100Км на2 литрах солярки: гидравлический автомобиль
Современный автомобиль напоминает скверно организованную компанию с всевозрастающими неэффективным менеджментом и издержками. На перемещение тратится не более 20% вырабатываемой энергии. Утраты сопровождают все стадии работы силовой установки, от впрыска горючего в цилиндры до передачи крутящего момента на колеса.
Механизм газораспределения, трансмиссия, много дополнительных потребителей энергии: генератор, кондиционер, усилитель рулевого управления, электроприборы автомобиля — все это отнимает значительную долю начальной мощности двигателя. Остатки тратятся на преодоление аэродинамического сопротивления и процесс торможения, при котором теряется еще 14% мощности. На колеса в итоге доходит только пятая ее часть.
Все это относится нового автомобиля: физический износ нагруженных узлов через пара лет эксплуатации начинает отбирать еще три-пять процентов мощности.
Дизель-гидравлический гибрид Ingocar, созданный инженером Инго Валентином, принципиально отличается от привычного для нас современного автомобиля. Его двигатель обходится без клапанного механизма, шатунов, коленчатого вала, охлаждения и системы смазки, сцепления, коробки приводов и передач колес. Карданного вала и дифференциалов также нет, не смотря на то, что Ingocar — полноприводный автомобиль.
Суммарные утраты на трение в силовой установке составляют не более 12% (в классических машинах — не меньше 24%). Наконец, расчетная масса пятиместного седана Ingocar не превышает тонну, разгон до много занимает 5 секунд, пиковая мощность на колесах достигает 720 л.с., а расход горючего удерживается на уровне 1,8 л на 100 км.
Регенерация акселерации
В базе гибридной полноприводной платформы Ingocar лежит вспомогательный двигатель внутреннего сгорания, гидроаккумулятор и гидравлические мотор-колеса. Компактный турбодизель закачивает жидкость из бака в гидравлический аккумулятор. В аккумулятора находится прочный эластичный резервуар, наполненный азотом. Тепловая энергия сгорания горючего преобразуется в механическую энергию сжатого газа.
Из аккумулятора жидкость под громадным давлением поступает через трубопровод на гидростатические мотор-колеса, и автомобиль приходит в перемещение. В то время, когда аккумулятор всецело заряжен, двигатель машинально отключается, а при необходимости пополнения запаса энергии запускается снова.
При торможении поток гидравлической жидкости в мотор-колесе перенаправляется посредством клапана обратно в аккумулятор. Давление жидкости скоро достигает пиковых нагрузок, и мотор-колесо замедляет вращение. Теряется только незначительное количество энергии торможения, солидная же ее часть, от 70−85%, идет на сжатие азота.
В этом цикле мотор-колесо трудится как помпа, по тормозному упрочнению не уступая дисковым тормозам современных машин. При торможении со скорости 100 км/ч до полной остановки автомобиля накопленная энергия регенеративного торможения разрешит Ingocar опять разогнаться от нуля до 70−85 км/ч! Данный процесс Инго именует «регенеративной акселерацией».
Таким же образом трудится пружинный механизм в детских заводных машинках: чем посильнее вы закручиваете пружину, тем стремительнее игрушка разгоняется. Совокупности регенеративного торможения в электрических гибридах более чем вдвое уступают светло синий по эффективности, будучи наряду с этим существенно тяжелее.
В муниципальном цикле полной зарядки аккумулятора хватает в среднем на 8 км пробега. После этого включается дизельный мотор, что в течение 60 секунд всецело заряжает аккумулятор, в один момент вращая мотор-колеса. Потом цикл повторяется.
В шоссейном режиме перемещения расход горючего возрастает из-за резкого увеличения аэродинамического сопротивления, но в целом цикл работы силовой установки не изменяется — горючее тратится только на пятую часть поездки.
Коленвал уходит в отставку
Страно несложная конструкция двигателя Инго Валентина, защищенная двумя патентами, предусматривает полное отсутствие вращающихся подробностей, за исключением крыльчаток турбонагнетателя. Благодаря свободным поршням и оппозитной архитектуре мотор обходится без шатунов, коленчатого вала, клапанного механизма.
