Автомобиль сегодняшнего дня напоминает печь из сказки: дымит, греется, а на оставшейся энергии едет вперед. Изобретатель из Висконсина Инго Валентин знает, как превратить в движение всю энергию, не потеряв ни капли.
Владимир Санников
Современный автомобиль напоминает скверно организованную компанию с постоянно растущими издержками и неэффективным менеджментом. На движение тратится не более 20% вырабатываемой энергии. Потери сопровождают все стадии работы силовой установки, от впрыска топлива в цилиндры до передачи крутящего момента на колеса. Механизм газораспределения, трансмиссия, большое количество дополнительных потребителей энергии: генератор, кондиционер, усилитель рулевого управления, электроприборы автомобиля — все это отнимает существенную долю начальной мощности двигателя. Остатки тратятся на преодоление аэродинамического сопротивления и процесс торможения, при котором теряется еще 14% мощности. На колеса в итоге доходит лишь пятая ее часть. Все это касается нового автомобиля: физический износ нагруженных узлов через несколько лет эксплуатации начинает отбирать еще три-пять процентов мощности.
Дизель-гидравлический гибрид Ingocar, разработанный инженером Инго Валентином, принципиально отличается от привычного для нас современного автомобиля. Его двигатель обходится без клапанного механизма, шатунов, коленчатого вала, системы смазки и охлаждения, сцепления, коробки передач и приводов колес. Карданного вала и дифференциалов тоже нет, хотя Ingocar — полноприводный автомобиль. Суммарные потери на трение в силовой установке составляют не более 12% (в традиционных автомобилях — не менее 24%). Наконец, расчетная масса пятиместного седана Ingocar не превышает тонну, разгон до сотни занимает 5 секунд, пиковая мощность на колесах достигает 720 л.с., а расход топлива удерживается на уровне 1,8 л на 100 км.
Регенерация акселерации
В основе гибридной полноприводной платформы Ingocar лежит вспомогательный двигатель внутреннего сгорания, гидроаккумулятор и гидравлические мотор-колеса. Компактный турбодизель закачивает жидкость из бака в гидравлический аккумулятор. Внутри аккумулятора находится прочный эластичный резервуар, наполненный азотом. Тепловая энергия сгорания топлива преобразуется в механическую энергию сжатого газа. Из аккумулятора жидкость под большим давлением поступает через трубопровод на гидростатические мотор-колеса, и автомобиль приходит в движение. Когда аккумулятор полностью заряжен, двигатель автоматически отключается, а при необходимости пополнения запаса энергии запускается вновь.
При торможении поток гидравлической жидкости в мотор-колесе перенаправляется с помощью клапана обратно в аккумулятор. Давление жидкости быстро достигает пиковых нагрузок, и мотор-колесо замедляет вращение. Теряется лишь незначительное количество энергии торможения, большая же ее часть, от 70−85%, идет на сжатие азота. В этом цикле мотор-колесо работает как помпа, по тормозному усилию не уступая дисковым тормозам современных автомобилей. При торможении со скорости 100 км/ч до полной остановки автомобиля накопленная энергия регенеративного торможения позволит Ingocar снова разогнаться от нуля до 70−85 км/ч! Этот процесс Инго называет «регенеративной акселерацией». Таким же образом работает пружинный механизм в детских заводных машинках: чем сильнее вы закручиваете пружину, тем быстрее игрушка разгоняется. Системы регенеративного торможения в электрических гибридах более чем в два раза уступают Ingocar по эффективности, будучи при этом значительно тяжелее.
В городском цикле полной зарядки аккумулятора хватает в среднем на 8 км пробега. Затем включается дизельный мотор, который в течение минуты полностью заряжает аккумулятор, одновременно вращая мотор-колеса. Далее цикл повторяется. В шоссейном режиме движения расход топлива возрастает из-за резкого повышения аэродинамического сопротивления, но в целом цикл работы силовой установки не меняется — топливо тратится лишь на пятую часть поездки.
