Удивительная механика

Гулиа Нурбей Владимирович

На заре автомобилизма и даже гораздо позже, в 50-е годы прошлого века, у нас в стране, когда дороги были не так загружены, эту энергию накапливали в самой массе автомобиля. Делалось это так: автомобиль разгоняли примерно до 80 км/ч почти на полной мощности двигателя, а следовательно, и при максимальном КПД. После этого двигатель выключали, а коробку передач ставили в нейтраль. На автомобилях тех лет делать это еще разрешалось. И автомобиль шел с неработающим двигателем и отключенной трансмиссией накатом чуть ли не целый километр, пока скорость не падала ниже 30 км/ч. Затем опять включалась трансмиссия, запускался двигатель и разгон повторялся. И так автомобиль ехал всю дорогу.

Такое движение по научному называется «регулярным импульсивным циклом». Благодаря этому циклу передовые водители-«стахановцы» тех лет экономили

до 30 % топлива. При этом энергия двигателя, работающего почти в оптимальном режиме, накапливалась в массе самого автомобиля, как в аккумуляторе, и шла она на движение автомобиля накатом. Конечно же, никакой регулировки скорости движения такого автомобиля-накопителя произвести было невозможно. Его трансмиссия была отключена, разогнанный автомобиль был накопителем и потребителем собственной энергии. Как если бы поставить раскрученное колесо или маховик на ребро и дать ему возможность свободно катиться.

Конечно же, не это было моей целью. Автомобиль должен нести в себе накопленную кинетическую энергию, но при этом быть управляемым, причем лучше всего, чтобы скорость изменялась плавно и бесступенчато, а для этого нужен вариатор.

Супермаховик и супервариатор в помощь двигателю

А теперь попробуем связать колеса автомобиля с «настоящим» емким накопителем энергии – супермаховиком, для чего придадим ему в помощь вариатор с широким диапазоном регулирования – супервариатор. Двигатель при этом останется на своем «законном» месте, только вместо примитивного чугунного маховика с его коленчатым валом повышающей передачей свяжем супермаховик. С ведущими колесами этот супермаховик свяжет уже супервариатор.

Не рискуя ошибиться, могу сказать, что в будущем практически все силовые агрегаты автомобилей будут гибридными: по той или иной схеме, но обязательно содержащими в себе как двигатель, так и накопитель, а также бесступенчатый привод к ведущим колесам, так как автомобилю для движения каждый раз нужна различная мощность, а двигатель экономично может работать только на одной мощности – близкой к максимальной. Поэтому и должен двигатель работать в этом режиме, а излишки мощности переводить в «энергетическую капсулу» – накопитель энергии. А уже эта накопленная дешевая и экологичная энергия будет расходоваться автомобилем по необходимости.

Как же будет работать гибридный силовой агрегат на автомобиле? Перед началом движения двигатель разгонит до стартовых оборотов супермаховик, а заодно и «прогреется». Энергии на это потребуется очень мало – что-то около 1 кВт·ч для автобуса, а для легкового автомобиля и того меньше. «Зарядка» супермаховика может производиться не только во время «прогрева» двигателя, но и тогда, когда на малом ходу автомобиль, скажем, выезжает из гаража или проезжает через двор, – супервариатор, связывающий двигатель, а стало быть, и супермаховик с колесами, вполне позволяет это. Ведущие колеса автомобиля почти всегда связаны с трансмиссией особым редуктором, называемым «главной передачей». Вот с ней и связывается выходной вал супервариатора.

Для гибридов рекомендуются двигатели с пониженной мощностью, что-то около 30—50 % от мощности штатного двигателя. Но если это скоростной автомобиль, то мощность можно и не понижать.

Схема гибридного силового агрегата автомобиля с маховичным накопителем

Допустим, что автомобиль едет по городу со скоростью 50—60 км/ч, расходуя малую часть мощности двигателя. При этом, если в супермаховике недостает энергии, то «зарядка» может выполняться прямо на ходу. Считаем, что максимальная энергия будет накоплена в супермаховике при 30 тыс. оборотов в минуту. При достижении этих оборотов двигатель автоматически выключается и отсоединяется от супермаховика. Фактически двигатель должен быть отрегулирован на один-единственный режим работы – оптимальный. Альтернатива ему – стоянка, никаких холостых ходов с выбросами самых вредных газов. Все приборы, которые необходимо питать, приводятся в действие от постоянно вращающегося супермаховика.

