Иногда комментаторы могут угадать будущий текст….
Правда реальность куда проще и прозаичнее описанных догадок. Об этом и будет данная статья, развивая логику предыдущей темы КПД..
Если говорить в общем о КПД автомобиля как системы, то сразу виден большой масштаб потерь которые только сейчас решили попытаться «обнулить».
И основным процессом для оптимизации выбрали процесс торможения. Помимо традиционного фрикционного, где кинетическая энергия просто преобразуется в трение и тепло были и другие…
Например, широко известный процесс торможения двигателем.
У ДВС этот процесс вызывает множество споров об эффективности. Практика показывает что для инжекторных моторов действительно существует определенная экономия топлива и даже некоторое падение рабочей температуры(в случае перегрева)..
Причиной этому служит сам алгоритм впрыска топлива при торможении двигателем, где электронный блок управления на основе данных температуры поступающего воздуха; температуры охлаждающей жидкости; частота вращения коленчатого вала; степени открытия дроссельной заслонки; замера массового расхода воздуха и объемной доли кислорода в выхлопных газах точно рассчитывает необходимое количество, время впрыска, как и угол опережения зажигания.
На карбюраторных машинах эту функцию выполняет ЭПХХ(Экономайзер принудительного холостого хода), но не у всех машин, поэтому иногда действительно работа двигателя на холостом ходу была экономичнее.
У электромотора процесс торможения двигателем изначально ранее проходил… без рекуперации. «Лишняя» энергия просто уходила на нагрев реостатов. Экономию тут можно было увидеть лишь при каком либо попутном использовании этого тепла.
У парового привода автомобилей, как и у паровозов была возможность включения обратной тяги колес. В частности у автомобилей Doble этот процесс даже широко рекламировался по причине облегчения процесса торможения в сравнении с конкурентами того времени у которых тормозной момент реализовывался часто лишь через передние тормоза (похожий процесс создания обратной тяги был и у пропеллера единственного парового самолета Airspeed 2000, а у ДВС версий того же самолета подобной функции не было)
На КПД как мы понимаем это влияло отрицательно. Ведь кроме затрат энергии на разгон были и затраты на остановку! И именно поэтому последующие паровые автомобили все таки имели сцепление для отключения мотора от трансмиссии и хорошие тормоза на всех колесах.
В наше время вопрос возврата энергии торможения был уже решен более однообразно.
1. Процесс рекуперативного торможения
Так у ДВС образцом положительного рекуперативного торможения стали как первые гибридные модели «Приуса» с последовательно-параллельной схемой работы, так и с виду обычные системы с «умным» генератором (который мог отключатся при разгоне машины и подключатся при торможении экономя топливо от 5–15 % в зависимости от манеры вождения).
«Классическое» рекуперативное торможение на гибридных автомобилях по официальным данным в сравнении с обычными ДВС могло экономить уже до 50 % топлива. А если учесть еще возможность заряда батареи гибрида от сети(Plug-in hybrid) при отдельных режимах эксплуатации и того больше(если не брать в учет происхождение энергии).
Если учесть что в городских условиях вождения от 30% до 50% энергии движения расходуется на процесс торможения при 70% КПД системы рекуперации может показаться что остаток для извлечения пользы уже небольшой, но как всегда есть определенные нюансы.
Так у гибридных машин батарея при осуществлении процесса рекуперации сильно зависит от температурных режимов работы. При выходе за пределы как низких и высоких температур рекуперация просто не осуществляется… т. е. КПД потенциального процесса равен нулю.
Так же есть четкие ограничения по емкости АКБ и выше определенного предела заряда заряд не осуществляется. Это приводит к тому что даже при наличии возможности заряда КПД процесса вновь становится нулевым. Поэтому наибольший эффект рекуперации у «гибридов» наблюдается в городских условиях при частых остановках и небольших пробегах между ними когда АКБ не успевает достичь 100% заряда.