Коленвал уходит в отставку
Удивительно простая конструкция двигателя Инго Валентина, защищенная двумя патентами, предусматривает полное отсутствие вращающихся деталей, за исключением крыльчаток турбонагнетателя. Благодаря оппозитной архитектуре и свободным поршням мотор обходится без шатунов, коленчатого вала, клапанного механизма. Два поршня располагаются в общей камере сгорания: на такте сжатия они движутся навстречу друг другу, а на такте рабочего хода отталкиваются друг от друга. Оппозитная архитектура в моторостроении сейчас набирает популярность благодаря простоте, идеальному балансу и высокой удельной мощности. К при-
меру, американская технологическая компания Advanced Propulsion Technologies (APT) недавно обнародовала принципиально похожий прототип двухцилиндрового оппозитного турбодизеля, который превосходит традиционные моторы по удельной мощности в 2,5 раза, будучи впятеро легче. К 2011 году компания планирует вывести на рынок несколько модификаций двигателя.
Концепция свободных поршней означает, что каждый из них одновременно служит поршнем ДВС и гидравлической помпы. После рабочего хода давление жидкости в гидравлической системе возвращает поршень в исходное положение и обеспечивает сжатие топлива.
При рабочем объеме 500 см³ мотор Инго Валентина развивает мощность 64 л.с. (почти 130 «лошадок» на литр). Расход топлива варьируется от 1,35 до 1,85 л на 100 км пробега в зависимости от скорости движения. Масса мотора — всего 32 кг, он в пять раз легче традиционного ДВС и в шесть — современных гибридных силовых установок. Мотор способен переваривать различные виды топлива: дизель, бензин, биоэтанол и биодизель. Меняются только настройки системы управления. Никакой специальной системы охлаждения двигателю не требуется, так как он всегда работает в оптимальном режиме — без провалов и пиковых нагрузок. Для эффективного отвода тепла достаточно естественной циркуляции воздуха
в моторном отсеке. Это позволяет отказаться от радиатора, воздухозаборник которого на больших скоростях значительно увеличивает аэродинамическое сопротивление. За счет оптимальных зазоров между поршнем и стенкой цилиндра смазка двигателю Инго тоже не нужна, а значит, из списка обязательного оборудования вычеркиваются масляный картер, помпа и радиатор.
Табун внутри колеса
Второй ключевой элемент конструкции Ingocar, гидростатическое мотор-колесо, защищен двумя патентами 2002 года. Простая конструкция, состоящая из поршня, планетарной передачи, системы каналов и управляющих клапанов, легко справляется с передачей большого крутящего момента и пиковыми нагрузками при торможении. При массе менее 6 кг
и размерах с обычный дисковый тормозной механизм мотор-колесо развивает мощность до 230 л.с. И это далеко не предел. Инго утверждает, что при увеличении размера мотора его динамические характеристики возрастают пропорционально. Но в этом нет особого смысла, ведь в городском режиме движения каждый из четырех моторов использует лишь 5% своей мощности, а в шоссейном — не более 20%.
Электронная система управления позволяет гибко регулировать крутящий момент, передаваемый на каждое колесо в отдельности. Разумеется, это касается и тормозного усилия. При таком устройстве реализация любых алгоритмов системы стабилизации (ABS, ESP, интеллектуальный полный привод) не требует усложнения конструкции (дифференциалов, вискомуфт, механизмов управления тормозами) и дополнительных энергетических затрат. Благодаря простоте, малому количеству движущихся деталей, низким скоростям течения рабочей жидкости и полной герметичности мотор-колесо работает практически бесшумно в любом режиме.
В настоящее время разработкой собственных моделей гидростатического мотор-колеса занимаются многие крупные компании. Наибольшие успехи в этой области демонстрируют немецкие Bosch-Rexroth и Sauer-Danfoss, а также американский производитель тяжелой техники Caterpillar. Но в сравнительных испытаниях образец Валентина превосходит все аналоги с точки зрения массы, размеров и удельной мощности. «Громкое имя компании
и размер зарплаты руководителя проекта, к счастью, не являются решающими факторами в таких областях науки, где необходимы опыт и глубокие специфические знания», — комментирует этот факт сам Инго Валентин.