Два поршня находятся в общей камере сгорания: на такте сжатия они движутся навстречу друг другу, а на такте рабочего хода отталкиваются друг от друга. Оппозитная архитектура в моторостроении на данный момент набирает популярность благодаря простоте, совершенному балансу и высокой удельной мощности. К при-
меру, американская технологическая компания Advanced Propulsion Technologies (APT) сравнительно не так давно опубликовала принципиально похожий прототип двухцилиндрового оппозитного турбодизеля, что превосходит классические моторы по удельной мощности в 2,5 раза, будучи впятеро легче. К 2011 году компания собирается вывести на рынок пара модификаций двигателя.
Концепция свободных поршней свидетельствует, что любой из них в один момент является поршнем ДВС и гидравлической помпы. По окончании рабочего хода давление жидкости в гидравлической совокупности возвращает поршень в исходное положение и снабжает сжатие горючего.
При рабочем количестве 500 см³ мотор Инго Валентина развивает мощность 64 л.с. (практически 130 «лошадок» на литр). Расход горючего варьируется от 1,35 до 1,85 л на 100 км пробега в зависимости от скорости перемещения. Масса мотора — всего 32 кг, он в пять раз легче классического ДВС и в шесть — современных гибридных силовых установок. Мотор способен переваривать разные виды горючего: дизель, бензин, биоэтанол и биодизель. Изменяются лишь настройки совокупности управления.
Никакой особой совокупности охлаждения двигателю не нужно, поскольку он постоянно работает в оптимальном режиме — без пиковых нагрузок и провалов. Для действенного отвода тепла достаточно естественной циркуляции воздуха
в моторном отсеке. Это разрешает отказаться от радиатора, воздухозаборник которого на громадных скоростях существенно увеличивает аэродинамическое сопротивление. За счет оптимальных зазоров между стенкой цилиндра и поршнем смазка двигателю Инго также не нужна, соответственно, из перечня необходимого оборудования вычеркиваются масляный картер, радиатор и помпа.
Табун в колеса
Второй главный элемент конструкции Ingocar, гидростатическое мотор-колесо, защищен двумя патентами 2002 года. Несложная конструкция, складывающаяся из поршня, планетарной передачи, управляющих клапанов и системы каналов, легко справляется с передачей громадного крутящего момента и пиковыми нагрузками при торможении. При массе менее шести килограмм
и размерах с простой дисковый тормозной механизм мотор-колесо развивает мощность до 230 л.с. И это далеко не предел. Инго говорит, что при повышении размера мотора его динамические характеристики возрастают пропорционально.
Но в этом нет особенного смысла, поскольку в муниципальном режиме перемещения любой из четырех моторов применяет только 5% собственной мощности, а в шоссейном — не более 20%.
Электронная совокупность управления разрешает гибко регулировать крутящий момент, передаваемый на каждое колесо в отдельности. Очевидно, это относится и тормозного упрочнения. При таком устройстве реализация любых методов совокупности стабилизации (ABS, ESP, интеллектуальный полный привод) не требует усложнения конструкции (дифференциалов, вискомуфт, механизмов управления тормозами) и дополнительных энергетических затрат.
Благодаря простоте, малому количеству движущихся подробностей, низким скоростям течения полной герметичности и рабочей жидкости мотор-колесо трудится фактически очень тихо в любом режиме.
На данный момент разработкой собственных моделей гидростатического мотор-колеса занимаются многие большие компании. Громаднейшие удачи в данной области демонстрируют германские Bosch-Rexroth и Sauer-Danfoss, и американский производитель тяжелой техники Caterpillar. Но в сравнительных опробованиях пример Валентина превосходит все аналоги с позиций массы, удельной мощности и размеров. «размер зарплаты и
Громкое имя компании начальника проекта, к счастью, не являются решающими факторами в таких областях науки, где нужны опыт и глубокие своеобразные знания», — комментирует данный факт сам Инго Валентин.
Дозаправка об забор
Самый дорогостоящий элемент конструкции гибрида Валентина — гидравлический аккумулятор: металлопластиковый двухсекционный резервуар, армированный карбоновым волокном. Расположенный в центре платформы, аккумулятор содействует оптимальному распределению нагрузки на колеса автомобиля и понижению центра тяжести, что со своей стороны усиливает управляемость. Валентин говорит, что аккумулятор полностью надежен и надёжен.
