БЛОГ НУРБЕЯ ГУЛИА

О благопристойном воровстве электроэнергии

Август 13th, 2014

Сейчас интернет заполнен рекламами прибора, позволяющего уменьшить чуть ли не вдвое оплату за израсходованную электроэнергию. Объясняют принцип его действия  разными псевдонаучными терминами, но суть одна – прибор позволяет воровать электроэнергию. И позволяет мне так смело высказывать это мнение то, что я был автором одной из первых, если не самой первой рекламы, такого прибора. Более того, я предлагал не купить, а изготовить самому такой прибор. В чём же причина такого бескорыстия?

В конце 60-х годов прошлого века (1968 или 69 году, точно не помню) я, тогда доцент Тольяттинского политехнического института, вел хоздоговорную работу с Ленинградским электромеханическим заводом (ЛЭМЗом), касающуюся выпускаемых заводом электросчётчиков. Работа состояла в повышении точности определения расхода электроэнергии путем уменьшения сопротивлений вращению диска счётчика, что достигалось разработанной мной и запатентованной системой магнитного подвеса этого диска. Работа заинтересовала завод, и он оплатил аванс хоздоговора. А когда  мы закончили всю работу, изготовили магнитную подвеску для трёх счётчиков, и даже смонтировали её на приборы, я, неискушенный   в финансовых тонкостях, отвёз эти три счётчика на завод и оставил там без акта передачи. Заводчане, естественно, с радостью приняли приборы, а я уехал домой в Тольятти, довольный выполнением работы и в ожидании оплаты нашей работы. А должны они нам были 20 тысяч рублей (это около восьми миллионов по-современному), и этот долг не выплатили под разными там мифическими предлогами.

Я был в бешенстве – фактически я, как руководитель хоздоговора, остался должен всем исполнителям. И я решил пригрозить заводу, что раскрою в печати устройство, позволяющее существенно замедлить скорость вращения диска их электросчетчика, а стало быть, воровать электроэнергию, пользуясь несовершенством счетчиков ЛЭМЗ. То есть опубликовать компромат на их счётчики, чтобы разорить завод. Но завод ответил, что он плевать хотел на мой компромат, так как счётчики отвечают всем требованиям ГОСТа. А я, надо сказать, за время выполнения нашего хоздоговора хорошо изучил счётчики ЛЭМЗ (а тогда и все остальные счётчики были аналогичной конструкции), и придумал простое устройство на основе автотрансформатора, позволяющее уменьшать показания расхода энергии. И я опубликовал заметку про это устройство под псевдонимом «электромонтёр Иванов» в журнале «Юный техник», имевшем тогда огромный тираж. А в заметке я рассказывал, что один мой коллега, тоже монтёр, придумал прибор, позволяющий уменьшать показания расхода электроэнергии на счётчиках ЛЭМЗ, и просил специалистов разобраться, кто виноват – мой коллега или счётчики ЛЭМЗ.

Ответа так и не последовало, а лет через десять после этого, будучи в одном из головных НИИ страны по геологии, что в городе Люберцы, я узнал, что местный электрик продаёт приборы, позволяющие экономить электроэнергию и платить за неё меньше. Я встретился с предприимчивым электриком, разговорился с ним, и он, представьте себе, достаёт и показывает мне журнал «Юный техник» с заметкой «монтёра Иванова» в нём.  И сердечно благодарит этого монтёра за статью, позволившую ему зарабатывать намного больше, чем по основному месту работы!

Что ж, наш электрик, хоть и выпускал запрещенную продукцию, был честен в том, что не забывал настоящего автора этой «контрафактной» продукции!

А по-настоящему удивляет меня то, что никакие следственные органы не обращают внимания на, буквально, кишащие рекламами запретной продукции объявления в интернете!

И ещё – если авторы этих рекламок захотят проверить из правдивость, пусть испытают свои устройства не на допотопных счетчиках, ровесниках описанных мной счетчиках ЛЭМЗ, а на современных электронных счётчиках. Посудите сами: допустим, мы хотим получить от электроприбора 1кВт-ч энергии, например, чтобы нагреть воду в чайнике. Этот 1кВт-ч стоит столько-то. Какие бы манипуляции мы не проводили, то или мы не нагреем воду, если не выделим 1 кВт-ч, или «подправим» счётчик, чтобы он показал меньше. А это уже воровство! И никакие ссылки на «активную» или «реактивную» энергию не помогут – ни физика, ни суд этих ссылок не учтут!

Что такое «автомобильный гибрид»?

Октябрь 25th, 2009

Сразу скажу, что этот термин придумал не я, и критиковать меня за слово «гибрид», что иногда делают читатели, не надо. Я встречал этот термин ещё в 70-х годах в исследованиях знаменитой американской фирмы «Локхид», отделения её наземных транспортных средств. Таким словом обозначали силовой агрегат автомобиля, где наряду с двигателем, присутствовал и накопитель энергии. Двигатель использовался только на оптимальном, по расходу топлива и экологичности режиме и выработанная им при этом дешёвая и экологичная энергия запасалась в накопителе и параллельно шла на движение автомобиля. При «заполненном» энергией накопителе двигатель просто выключался, и автомобиль ехал на накопленной дешёвой и экологичной энергии. На спусках и при торможениях потенциальная и кинетическая энергия, накопленная самой массой автомобиля с грузом и пассажирами, конечно же с неизбежными потерями, снова возвращалась в накопитель. Процесс этот называется рекуперативным торможением.

