Как тормозная система и рекуперация влияет на КПД двигателя?

KERS
КПД двигателей, тормозная система и рекуперация

Как много средств и инженерных ухищрений тратится автопроизводителями на придание своим машинам ускорения! Быстрее разгон, больше максималка, лучше крутящий момент! И на другой стороне весов — бедное на эмоции, но обязательное замедление.

Разогнался? Тормози! Весь сожжённый бензин, рассеченный кузовом воздух, все полторы тонны разогнанной массы — все заканчивается пшиком, нагревом и износом тормозных колодок. С точки зрения эффективности, это глупо. Даже лучшие ДВС нашего века обладают коэффициентом полезного действия не выше 36-38%.

Но это КПД двигателя. А как насчет КПД всего автомобиля? Он явно еще меньше. Напрашивается вывод: хорошо бы привлечь торможение к полезной работе. Пусть энергия не рассеивается в воздух через тормозную систему, а запасается внутри машины. И название этому — рекуперация.

Начало и развитие: маховики и батареи

Одними из первых энергию торможения придумали использовать железнодорожники. Логично: составы весом в сотни и даже тысячи тонн бегут по горам и долам, долгое торможение с горы оборачивается перегревом колодок, а последующий разгон или подъем отнимает массу энергии. К тому же просторные ж-д платформы позволяли монтировать на них любые механизмы, а также массивные аккумуляторы, без особых инженерных ухищрений.

Владельцы рельсового транспорта быстро подсчитали экономию топлива (электроэнергии) и выгоды от продления ресурса колодок. Поэтому состав, когда он идет под гору или плавно замедляется перед станцией, тормозит именно генератором. И только на малых скоростях, для полной остановки, вынужден прижимать колодки.

Но еще раньше рекуперацию «запрягли» в строительной сфере. Крупногабаритная спецтехника, как карьерные экскаваторы и портовые краны, постоянно имеют дело с задачей подъема и опускания больших масс. Причем чаще всего «тормозить» тяжелый ковш или крюк с грузом приходится довольно резко. Внедрение системы «накопительный маховик (аккумулятор) + распределяющая отдачу гидравлика (электрика)» позволило решить эту проблему.

Например, современный карьерный, по сути — гибридный, экскаватор «Катерпиллар» Cat 6120B H FS использует гидроэлектрические технологии рекуперации и системы сохранения энергии. По заявлениям компании, машина экономит до 25% топлива на тонну груза. Гигант оснащен двигателем мощностью 4500 л.с. и ковшом на 46-65 кубометров. Есть, где развернуться, да?

Долгое время о рекуперации на личном транспорте ничего не было слышно. И правда, когда нефть стоила меньше 4 долларов за баррель (вплоть до 70-х), вложения в исследования по рекуперации на авто казались бессмысленными. Попытки были у шведов: Volvo в 1980-м году собрала на модели «260» железный маховик с отдачей около 10 киловатт. Однако проект закрыли, поскольку просто модернизировать имеющиеся ДВС было дешевле и проще.

В отличие от прочных и больших промышленных маховиков, автомобильные должны были быть компактными и вращаться гораздо быстрее для создания необходимого момента. Но при этом они часто разрушались от взрывных нагрузок. Ведь «физика маховика» проста. Накопленная энергия Е вычисляется по формуле (пренебрегая мелкими нюансами): Е=nDm/4, где m— масса диска, n — число оборотов, D — диаметр маховика.

Легко понять, что для увеличения энергоемкости маховик надо делать максимально тяжелым (и желательно, крупным) и вращать максимально быстро. Зависимость квадратичная: увеличиваем массу или диаметр маховика в 2 раза, и он разовьет в 4 раза большую мощность при тех же оборотах…

К 80-м годам опасность ударного разрыва удалось нивелировать путем производства волокнистых маховиков. Болванка делалась из металлических нитей, которые могли рваться только постепенно, а не все сразу. Еще позже маховики стали изготавливать из прочнейшей органопластики (композитов). Дальше ход инженерной мысли привел маховики к вакуумному контейнеру и газовым подшипникам. Потери на трение резко упали, маховики научились вращаться без нагрузки по нескольку дней!

