Машинка із пружинкою

Незабаром нанотрубки позбавлять нас від будь-яких інших портативних джерел енергії в багатьох сферах, у тому числі й автомобілебудуванні.

Заводні автомобільчики фак­тично зникли з прилавків магазинів дитячої іграшки. Та й останні моделі з інерційним приводом поступаються місцем електричним. Однак у дорослому житті все може статися з точністю до навпаки.­

Джгут із префіксом «нано»

Якщо виготовити механічний акумулятор із пружиною зі сталі, що дозволяє автомобілю подолати відстань 100 км, то така конструкція важитиме близько 50 тонн. Гумовий джгут має велику енергоємність, але й у цьому випадку для такого ж запасу ходу потрібен  накопичувач масою 900 кг.

Не дивно, що конструктори віддають перевагу електричним акумуляторам, а не механічним: літій-іонна батарея серійного електромобіля­ Nissan LEAF важить 300 кг і дозволяє подолати  160 км.­­ Тобто електричні накопичувачі донедавна були ефективнішими від механічних приблизно в п’ять разів. Однак зараз ХХI століття, і модний префікс «нано» вносить усе більше коректив у стандартні постулати матеріалознавства. Не залишив він поза увагою й таке просте поняття, як пружина.

Дослідники Массачусет­­­ського технологічного інституту (Massachusetts Institute of Technology) виявили, що виготовлена із кремнієвих нанотрубок пружина має енергоємність у 1000 разів більшу, ніж сталева. Отже, механічний акумулятор із такого матеріалу для того ж Nissan LEAF за тієї ж відстані пробігу важив би приблизно в чотири рази менше! До того ж механічний накопичувач заряджається миттєво, може без втрат зберігати енергію роками, термін його служби в десятки разів перевищує електричні аналоги, а несприятливі умови у вигляді низьких температур і підвищеної вологості впливають на енергоємність.

Учені виготовили волокна з нанопружин довжиною близько міліметра й товщиною кілька нанометрів. Тепер їм треба навчитися сплітати з них джгути, які не втратили б корисних властивостей самих пружин.

Крутиться дзиґа

Якщо механічний акумулятор на основі нанопружин — справа майбутнього, то накопичувачі енергії з маховиком уже сьогодні успішно відвойовують собі місце під сонцем, ще недавно зайняте виключно електричними побратимами. Джерела безперебійного живлення в енергетиці, акумулятори для космічних апаратів, системи рекуперації механічної енергії KERS (Kinetic Energy Recovery Systems) в автомобілях. Причому останні мають усі шанси еволюціонувати з допоміжної системи в основну енергетичну установку.

Однак існують і дві взаємозалежні проблеми, які гальмують розвиток інерційних акумуляторів. Перша, яка постала перед конструкторами таких накопичувачів, — безпека. Річ у тім, що коли розкручувати сталевий маховик до обертів, які дозволяють механічному акумулятору досягти ефективності, порівнянної з електричними аналогами, сам маховик просто розривається, перетворюючись на осколкову бомбу величезної руйнівної сили.

Розв’язання проблеми в 60-х роках запропонував радянський винахідник Нурбей Гуліа. Він замість цільного маховика використовував сталеву стрічку, навиту пошарово. Така конструкція мала властивості сталевого троса. Звитий з окремих дротиків, він витримував набагато більші навантаження, ніж цільний прут такого ж діаметра. І, най­головніше, кручений маховик став безпечним: у випадку критичних перевантажень відривалася найбільш навантажена зовнішня стрічка, загальмовуючи маховик тертям об корпус. А після винайдення вуглеволокна Нурбей ­Володимирович підрахував, що навитий із цього матеріалу маховик масою 150 кг здатний нагромадити енергію, достатню для подолання звичайним автомобілем відстані у два мільйони кілометрів!

Що ж до проблеми механічних втрат, то її у таких системах уже розв’язано: сам маховик поміщають у вакуумну камеру, а звичайні підшипники заміняються магнітними, мінімізуючи тертя. Залишаються тільки невеликі витрати на привід вакуумного насоса, що компенсує втрату розрідження через сальники вихідного вала.

Однак з’явилася інша проблема, що перешкоджає негайному розвитку інерційних акумуляторів: занадто швидкі оберти. Для розкрученого, наприклад, до 60 тис. об./хв. маховика потрібен масивний понижувальний редуктор, що зводить нанівець увесь виграш від знач­ної енергоємності самого накопичувача.

Проблема розв’язувалася двома незалежними шляхами. Перший запропонував усе той же Нурбей Гуліа. Винайдений ним уже в наш час суперваріатор теоретично здатний упоратися з величезною різницею в обертах. Наскільки добре — покажуть випробування.