Итак, автомобиль движется, расходуя энергию только от супермаховика. Покажем, что супервариатор

позволяет делать это. Обычно обороты супермаховика при потреблении энергии не снижают больше чем на треть – это разумнее всего. При этом выделяется более половины всей запасенной в нем энергии. Возьмем самый невыгодный случай, когда нужно развить скорость 160 км/ч при минимальном запасе энергии в маховике, то есть при 20 тыс. оборотов в минуту. Не забудем, что двигатель соединен с супермаховиком повышающей передачей с передаточным отношением обычно около 6. Работу самого двигателя, который может подключиться и «помочь» при этом, в расчет не принимаем (эта работа идет в запас). Поделим обороты двигателя, а в данном случае это 3333 оборота в минуту (20000: 6 = 3333), на скорость автомобиля – 160 км/ч и получим особый коэффициент, пропорциональный передаточному отношению супервариатора; в нашем случае он равен 21. А теперь представим себе другой невыгодный случай, когда на предельных оборотах супермаховика – 30 тыс. оборотов в минуту и двигателя – 5 тыс. оборотов в минуту нужно ехать с самой низкой скоростью. Определим ее. Мы уже говорили, что передаточное отношение супервариатора может меняться в 20—25 раз; стало быть, наш коэффициент 21 должен увеличиться примерно до 500. Поделим обороты двигателя – 5 тыс. на 500 и получим 10 км/ч, что вполне приемлемо.

Итак, супервариатор при самых невыгодных условиях позволяет изменять скорость автомобиля от 10 до 160 км/ч как при разгоне, так и при рекуперативном торможении машины. И это все – без помощи двигателя! Нужна скорость меньше 10 км/ч – отсоединяем супермаховик и работаем только на двигателе, который может еще раза в три снизить свою частоту вращения, а стало быть, и скорость автомобиля. Нужна скорость больше 160 км/ч – опять же подключаем двигатель и совместной мощностью с супермаховиком повышаем скорость до 240 км/ч. Скорость больше 240 км/ч и меньше 3 км/ч развить нельзя – не позволит передаточное отношение данного супервариатора. Если нужно ехать со скоростью 300 км/ч или маневрировать с «ползучей» скоростью 1 км/ч, то нужно изменять параметры либо супермаховика, либо супервариатора. Следует заметить, что максимальную скорость автомобиль с супермаховиком в качестве источника практически неограниченной мощности может развить очень быстро, это весьма полезно для проведения маневров и повышения безопасности движения.

Теперь представим себе ситуацию, когда запас энергии в супермаховике максимален, а мощность двигателя используется не в полной мере. Тогда двигатель просто автоматически отключается: покажет тахометр супермаховика 30 тыс. оборотов в минуту – питание двигателя автоматически прекращается и он отсоединяется от супермаховика. Опустились обороты супермаховика до 20 тыс. оборотов в минуту – двигатель подсоединяется к повышающей передаче супермаховика и начинает получать питание; двигатель при этом запустится моментально от энергии супермаховика, причем за мгновение до этого включится маслонасос, подающий масло в двигатель. Заранее скажу, что все вопросы, связанные с остановкой, пуском, смазкой двигателя и т. д., уже решены фирмами, которые занимаются изготовлением автомобилей с гибридными силовыми агрегатами. Так что дополнительных проблем с этим не будет.

С помощью гибридных силовых агрегатов расход топлива снижается в 2-2,5 раза, да и всем экологическим требованиям такие агрегаты соответствуют. Тогда задам, казалось бы, риторический вопрос: почему гибридные силовые агрегаты, раз они так хороши, на автомобилях до сих пор широко не используются?

Ответ на этот вопрос таков. Во-первых, автомобили с гибридами, хоть малыми сериями, но производятся и оправдывают все ожидания. Супермаховики, энергоемкостью порядка 1 кВт·ч, требуемые для этого, никакой проблемы не представляют, необходимая автоматика тоже. Проблему представляет привод от супермаховика на колеса, вернее, на главную передачу автомобиля. Этот привод должен, во-первых, иметь диапазон 20—25, не меньше, о чем уже говорилось; во-вторых, КПД его должен быть предельно высоким. Почему же «предельно», а не просто высоким? Просто высокого КПД, то есть порядка 0,9, хватило бы для привода автомобиля только от двигателя; кстати, и диапазона 6-8 тоже вполне хватило бы, и не нужно этих фантастических показателей – 20—25. Но если про необходимость большого диапазона мы уже говорили, то про необходимость предельно высокого КПД пока еще ничего не сказали.