Это самое простое, и, пожалуй, самое основополагающее толкование упомянутого термина. Все остальные «навороты», как в толкованиях, так и в выполнении «гибридов», создают, в основном, только трудности, не очень способствующие как пониманию, так и экономической эффективности гибридов.

Чем же вызвана необходимость появления накопителя энергии в гибридных силовых агрегатах автомобилей? Да, в принципе, тем же, чем и появление банков в экономике. Дело в том, что автомобильный двигатель имеет достаточно узкий диапазон его работы на оптимальном режиме, когда и удельный расход топлива и выброс токсичных веществ, минимальны. Но мощность двигателя на этом режиме гораздо больше той, что нужна для обычной езды в городе. Например, для передвижения по хорошей горизонтальной дороге современного легкового автомобиля со скоростью 60 км/ч требуется 3…4 кВт мощности. А мощность, вырабатываемая двигателем на оптимальном режиме, порядка 60…80 кВт. Вот и эксплуатируют двигатель на режиме сильной недогрузки при высоком удельном расходе топлива, вместо того, чтобы включить его на оптимальный режим, а избыток этой дешёвой и экологичной мощности направлять в накопитель. А затем или добавлять эту мощность к мощности двигателя при необходимости, или выключать двигатель и ехать на энергии накопителя.

Особенно эффективно это на городских режимах движения, например, в пробках, когда и экономичность и экологичность двигателя просто отвратительны. Расход топлива при этом уменьшается до 4-х раз, а токсичность выхлопных газов – в десятки раз. На интенсивном городском режиме движения, похожем на режим движения городского автобуса, расход топлива снижается «всего» в 2…2,5 раза, что тоже - огромное достижение. Это не только расчёт, это реальность. Я получал похожий результат ещё в 60-70 годы прошлого века на грузовике УАЗ и на городском автобусе ЛАЗ с моим - маховично-вариаторным гибридом, между прочим, первым в мире такого типа.

Повторять именно такой гибрид сейчас не имеет смысла – он неудобен для городского движения, так как обеспечивает только один заданный заранее режим разгона и торможения. Но проведенные эксперименты говорят об эффективности гибридного силового агрегата с маховичным накопителем и механической бесступенчатой трансмиссией. Ни один другой тип гибрида с накопителями других типов, например, в виде электроаккумуляторов или гидрогазовых накопителей, с электро- или гидро-трансмиссиями принципиально не в состоянии обеспечить такую экономию топлива.

Но почему же это так? Может быть автор, как истый механик, просто преувеличивает возможности механических гибридов и принижает возможности электрических и других немеханических гибридов? Попробую обосновать свои утверждения.

Автомобильный двигатель выделяет энергию в форме механической и в виде вращения, в данном случае коленчатого вала. А потребитель этой энергии – ведущие колёса автомобиля – принимают эту энергию тоже в виде вращения. Поэтому, по самым фундаментальным законам природы, не следует изменять ни вид, ни форму этой энергии при передаче от двигателя в накопитель и на колёса. То есть не надо переводить эту энергию из механической в электрическую или иную (химическую, тепловую и пр.), так как при этом с этой энергии природа «снимает», энергетический «налог». Этот «налог» неизбежен, это закон природы.

Приведу пример электропривода с электроаккумулятором. Механическая энергия вращения двигателя с помощью генератора переводится в электроэнергию с потерей 10…15% энергии на преобразование вида этой энергии и на управление ею (частотные преобразователи и пр.). Чтобы накопить эту энергию, допустим в электроаккумуляторе, надо электроэнергию превратить в химическую энергию, а при выделении её – снова в электрическую. За это взимается «налог» - порядка 20% и более. Затем эта электроэнергия с помощью тягового электродвигателя снова переводится в механическую энергию вращения, опять же с потерей 10…15% её на преобразование формы и на управление. При этом с тяговым электродвигателем проблем ещё больше, чем с генератором – он должен быть рассчитан как на максимально возможный крутящий момент, так и на максимальную частоту вращения. Произведение этих величин определят мощность тягового электродвигателя, которая получается в несколько раз больше мощности самого двигателя внутреннего сгорания. Эта проблема ещё более снижает экономичность и повышает сложность электропривода, через который в аккумулятор и обратно перетекает полная мощность и энергия, направленные туда, как от двигателя внутреннего сгорания, так и при рекуперативном торможении автомобиля. Отсюда и максимальные потери (перевод в тепло) энергии, так как КПД привода, невысокий по причинам, описанным выше, умножается на величину пропущенной через привод энергии. Это и объясняет малую эффективность гибридов с электроприводом и электроаккумуляторами. Их КПД в лучшем случае не превышает 60%, а экономия топлива обычно колеблется от 10 до 40%.

А теперь рассмотрим механический вариант гибрида с маховичным накопителем энергии и вариатором, но не обычным, а так называемым супервариатором. То есть где привод от двигателя до накопителя и колёс передаёт энергию в виде механической энергии вращения, а накопитель накапливает её также в виде кинетической энергии вращения маховика.

Если вспомнить о моих маховично-вариаторных гибридах 60-70-х годов прошлого века, то тогда я, ещё совсем молодым человеком, построил вариатор в виде мотков перематывающейся, как в магнитофоне, стальной ленты. Этот вариатор имел высокий КПД – около 95%, и диапазон варьирования около 40 – идеал для привода гибрида. Но, как я уже упоминал, режим торможения-разгона для автобуса, снабжённого этим вариатором и маховичным накопителем, был один-единственный, и в городе с особенно интенсивным движением его использовать было нельзя. Но на свободной дороге он показал все преимущества маховично-вариаторного гибрида – и по экономическим, и по экологическим показателям.