Другий спосіб приборкати швидкість маховика продемонструвала в січні цього року компанія Porsche, яка представила на Детройтському автосалоні свій новий гібрид Porsche 918 RSR. У моделі використана подвійна схема перетворення механічної енергії. Передні колеса оснащені електричними моторами-генераторами, які під час гальмування виробляють електроенергію. Третій мотор за рахунок виробленої енергії розкручує маховик механічного накопичувача. За потреби в додатковій потужності третій електромотор перетворюється на генератор, який приводиться в рух маховиком і видає енергію, необхідну для живлення двох передніх електродвигунів потужністю по 75 кВт (102 к.с.). Правда, енергії маховика, що обертається за відносно невеликих обертів (36000 об./хв.), вистачає лише на вісім секунд роботи електродвигунів за повної потужності. Однак ця схема від самого початку є не основною енергетичною установкою, а лише системою рекуперації. І в неї дещо інше призначення: за рахунок дармової енергії гальмування задньопривідний болід потужністю 563 к.с. нехай і на 8 секунд, але перетворюється на повнопривідний автомобіль із сумарною потужністю силової установки 767 к.с.

Найцікавіше, що ідея подвійного перетворення механічної енергії на електричну й навпаки не є новою: ще в 1947 році спочатку в Івердоні, а потім у Цюріху та інших містах Швейцарії з’явилися пасажирські гіробуси, випущені компанією «Ерлікон». Зовні цей автомобіль не відрізнявся від звичайного тролейбуса, однак не був увесь час підключений до електромережі. Приводився він у рух маховиком вагою 1,5 тонни, з’єднаним з електричним мотор-генератором. На спеціально обладнаних зупинках гіробус під час посадки-висадки пасажирів приєднувався до електромережі й розкручував маховик до робочих обертів. А під час руху сам маховик був джерелом механічної енергії, що перероблялася мотором-генератором на електричну, яка живила привідний електродвигун. На одному розкручуванні маховика гіробус міг подолати відстань 7—9 км. От уже дійсно: усе нове — добре забуте старе.

Залишається тільки додати, що ідеєю інерційного накопичувача наразі займаються одночасно декілька лабораторій зі світовими іменами. Один із проектів — «Летюче колесо» під керівництвом Джека Біттерлі — фінансує відомий американський кіноактор Кевін Костнер, який серйозно переймається охороною довкілля. Результатом проекту, зокрема, є інерційний накопичувач, який використовувався замість звичайних електричних акумуляторів під час конструювання Міжнародної космічної станції.

Гідромотор і пневмопривід

Джерелом енергії для транспортних засобів може бути й стиснене повітря, про що свідчить патент, датований ще 1799 роком. Однак практичне втілення такої енергетичної установки в наземному транспорті відбулося лише наприкінці наступного століття.

У 1879 році у Франції з’явився трамвай, який пересувався за допомогою двигуна, що працював на стисненому повітрі, а в 1932-му в Лос-Анджелесі був представлений перший експериментальний автомобіль із таким мотором. Подальшу долю повітряного двигуна, не здатного конкурувати із ДВЗ ні за потужністю, ні за ємністю енергоносія, уявити неважко: усі наступні спроби впровадити пневматичний двигун у автомобіль або поодинокі,­ або розраховані на дрібносерійне виробництво для спеціалізованої техніки. Однак технічна еволюція цього рушія, особливо в останні роки, змушує замислитися про нього як про недорогу альтернативу електричним гібридам.

Наприкінці ХХ століття французький інженер Гай Негре запропонував двокамерну систему розширення. У малому циліндрі порція стисненого повітря з балона додатково стискалася й нагрівалася, а потім уже змішувалася з порцією холодного робочого тіла, яке й розширювалося у великому циліндрі. Ця ефективніша схема стала поштовхом до створення цього року двигуна Dual Energy. Її ж було взято за основу американською компанією Zero Pollution Motors у створенні міського автомобіля CityCAT. Dual Energy здатний використовувати невелику кількість пального (бензин, гас, спирт тощо) для додаткового нагрівання стисненого повітря. Така схема дозволила багаторазово підвищити потужність і ефективність мотора і зробити витрату палива порівнянною з показниками електричних гібридів — 2,2 л/100 км. Крім того, CityCAT може, як і досі, обходитися без додаткового палива, працюючи лише на стисненому повітрі, але його максимальна швидкість падає з 155 до 56 км/год. Zero Pollution Motors установила попередню вартість CityCAT — $17800, що приблизно вдівічі менше, ніж середня вартість електричних гібридів. Чи стане цей аргумент вирішальним — покаже час.

Гідравлічний двигун, на відміну від пневматичного, уже сьогодні використовується в серійних моделях вантажного транспорту як головна альтернатива електричному приводу у важких гібридах. У такій гібридній схемі використовується гідромотор-насос, що забезпечує як рекуперацію енергії гальмування, так і привід ведучих коліс. У процесі гальмування гідравлічна рідина перетікає з резервуара низького тиску в резервуар високого тиску (гідроакумулятор). Запасена енергія використовується згодом, коли автомобіль рушає або розганяється. За цією схемою побудований, наприклад, серійний сміттєвоз Peterbilt 320. Важка вантажівка, яка часто зупиняється, значно за­ощаджує паливо, використовуючи під час рушання накопичену після гальмування енергію. Крім того, така схема дозволяє знизити витрати на обслуговування гальмової системи.

А от знайомий усім коричневий фургончик компанії UPS одержав модифікацію, що взагалі не має прямого привода від дизельного двигуна до коліс, — рух здійснюється виключно за рахунок гідромоторів. Це дозволяє дизелю весь час працювати в оптимальному режимі, лише поповнюючи запас енергії в гідро­акумуляторах.