Почему маховики не прижились в автомобилях?

Идея родилась при подготовке к гонкам Формулы-1, однако с переменным успехом выступила лишь на гонке «24 часа Ле-Мана».

В 2010 году во время 10-часовой гонки Petit Le Mans, проводящейся в городе Брэзелтон, шт. Джорджия, США, экспериментальный гоночный автомобиль компании Porsche 911 GT3 R Hybrid находился в первой 20-ке среди 45 автомобилей. В это время репортёры телевизионной сети Speed брали интервью у Марго Т. Оге, которая тогда была директором отдела транспорта и качества воздуха при агентстве по охране окружающей среды США.

Репортёры при каждой возможности обращали внимание зрителей на новый автомобиль Porsche. Гибридные автомобили для дорог общего пользования становились всё более привычными, и Оге постоянно подчёркивала «большую значимость» этого автомобиля, вкупе с энергетической независимостью и низкими углеродными выбросами. Именно таких целей и добивалось агентство.


В 2009 году командам F1 первые разрешили использовать гибридные системы. Команда Williams решила разработать гибрид с маховиком вместо химических аккумуляторов. Но эта система так и не вышла на трассу.

Однако, как и его ближайший гибридный родственник с гонок «Формула-1», эту модель 911 GT3 R не планировалось выпускать на улицы. Этот гибрид использовал маховик. Вместо совместного применения бензинового двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя с аккумуляторами, гоночная машина совместила плоский шестицилиндровый ДВС с электромеханической системой хранения энергии на маховике.

Как выглядел маховик Williams Hybrid Power

Инженеры Porsche начали изучать применение гибридных систем в гонках в 2007 году. Примерно в то же время руководство F1 разрешило интеграцию гибридных технологий. С сезона 2009 года F1 позволила командам использовать умеренные гибридные системы рекуперации кинетической энергии (kinetic energy recovery system, KERS).

Williams открыла дочернюю компанию Williams Hybrid Power для разработки и полировки гибрида с маховиком. В 2010 году она организовала партнёрство с Porsche Motorsport для создания 911 GT3 R Hybrid

Большинство команд F1 разрабатывало системы рекуперации на основе аккумуляторов, однако команда Williams создала электромеханический маховик. В итоге из-за технических ограничений гонок команде Williams так и не довелось выставить эту машину на трассу. Интересно, что компания Chrysler также пыталась сделать гибридный автомобиль с ДВС/маховиком для Ле-Мана за 15 лет до этого, но и их разработка не дошла до гонок.

Audi успешно использовала гибридную систему с маховиком для машины R18 e-tron Quattro. Эта машина выигрывала Ле-Ман три раза подряд.

Однако Porsche в итоге купила лицензию на технологию Williams Hybrid Power, и вознамерилась адаптировать её для гонок на выносливость в модели 911 GT3 R Hybrid. Компания Audi также занялась внедрением маховика в свой всепобеждающий дизель-электрический прототип R18 e-tron Quattro. В прототипе использовался доработанный маховик производства британской компании GKN, делающей запчасти для автомобилей и самолётов. Она купила эту технологию у Williams ещё в 2014 году. Полученный гибрид с маховиком выиграл десятки гонок, включая и «24 часа Ле-Мана» в 2012, 2013 и 2014 годах.

Схема гибридной системы Audi R18 e-tron Quattro

Учитывая такой вклад производителей в спортивные автомобили, очень многие наблюдатели ожидали, что технология маховика через несколько лет перейдёт и на обычные автомобили. Но этого так и не произошло. Почему?

Высокооборотистый ускоритель

Вкратце автомобильная гибридная система с маховиком использует механическую энергию маховика для кратковременной дополнительной помощи двигателю внутреннего сгорания. На осях или в колёсах машины расположены электромоторы/генераторы. Они копят кинетическую энергию, которая в ином случае просто уходит в тепло при торможении колодками.

GT3 R Hybrid был создан для гонок на выносливость на знаменитом состязании «24 часа «Нюрбургринга»» в 2010 году

Но вместо того, чтобы отправлять эту энергию в химический аккумулятор для хранения и последующего использования, электричество используют для раскрутки маховика. Электрическая энергия преобразуется в кинетическую энергию вращения посредством инновационного магнитного материала (иногда это магнитный порошок), нанесённого на маховик. Чем больше энергии приходит, тем быстрее он крутится. Это, кстати, отличает его от гибридной системы с механическим маховиком, которую компания Nissan безуспешно пыталась разработать для Ле-Мана 2015 года.