Сегодняшний супервариатор и по КПД и по диапазону варьирования близок к упомянутому выше ленточному вариатору, но он ещё и обеспечивает необходимую регулировку скорости и ускорений автомобиля. В качестве регулятора здесь используется широко выпускаемый в мире дисковый планетарный вариатор, разновидность которого была изобретена и разработана специально для супервариатора. В принципе, в качестве вариатора здесь принципиально может использоваться любой из известных, и даже… электропривод, как это не удивительно. Но в основе супервариатора лежит специальная дифференциальная передача, разделяющая потоки мощности и складывающая их. Так вот, через вариатор, а тем более через электропривод, используемый в качестве него в супервариаторе, проходит не более 15% энергии, идущей на ведущие колёса автомобиля или в маховичный накопитель. Остальная энергия идёт «напрямик» - через зубчатую передачу, имеющую очень высокий КПД. В результате КПД супервариатора достигает 0,95…0,98 при диапазоне варьирования 30…40. Сам вариатор или электромашины миниатюрные, рассчитанные на прохождение всего 15% энергии, т.е. ничтожную её часть.

Ни один из других гибридных агрегатов не может обеспечить подобного эффекта, обеспечивающего снижение расхода топлива в городском цикле в 2…2,5 раза, а в режиме движения в городских «пробках» - почти в 4 раза. При этом в десятки раз снижается количество токсичных выхлопов, повышается долговечность двигателя.

Вот в этом резком снижении доли энергии, проходящей через наиболее «уязвимое» бесступенчатое звено, и состоит главное преимущество супервариатора, обеспечивающего, совместно с маховичным накопителем, эффективный гибридный силовой агрегат для автомобиля, в первую очередь городского. Следует сказать пару слов о маховичном накопителе для автомобильного гибрида. Для автомобиля массой 3,5 тонны энергия, накапливаемая в маховике, не превышает 400…500 Ватт-часов. Это энергия, содержащаяся всего в рюмочке бензина массой 30…35 граммов. Поэтому маховик предполагается изготовлять откованным из специальной - мартенситно-стареющей стали, предназначенной для турбин и других быстровращающихся дисков. Надёжность – во много раз больше, чем у турбин самолётов. Во-первых, потому, что нет лопаток, а во-вторых – нет нагревания, горячими газами. При этом масса маховика-накопителя всего 10…20 килограммов.

Но если когда-нибудь понадобиться накоплять и большую энергию, то на помощь придёт супермаховик – маховик, навитый из прочных волокон, в первую очередь углеродных. Уже лет двадцать такие супермаховики выпускаются с удельной энергией 500 Ватт-часов на килограмм массы. То есть, для нашего гибрида хватит маховика массой… 1 кг!

И ещё следует упомянуть об одном распространённом заблуждении - превратном понимании гироскопического эффекта вращающегося маховика. Многие считают, что ось вращающегося маховика просто нельзя свернуть под углом. Если было бы так, то ни один самолёт, снабжённый турбинами, не выполнил бы никаких маневров. Не вдаваясь в подробности этого эффекта, который я изучал подробно, скажу только, что влияние его на колёса гибридного автомобиля с маховиком, ничтожно. Как если бы пассажир в автомобиле передвинулся на 10 сантиметров левее или правее на сидении. Это подтверждают и многочисленные испытания, проведённые, в том числе и в США, на опытных образцах гибридных автомобилей с маховичными накопителями.

В заключение скажу только, что именно над таким автомобильным гибридом работает коллектив учёных и конструкторов, в который входит и автор этой статьи.

Радикальное повышение эффективности силовой установки гибридного автомобиля

Октябрь 20th, 2009

Prof. Nurbej Gulia, R&D Director, JSC “Combarco”, Moscow, RU

Vitaly Davydov, Chief Technology Officer, JSC “Combarco”, Moscow, RU

Alexander Lavrentiev, Testing Engineer, JSC “Combarco”, Moscow, RU

Drastic improvement of a hybrid vehicle powertrain efficiency

Continuously variable power-split transmission can reduce energy losses in flywheel hybrid vehicles by three times, due to power flow limitation through a variable ratio unit. The variable ratio unit can be implemented as a frictional variator, preferably of a planetary type, or as a moderate power electrical variator. The flywheel storage unit offers the best performance, capacity and efficiency among other storage devices.

Д.т.н. профессор Гулиа Н.В. - директор по НИОКР ЗАО «Комбарко», г. Москва,

В.В.Давыдов – Главный конструктор ЗАО «Комбарко», г. Москва,

А.И.Лаврентьев – инженер-испытатель ЗАО «Комбарко», г. Москва

Радикальное повышение эффективности силовой установки гибридного автомобиля

Аннотация

Использование в автомобильных гибридах маховичного накопителя с механическим отбором мощности и бесступенчатой трансмиссии с разделением потока мощности позволит почти втрое снизить потери энергии в гибридах за счет существенного снижения протекающей через варьирующее звено. Такая трансмиссия может иметь в качестве бесступенчатого звена как вариатор, предпочтительно планетарный, так и электровариатор пониженной мощности. Вышеупомянутый маховичный накопитель по удельной энергоёмкости, КПД, и, особенно, удельной мощности превосходит все другие накопители энергии.

