Заголовки появляются постоянно. Каждый раз, когда выходит новая гибридная модель или происходит её незначительное обновление, пресса приходит в восторг от дробного прироста эффективности. Это маркетинговый шум. Чистый и простой. Но не закатывайте глаза. Когда речь идет об экономии энергии и сокращении выбросов, каждая малая доля улучшения действительно имеет значение. Математика не лжет.
Тем временем, пока индустрия была заната полировкой хрома и настройкой топливных карт, немецкий инженер доктор Хюттлин работал в тени. Его команда в Innomot AG работала над этим еще до того, как гибриды перешли из статуса «хитрой технологии» в «крутую фишку», а затем в «скучный стандарт». Их результат настолько странен, что кажется научной фантастикой. Это сферический алюминиевый двигатель. Шар. Который приводит в движение ваш автомобиль.
Дебют kugelmotor
Он вышел на главную сцену на Женевском автосалоне в марте 2011 года. Пока другие стенды демонстрировали кабели для подзарядки от сети и аккумуляторные блоки, экспозиция доктора Хюттлина представляла собой блестящий сферический блок двигателя. Это привлекло толпу. Люди хотели знать, как сфера вообще может работать как двигатель внутреннего сгорания.
Наука, стоящая за сферическим двигателем Хюттлина, кажется надежной, даже если форма противоречит обычной автомобильной логике.
Здесь нам нужно отбросить скептицизм. Сфера не имеет поршней. Нет коленчатого вала. Нет распределительных валов. Это радикальный отход от двигателя внутреннего сгорания (ДВС), который мы использовали на протяжении более века. Но если вы можете принять premise, что круглый двигатель жизнеспособен, статистика удивительно впечатляющая. Устройство, часто называемое kugelmotor, обещает заполнить пробел между чисто электрическими автомобилями (EV) и традиционными бензиновыми машинами способом, который никто не предвидел.
Почему важны генераторы-удлинители запаса хода
Главная проблема ранних электромобилей заключалась не только в химии аккумуляторов. Это была инфраструктура. Вы не могли подключиться к зарядке везде. Вы не могли заправиться за три минуты. Это создавало «тревогу за запас хода». Страх, что ваш автомобиль остановится посреди ничего.
Генератор-удлинитель запаса хода решает эту проблему. Это небольшой генератор на борту, который заряжает батарею во время вождения. Вы получаете нулевые выбросы при вождении электромотора. Вы получаете мгновенный крутящий момент. Но у вас также есть резервный бензиновый двигатель, который включается, когда заряд садится.
Двигатель Хюттлина разработан как идеальный генератор-удлинитель запаса хода. Он улучшает типичную эффективность гибридов. Он легче. Он сжигает топливо более чисто. Он снижает воздействие на окружающую среду на милю. Устранив страх оказаться в безвыходном положении, он может заставить рынок принять электрические автомобили на их собственных условиях.
Как работает сферический дизайн
Большинство двигателей линейны. Поршни двигаются вверх и вниз. Шатуны преобразуют это движение во вращение. Это создает вибрацию. Механические потери. Тепло.
Двигатель Хюттлина использует другой подход. Внутри сферической камеры вращается ротор. Нет возвратно-поступательных частей. Это означает меньше трения. Меньше веса. Сгорание происходит более контролируемым и непрерывным образом.
Это не просто трюк. Тепловая эффективность выше, чем у традиционных двигателей. Выбросы выхлопных газов ниже. И поскольку он настолько компактен, его можно сочетать с большой батареей, не занимая место в багажнике и не добавляя излишний вес шасси.
Состояние гибридных технологий
Мы находимся в точке перелома. Гибриды продаются хорошо. Электромобили продаются хорошо. Но у обоих есть недостатки. Гибриды все еще полагаются на бензин. Электромобили все еще полагаются на дефицитные сети зарядки. Двигатель Хюттлина предлагает средний путь. Это решение для возобновляемой энергии, которое не требует от вас изменения привычек вождения.
Ожидал ли кто-то, что шар заменит поршень? Вероятно, нет. Но если физика подтвердится, это может стать недостающим звеном для массового внедрения электрификации. Двигатель дебютировал в 2011 году. Разработка шла медленно. Скептицизм высок. Но потенциал есть.
Если эта технология масштабируется, определение «гибрида» изменится. Это перестанет быть компромиссом. Это станет превосходным вариантом. Вопрос в том, сможет ли Innomot AG
Большинство людей, увидев сферический двигатель, предположили бы, что это реквизит из фильма с отменённым научным бюджетом. