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2021/02/M11_1531_fine-980×598.jpg 1080, https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2021/02/M11_1531_fine-1440×879.jpg 2560″ data-sub-html=»#caption-1741956″>

  Еще один взгляд на трансмиссию GT3 R Hybrid.

  Порше

• В дорожном автомобиле это место переднего пассажира. В GT3 R Hybrid он был зарезервирован для маховика.

  Порше

В двигателе маховика 911 GT3 R использовался композитный маховик из углеродного волокна диаметром 16 дюймов (406 мм). Установленный в коробке из углеродного волокна, где пассажирское сиденье должно быть в дорожном 911, двигатель-маховик получал питание и отправлял мощность на электродвигатель / генератор мощностью 80 л.с. (60 кВт) на каждом переднем колесе. Конфигурация позволила Porsche включить векторизацию крутящего момента для улучшения управляемости / тяги при ускорении от вершины поворота.

Мотор-маховик гоночного автомобиля Porsche имел мощность 0,2 кВтч. Он мог выдавать 163 л.с. (122 кВт) в течение шести секунд, обеспечивая ускорение — на выходе из поворотов или при обгоне, в зависимости от того, как и когда водитель решил применить дополнительную мощность с помощью кнопки на рулевом колесе.

Автомобиль имел общую мощность системы около 670 л. с. (500 кВт) и весил примерно 2866 фунтов (1300 кг). Сообщается, что маховик и опорная конструкция весили около 103 фунтов (47 кг), что значительно легче, чем гибридная установка с аккумулятором и электричеством. В целом автомобиль весил на 230 фунтов (104 кг) больше, чем обычные автомобили Porsche GT3, с которыми он делил трассу. Реклама

Компания Porsche считала аккумуляторы в маховиках более долговечными, чем литий-ионные аккумуляторы, в экстремальных циклах зарядки/разрядки в гонках. В отличие от батареи, двигатель-маховик можно было полностью заряжать (разгонять до максимальной скорости) и разряжать (замедлять почти до полной остановки) несколько раз в минуту без побочных эффектов.

Благодаря своей относительной топливной экономичности — если не скорости — 911 GT3 R Hybrid действительно лидировал в гонке «24 часа Нюрбургринга» 2010 года в течение восьми часов, прежде чем выбыл из гонки. На Пти-Ле-Мане 2010 года машина в конечном итоге финишировала 18-й, хотя этому способствовало истощение.

Он снова участвовал в гонках в 2011 году, но после этого был отложен, поскольку Porsche сосредоточился на своем гоночном прототипе 919 Hybrid World Endurance Championship.

Медленно, а не быстро, рекуперация и хранение энергии

Сдвиг в приверженности Porsche к гонкам на 919 Hybrid, направляющийся в Ле-Ман, был частично связан с его современным проектом дорожного суперкара, по словам Даниэля Армбрустера, президента и главного исполнительного директора Porsche Motorsport. Северная Америка.

«Примерно в то же время уже велись работы на 918 Spyder plug-in гибридный суперспортивный автомобиль, — вспоминает он. — В обоих случаях [919/918] было обнаружено, что литий-ионные батареи обеспечивают наилучший баланс между сохранением энергии и передачей мощности для соответствующих целей».

Несмотря на свой рутинный характер «старт-стоп» и, следовательно, возможность сбора энергии рекуперативного торможения, уличное вождение не характеризуется необходимостью спринта от вершины поворота к вершине поворота, торможением и ускорением с максимально возможной скоростью, как в гонках. Требование быстрого, интенсивного восстановления энергии и последующего развертывания заменяется требованием более медленного производства и развертывания электроэнергии, что смещает акцент на хранение энергии. Реклама

«Гибридная технология маховика в 911 GT3 R Hybrid обеспечила экономию топлива и, следовательно, снижение потребности в пит-стопах по сравнению с автомобилями, с которыми он конкурировал», — объясняет Армбрустер. «В гоночных приложениях можно более эффективно использовать маховик из-за частых резких торможений и ускорений, которые хорошо сочетаются с кратковременной способностью накопления энергии и высокой выходной мощностью этой технологии.

