Маховик вместо ДВС: сенсация или закономерность?

Автомобильные компании в США и других западных странах под давлением жестких законодательных мер пытаются путем совершенствования систем впрыска и сгорания топлива, применения катализаторов и нейтрализаторов снизить выбросы токсичных веществ и повысить экономичность ДВС. Однако все эти полумеры оказались не очень эффективными в городах. В черте города мощность ДВС востребуется менее чем на 20%. Например, средняя скорость движения в городе для автомобиля, рассчитанного на 150 – 200 км/ч, не превышает 30 км/ч. Кроме того, сам характер движения представляет собой последовательность ускорений и торможений.

В результате энергия ДВС переходит в значительной степени в безвозвратно теряемое тепло тормозных систем.

Необходимость оптимизации силовой установки и рекуперации (возвращения) энергии в автомобиле назрела уже давно, но была во многом ограничена, с одной стороны, инертностью производителей транспортных средств (как известно, любая перестройка техники требует вложения средств), а с другой – недостаточным технологическим уровнем развития экологически чистых и достаточно емких накопителей и рекуператоров энергии. В идеале такая установка должна обладать большой энергоемкостью и способностью быстро отдавать запас энергии.

Тем не менее, к настоящему времени разработан целый ряд экологически чистых двигателей (ЭЧД).

- Электрические, с электрохимическими аккумуляторами энергии, или электроконденсаторами

- Криогенные, в которых используются низкотемпературные пневматические двигатели, а источником газа для них является жидкий азот или воздух

- Двигатели на топливных элементах, генерирующие энергию в результате химической реакции водорода и кислорода

- Инерционные (маховичные) двигатели, в которых энергия запасается в виде механической энергии быстро вращающегося диска или цилиндра.

Общей особенностью всех ЭЧД (кроме топливных элементов) является относительно низкое удельное энергосодержание их аккумуляторов (см. таблицу). Эта величина не превышает 100 – 200 Вт.час/кг. В то же время энергосодержание углеводородного топлива (для ДВС) составляет в 20 – 30 раз большую величину.

Первым способом их применения явилось механическое объединение ДВС и электродвигателя с электрохимическими аккумуляторами. Практически эта система реализована сейчас в Японии и США, примером чему является выпускаемый серийно «Приус» «Тойоты».

Дальнейшим развитием идеи экологически чистого автомобиля может быть разработка машин нового типа с ДВС малой мощности и силовой установкой повышенной экономичности с использованием более эффективных накопителей и рекуператоров энергии.

В настоящее время в качестве оптимального рекуператора энергии для автомобилей (с учетом удельной энергии, веса, габаритов) может рассматриваться только маховик.

История применения маховиков на транспорте связана с фамилиями выдающихся русских инженеров-изобретателей: В. И. Шуберского, П. П. Шиловского и А. Г. Уфимцева. В 1860 г. В. И. Шуберский впервые предложил применять маховик на транспортном средстве, назвав его «маховозом». А первый гироскопический автомобиль или «гирокар», удерживаемый в равновесии всего на двух колесах быстро вращающимся маховиком, построил П. П. Шиловский в 1914 году. Несколько лет спустя А. Г. Уфимцевым был запатентован разработанный им инерционный аккумулятор, который намного опередил лучшие зарубежные конструкции того времени.

В России выдающийся вклад в развитие данного научно-технического направления внес известный изобретатель маховиков проф. Н. В. Гулиа.

Маховик обладает высокой удельной мощностью, что позволяет быстро передавать энергию на колеса, обеспечивая эффективное ускорение (разгон) автомобиля. При торможении энергия через систему рекуперации может снова возвращаться в маховик сколь угодно быстро, без ограничений, как в электрохимических аккумуляторах, предельной скоростью химических реакций. При этом ДВС может работать на оптимальной, постоянной частоте вращения, являясь по сути разгонным двигателем для маховика. Даже с маломощным двигателем такой автомобиль может иметь разгонные характеристики, как у лучших суперкаров. При таком подходе нет необходимости создания маховиков с предельно высокими параметрами (по числу оборотов, прочности материала, качеству подшипников), т.к. их работа должна быть относительно кратковременной. При этом удельной энергии маховиков может быть достаточно для осуществления функций ускорителя автомобиля после торможения или остановки, а также рекуператора на спусках и подъемах. В результате снижается необходимая мощность ДВС, а значит и вредные выбросы в атмосферу. Кроме того, экономится само горючее при сохранении всех технических характеристик автомобиля.

Фирмой Rosen Motors (США) в 1997 г. был разработан экспериментальный гибридный автомобиль с силовой установкой, объединяющей газотурбинный ДВС с электрогенератором (будем называть его турбогенератором) и супермаховик (см. рис. 1).

Турбогенератор мощностью 30 кВт запускается двумя 12-вольтовыми электрическими батареями и в течение 2 минут разгоняет неподвижный супермаховик до необходимой скорости вращения.

В состоянии полного «заряда» супермаховик накапливает энергию до 1 кВт/час и может выдавать ее на колеса автомобиля с КПД более чем 80%. Для того, чтобы приобрести такую энергию, обычный 2-тонный автомобиль должен разогнаться до скорости 215 км/ч.

Конструкция супермаховика изображена на рис. 2. Вращающаяся часть состоит из углепластикового цилиндра (собственно маховика), соединенного с центральным стальным валом титановыми втулками и подвешенного на магнитных подшипниках. Для устранения аэродинамических потерь при больших скоростях вращения в камере поддерживается вакуум при помощи встроенного вакуумного насоса. Статор супермаховика и система магнитных подшипников на сверхпроводниках охлаждаются криогенной жидкостью, находящейся между статором и специальным кожухом. Вакуумная камера при помощи кольцевых подвесов закреплена в противоаварийном контейнере. В результате данный инерционный аккумулятор в состоянии сохранять энергию вращения практически без потерь в течение нескольких недель!

При движении автомобиля скорость вращения маховика меняется в пределах от 28000 до 60000 об/мин. Мотор-генератор, совмещенный с супермаховиком, может принимать и отдавать мощность до 150 кВт (203 л.с.), причем в очень короткое время, что обеспечивает прекрасные динамические характеристики автомобиля и позволяет эффективно рекуперировать энергию при торможении. Два независимых обратимых электромотора приводят во вращение колеса автомобиля, что дает возможность плавно регулировать скорость в отсутствие механической коробки передач и повышает безопасность движения на скользких участках дороги.

Испытания такого гибридного автомобиля показали его высокие скоростные качества при использовании ДВС малой мощности, существенную экономию топлива и пониженное содержание отравляющих веществ в выхлопных газах.

Конечно, такая схема построения силовой установки автомобиля, прежде всего, целесообразна для городского транспорта с малой и средней грузоподъемностью. Предварительные оценки показывают, что в машинах такого класса вполне можно обойтись ДВС с мощностью 10 – 20 кВт (13 – 26 л.с.) при движении по городу со скоростью до 60 км/ч на горизонтальных участках пути.

Уменьшение необходимой мощности ДВС ведет к соответствующей экономии топлива, снижению загазованности городов и уменьшению шумности.

В Украине оптимизацией действующих моделей и созданием экологически чистых автомобилей с использованием рекуператоров энергии занимаются специалисты Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического университета в содружестве с учеными Харьковского физико-технического института низких температур НАНУ. Авторы приглашают все заинтересованные научно-технические организации к участию в разработках автомобиля нового поколения с применением новейших технологий.