1. Немного истории

Недавно авторы этой статьи провели очередной поиск публикаций по автомобильным гибридам и были удивлены практически полным отсутствием сведений о гибридах с маховичными накопителями энергии, за исключением, пожалуй, системы KERS фирмы Flybrid. Это при сотнях материалов об автомобильных гибридах с электроаккумуляторами! При этом в исторических обзорах об автомобильных гибридах, преимущественно из англоязычных публикаций, упомянуты почти все типы гибридов с электроаккумуляторами, начиная с Порше 1900 года. При этом были начисто забыты гибридные автомобили Роберта Кларка с маховичными накопителями и ступенчатыми коробками передач – «Гиректа» и «Гидректа», созданные в 50-х годах прошлого века. И ни слова о том, что одним из авторов этой статьи – проф. Н.В.Гулиа в 1966…1972 годах были построены и испытаны первые в мире гибридные грузовик и автобус с маховичными накопителями и бесступенчатой трансмиссией с вариаторами – почти полные прообразы современной системы KERS! Испытания их показали экономию около 45% топлива в городском цикле движения. А в 1974…76 годах группой исследователей под руководством Н.В.Гулиа аналогичные результаты были показаны на разработанном и построенном ими гибридном автобусе с гидрогазовым накопителем и гидростатической трансмиссией. При этом об этих испытаниях было много публикаций, телевизионных и киноочерков. Правда, финансирование этих проектов в СССР было прекращено из-за невероятно низких цен на бензин в то время, а следовательно, ничтожном экономическом эффекте гибрида при этом. А об экологии, которая тоже существенно выигрывала при этом, тогда всерьёз в СССР и не думали.

Но речь здесь пойдёт не о восстановлении приоритетов, а об анализе основных силовых компонентов автомобильных гибридов в связи со «вновь открывшимися обстоятельствами». А обстоятельства эти состоят в том, что, как оказалось, использование в качестве накопителя гибрида маховика с механическим отбором мощности, а в качестве трансмиссии - бесступенчатой с разделением потока мощности, коренным образом меняет характер процесса передачи энергии в гибриде. В разы снижаются потери энергии в трансмиссии, и повышается экономическая эффективность, при одновременном снижении габаритно-массовых показателей и стоимости агрегата. Кроме того, вышеупомянутый тип накопителя по удельной энергоёмкости в разы, а в ближайшей перспективе и на порядок превосходит электрохимические накопители, а по такому важному для автомобильных гибридов показателю, как удельная мощность, уже превосходит более, чем на порядок, ионисторы, считающиеся «чемпионом» по этому показателю.

Ниже приведен вышеупомянутый анализ в достаточно краткой и доступной форме для специалистов по автомобильным гибридам широкого профиля – электриков, гидравликов, механиков.

2. Основные силовые компоненты автомобильных гибридов

Перечислим, не вдаваясь в специфику работы, из каких основных силовых элементов в самом общем случае состоит любой автомобильный гибрид. Прежде всего, это – первичный источник энергии, или двигатель, для подавляющего большинства автомобильных гибридов – двигатель внутреннего сгорания. Выдает этот двигатель энергию в форме механической, и, что важно – в виде вращения вала. Двигатель гибрида должен иметь ярко выраженную зону оптимального режима работы при минимальном удельном расходе топлива, для функционирования, преимущественно, в этой зоне.

Далее, это – накопитель энергии, являющийся непременным компонентом гибридного силового агрегата, так как он играет роль энергетического «банка», накапливающего энергию при работе двигателя на оптимальном режиме или при её отборе от энергии, накопленной в массе самого автомобиля. Это возникает, например, при плановых торможениях автомобиля, а также на спусках. Выделяемая из накопителя энергия идёт на движение автомобиля, в том числе и параллельно с энергией работающего двигателя. Заметим, что потребляется энергия для движения автомобиля в том же виде, что и выделяется двигателем - в виде механической энергии вращения ведущих колес, что важно. Основные типы накопителей энергии – электрический, как электрохимический, так и электростатический (ионистор), механический – в виде маховика, вращающегося в корпусе, и гидрогазовый – в виде баллонов со сжатым газом (чаще всего азотом) и рабочим телом в виде масла.

Третий основной силовой компонент автомобильного гибрида – это трансмиссия, связывающая, в общем случае, двигатель, накопитель и ведущие колёса автомобиля разнообразными способами. В случае электрического накопителя энергии, это – электромеханическая трансмиссия, включающая генератор, электродвигатель (один или несколько) и механический привод, соединяющий двигатель и электрические силовые компоненты с ведущими колёсами, а иногда и друг с другом. То же имеет место, если в качестве накопителя использован маховик со встроенной обратимой электромашиной, что часто имеет место в скоростных маховиках.

При использовании гидрогазового накопителя обязательна гидростатическая трансмиссия, включающая обратимые гидронасос, гидродвигатель и механический привод, соединяющий гидромашины, двигатель и ведущие колёса.

При наличии маховичного накопителя с механическим отбором мощности трансмиссия может быть как полностью механической - с вариатором, в частности планетарным, в качестве бесступенчатого звена, так и электромеханической или гидромеханической, соответственно, с электро- или гидромашинами в качестве бесступенчатого звена. И обязательной в такой трансмиссии является дифференциальная передача с разделением потока мощности, которая, совместно с маховичным накопителем обеспечивает прохождение через бесступенчатое звено лишь малой доли (около 15%) всей энергии, что обеспечивает снижение её потерь (перехода в тепло) почти в три раза, а также уменьшение габаритно-массовых показателей трансмиссии.

