Система рекуперации энергии от Porsche

Одной из проблем современных гибридных автомобилей являются аккумуляторы. Как при небольших габаритах добиться значительной емкости, как обеспечить быструю зарядку, избежав перегрева? Инженеры Porsche предложили свое решение проблемы.

Впрочем, в данном случае автором идеи выступила известная команда Формулы-1 Williams, первоначально планировавшая установить изобретение на свои гоночные болиды. Но ситуация в Формуле поменялась, и разработка нашла применение в Porsche 911 GT3 R Hybrid – первом гибридном автомобиле от Porsche.

В компоновке 911 GT3 R ничего необычного нет – задние колеса приводятся в движение 480-сильным двигателем внутреннего сгорания, а передние – двумя электродвигателями мощностью по 80 л.с. каждый. Главный же интерес представляет аккумулятор. Вместо обычных кислотных или литий-ионных батарей, в автомобиле использован гироскопический накопитель энергии. По сути, это тот же электродвигатель, но его ротор с минимальным трением вращается в вакууме со скоростью до 40000 оборотов в минуту.

Раскрутка этого ротора происходит в момент торможения автомобиля, когда электромоторы передней оси выстапают в роли генераторов тока. В процессе же разгона, роли меняются и генератором выступает уже ротор, вращающийся с огромной скоростью к магнитном поле. Таким образом, механическая энергия вращения в аккумуляторе обратно преобразуется электрическую и приводит в движения электромоторы оси.

Преимущества предложенной схемы гибридной установки – возможность очень быстро накапливать огромный запас энергии – применяемые обычно литий-ионные аккумуляторы не способны выдержать таких токов заряда и требуют строжайшего контроля температуры. А чем быстрее удается запасать энергию, тем эффективнее работает гибридный привод. Вспомним хотя бы протестированный нами Mercedes S400, в котором именно эти проблемы традиционных аккумуляторов стали причиной невнятной работы гибридного привода. Гибридный же 911-ый может «зарядить» батарею за одно торможение, а затем в течение 6-8 секунд питать электродвигатели.

Однако есть и обратная сторона. Хоть маховик аккумулятора и вращается в вакууме, от трения в подшипниках никуда не денешься, а значит и энергия постепенно теряется. Представим, что Porsche 911 GT3 R остановился перед долгим светофором – за это время аккумулятор успеет растерять немалую часть заряда. То есть главная сфера применения подобных систем рекуперации энергии – гоночные автомобили. Именно здесь за разгоном всегда следует быстрое торможение, и гибридный привод работает с максимальной эффективностью.

Мысли вслух

Складывается парадоксальная ситуация: ученые и инженеры, неуклонно повышая КПД и скорость транспортных машин, способствуют переводу в тепло все большей части механической энергии, выработанной двигателем. Так, например, паровой автомобиль начала прошлого века имел КПД двигателя с приводом не выше 2-3 % и развивал скорость всего 6-8км в час. Кинетическая энергия такого экипажа была ничтожна, его и тормозить-то не нужно было: при отключении двигателя он тут же останавливался сам. Почти вся механическая энергия, выработанная двигателем, шла на перемещение машины. У первых автомобилей с бензиновым двигателем кпд был повыше — около 10-15%, и они двигались со скоростью до 30км в час. Если бы такой автомобиль пустить по тому же маршруту, что и современный автобус (с остановками через каждые 400м), то в тормозах обесценилось бы примерно 35% всей кинетической энергии. У современного автобуса при КПД двигателя с трансмиссией, вдвое большем, чем у первых автомобилей, и в десять раз большем, чем у парового, пропадает в тормозах уже две трети энергии двигателя. А у гипотетического автомобиля, то есть машины с кпд, близким к 100%, и затрачивающего энергию практически только на разгон, почти вся она переводилась бы в тормозах в тепло.

Не надо, конечно, доказывать, что если бы мы научились запасать кинетическую энергию, или, как принято говорить, подвергнуть рекуперации ее, а не переводить в тепло, то эффект был бы поистине огромен. Легко подсчитать, что рекуперация кинетической энергии, скажем, на автомобиле, привела бы примерно к двукратному снижению мощности двигателя, к такому же уменьшению расхода горючего и десятикратному (а то и более) снижению токсичности выхлопных газов. Последний выигрыш объясняется тем, что двигатель автомобиля с рекуперацией энергии будет работать на оптимальном режиме — без перегрузки и холостого хода, когда и выделяется основная масса токсичных продуктов сгорания топлива.

Если учесть, какое огромное количество автомобилей работает в нашей стране, то цифры, приведенные выше, означают экономию многих миллионов тонн бензина, значительное увеличение производительности машин, резкое уменьшение загрязнения атмосферы. В качестве примера мы взяли автомобиль, а в действительности это хоть и представитель многочисленного отряда машин, но далеко не единственного, где рекуперация могла бы закрыть «брешь в плотине».