И последний фактор — износ АКБ. Он влияет уже непосредственно на сам процесс приема и отдачи заряда снижая максимальную мощность и увеличивая время необходимое для приема рекуперативной энергии. Таким образом даже при наличии энергии от торможения не вся мощность может быть направлена в АКБ. Попутно устаревание батареи негативно влияет и на скорость роста температуры, и снижает остаточную емкость.
У Электромобиля результат работы рекуперации скромнее. Прирост пробега, а следовательно и экономия-КПД всего 15-20% при определенных условиях эксплуатации. Разумеется есть и плюсы. Так емкость большой батареи значительно выше чем у гибридного автомобиля, но в остальном лишь минусы для рекуперации..
Например, удерживать подходящий температурный режим АКБ для рекуперации в холодное время года сложнее из-за больших размеров батареи и отсутствия тепловой «поддержки» ДВС. По той же причине деградация АКБ в среднем выше чем у гибридов, так как батарея в основном работает в тяговом режиме, а не буферном. В следствии двух перечисленных факторов не удивительно что эффект от рекуперативного торможения даже владельцы «Теслы» не всегда замечают как существенный фактор повышения пробега.
Исключение составляют лишь условия движения за городом в холмистой местности где сочетание большой массы электромобиля и большой емкости АКБ способствует максимальному эффективности рекуперативного торможения. .
Паровой привод. Исключительно по причине «древности» технологии электрическое рекуперативное торможение так и не было применено в этих машинах. Хотя можно точно утверждать что в начале 20 столетия аналоги электрические и бензиновые так же его не применяли.
Поэтому в данном случае можно рассуждать лишь только теоретически..
Например, подходит ли технология «умного» генератора для применения в условном паромобиле «Добла» или «Стенли»? Безусловно да! Схема взаимодействия мотора и работы электрической части тут идентичны ДВС, Значит экономия может возрасти от пессимистичных 3% до 15%.
А гибридный привод схожий с применяемым у «Приуса»? Тут может возникнуть множество вопросов лишь по тому что оба привода «равны» по возможностям крутящего момента и КПД по всей линии роста оборотов, а значит чем большую роль будет играть электромотор тем меньше мощность(а следовательно и размеры) требуется от паровой установки.
Фактически тут необходимо определить грань между требуемой паровой и электрической мощностью.
Естественно возникнет вопрос КПД! У ДВС цикла Аткинсона он формально выше, а значит паро-электро-кар будет хуже?.
В определенном смысле это может быть правдой, если не учитывать роста КПД рекуперации в случае «скрещивания» парового и электрического приводов, и того же заряда АКБ от сети.
А вот рост КПД рекуперации можно получить именно за счет использования энергии рекуперативного торможения в случаях невозможности заряда АКБ на фактический подогрев воды для парового привода. КПД процесса может быть небольшой, но он все равно будет выше нуля в сравнении с ДВС-версией гибридного привода.
Тот же эффект роста КПД возможен при зарядке «от сети», когда будет не только АКБ получать заряд, но и паровой котел. Таким образом если сравнивать паро-электрический и ДВС-электрический симбиоз можно будет сказать что первый более равноправный, в отличие от второго(где это больше похоже на «временные костыли» перед переходом к полноценному электромобилю)..
2. Альтернатива электрической рекуперации.
Однако не только электрическим приводом единым возможен возврат энергии торможения. Ведь как мы знаем лития на всех может и не хватить? Поэтому в наше время можно найти и другие варианты.
У ДВС это технология пневмо-электрического привода Hybrid Air от PSA.
Концепция Hybrid Air представляет собой гибрид двигателя внутреннего сгорания и гидравлического двигателя — насоса..
В качестве баков для альтернативного топлива в центральной части авто и под пространством багажника установлены два баллона: который побольше — для низкого давления; а тот, что поменьше, соответственно для высокого. Изначально роль ускорения автомобиля будет брать на себя ДВС, а после набора скорости в 70 км/ч в работу будет включатся гидравлический двигатель. Посредством этого самого гидравлического двигателя и планетарной трансмиссии энергия сжатого воздуха будет превращаться во вращательное движение колёс. Кроме того система рекуперации энергии тут будет включатся во время торможения за счет того что гидравлический мотор будет выступать в роли помпы, и закачивать воздух в баллон низкого давления..