Формула KERS

К концу 20-го столетия на кинетическую рекуперацию «положили глаз» инженеры Формулы-1. Деньги у команд водились, исследованиям дали ход. В результате была создана и внедрена система KERS (Kinetic Energy Recovery System), по сути, сделавшая болиды Ф-1 «гибридными».

В схеме первых версий KERS кинетическая энергия тормозящей гоночной машины запасается в бешено вращающемся маховике.

Диск размещается вращается внутри вакуумной капсулы и способен достигать 60-80 000 об/мин. Конструкция обеспечивает сохранение энергии до 600 кДж и эффективную отдачу мощности до 60 кВт (80 л.с.). Этот запас может быть израсходован при спурте с места или мгновенного скоростного рывка с хода (для обгона). Реально у пилота после нажатия «красной кнопки» с надписью BOOST есть всего 6-7 секунд (на каждом круге), когда болид прыгает вперед, отрываясь от соперников. По подсчетам инженеров, использование KERS «дарит» пилоту выигрыш примерно 0.4 секунды на круге. Для «формулы» это уже серьезно.

Совокупный вес механизмов системы KERS в болидах Формулы-1 достигает 35 кг. Но это не создает проблем для инженеров, поскольку сами болиды изначально проектируются заметно легче минимально требуемого веса (620 кг, включая пилота), а потом уже «догоняют» массу балластом. Меняем часть балласта на KERS — получаем активный, а не пассивный вес.

Примечание: последние версии KERS для Формулы-1 еще совершеннее, мощность отдачи возросла вдвое, до 160 л.с., емкость аккумуляторов (при электрической схеме торможения) увеличилась в 5 раз. Кроме того, отдача накопленной энергии идет не только на колеса, но и на турбину двигателя. Время, в течение которого пилот имеет доступ к «рекуперативному бусту», также значительно выросло.

И вот вам забавный факт: почти все Гран-При Формулы-1, начиная с 2009-го года, выигрывались на машинах, принципиально подобных «овощному» Prius!

Пневматическая схема Peugeot

О глобализации… Несколько неожиданно пионером в области внедрения систем пневмогидравлической рекуперации выступила французская компания Peugeot. Назвали схему Peugeot Hybrid Air. Но не ищите ее на серийных легковых Peugeot или Citroen – нет, французская рекуперативная пневматика отлично прижилась на… мусоровозах в США.

Патент был разработан, на самом деле, немцами. Компании Bosch и Eaton оборудуют американские мусоровозы дешевой и простой гидропневматикой, в основе которой лежит труба с жидкостью, объем которой подпирает сжатый газ (напоминает газомасляную стойку автомобиля, не правда ли?).

При торможении машины газ мягко амортизирует массу, жидкость закачивается в резервуар — и объем запирается клапаном. Когда нужно «толкнуть» грузовик вперед, клапан открывается и давление газа выдавливает жидкость в силовой гидромотор.

Преимущество схемы — дешевизна, нет дорогих аккумуляторов и тяжелых маховиков, а ресурс и сила отдачи «трубы» огромные. Hybrid Air отлично экономит топливо грузовика, и позволяет не прибегать к помощи тормозных колодок при торможении. В отличие от электрической рекуперации, такая гидропневматика может остановить машину полностью. Колодки нужны ей только как элемент стояночного тормоза.

Есть у французской схемы и минусы: во-первых, блок Hybrid Air довольно тяжелый и габаритный, а во-вторых, запаса энергии хватает лишь на пару разгонов-торможений. Грубо говоря, мусоровоз способен проехать на гидромоторах всего несколько сотен метров. Но в городском цикле и этого достаточно для весомой экономии топлива.

Электрическое торможение

Традиционные гибридные автомобили (Prius и собратья) вынуждены решать две неудобные технологические проблемы. Во-первых, система электрической рекуперации (как набор механических узлов, батарей и промежуточной электрики) неважно совмещается с «кухней» классического ДВС.