Схема трансмиссии у GT3 R Hybrid. Красным обозначены компоненты маховика, силовая электрика и два мотора/генератора.

Количество энергии, которое можно снять с маховика, определяется его массой и скоростью вращения. Обычно он вращается со скоростями от 25 000 до 55 000 об/мин. Для преобразования хранящейся в маховике кинетической энергии обратно в электрическую вращающееся магнитное поле генерирует ток, идущий в обратном направлении, и энергия поступает на те же самые моторы/генераторы, что собирали её во время торможения.

Схема GT3 R Hybrid под другим углом

Как было упомянуто ранее, эти моторы могут располагаться прямо в колёсах. Или же такой мотор можно подсоединить к ведущему валу двигателя через бесступенчатую трансмиссию или другую сцепку. По запросу она соединяется с валом, забирает энергию у маховика и превращает её в кинетическую энергию, вращающую вал и ведущие колёса.

У обычного автомобиля на этом месте располагается пассажирское сиденье. У GT3 R Hybrid там стоит маховик.

Маховики часто сравнивают с конденсаторами, способными быстро накапливать и отдавать энергию. Сторонники этой технологии считают её преимуществами малый вес, стоимость и малое воздействие на окружающую среду по сравнению с традиционными гибридами, использующими химические аккумуляторы.

Маховик 911 GT3 R был сделан из композитного углеволокна, и его диаметр равнялся 406 мм. Корпус маховика, также сделанный из углеволокна, располагался на месте пассажирского сиденья. Маховик отправлял и получал энергию от электрических моторов/генераторов по 80 л.с. (60 кВт), располагавшихся в обеих передних колёсах. Такая конфигурация позволяла улучшить управление автомобилем на поворотах.

Ёмкость маховика в машине Porsche составляла 0,2 кВт*ч. Он мог выдавать до 163 л.с. (122 кВт) на периоде до 6 секунд, помогая разгонять машину после поворотов или на длинных дистанциях – в зависимости от того, как водитель решал применить дополнительную энергию, нажимая на специальную кнопку на руле.

Общая мощность всей системы составляла 670 л.с. (500 кВт), а весила машина примерно 1300 кг. Маховик с корпусом весили порядка 47 кг – значительно меньше, чем аккумулятор у электрических гибридов. В целом машина весила на 104 кг больше, чем обычные гоночные Porsche GT3, вместе с которыми она ездила по треку.

В Porsche решили, что хранить энергию в маховике в условиях экстремальных гоночных нагрузок надёжнее, чем в литий-ионных аккумуляторах. В отличие от последних, маховик можно было полностью заряжать (т.е. разгонять до максимальной скорости) и разряжать (останавливать почти полностью) много раз в минуту без всяких побочных эффектов.

Благодаря относительно эффективному использованию горючего, не самый быстрый среди участников гонки 2010 года «24 часа «Нюрбургринга»» 911 GT3 R Hybrid лидировал восемь часов подряд. В гонке 2010 года Petit Le Mans машина пришла 18-й – сказался износ деталей.

В 2011 году она снова вышла на трассу, но потом в Porsche сконцентрировались на прототипе 919 Hybrid для чемпионата мира по автогонкам на выносливость.

Не быстрое, а медленное хранение и восстановление энергии

Переход на 919 Hybrid в частности был связан с тогдашним проектом суперкара от Porsche. Так утверждает президент и генеральный директор североамериканского подразделения Porsche Motorsport, Дэниел Армбрюстер.

«Примерно тогда мы уже начали работать над гибридным заряжаемым прототипом спортивного автомобиля 918 Spyder, — вспоминает он. – И в обоих моделях, 919 и 918, обнаружилось, что литий-ионные аккумуляторы обеспечивают наилучший баланс между сохранением энергии и мощностью питания».

Езда по дорогам общего пользования заключается в постоянном разгоне и торможении, что как раз подходит для рекуперативного торможения. Однако в таких условиях ни о каком быстром разгоне с максимальным ускорением от одного поворота до другого, как в гонках, речи не идёт. Вместо быстрого и интенсивного восстановления энергии, и последующего активного её сохранения, на передний план выходит сравнительно медленная генерация энергии, из-за чего главным становится вопрос её хранения.