Инженеры компании заявляют что автомобиль с гибридной установкой Hybrid Air, даже несмотря на большую на 100 кг по сравнению с традиционным вариантом лишь с ДВС, будет иметь показатели топливной экономии на уровне не менее 45% при том что заявляется что потенциал технологии все еще не до конца определен, и может быть выше этих параметров.
При таких параметрах может возникнуть вопрос недостатков такой системы, а они существенны. Так как пневмодвигатель — полная противоположность двигателю внутреннего сгорания, то на выхлопе у такой системы возникает сильное переохлаждение мотора отчего для сохранения работоспособности при температурах уже +10 необходимо осуществлять принудительный подогрев воздуха. Еще одним недостатком является низкая плотность энергии, то есть количество вырабатываемой энергии на единицу объема рабочего тела. В сравнении с бензином ниже в 200 раз!.
И к тому же низкий КПД около 5-7% (если не учитывать использование энергии охлаждения когда выхлопной воздух (до -15 гр.) использовали для помощи стандартному кондиционеру в машине).
Еще один существенный недостаток — дегидратации воздуха для работы системы. Если в сжатом воздухе будет хотя бы капля жидкости, то из-за сильного охлаждения при расширении рабочего тела она превратится в лед, и двигатель просто заглохнет (или даже потребует ремонта). Обычный летний воздух содержит примерно 10 г жидкости на 1 м 3 , и при наполнении одного баллона нужно затратить дополнительную энергию (около 0,6 кВт ч) на дегидратацию — причем эта энергия невосполнима.
Простота, надежность и высокая ремонтнопригодность привода, как и возможной рекуперации тут по-прежнему все еще не перевесила минусы, и поэтому об применении этой технологии на автомобилях массово ничего не слышно.
Исключение составляют лишь пневматические системы запуска ДВС, и гидро-пневматические системы HydroDrive для грузовых автомобилей имеющих ограниченную функцию рекуперации.
У электромобилей замена рекуперации обычной на пневматическую кажется невозможной на данный момент. И действительно откуда у электромобиля может взяться столько тепла для работы системы, и главное зачем?
Но на перспективу если рассмотреть внимательнее концепцию дооснащения второго поколения Tesla Roadster технологией пневмо-ускорителей от «Space X» все выглядит не так однозначно..
По словам Маска в новом электрокаре использующем системы двигателей холодного газа Space X будут металлокомпозитные баки высокого давления которые будут размещаться на месте заднего сиденья Roadster, а заряжаться от АКБ.
На первый взгляд ни слова о рекуперации… но вот если задуматься о каждом последующем рекуперативном торможении машины при котором энергия будет перетекать в закачку воздуха в баллоны? И это при том что сама рекуперация во многом будет зависима от параметров предельного заряда АКБ который благодаря повышенной нагрузке в большинстве случаев без такой системы мог бы быть достигнут быстрее?.
Разумеется не всегда заряд сжатым воздухом можно будет назвать «рекуперацией», но определенный процент такой зависимости все же будет иметь место. .
Паровой привод в плане альтернативной рекуперации прямых примеров не имеет, но во многом схож с ДВС по части использования. Одно из наиболее частых функций пневмопривода у паровых моторов был запуск парового двигателя.
Так как двигатели, использующие сжатый воздух или другие газы, отличаются от паровых двигателей только деталями, которые зависят от природы газа, то сжатый воздух использовался в паровых двигателях без доработок.