«Но технология не обошлось без проблем. В общем, маховик не хранит много энергии, а только энергию торможения, — говорит он. — Аккумулятор способен обеспечить высокостабильное долговременное накопление энергии, с чем маховик просто не может сравниться. Для использования на дорогах, где важна способность двигаться по требованию без местных выбросов, что становится все более частым случаем в некоторых частях Европы, решение на основе аккумуляторов является лучшим вариантом гибридной силовой установки».

В то время как ограниченная емкость гибрида с маховиком оттеснила эту технологию на второй план, Армбрустер добавляет: «Нельзя отрицать, что 911 GT3 R Hybrid сыграл ключевую роль в доказательстве того, что гибридная технология нашла применение в высокопроизводительных спортивных автомобилях. .»

Оглядываясь на то время и на сегодняшний день, Глен Паско, главный инженер-конструктор компании Williams Advanced Engineering (WAE), говорит, что быстрое получение и высвобождение энергии с помощью систем двигателя с маховиком лучше подходит для приложений с пиковым циклом.

«Помимо использования в центре города, рабочий цикл типичного легкового автомобиля не соответствует повторяющемуся характеру «старт-стоп», который лучше всего подходит для технологии маховика», — говорит Паско. «Энергия, запасенная в маховике, всегда истощается, в отличие от химической батареи, которая может сохранять свое состояние заряда в течение очень длительного периода времени».

На автобусах

Базовая гибридная концепция Williams с маховиком достигла городских центров в 2015 году, когда GKN модифицировала систему для лондонских автобусов. Гибридная система маховика Gyrodrive от GKN включала тяговый двигатель, приводимый в движение от ведущей оси транспортного средства, электрический маховик, инвертор для узла двигатель/маховик и электронную систему управления.

Эта система и последующие варианты использовались в автобусах британского производителя Alexander Dennis как в одноэтажных, так и в двухэтажных моделях автобусов. Однако система маховика Gyrodrive считалась слишком большой и дорогой для городских автомобилей (такси), в которых применялись различные стратегии использования аккумуляторов.

Реклама

Глен Паско говорит, что в настоящее время WAE специально не совершенствует какие-либо системы маховиков, но добавляет, что «поскольку мы работаем в широком спектре отраслей и подробно изучаем требования наших клиентов, эта технология может быть подходящей для определенных приложений в будущем. .»

Это могло бы включать гонки, если бы гоночные серии/санкционирующие органы разрешили такие устройства, хотя текущий интерес, похоже, больше связан с разработкой гибридных аккумуляторов и быстрой зарядки. В настоящее время WAE занимается разработкой водородных топливных элементов для больших карьерных самосвалов, используя рекуперативное торможение почти так же, как и системы с маховиками.

Президент Porsche Motorsport North America говорит, что компания «всегда оценивает, какие технологии предлагают наилучшее решение в текущей ситуации», не исключая ни одного единственного подхода.

Армбрустер объясняет, что стратегия Porsche «включает силовые агрегаты внутреннего сгорания, спортивные подключаемые гибриды и полностью электрические автомобили… Мы также изучаем разработку синтетического топлива, которое предлагает экологически безопасный подход к автомобилям внутреннего сгорания, которые уже находятся на дороге. .»

По иронии судьбы гибриды маховиков, с которыми сейчас сталкивается большинство из нас, находятся в транспортных средствах, на которых мы ездим (автобусы, поезда, корабли), а не ездим на них. Системы статического маховика также находятся в стадии разработки; в Германии компания Chakratec только что установила систему хранения маховика в отеле Premier Inn в Лейпциге, предназначенную для управления пиковыми нагрузками зарядных устройств для электромобилей.