Разработка мобильного робота-разведчика с маховичным аккумулятором энергии (Система рекуперации кинетической энергии)

Посмотреть архив целиком

Система рекуперации кинетической энергии

Помимо электрического способа рекуперации кинетической энергии существуют и другие способы: механический, гидравлический, пневматический. Самый распространенный из них является механический способ и построенные на его основе система рекуперации кинетической энергии (Kinetic Energy Recovery Systems, KERS). В данной системе кинетическая энергия движущегося автомобиля возвращается при торможении и сохраняется для дальнейшего использования с помощью маховика. В отличие от рекуперативного торможения система KERS не создает тормозной момент.

Маховик включен в трансмиссию автомобиля, вращается в вакуумной камере и при торможении разгоняется до 60000 об/мин. Конструкция обеспечивает сохранение энергии до 600 кДж и передачу мощности до 60 кВт (80 л.с.). Запасенная энергия используется для кратковременного скоростного рывка в движении или при трогании с места.

Система KERS применяется в автоспорте на автомобилях Formula 1 с 2009 года. На автомобилях массового использования применение данной системы только планируется. Ближе всех к серийному применению системы рекуперации кинетической энергии находятся разработки компании Volvo.

Маховик приводится в движение в процессе торможения, поэтому энергия рекуперации доступна лишь в ограниченных пределах, когда вращается маховик. Эта технология наиболее эффективна в условиях, когда автомобиль часто тормозит и снова начинает движение. Другими словами, экономия топлива будет наиболее заметной при движении в городском потоке или при динамичной езде.

По заявлениям Volvo применение системы рекуперации кинетической энергии обеспечивает снижение расхода топлива на 20% и сокращение вредных выбросов.

Шестикилограммовый карбоновый маховик диаметром около 20 сантиметров устанавливается на задней оси. Он вращается в вакууме, что снижает потери на трение, и «собирает» кинетическую энергию при торможении. Когда автомобиль начинает замедляться, отвечающий за вращение передних колес двигатель внутреннего сгорания отключается, а вся энергия направляется на маховик, который раскручивается до 60 тысяч оборотов в минуту. При начале движения эта энергия передается на задние колеса при помощи специального редуктора. Привод KERS на задние колеса делает автомобиль частично полноприводным, улучшая сцепление колес с дорожным покрытием и повышая стабильное поведение автомобиля в ходе ускорения.






Система рекуперации с маховиком позволяет прибавить к мощности обычного двигателя 80 лошадиных сил. В Volvo утверждают, что с их разработкой автомобиль с четырехцилиндровым двигателем сможет разгоняться так, как если бы на машине был установлен шестицилиндровый мотор. 

В ходе тестов экспериментальный Volvo S60 с бензиновой «четверкой» и системой Flywheel KERS набирал «сотню» за 5,5 секунды. При этом такая же модель с шестицилиндровым мотором достигает этой же отметки за 6,1 секунды, а самая мощная 350-сильная модификация седана S60 – Polestar – делает это за 4,9 секунды.

















Большая красная кнопка: Маховики-накопители

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

KERS расшифровывается как Kinetic Energy Recovery System, или система рекуперации кинетической энергии. KERS позволяет аккумулировать энергию торможения болида, вместо того чтобы расходовать ее на бесполезный нагрев тормозных дисков, а затем вновь передавать эту энергию на вал трансмиссии.

Максимальный объем аккумулируемой энергии был ограничен 400 кДж, мощность системы — 60 кВт, а период работы в режиме вспомогательного двигателя — 6,7с на каждом круге трассы. В режиме аккумулятора KERS могла работать непрерывно, а активация ее вызывалась нажатием специальной кнопки на штурвале болида на скорости свыше 100 км/ч. Дополнительная тяга могла использоваться пилотами для совершения обгонов и быстрого набора скорости после прохождения поворотов.

Предварительные расчеты показали, что KERS дает преимущество до 0,4 с на круге в сравнении со стандартной машиной. Это примерно 30 м разницы на финише. Не так уж и много, но зачастую именно мгновения решают судьбу команд.

Карусель в Большом цирке

В традиционных гибридных системах кинетическая энергия тормозящего автомобиля преобразуется в электрическую с помощью генератора. Генератор не только заряжает аккумуляторную батарею, которая впоследствии отдает энергию электромотору, но и создает дополнительное тормозное усилие, облегчая жизнь тормозам. Такая электромеханическая KERS для «Формулы-1» была разработана компанией Zytek. Тогда же, в 2007 году, ведущие технологические партнеры формульных команд — Torotrak, X-Trac, Ricardo и Flybrid — создали концепцию маховиковой KERS. В ней кинетическая энергия болида преобразуется в кинетическую же энергию вращающегося маховика.

Схема работы механической KERS Williams

Так выглядит маховик созданный инженерами Williams

Две скорости звука

Специалисты компании Flybrid считают работу в F1 забавным, но крайне полезным экспериментом. Основное применение своей механической KERS британцы видят в массовом гражданском автомобилестроении — в частности, в скоростных моделях премиум-класса. Для этого старый добрый маховик придется сделать маленьким, легким и энергоемким.