Дозаправка об забор
Самый дорогостоящий элемент конструкции гибрида Валентина — гидравлический аккумулятор: металлопластиковый двухсекционный резервуар, армированный карбоновым волокном. Расположенный в центре платформы, аккумулятор способствует оптимальному распределению нагрузки на колеса автомобиля и понижению центра тяжести, что в свою очередь улучшает управляемость. Валентин утверждает, что аккумулятор абсолютно надежен и безопасен. Конструкция емкостей, трубопроводов и соединений допускает серьезную деформацию без потери герметичности. Все соединения имеют двойные кольцевые прокладки особой конструкции, исключающие произвольную утечку жидкости. Рабочее давление в аккумуляторе варьируется от 120 до 480 бар.
Потери энергии в аккумуляторе не превышают 2−5% и вызываются незначительным нагреванием азота при быстром сжатии. Для сравнения: потери энергии в современных литий-ионных аккумуляторах достигают 10% и более и заложены в самой технологии. Важно, что гидравлический аккумулятор способен быстро заряжаться и разряжаться. Быстрая разрядка требуется для резких ускорений или движения в тяжелых дорожных условиях.
Объем гидравлической жидкости для Ingocar — около 60 л. Вся она растительного происхождения, что немаловажно с точки зрения экологии. По словам Инго, ее не нужно менять в течение всего срока эксплуатации автомобиля. Если замена все же потребуется, она обойдется не дороже обычной смены моторного масла.
На крыше Ingocar может быть установлена солнечная батарея площадью чуть больше 1 м². Она питает компактную электрическую помпу, которая, так же как и дизельный двигатель, нагнетает жидкость в аккумулятор. Часть электричества во время движения потребляется дополнительным оборудованием автомобиля. Расчеты показывают, что солнечной энергии полученной в течение светового дня, достаточно для 25-километровой поездки без включения ДВС! Солнечная батарея — недешевое удовольствие, но она легко окупается за полтора-два года эксплуатации автомобиля. Впрочем, это опция, и от нее можно попросту отказаться. Предусмотрена также возможность зарядки аккумулятора от обычной бытовой электросети.
Подвеска Ingocar, разумеется, гидравлическая. Она полностью интегрирована в общую гидравлическую систему и может быть настроена под индивидуальные предпочтения водителя. Гидравлика задействована даже в системе пассивной безопасности авто: при экстремальном торможении или при срабатывании сенсорного датчика передний и задний бамперы выдвигаются вперед и назад на 40 см каждый. Степень упругости активных бамперов определяется электронной системой управления, учитывающей текущую динамику автомобиля, количество пассажиров и их расположение в автомобиле. Активный бампер работает как поршень и превращает энергию удара в энергию сжатия, закачивая гидравлическую жидкость
в аккумулятор. Так что за счет ДТП можно даже подзаправиться! Управление гибридным Ingocar ничем не отличается от управления традиционным автомобилем с автоматической коробкой передач.
Гонка за десятью миллионами
На самом деле автомобиля как такового Инго еще не построил. В металле существуют лишь дизельный мотор и мотор-колесо. Но концепция платформы Ingocar рассчитана полностью и успешно выдержала многочисленные экспертизы в ведущих американских научных лабораториях. Инго рассказывает, что начиная с 1986 года он неоднократно обращался в крупнейшие автомобильные компании, такие как Ford, BMW и Porsche, с предложением о внедрении своих изобретений. Но всегда сталкивался с вежливым отказом. Устав стучаться в закрытые двери, он решил действовать самостоятельно.
Одним из источников инвестиций в серийное производство Ingocar может стать победа в гонке Х-Prize, которая состоится в 2009—2010 годах. Призовой фонд в размере $10 млн предоставлен благотворительной организацией X PRIZE Foundation. К участию в предварительных соревнованиях допущена 31 команда из Америки, Германии, Великобритании и Швейцарии. Чтобы получить заветный чек, надо создать автомобиль, способный проехать 100 км на 2,35 л топлива, при этом выбрасывая в атмосферу не более 200 г парниковых газов на милю. Каждая команда обязана иметь реальный бизнес-план по выпуску как минимум 10 000 автомобилей.
Инго сообщил «Популярной механике», что обязательно примет участие в гонке X PRIZE. Прошлой осенью на Франкфуртском автосалоне он встречался с представителями одного крупного кузовного ателье, которые выразили заинтересованность в сотрудничестве. Ателье, название которого Инго суеверно не разглашает, готово произвести весь цикл работ по созданию кузова — от разработки внешнего и внутреннего дизайна Ingocar до постройки действующего прототипа. Создание одного экземпляра, по прикидкам Инго, обойдется примерно в $80 000 — сущие копейки по нынешним временам.