3. Супервариатор

Оказалось, что отмеченные выше решающие положительные особенности маховичного накопителя с механическим отбором мощности и трансмиссией с бесступенчатым планетарным звеном и разделением потока мощности, ранее нигде не описывались, и на них не акцентировалось внимание проектировщиков автомобильных гибридов. Ведь при наличии накопителя любого другого типа, в том числе и маховичного со встроенной обратимой электромашиной, получение вышеупомянутого эффекта невозможно. Причём одного наличия нужного типа накопителя недостаточно, так как здесь ещё необходим особый тип трансмиссии. Интересно то, что и накопители нужного типа (маховики с механическим отбором мощности), и трансмиссии с бесступенчатым звеном и разделением потока мощности, порознь широко применялись, причём даже в автомобильных гибридах. Например, в гибридном агрегате KERS присутствует маховичный накопитель с механическим отбором мощности, вариатор, а также планетарная трансмиссия. В гибриде Р.Кларка присутствовал маховик с механическим отбором мощности, но не было вариатора. В ранних гибридах Н.В.Гулиа присутствовал маховик, механически связанный с вариатором, но не было трансмиссии с разделением потока мощности. Экономичнейшим из решений же является сочетание маховичного накопителя с механическим отбором мощности с трансмиссией, включающей планетарный вариатор, а также дифференциальные системы повышения диапазона варьирования одновременно, как это ни кажется парадоксальным, с повышением КПД. Такое решение было оформлено конструктивно, изготовлено, испытано, и названо супервариатором (патент РФ № 2311575, 08.07.2003, Широкодиапазонный бесступенчатый привод (супервариатор), автор – Н.В.Гулиа). Опишем вкратце принципиальное устройство и работу супервариатора.

Обычные вариаторы, например, торовые, использованные, в частности, в системе KERS,

имеют диапазон варьирования около 6-ти. Для обычной коробки передач этого достаточно, потому, что водитель имеет возможность регулировать частоту вращения двигателя, не менее, чем в 3 раза. Итого – изменение частоты вращения ведущих колёс не менее, чем в 18 раз. И если не учитывать «ползучих» скоростей, получаемых или дополнительным снижением частоты вращения двигателя, или дополнительными понижающими передачами, то этот диапазон изменения частоты вращения обеспечит скорости автомобиля от 10 до 180 км/ч.

Но частоту вращения маховика накопителя изменить произвольно нельзя, более того, при разгоне автомобиля его энергией, даже совместно с двигателем, частота вращения маховика обычно понижается до полутора раз. Тогда диапазон изменения передаточного отношения трансмиссии гибрида, в данном случае супервариатора, должен быть не менее 27. Такой же диапазон потребуется и для городских автомобилей, например, автобусов, но с устойчивым регулированием скорости, например, с 3 до 80 км/ч. Большие скорости движения получают только от двигателя повышением частоты его вращения и при отключённом маховике.

Повышения диапазона варьирования супервариатора по сравнению с обычным вариатором достигается подключением последнего в дифференциальный механизм. Он позволяет, например, повышать частоту вращения выходного вала и при уменьшении, и, что с первого взгляда кажется невозможным, при увеличении передаточного отношения вариатора. Такие механизмы с вариаторами, выполненные по замкнутой схеме, известны ещё с 60-х годов прошлого века, и предложены они Ф.В. Костиковым. Эти схемы были развиты и дополнены патентами, в частности, принадлежащими концерну Дженерал Моторс. В новых схемах таких трансмиссий было уже несколько ступеней переходящих друг в друга без разрыва потока мощности для достижения нужного диапазона. Но схемы эти были очень сложны и недостаточно экономичны.

Дополнительный шаг в упрощении и, главное, повышении экономичности трансмиссии, был сделан в цитированном выше патенте на супервариатор. Здесь в качестве базового вариатора был использован изобретённый тем же автором планетарный вариатор с соосными входным и выходным валами, вращающимися в одну сторону, органически вписавшийся в конструкцию предложенного устройства, названного супервариатором. Но главным было даже не упрощение конструкции, а использование именно планетарного вариатора, обладающего специфическим свойством, которое надо пояснить.

Дело в том, что дифференциальные схемы с разделением потоков мощности, применяемые в супервариаторе, позволяют пропускать через базовый вариатор различные доли полной мощности. При самом малом передаточном отношении вариатора эта доля доходит до 60%, а при самом высоком – всего до 5%. Остальная мощность идёт напрямую – через вал и зубчатую передачу, имеющую КПД не ниже 98%. А спецификой планетарного вариатора является то, что его КПД тем выше, чем меньше передаточное отношение, и при передаточном отношении, например, равном единице, КПД равен 100%. Поэтому, при прохождении через планетарный вариатор 60% мощности вместо 100%, потери в нём несколько падают, но добавляются потери от зубчатых передач. В результате КПД планетарного вариатора практически равен КПД супервариатора, что-то около 96%. Но при высоком передаточном отношении, когда КПД планетарного вариатора невелик и практически равен КПД обычного (непланетарного) вариатора, через него протекает всего 5% мощности и потери в нём ничтожны. Поэтому КПД супервариатора в этом режиме, несмотря на невысокий КПД базового вариатора, очень высок, и практически равен 97%. А этот режим работы особенно важен для гибрида, так как при нём достигается максимальная скорость автомобиля. Такая трансмиссия, включающая базовый планетарный вариатор, на который Н.В. Гулиа выдан целый ряд патентов, в том числе в Китае, США, России и некоторых странах Европы, и дифференциальную часть, названная супервариатором, по сложности и размерам близка к гидромеханической коробке передач той же мощности. Но это при диапазоне варьирования до 30-ти и КПД не менее 95%, что ранее считалось недостижимым для бесступенчатых трансмиссий.

Сравним в количественном отношении потери энергии (переход её в тепло, разумеется!) в гибридном силовом агрегате наиболее распространённого типа – с электрохимическим накопителем и электротрансмиссией, и в таковом с маховичным накопителем с механическим отбором мощности и супервариатором. При этом специфика работы автомобильного гибрида состоит в том, что при передаче энергии через привод в накопитель, а затем использовании этой энергии для движения автомобиля, что наиболее ярко проявляется при рекуперативном торможении – типичном режиме работы гибридного автомобиля, потери энергии складываются. Короче говоря, при расчете и определении потерь энергии, КПД привода и накопителя надо возводить в квадрат.

Приведём краткий расчёт потерь энергии в двух вышеназванных гибридных силовых агрегатах автомобиля. Например, при КПД системы генератор-двигатель, равном 85% и КПД процесса экстренной зарядки или разрядки электрохимического накопителя, равном 90%, общий КПД их без учёта всех других потерь равен их произведению, т.е. 76,5%. А в цикле зарядки-разрядки накопителя это значение КПД надо брать в квадрате, что составит уже 58,5%. Это очень низкий показатель для гибридного силового агрегата, но он таков, так как в этом случае через привод, а именно через бесступенчатое его звено (генератор-двигатель) проходят полные величины передаваемых энергии и мощности.

Определим теперь величины потерь энергии при наличии в гибриде маховичного накопителя с механическим отбором мощности и трансмиссии в виде супервариатора. КПД процесса зарядки и разрядки маховичного накопителя с понижающим планетарным редуктором (смотри следующий раздел) около 97%, а в квадрате это составит 94%. КПД супервариатора, если взять его минимальное значение, составит 95%, а в квадрате это 90%. С учётом КПД накопителя в квадрате 94% общий КПД составит 85%. То есть общие потери энергии в первом случае, когда КПД гибрида был 58,5% составляют 41,5% общей энергии, а во втором случае, когда КПД гибрида был 85% - 15%. Снижение потерь в 2,8 раза, почти троекратное!

Если говорить о компоновке гибрида, то маховичный накопитель располагается в любом удобном месте под полом автомобиля (автобуса) и связан с первичным валом супервариатора карданной передачей. Если позволяет место, то супервариатор выполняется в одном блоке с маховичным накопителем. Выходной вал супервариатора связан с главной передачей автомобиля.

Моделирование работы городского микроавтобуса, массой до 3,5 тонн с гибридом, включающим маховичный накопитель с супервариатором, а также специально отрегулированный дизельный или бензиновый двигатель, показало снижение расхода топлива в городском цикле движения в 2…2,5 раза, а в «пробках» - до 4-х раз. На более тяжёлых машинах расход топлива снизится ещё больше.

Системы с разделением потоков мощности могут применяться и в случае использования в качестве бесступенчатого звена не только вариатора, но и электро- и гидропривода. Тогда электро- и гидромашины будут иметь значительно, в разы, меньшие габаритно-массовые показатели, чем в случае прохождения полных мощностей. И меньшие величины энергий, проходящие через эти машины, вызовут значительно меньшие потери. Дополнительным преимуществом здесь является и то, что типоразмеры электро- и гидромашин, необходимые для гибрида, производятся серийно, и могут быть приобретены. Отметим, что эти машины объединены друг с другом, двигателем, а также с накопителем, дифференциальными механизмами с разделением потока мощности, позволяющими оптимизировать её распределение между этими агрегатами. Но габаритно-массовые показатели и стоимость гибрида с электро- и гидромашинами побольше, а экономичность – практически та же, что у гибрида с супервариатором.

Описанный выше автомобильный гибрид запатентован, патент РФ №2357876, 10.06.09, Гибридный силовой агрегат транспортного средства, автор – Н.В.Гулиа. Изобретение предполагается патентовать в основных зарубежных странах.

4. Маховичный накопитель для гибрида в сравнении с накопителями других типов

Имеет смысл сравнивать маховичный накопитель только с накопителями электроэнергии, так как гидрогазовый накопитель сильно проигрывает этим двум типам накопителей и по удельной энергоёмкости и по КПД.

Из накопителей электроэнергии здесь рассматриваются только те, которые могут иметь применение в автомобильных гибридах. Заглядывая в ближайшую перспективу, заметим, что здесь целесообразен опять же «гибрид» из электрохимических накопителей (вероятнее всего литий-ионных и никель-металлогидридных) и ионисторов (суперконденсаторов). Электрохимические накопители имеют достаточно высокую удельную энергоёмкость – примерно до 50…100 Вт-ч/кг, но за несколько секунд рекуперативного торможения накопитель примет лишь ничтожную часть заряда, к тому же с невысоким КПД. А ионистор, хотя и имеет на порядок меньшую удельную энергоёмкость, но он воспринимает высокие мощности зарядки-разрядки при рекуперативном торможении и последующем разгоне автомобиля. Поэтому «гибрид» из упомянутых двух накопителей электроэнергии является наиболее рациональным решением, что отмечается рядом публикаций по автомобильным гибридам. Правда, такой «гибрид» накопителей, кроме положительных, наследует от составляющих его устройств и отрицательные качества. Например, «эффект памяти», узкий диапазон температур эксплуатации, малую долговечность, опасность перезарядки и глубокой разрядки и другие - у электрохимических накопителей, и резко изменяющуюся характеристику по напряжению при зарядке-разрядке, трудности последовательного соединения для повышения рабочего напряжения, а также другие недостатки - у ионисторов. А в довершение всего – взрывоопасность ионистора, ведь это – маленькая «бомбочка», готовая взорваться при коротком замыкании или механическом повреждении.

Но о накопителях электроэнергии много написано, и с их характеристиками легко ознакомиться. Хуже обстоят дела с объективной информацией по маховикам и современной их разновидностью – супермаховикам. Поэтому информация специалистов, некоторые из которых занимались их расчетом, проектированием, испытаниями и созданием новых конструкций ещё с начала 60-х годов прошлого века, может быть полезной. К тому же, как полагают патентоведы, первый супермаховик – маховик, навитый из высокопрочных проволок или волокон с натягом на упругий центр на связующем и обладающий безопасным выходом из строя – изобрёл один из авторов этой статьи – Н.В.Гулиа (Авт. свид. СССР №1048196 с приоритетом 15.05.1964).

Супермаховик, навитый из углеродных волокон – карбона – имеет удельную энергоёмкость около 500 Вт-ч/кг. Это – самая высокая удельная энергоёмкость для любых накопителей энергии. Введение в углеродное волокно (например «Зайлон») нанотрубок углерода позволяет существенно увеличивать прочность волокна. Например, введение всего 10% нанотрубок увеличивает прочность волокна, а следовательно, и удельную энергоёмкость супермаховика на 60%. Изготовление же супермаховика из волокна, состоящего из «склеенных» между собой нанотрубок («суперкарбона», пока ещё очень дорогого) может повысить его удельную энергоёмкость до фантастических величин – свыше 10 кВт-ч/кг! Но такая высокая удельная энергоёмкость супермаховика излишня для накопителя гибрида, ибо тогда масса его будет измеряться граммами. Считаем, что маховик накопителя должен иметь удельную энергоёмкость, равную таковой у электрохимического накопителя, но удельную мощность при этом в десятки раз большую, даже, чем у ионисторов. Это необходимо для экономичного восприятия больших мощностей при рекуперативном торможении в малой массе накопителя, подобранного по показателю энергоёмкости.

На наш взгляд, маховичный накопитель с полезной энергоёмкостью 400 Вт-ч идеален для гибридной силовой установки городского автомобиля (микроавтобуса) массой до 3,5 тонн. Во сколько раз тяжелее автомобиль (при том же его рабочем цикле), во столько же раз примерно надо увеличивать энергоёмкость маховика его гибрида. Такой маховик можно было бы изготовлять составным из набора штампованных дисков равной прочности, используя в качестве материала мартенситно-стареющую сталь. Эта сталь, обладающая очень высокой прочностью при достаточной вязкости и нечувствительности к концентраторам напряжений, является, по заключениям специалистов, прекрасным материалом для монолитных маховиков. При удельной энергоёмкости в 50 Вт-ч/кг для накопления упомянутых выше 400 Вт-ч потребуется маховик массой около 10 кг при диаметре 0,3 м, что вполне приемлемо. Однако частота вращения такого маховика будет не 60000 об/мин, как в системе KERS, а вдвое-втрое меньше. Подшипники – каскадные, состоящие из обычных шариковых с консистентной смазкой, среда в корпусе – водород или гелий при давлении 1кПа, уплотнение – магнитожидкостное. Такой накопитель из штампованных монолитных маховиков и разрабатывает наш коллектив авторов (что несколько парадоксально для коллектива с участием изобретателя витых супермаховиков!), для автомобильного гибрида, памятуя, что технология должна соответствовать автомобилестроению, а не, например, космической технике. Конечно, супермаховик относительно безопасен при случайном разрыве, но достаточно толстая защита ему всё-таки нужна. Наш же маховик, благодаря своим конструктивным особенностям, в настоящее время патентуемым, в принципе разрывобезопасен – он автоматически стопорится при опасности разрыва.

Если по удельной энергоёмкости такой маховик близок к электрохимическим накопителям, то, как это отмечалось выше, удельная мощность у него огромна. Ведь отбор мощности осуществляется валом, который при высокой частоте вращения может передавать колоссальную мощность. Например, для рассмотренного выше маховика при частоте вращения 25000 об/мин и диаметре вала 30 мм с прочностью, равной прочности полуоси автомобиля, мощность зарядки и разрядки накопителя может превышать 2 мегаватта! Таково уж свойство маховиков, и об этом хорошо знают их разработчики.

КПД такого маховичного накопителя при кратковременной зарядке-разрядке доходит до 99%, а если между маховиком и супервариатором имеется редуктор (обычно планетарный) то КПД составит 97%. Это выше, чем у ионисторов, даже без преобразователей напряжения, и гораздо выше, чем у электрохимических накопителей. Для накопителя автомобильного гибрида общее время сохранения в нём энергии не имеет решающего значения. 400 Вт-ч – это энергия маленькой рюмки бензина, и если эта энергия даже погасится за время ночной стоянки автомобиля, проблем не возникнет. Хотя, с применением магнитных подшипников и более низкого давления в корпусе, маховик может вращаться без остановки сутками.

Долговечность маховичных накопителей заведомо гораздо больше, чем у электрохимических, быстро выходящих из строя. Ионисторы, конечно, подолговечней последних, если, их правильно эксплуатировать, не допуская повышения напряжения, коротких замыканий и механических повреждений. В последних двух случаях ионистор выходит из строя со взрывом. Долговечность же маховичного накопителя – это долговечность его подшипников. Магнитные подшипники не имеют предела по сроку службы, а у обычных долговечность в гораздо большей мере зависит от нагрузки, чем от частоты вращения. При этом заметим, что нагрузка от силы тяжести маховика массой 10…15 кг, распределённая на две каскадные опоры по четыре подшипника в каждой, поистине ничтожна. А частота вращения разделяется этими каскадными опорами надвое. Поэтому долговечность даже обычных подшипников может быть огромной.