В 2007 году Джон Хилтон и Даг Кросс, основатели Flybrid, заявили о создании уникального компактного маховика массой около 5 кг, способного вращаться со скоростью до 64 000 об/мин. Стальная болванка, в разрезе похожая на двояковогнутую линзу, одетая в прочнейшую рубашку из карбона, была помещена ими в вакуумный корпус. Вал маховика установлен на специальных керамических подшипниках. Коренной компонент маховика Flybrid — патентованная система вращающихся центробежных уплотнений, обеспечивающих герметичность узла. Зачем тут вакуум? Элементарно: трение воздуха, кажущееся нам неощутимым, на таких скоростях приводит к нагреванию и постепенному разрушению маховика. Постепенное торможение болванки происходит в основном из-за трения в опорных подшипниках и системе прокладок. Раскрученный маховик за минуту теряет лишь 2% сохраненной энергии. Полная разрядка этой механической батареи наступает примерно через полчаса.

«Наш маховик как минимум втрое быстрее любого аналога, когда-либо установленного в автомобилях, — скорость вращения его внешней кромки достигает 660 м/с, что в два раза превосходит скорость звука в воздухе при нормальных условиях, — говорит Джон Хилтон. — Это позволило сделать его в девять раз меньше и легче. По габаритам он сопоставим с обычными дополнительными агрегатами, находящимися под капотом легковушек. Это полноценная 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 не способны обеспечить высокую динамику из-за ограниченной производительности батарей, а в маховиковых системах накопленная энергия может быть использована почти мгновенно. При этом владелец получает еще и 30%-ную экономию топлива за счет возросшего КПД.

Кроме того, механическая KERS впятеро дешевле электромеханической, надежна при любых температурах и выдерживает миллионы циклов разряда. Литий-ионная батарея используется лишь на 80% номинальной емкости — компьютер не допускает разряда более 80%, так как при полном разряде батарея выходит из строя. Маховик же можно разряжать до нуля. Безопасность маховика многократно проверена в серии краш-тестов — карбоновая рубашка не дает кускам стали разорвать корпус даже на самых высоких оборотах.

Вакуум взаперти

Слабое звено KERS Хилтона и Кросса — патентованные центробежные прокладки вала маховика. На предельных скоростях вращения в них возникает микроскопический зазор, и для откачки воздуха требуется дополнительный вакуумный насос с блоком контроля и управления. Инженеры Ricardo радикально пересмотрели конструкцию Flybrid и создали полностью герметичный модуль с поистине уникальной технологией передачи потока мощности под названием Kinergy. Базовый элемент Kinergy — бесконтактная магнитная муфта. Для Kinergy не требуется вакуумный насос и сложнейший в изготовлении комплекс прокладок вала. Энергия вращения колес поступает на маховик, а затем обратно на трансмиссию благодаря магнитной индукции, а не зубчатому или ременному зацеплению. Причем магниты здесь — постоянные.

Намагниченный маховик стоит на двух подшипниках из стали и керамики, не требующих замены в течение всего срока эксплуатации узла. Для ликвидации возможного проникновения паров воды внутрь корпуса и постепенного разрушения подшипников инженеры Ricardo применяют адсорбирующий элемент с большой удельной емкостью, который поглощает все жидкости и газы, кроме водорода.

По словам эксперта компании Ricardo Энди Аткинса, KERS на основе технологии Kinergy выдерживает не менее 10 млн циклов разряда, обладает удельной мощностью в 3 кВт на килограмм веса, а ее удельная энергоемкость равна 32,5 кДж на килограмм. Стоимость гибридной системы Kinergy для легкового автомобиля среднего класса составит не более $1300. Kinergy может применяться также в качестве идеальной трансмиссии для автомобилей — в сравнении с популярной ныне преселективной механикой маховик с магнитной муфтой на 20% экономичнее.

Маховик, сэр!

Эффективность и дешевизна Kinergy понравились автокомпаниям. В настоящее время уже начались испытания этой системы на прототипе Jaguar XJ следующего поколения и на знаменитых лондонских даблдеккерах. По словам Криса Боркбэнка, технолога компании Torotrak, стратегического партнера Ricardo, расход топлива двухэтажных автобусов снижается при этом почти на 30%. Потеря энергии на маховике в данном случае не является критическим фактором — средняя продолжительность остановки автобуса в Лондоне не превышает 55 с.

Как считает Энди Аткинс, диапазон применения Kinergy огромен — любые нагруженные механические системы, работающие в условиях знакопеременных потоков мощности, будут на 20−30% более эффективны с новыми маховиками, чем без них. Локомотивы, трамваи, экскаваторы, горнодобывающая техника, краны, электростанции и многое другое — для Kinergy везде найдется достойное применение. Гоночные автомобили F1 — не исключение. Как знать — может быть, вскоре на штурвалах стремительных болидов вновь появится Большая Красная Кнопка?

Крученый апперкот


Случайные файлы

Файл
128773.rtf
120964.doc
116601.rtf
69803.rtf
91895.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.