Ди/зель гидравли/ческий … Слитно. Раздельно. Через дефис.
Дизель-молот - … Википедия
Подъёмный кран - Грузоподъёмная машина циклического действия с возвратно поступательным движением грузозахватного органа; служит для подъёма и перемещения грузов. Цикл работы П. к. состоит из захвата груза, рабочего хода для перемещения груза и разгрузки … Большая советская энциклопедия
Тепловоз - Тепловоз … Википедия
Дизельэлектровоз - Тепловоз Привод дизельный двигатель Период с 1924 года Скорость до 271 км/ч Область применения общественный транспорт, грузовые перевозки, маневровая работа … Википедия
ГОСТ Р 55057-2012: Транспорт железнодорожный. Состав подвижной. Термины и определения - Терминология ГОСТ Р 55057 2012: Транспорт железнодорожный. Состав подвижной. Термины и определения оригинал документа: 22 аварийная крэш система: Устройство железнодорожного подвижного состава, предназначенное для предотвращения или снижения… …
ГОСТ 17520-72: Снаряды землесосные общего назначения. Термины и определения - Терминология ГОСТ 17520 72: Снаряды землесосные общего назначения. Термины и определения оригинал документа: 9. Автономный земснаряд Земснаряд, оборудованный самостоятельной энергетической установкой Определения термина из разных документов:… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Меркава - Эта статья о танке «Меркава»; о религиозно мистическом понятии в Каббале см. Меркава (Каббала) … Википедия
Одноковшовый экскаватор - Эту страницу предлагается объединить с Экскаватор. Пояснение причин и обсуждение на странице Википедия:К объединению/25 февраля 2012. Обсуждение длится одну неделю (или дольше, если оно идёт медл … Википедия
Dodge Ram - Dodge Ram … Википедия
Книги
- , Руководство по ремонту Toyota Land Cruiser Prado с 2009 года выпуска, оборудованных дизельным двигателем 1KD-FTV (3,0 л Common Rail).Издание содержит руководство по эксплуатации, подробные… Категория: Автолюбителям Издатель: Легион-Автодата , Производитель: Легион-Автодата , Купить за 1630 грн (только Украина)
- Toyota Land Cruiser Prado 150 c 2009 года выпуска. Дизель 1KD-FTV (3,0). Ремонт, эксплуатация, техническое обслуживание , Руководство по ремонту Toyota Land Cruiser Prado с 2009 года выпуска, оборудованных дизельным двигателем 1KD-FTV (3,0 л Common Rail). Издание содержит руководство по эксплуатации,… Категория: Toyota Серия: Издатель:
Комбинированный дизель гидравлический и электрогидраелический привод
При комбинированном дизель-гидравлическом приводе первичным источником энергии является двигатель внутреннего сгорания (дизель), которым приводятся во вращение гидравлические насосы. Отдельные механизмы машины получают движение от гидродвигателя и гидроцилиндров (гидротолкателей), к которым по трубопроводам подается под давлением рабочая жидкость от гидронасосов.
Гидравлический привод в строительных машинах применяется для приведения в действие механизмов машины с сообщением им возвратно-поступательного и вращательного движений, для включения и выключения отдельных механизмов (фрикционные муфты и тормозные устройства), а также для управления рабочими органами машин (отвал бульдозера и автогрейдера, ковш скрепера и т. д.).
В состав гидравлического объемного привода входят насосы, распределители, трубопроводы, гидравлические цилиндры и гидравлические двигатели.
В гидрообъемном приводе строительных машин используются насосы трех типов: зубчатые (шестеренные), лопастные и плунжерные. Для управления системами гидропривода применяются золотниковые, клапанные и крановые распределители. Преимущественное распространение получили золотниковые распределители.
Рабочий орган машины, совершающий поступательное движение, приводится в движение гидравлическим цилиндром (гидротолкателем), обеспечивающим только поступательное или возвратно-поступательное движение (в зависимости от этого они называются цилиндрами одинарного или двойного действия).