В 1974 году компания SAAB начала проект под кодовым названием ULF (сокращение от utan luftföroreningar, по-шведски «Без загрязнения воздуха») результатом работы которого было создание парового мотора с мгновенным запуском за счет использования воздуха, сжатого и хранимого во время работы автомобиля в баллонах, для питания автомобиля при запуске до тех пор, пока не будет создано достаточное давление пара. Информации по поводу рекуперации в данном случае не было, но по факту это можно считать первым примером гибридного привода паромобиля.
В наше время уже если рассуждать теоретически можно было бы организовать как рекуперацию по примеру концепции Hybrid Air, так и сбор конденсата при дегидратации воздуха для восполнения потерь воды. Особенно в жаркое время когда работа такого гибридного привода имела бы максимальный смысл.
Тем более что нагрев воздуха в данном случае мог бы осуществляться сразу за счет горелки парового мотора что сняло бы температурные ограничения использования привода для постоянной работы системы, а не только для пуска. А если учесть охлаждающий эффект для повышения КПД конденсатора всей системы парового привода, то КПД пневмо-привода можно было бы повысить на постоянной основе.
Таким образом для активного использования в движении паровой гибридный привод имел бы выбор систем рекуперации в зависимости от условий использования и цены доработки.
При недвижимом состоянии так же можно было бы найти ряд преимуществ.
3. Автомобиль как источник… энергии и тепла для дома.
ДВС традиционно может производить электроэнергию и тепло как в движении, так и на стоянке дома. Обычно эта функция не востребована, но в случае отказа стационарной электросети бывает полезна.
Именно эту функцию сейчас в полной мере могут использовать гибридные автомобили после проведения небольшой адаптации домашней электросети и автомобиля.
В частности Toyota Prius Plug-In Hybrid при тестировании показала что энергии полностью заряженной батареи Prius PHV с полным баком бензина, должно хватить на снабжение среднего японского домохозяйства в течение четырёх дней (это около 10 кВт/ч). Кроме того, энергия батарей подключаемых гибридных машин может использоваться для питания домов во время пиковых нагрузок на энергосистему, тем самым не только сглаживая нагрузку, и сокращая вероятность веерных отключений из-за перегрузок.
В теории конечно можно использовать и тепло «печки», если находится в машине во время работы двигателя.
У электромобилей функция передачи электроэнергии в обратном направлении более популярна.
В разное время об внедрении возможности питания энергосети от батареи электромобиля с помощью технологии Vehicle-to-grid (V2G) заявляли в Tesla, Nissan, Volvo, Hyundai, Lucid и многие другие…
Сроки и объемы снабжения тут уже, как правило, зависят от емкости батареи потому не могут быть более однозначными..
Так электромобиль Ford F-150 Lightning может питать дом в течение трех дней (при емкости АКБ 131 кВт·ч). Так же как гибридный автомобиль он сможет и генерировать тепло внутри салона что в критической ситуации может быть актуально.
Паромобили… могут обеспечить сразу три варианта снабжения дома, но в начале 20 века их чаще использовали ночью только как пункт обогрева дома, чтоб не глушить котел зимой..
Электрогенерацию тут можно обеспечить так же как и у остальных машин, но при этом формально может не зависеть от конкретного топлива для работы.
Производство тепла попутно обеспечиваемое за счет работы можно использовать в салоне машины и за ее пределами.
Так как особенностью пармообиля является сам факт производства тепла для обогрева с помощью генерации пара..
КПД парового отопления выше за счет отсутствия потерь на прокачку рабочего тела и меньших размеров труб и попутных теплопотерь. Все это в теории позволяет при наличии паровой системы отопления дома подключать котел паромобиля напрямую к дому, и уже отапливать все помещения здания. И даже есть возможность обойтись и более дешевыми решениями благодаря использованию пароводяных систем отопления, где пар будет передавать тепло жидкости.
P.S. — Больше всего удивляет в изучении паровых машин не их практически полное забвение на уже более полувека истории транспорта, а то как просто и непринужденно они теоретически способны решать проблемы настоящего сейчас, без каких либо дополнительных уникальных сложных разработок и систем. Все уже есть — осталось лишь совместить…