«Гибридная технология с использованием маховика в 911 GT3 R Hybrid позволяла экономить топливо, что уменьшало время, проведенное на пит-стопе, по сравнению с соперниками, — поясняет Армбрюстер. – В гонках маховик работает эффективнее из-за постоянного резкого торможения и резкого разгона. Для такого режима отлично подходит кратковременное хранение энергии с мощной отдачей».

«Но у этой технологии есть свои недостатки. В целом, в маховике не получается хранить много энергии – только ту, что дало торможение, — говорит он. – Аккумулятор же способен стабильно и долговременно хранить энергию, и с этими показателями маховику не сравняться. Во многих местах Европы возможность разгоняться, не делая выбросов в атмосферу, оказывается важной. Поэтому решение на основе аккумуляторов представляется наилучшим вариантом».

И хотя Porsche отказалась от маховика из-за ограниченной ёмкости, Армбрюстер добавляет, что «нет сомнений в том, что 911 GT3 R Hybrid сыграла важнейшую роль, доказав применимость гибридной технологии в скоростных гонках».

Глен Паско, ведущий инженер Williams Advanced Engineering, говорит, что с сегодняшней точки зрения понятно, что быстрый захват и отдача энергии в системах с маховиком больше подходит для режимов езды с периодической пиковой нагрузкой.

«Кроме поездок по центру города цикл работы типичного пассажирского автомобиля не подходит под режим »разгон-торможение», свойственный маховикам, — говорит Паско. – Энергия, хранящаяся в маховике, постоянно теряется, а в химическом аккумуляторе она может храниться очень долго».

На автобусах

Принцип работы маховика от Williams всё же нашёл применение в городских условиях в 2015 году, когда GKN модифицировала эту систему для установки на лондонские автобусы. В гибридную систему Gyrodrive с маховиком входит тяговый двигатель, связанный с ведущим валом машины, электрический маховик, инвертер для мотора/маховика, и электронная система управления.

Эта система с различными вариациями использовалась в как в одноэтажных, так и в двухэтажных автобусах британского производителя Alexander Dennis. Однако Gyrodrive оказалась слишком большой и дорогой для легковых городских автомобилей (например, такси), которые постепенно переходят на аккумуляторы.

Глен Паско говорит, что в настоящее время в WAE не занимаются какими-либо маховиками. Однако он добавляет, что «мы работем с широким спектром индустрий и тщательно изучаем требования клиентов, поэтому такая технология может найти своё применение в будущем».

Среди примеров применения могут оказаться и гонки, если их устроители позволят использовать подобные устройства. Хотя в настоящее время, судя по всему, их больше интересуют аккумуляторные гибриды и технологии быстрой зарядки. Сейчас WAE занимается разработкой топливных систем на водородных ячейках для больших самосвалов. Там рекуперативное торможение используется практически так же, как у маховиков.

Президент североамериканского подразделения Porsche Motorsport говорит, что его компания «постоянно оценивает, какие технологии дают наилучшее решение в конкретных ситуациях», и не отказывается заранее ни от каких подходов.

Армбрюстер объясняет, что в стратегию Porsche «входят ДВС, спортивные заряжаемые гибриды и полностью электрические машины. Также мы исследуем вопрос синтетического топлива, делающего ДВС уже существующих машин более дружественными к окружающей среде».

Иронично, что большая часть тех из нас, кто столкнётся с гибридными автомобилями с маховиками, будет ехать в машине в качестве пассажира, а не водителя. Также в разработке находятся статичные маховиковые системы. Немецкая компания Chakratec недавно развернула маховиковую систему хранения энергии в гостинице Premier Inn в Лейпциге, позволяющую сглаживать пиковые нагрузки на зарядные станции для электромобилей.

Но всего десять лет назад гоночные автомобили, оснащённые маховиками, лидировали в гонке «24 часа «Нюрбургринга»» и убедительно соперничали с более лёгкими GT3. В будущем инвестиции в эту технологию могут как облегчить эту систему, так и увеличить её энергетическую ёмкость, и вновь дать гонщикам маховики – в спорте, где редко что-то выбрасывают просто так.