Вращательное движение рабочего органа обычно осуществляется гидромотором. Гидромоторы, как и насосы, бывают зубчатые (шестеренные), лопастные и плунжерные: аксиально-плунжерные и радиаль-но-плунжерные.
Гидромоторы, позволяющие при малом числе оборотов развивать большие вращающие моменты, носят название высокомоментных. Они обычно выполняются плунжерными.
Шестеренный гидронасос (рис. 4, а) состоит из корпуса, имеющего всасывающий и нагнетательный патрубки. В корпусе в разных направлениях вращаются ведущая и ведомая шестерни, имеющие одинаковые модули зацепления и равные числа зубьев. При вращении шестерен в направлении, указанном стрелками, жидкость, поступающая через патрубок, захватывается зубьями шестерен и проталкивается по внутренней шлифованной поверхности корпуса к нагнетательному патрубку.
Лопастной гидронасос (рис. 4, б) состоит из корпуса со всасывающим и нагнетательным 8 патрубками. В корпус запрессован статор овального сечения, в котором вращается ротор, имеющий пазы. В эти пазы свободно вставлены лопатки. При вращении ротора под действием центробежной силы лопатки перемещаются по пазам к периферии и скользят по внутренней образующей статора. В торцовых стенках корпуса насоса расположены всасывающие и нагнетательные полости. Всасывающие полости соединены между собой всасывающим патрубком. При вращении ротора объем полостей, заключенных между двумя соседними лопатками внешней образующей ротора и внутренней образующей статора, оказывается различным, так как лопатки выдвигаются на величину от минимальной до максимальной. При увеличении объема полостей происходит всасывание жидкости, при сокращении длины выступающей части лопаток жидкость нагнетается через патрубок. За каждый оборот ротора каждая лопатка дважды проталкивает жидкость через нагнетательный патрубок. Такие насосы называются насосами двойного действия. Они создают в гидросистеме давление до 140 кГ/см2.
Рис. 4. Схемы гидронасосов а - шестеренчатый; б - лопастной; в - аксиально-плунжерный
Плунжерные насосы выпускаются в различном исполнении: аксиально-плунжерные, радиально-плунжерные и поршневые - эксцентриковые с клапанным распределением.
Аксиально-плунжерный насос схематически показан на рис. 4, в. На приводном валу укреплен диск, к которому при помощи шаровых шарниров присоединены головки шатунов поршней. При вращении приводного вала с диском с одинаковой угловой скоростью с ними вращается блок цилиндров, расположенный в корпусе насоса под некоторым углом к приводному валу. При одном повороте приводного вала поршни совершают одно возвратно-поступательное движение, всасывая масло через канал А и выталкивая его через канал В.
Гидравлический двигатель (гидродвигатель) - гидравлическая машина, предназначенная для преобразования гидравлической энергии в механическую.
Конструкция гидротурбины: 1 - сопло-пасадка, 2 - запорный орган-игла, 3 - резервуар с водой, 4 - рабочее колесо, 5 - струя воды
По принципу действия гидродвигатели подразделяют на:
- лопастные (гидротурбины, водяное колесо)
- объёмные (гидроцилиндр)
В лопастных гидравлических двигателях ведомое звено перемещается вследствие изменения момента количества движения потока жидкости. Обьёмные же гидродвигатели, действуют от гидростатического напора в результате наполнения жидкостью рабочих камер и перемещения вытеснителей. На практике чаще используют объёмные гидродвигатели, так как при той же преобразуемой мощности они компактнее и меньше по массе.
Кроме того, гидравлические двигатели имеют свойство обратимости. Что позволят за его конструктивными особенностями так же выполнять работу насосов.
Принцип работы
Схема работы гидродвигателя в режиме мотора показана на рисунке 3. Предположим, что работающие камеры машины, расположенные справа от вертикальной оси, подается жидкость от насоса, а камеры, расположенные слева соединены баком. Под действием избыточного давления на пластинах возникают неуравновешенные силы, создающие вращающий момент на валу мотора, направленный против часовой стрелки. Камеры, соединенные с баком, при вращении ротора освобождаются от рабочей жидкости. Если кольца А установить в корпусе мотора соосно с ротором, то момент на валу мотора станет равным нулю и вращение вала прекратиться.