Система KERS с маховиком может стать базовой в F-1
07.03.2012 18:37
Сейчас команды используют систему KERS, запасающую энергию в аккумуляторах, но её эффективность и габариты оставляют желать лучшего, хотя поставленная цель – отработка технологий, которые могут использоваться в конструкции дорожных машин – в этом случае более всего соответствует текущему тренду.
При этом многие считают, что система с маховиком имеет лучшие перспективы – с точки зрения компактности, эффективности и простоты. В сезоне 2013 года Формула 1 перейдёт на новый регламент в конструкции двигателей, сейчас обсуждаются поправки, касающиеся других элементов силовой установки, в том числе и системы рекуперации. Окончательное решение пока не принято, но очень возможно, что за основу будет взят унифицированный вариант KERS с маховиком.
В начале 2009-го компания Flybrid представила систему с маховиком, коробкой передач и трансмиссией особой конструкции. При весе всего в 24 кг, её мощность достигала 80 сил. С тех пор удалось сделать шаг вперёд, а если будет принято решение об использовании подобных систем в Формуле 1, возможен ещё более серьёзный прогресс.
Джон Хилтон, ведущий специалист Flybrid: «Системы на аккумуляторах не очень эффективны. Проблема в том, что на каждом круге в вашем распоряжении есть 800 кДж, а по регламенту можно использовать только 400 кДж – системе достаточно иметь 50% эффективность, чтобы отвечать этим требованиям. К сожалению, сейчас не стоит задача добиться максимального КПД.
Насколько я знаю, в регламенте на сезон 2013 года планируется поднять энергию на одном круге до 2 МДж, поэтому требования к эффективности значительно возрастут.
В KERS на аккумуляторах происходят большие потери при преобразовании электрической энергии в химическую, и наоборот. Наша система – полностью механическая, в ней нет преобразования энергии. Потери всё равно существуют, но они на 20% меньше, а это – около 2.2 дополнительных секунды на круге.
Почему механическая KERS так и не использовалась в гонках? Когда в середине сезона 2007 года заговорили о том, что KERS нужна уже в 2009-м, риск был слишком велик – у нас не было ответа на некоторые вопросы, не возникавшие в случае с электрической системой. Решение с аккумуляторами менее эффективно, но проще в реализации, поэтому все выбрали такой вариант. К тому же, тогда многие автопроизводители активно прорабатывали гибридные системы – это совпадало с общим трендом.
Сейчас ситуация изменилась. Система с маховиком наполовину легче, наполовину компактнее и более эффективна – это поняли и команды, и производители – в 2013-м появятся первые дорожные машины с маховиком».
Представители технических служб команд, вместе с FIA, обсуждают дальнейшие поправки к регламенту на 2013-й, очень возможно, что нас ждут сюрпризы…
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 64000 об/мин. Стальная болванка, в разрезе похожая на двояковогнутую линзу, одетая впрочнейшую 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?
При этом многие считают, что система с маховиком имеет лучшие перспективы – с точки зрения компактности, эффективности и простоты. В сезоне 2013 года Формула 1 перейдёт на новый регламент в конструкции двигателей, сейчас обсуждаются поправки, касающиеся других элементов силовой установки, в том числе и системы рекуперации. Окончательное решение пока не принято, но очень возможно, что за основу будет взят унифицированный вариант KERS с маховиком.
В начале 2009-го компания Flybrid представила систему с маховиком, коробкой передач и трансмиссией особой конструкции. При весе всего в 24 кг, её мощность достигала 80 сил. С тех пор удалось сделать шаг вперёд, а если будет принято решение об использовании подобных систем в Формуле 1, возможен ещё более серьёзный прогресс.
Джон Хилтон, ведущий специалист Flybrid: «Системы на аккумуляторах не очень эффективны. Проблема в том, что на каждом круге в вашем распоряжении есть 800 кДж, а по регламенту можно использовать только 400 кДж – системе достаточно иметь 50% эффективность, чтобы отвечать этим требованиям. К сожалению, сейчас не стоит задача добиться максимального КПД.
Насколько я знаю, в регламенте на сезон 2013 года планируется поднять энергию на одном круге до 2 МДж, поэтому требования к эффективности значительно возрастут.
В KERS на аккумуляторах происходят большие потери при преобразовании электрической энергии в химическую, и наоборот. Наша система – полностью механическая, в ней нет преобразования энергии. Потери всё равно существуют, но они на 20% меньше, а это – около 2.2 дополнительных секунды на круге.
Почему механическая KERS так и не использовалась в гонках? Когда в середине сезона 2007 года заговорили о том, что KERS нужна уже в 2009-м, риск был слишком велик – у нас не было ответа на некоторые вопросы, не возникавшие в случае с электрической системой. Решение с аккумуляторами менее эффективно, но проще в реализации, поэтому все выбрали такой вариант. К тому же, тогда многие автопроизводители активно прорабатывали гибридные системы – это совпадало с общим трендом.
Сейчас ситуация изменилась. Система с маховиком наполовину легче, наполовину компактнее и более эффективна – это поняли и команды, и производители – в 2013-м появятся первые дорожные машины с маховиком».
Представители технических служб команд, вместе с FIA, обсуждают дальнейшие поправки к регламенту на 2013-й, очень возможно, что нас ждут сюрпризы…
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 64000 об/мин. Стальная болванка, в разрезе похожая на двояковогнутую линзу, одетая впрочнейшую 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?
Автор заметки: Ajrton
Мнение автора может отличаться от мнения редакции F1-Portal.ru