Получается избыток шестерней, передач, избыток массы и дороговизна производства. Например, Prius 2015-го года при габаритах Golf весит 1450 кг без пассажиров — лишь немного не дотягивает до Camry.

Во-вторых, силовые аккумуляторы до сих пор не справляются с током, который тормозящий автомобиль способен выработать. Т.е. батарея не успевает «впитать» всю энергию, поставляемую генератором. Tesla и другие производители вкладывают массу денег в аккумуляторные технологии, но до полного успеха пока далеко.

Современный ровень — это «быстрые» литий-ионные аккумуляторы, в несколько раз превосходящие по своим способностям первые образцы батарей Prius. И все же мы видим, что Tesla проектирует и вводит в эксплуатацию сеть станций ТО, где подъезжающий электромобиль будет просто менять разрядившуюся батарею на свежую. Значит, рекуперации им не хватает.

Частные случаи

Версией «лайт» громоздкой системы рекуперации являются промежуточные, простые схемы. Например, на многих BMW при разгоне генератор отсоединяется от вала отбора мощности. Под нагрузкой двигатель «напрягается» меньше, тратится меньше топлива, машина разгоняется на доли секунды быстрее. Генератор же подключается при торможении, когда машина, собственно говоря, «нюхает» бензин. Не совсем кинетическая рекуперация, но близко.

Еще одним «побочным» вариантом стала для многих современных моделей система «Старт-стоп». На светофорах, в пробках, при долгом простое электроника просто глушит мотор, экономя топливо и щадя окружающую среду. Как только водитель дотронулся до педали газа — двигатель тут же запускается и коробка передач продолжает передавать мощность на колеса. Это вообще не рекуперация, но часто идет рука об руку с ней (обычное сочетание для гибридов Toyota и Lexus).

А вот троллейбусы вполне могут утереть нос многим легковым системам рекуперации. Тут ведь какой неприятный парадокс: чем больше энергии может запасти авто при торможении, тем (чаще всего) крупнее и массивнее выходят сами аккумуляторы или маховики. Т.е. растет и масса авто. А как вы знаете, тяжелый автомобиль — это всегда зло, он прожорлив и неэффективен. Здесь кроется физический предел возможности совершенствовать «легковую» рекуперацию.

Но троллейбусы этой проблемы избежали: они могут спокойно отдавать накопленную при торможении «генераторную» электроэнергию обратно в электросеть, по проводам. И внутри самого троллейбуса (или трамвая, электрички) тяжелых аккумуляторов для рекуперации ставить не нужно! В этом смысле общественный транспорт куда перспективнее частного для такого рода энергетических инноваций.

И напоследок еще немного цифр

В начале статьи мы задали не праздный вопрос: каков КПД автомобиля? Не путать с лабораторно измеряемым КПД двигателей внутреннего сгорания. На стендах, без учета климата, пробок и качества топлива, КПД новейшего бензинового мотора Toyota Yaris достигает 38% (у дизелей — чуть выше 40%). Моторы попроще дают 25-30%.

Но здесь ключевое слово — «достигает». Наилучший КПД, как известно, получается, когда двигатель развивает оптимальные мощность и крутящий момент. Обычно это происходит в промежутке от 3500 до 5000 оборотов/мин. В городе такой режим недостижим, чаще всего нас «тошнит» 40-50 км/ч при оборотах 1500-2000, или совсем стоим в пробке. Так что — не достигает!

Кстати, некоторые из вас могут задать вопрос, а каков КПД двигателей с установленным ГБО. Для этого мы всегда предлагаем обращаться к профессионалам своего дела. Например, к специалистам из Milano Ukraine — https://mln.com.ua/komplekty_gbo/

Есть простые расчеты, которые показывают реальную эффективность ДВС в городской черте на уровне КПД 7-10%. Даже не 25… А если накинуть еще и затраты на сопротивление качению шин, трение в трансмиссии, аэродинамику и т.п. — цифры КПД авто уменьшатся до грустных величин.

На фоне этих цифр системы рекуперации не кажутся инженерной блажью. Скорее это — необходимость, особенно в условиях города.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector