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 примеру, 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.

Узкое горлышко

Наиболее популярной концепцией в гибридостроении последнего времени стали так называемые Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV) гибриды, комбинирующие основной электромотор постоянного тока и вспомогательный двигатель внутреннего сгорания, который заряжает электрический аккумулятор. Главным элементом технологии является компактный и емкий литий-ионный аккумулятор, который можно заряжать от обычной бытовой электросети, как ноутбук или сотовый телефон. Большую часть времени, особенно если дневной пробег не превышает 60 км, PHEV гибрид приводится в движение электромотором.

Однако литий-ионная батарея не способна обеспечить передачу большого объема энергии в коротком временном интервале, что необходимо для интенсивного ускорения, равно как и для полного усвоения энергии торможения. Она похожа на пузатый кувшин с очень узким горлышком, который одинаково трудно и быстро наполнить, и быстро опорожнить. Пиковые нагрузки вызывают быстрый перегрев всего узла и потери энергии. Для создания скоростных электромобилей используются дорогие обходные технологии с использованием суперконденсаторов. Аккумулятор Валентина, напротив, похож на тарелку для супа. Он быстро наполняется энергией и способен мгновенно отдавать любые ее порции. Все дело в размере вашей ложки!

Изюминка мотора Ingocar

Изюминка мотора Ingocar — экстремальные значения давления на впрыске. Классические форсунки в системе заменены шестнадцатью отверстиями диаметром всего 0,025 мм, расположенными на внутренней стенке камеры сгорания в виде кольца. Топливо в них поступает из общего тракта, как в современной дизельной технологии Common Rail. Давление на впрыске достигает 3500 бар и создает практически однородное топливовоздушное облако, что позволяет добиться наиболее полного и эффективного сгорания топлива. Для изготовления узла применяется специальный сплав с низкой теплопроводностью. Интервалы поступления смеси в камеру сгорания регулируются компактным гидравлическим механизмом с электронным управлением. Энергия выхлопных газов вращает не только крыльчатку турбонагнетателя, но и вал электрогенератора для питания бортовой электроники.

Один в поле воин

Инго Валентин — профессиональный инженер-разработчик гидравлических систем. Свою карьеру он начал в далеком 1967 году в исследовательском центре немецкой компании Hydromatik. За 11 лет Инго удалось создать гидравлический двигатель абсолютно нового типа и получить бесценный опыт самостоятельной исследовательской работы. В 1978 году он переехал в Америку, где до 1982-го работал по специальности в одной из технологических компаний. В 1982 году Инго создал собственный бизнес, связанный с разработкой различных гидравлических механизмов. Профессиональный интерес к применению эффективных гидравлических узлов в конструкции автомобилей возник у него в середине 1980-х годов. Итогом последующей пятнадцатилетней работы стали два запатентованных изобретения — оппозитный одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания со свободным поршнем и гидростатический мотор-колесо оригинальной конструкции. Они составляют основу новаторской концепции дизель-гидравлического гибрида Ingocar. Всю работу Инго сделал в одиночку. Лучшие эксперты признали расчеты и выводы Валентина правильными, а независимая американская ассоциация New Energy Congress включила проект Ingocar в список ста самых перспективных современных технологий по энергосбережению.

Подтверждено экспертами

«Как профессиональный инженер я считаю концепцию Инго Валентина безукоризненной, а ожидаемое снижение энергозатрат реалистичным». Профессор Ричард Э. Кронауэр, Гарвардский университет, США. Независимая экспертиза системы впрыска двигателя Инго Валентина проведена доктором Скоттом Голдсборо из Университета Маркетт, ведущим в мире экспертом по процессам HCCI (образование гомогенной топливовоздушной смеси в камере сгорания). В 1999 году он был удостоен специальной премии Общества автомобильных инженеров (SAE) имени Харри Л. Хорнинга за исследования в этой области.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№66, апрель 2008).