Конструкция емкостей, соединений и трубопроводов допускает важную деформацию без утраты герметичности. Все соединения имеют двойные кольцевые прокладки особенной конструкции, исключающие произвольную утечку жидкости. Рабочее давление в аккумуляторе варьируется от 120 до 480 бар.
Утраты энергии в аккумуляторе не превышают 2−5% и вызываются малым нагреванием азота при стремительном сжатии. Для сравнения: утраты энергии в современных литий-ионных аккумуляторная батареях достигают 10% и более и заложены в самой технологии. Принципиально важно, что гидравлический аккумулятор способен скоро заряжаться и разряжаться.
Стремительная разрядка требуется для резких ускорений либо перемещения в тяжелых дорожных условиях.
Количество гидравлической жидкости для Ingocar — около 60 л. Вся она растительного происхождения, что важно с позиций экологии. По словам Инго, ее не требуется поменять в течение всего срока эксплуатации автомобиля. В случае если замена все же потребуется, она обойдется не дороже простой смены моторного масла.
На крыше Ingocar возможно установлена солнечная батарея площадью чуть больше 1 м?. Она питает компактную электрическую помпу, которая, так же как и дизельный двигатель, нагнетает жидкость в аккумулятор. Часть электричества на ходу потребляется дополнительным оборудованием автомобиля.
Расчеты говорят о том, что солнечной энергии взятой в течение светового дня, достаточно для 25-километровой поездки без включения ДВС! Солнечная батарея — недешевое наслаждение, но она легко окупается за полтора-два года эксплуатации автомобиля. Но, это опция, и от нее возможно попросту отказаться.
Предусмотрена кроме этого возможность зарядки аккумулятора от простой бытовой электросети.
Подвеска Ingocar, очевидно, гидравлическая. Она всецело интегрирована в неспециализированную гидравлическую совокупность и возможно настроена под личные предпочтения водителя. Гидравлика задействована кроме того в совокупности пассивной безопасности авто: при экстремальном торможении либо при срабатывании сенсорного датчика передний и задний бамперы выдвигаются вперед и назад на 40 см любой.
Степень упругости активных бамперов определяется электронной совокупностью управления, учитывающей текущую динамику автомобиля, их расположение и количество пассажиров в автомобиле. Деятельный бампер трудится как поршень и превращает энергию удара в энергию сжатия, закачивая гидравлическую жидкость
в аккумулятор. Так что за счет ДТП возможно кроме того подзаправиться! Управление гибридным Ingocar ничем не отличается от управления классическим автомобилем с автоматической коробкой передач.
Гонка за десятью миллионами
В действительности автомобиля как такового Инго еще не выстроил. В металле существуют только мотор и дизельный мотор-колесо. Но концепция платформы Ingocar вычислена всецело и удачно выдержала бессчётные экспертизы в ведущих американских научных лабораториях.
Инго говорит, что начиная с 1986 года он много раз обращался в наибольшие автомобильные компании, такие как Ford, BMW и Porsche, с предложением о внедрении собственных изобретений. Но постоянно сталкивался с вежливым отказом. Устав стучаться в закрытые двери, он решил функционировать самостоятельно.
Одним из источников инвестиций в серийное производство Ingocar может стать победа в гонке Х-Prize, которая пройдёт в 2009—2010 годах. Призовой фонд в размере $10 млн предоставлен благотворительной организацией X PRIZE Foundation. К участию в предварительных соревнованиях допущена 31 команда из Америки, Германии, Швейцарии и Великобритании.
Чтобы получить заветный чек, нужно создать автомобиль, талантливый проехать 100 км на 2,35 л топлива, наряду с этим выбрасывая в воздух не более 200 г парниковых газов на милю. Любая команда обязана иметь настоящий бизнес-замысел по выпуску как минимум 10 000 машин.
Инго сказал «Популярной механике», что в обязательном порядке примет участие в гонке X PRIZE. Прошедшей в осеннюю пору на Франкфуртском автосалоне он виделся с представителями одного большого кузовного ателье, каковые выразили заинтересованность в сотрудничестве. Ателье, наименование которого Инго суеверно не разглашает, готово произвести целый цикл работ по созданию кузова — от разработки внешнего и внутреннего дизайна Ingocar до постройки действующего прототипа.