Здесь надо отметить одно специфическое свойство маховика, которое часто недопонимается неспециалистами – гироскопический эффект. Не вдаваясь в математические описания этого эффекта, скажем только, что для реального маховика гибрида все мыслимые маневры автомобиля, особенно его резкий поворот, вызовут перераспределение реакций на колёсах, эквивалентные, например, передвижению пассажира на сидении на полметра вбок. Ввиду кратковременности гироскопических нагрузок, существенного влияния на долговечность подшипников они не оказывают, особенно при упругом, а, тем более, кардановом, подвесе маховичного накопителя.

Выводы

1. Использование маховичного накопителя с механическим отбором мощности вместо накопителей любых других типов, в гибридном силовом агрегате автомобиля позволит существенно, в разы, снизить потери энергии при работе гибрида, особенно при рекуперативных торможениях.

2. Наилучшие габаритно-массовые и экономические показатели гибрида с вышеупомянутым накопителем может обеспечить трансмиссия, включающая супервариатор на основе планетарного вариатора и дифференциальных механизмов.

3. Маховичный накопитель с механическим отбором мощности по показателям удельной энергоёмкости и КПД превосходит накопители всех других типов, а по удельной мощности это превосходство больше, чем на порядок.

Статья из номера: АИФ №21 от 20 мая 09

Май 20th, 2009

****

Супермаховик профессора Гулиа:

простой кусок  железа

поможет сэкономить горючее

http://www.aif.ru/auto/article/26909

Автор:
Дмитрий Писаренко

Через 5-10 лет, уверен российский учёный, большинство автомобилей будут ездить на изобретённой им силовой установке. Ведь она даст экономию в 2-2,5 раза

Специалистам в области механики не надо представлять Нурбея Гулиа. Доктор технических наук, профессор Гулиа один из тех наших инженеров, кого прекрасно знают на Западе. Ещё в 60-е годы прошлого века он задался целью сделать автомобиль, ездящий за счёт изобретённого им супермаховика. Что это такое? Маховик, как известно каждому школьнику, - это тяжёлый диск, который, вращаясь, запасает механическую энергию. Чем быстрее он крутится, тем больше энергии набирает. Но при определённой скорости вращения диск разрывается на куски - вот в чём проблема. Молодой советский инженер Нурбей Гулиа предложил сделать «начинку» маховика из витков тонкой стальной ленты. Оказалось, что благодаря этому механизм становится прочнее и безопаснее. А если поместить его в вакуум да закрепить на магнитной подвеске, ещё и сопротивление среды сведётся к минимуму. Раскрученный до 20 тыс. оборотов в минуту, такой диск может вращаться сутками.

Рюмка бензина

Энерги можно тратить, а можно экономить. Или переводить из одного вида в другой подобно тому, как мы переводим рубли в доллары и обратно. Наконец, можно просто накапливать - как вклад в банке, только беспроцентный… Автомобиль с бензиновым двигателем - тот ещё транжира: он сжигает топливо везде - на скоростной трассе и в пробке. При одном лишь торможении ваша машина съедает 80-100 г горючего. Этой рюмки бензина хватило бы на три километра пути, а так энергия вылетает в воздух в виде тепла.

«КПД может опуститься практически до нуля, ведь режим работы двигателя в условиях пробки самый неблагоприятный, - утверждает Нурбей Гулиа. - Куда же девать энергию, пока мотор работает вхолостую? Запасать впрок. При торможении энергия переходит в маховик, установленный под полом машины, и тот начинает вращаться быстрее. И дальнейший старт можно осуществлять за счёт этой сохранённой энергии. Двигаться в пробке - тоже за счёт маховика. Двигатель включится сам, когда энергии уже начнёт не хватать. В итоге - оптимальный расход топлива, 50-75% экономии. И 10-кратное снижение токсичности выхлопов».

Сейчас по аналогичному принципу работают гибридные автомобили, которых в мире довольно много, - они могут ездить и на бензине, и на электричестве, в зависимости от дорожной ситуации. Но недостатки «гибридов» хорошо известны: аккумуляторы надо часто менять, утилизировать их хлопотно, к тому же в них используются дефицитные металлы. Гулиа называет ещё одну проблему: «При переводе энергии из одного состояния в другое неизбежны её потери. Когда механическая переходит в электрическую, а потом наоборот, приходится платить «налог» в виде утечек тепла. Поэтому, раз уж двигатель даёт энергию вращения, а колёса «потребляют» её в том же виде, лучше, чтобы и накопитель был механическим, то есть обычным маховиком».

Чистая механика

«Главная трудность в том, чтобы сделать особый привод, то есть совокупность механизмов, которая при передаче энергии на маховик и обратно обеспечила бы высокий КПД, - поясняет Виталий Давыдов, один из учеников Гулиа, вместе с ним работающий над проектом. - Раньше этого не удавалось добиться, но сейчас у нас есть ряд ноу-хау. Так что создание гибридного силового агрегата не за горами».

Такой агрегат можно будет поместить на любое авто, что легко сделать даже в условиях автомастерской. За безопасность изобретатель ручается: маховик имеет форму цилиндра, а не диска, закреплён он надёжно, запас прочности большой. Да и в случае аварии этот кусок железа слегка разогреет сам себя, не более того.

«Знаете, многие скептически воспринимают саму идею. Здесь же нет высоких технологий, это механика в чистом виде, - улыбается Нурбей Владимирович. - Но отсюда и низкая стоимость, и прочие плюсы. Все автомобили рано или поздно перейдут на такой силовой агрегат, это неизбежно».

Статья “Электропривод будущего”

Январь 9th, 2009

След. »

Архивы

Рубрики

Хостинг Majordomo.ru