Создание одного экземпляра, по прикидкам Инго, обойдется приблизительно в $80 000 — сущие копейки по нынешним временам.
Узкое горлышко
самая популярной концепцией в гибридостроении последнего времени стали так именуемые Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV) гибриды, комбинирующие главный электромотор постоянного тока и вспомогательный двигатель внутреннего сгорания, что заряжает электрический аккумулятор. Главным элементом разработки есть компактный и емкий литий-ионный аккумулятор, что возможно заряжать от простой бытовой электросети, как ноутбук либо мобильный телефон. Солидную часть времени, в особенности в случае если дневной пробег не превышает 60 км, PHEV гибрид приводится в перемещение электромотором.
Но литий-ионная батарея не может обеспечить передачу громадного количества энергии в маленьком временном промежутке, что нужно для интенсивного ускорения, равно как и для полного усвоения энергии торможения. Она похожа на пузатый кувшин с весьма узким горлышком, что одинаково тяжело и скоро наполнить, и скоро опорожнить. Пиковые нагрузки приводят к быстрому перегреву всего потери и узла энергии.
Для скоростных электромобилей употребляются дорогие обходные разработки с применением суперконденсаторов. Аккумулятор Валентина, наоборот, похож на тарелку для супа. Он скоро наполняется энергией и может мгновенно отдавать каждые ее порции.
Все дело в размере вашей ложки!
Изюминка мотора Ingocar
Изюминка мотора Ingocar — экстремальные значения давления на впрыске. Хорошие форсунки в совокупности заменены шестнадцатью отверстиями диаметром всего 0,025 мм, расположенными на внутренней стенке камеры сгорания в виде кольца. Горючее в них поступает из неспециализированного тракта, как в современной дизельной разработке Common Rail. Давление на впрыске достигает 3500 бар и формирует фактически однородное топливовоздушное облако, что разрешает добиться самоё полного и действенного сгорания горючего.
Для изготовления узла используется особый сплав с низкой теплопроводностью. Промежутки поступления смеси в камеру сгорания регулируются компактным гидравлическим механизмом с электронным управлением. Энергия выхлопных газов вращает не только крыльчатку турбонагнетателя, но и вал электрогенератора для питания бортовой электроники.
Один в поле солдат
Инго Валентин — опытный инженер-разработчик гидравлических совокупностей. Собственную карьеру он начал в далеком 1967 году в исследовательском центре германской компании Hydromatik. За 11 лет Инго удалось создать гидравлический двигатель полностью нового типа и взять бесценный опыт независимой исследовательской работы.
Во второй половине 70-ых годов двадцатого века он переехал в Америку, где до 1982-го трудился по профессии в одной из технологических компаний. В первой половине 80-ых годов XX века Инго создал личный бизнес, который связан с разработкой разных гидравлических механизмов. Опытный интерес к применению действенных гидравлических узлов в конструкции машин появился у него в середине 1980-х годов.
Итогом последующей пятнадцатилетней работы стали два запатентованных изобретения — оппозитный одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания со свободным поршнем и гидростатический мотор-колесо уникальной конструкции. Они составляют базу новаторской концепции дизель-гидравлического гибрида Ingocar. Всю работу Инго сделал в одиночку.
Лучшие специалисты признали выводы и расчёты Валентина верными, а свободная американская ассоциация New Energy Congress включила проект Ingocar в перечень ста самых перспективных новейших технологий по энергосбережению.
Подтверждено специалистами
«Как опытный инженер я считаю концепцию Инго Валентина идеальной, а ожидаемое понижение энергозатрат реалистичным». Доктор наук Ричард Э. Кронауэр, Гарвардский университет, США. Свободная экспертиза совокупности впрыска двигателя Инго Валентина совершена врачом Скоттом Голдсборо из Университета Маркетт, ведущим в мире специалистом по процессам HCCI (образование гомогенной топливовоздушной смеси в камере сгорания).
Во второй половине 90-ых годов двадцатого века он был удостоен особой премии Общества автомобильных инженеров (SAE) имени Харри Л. Хорнинга за изучения в данной области.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№66, апрель 2008).
<
h4>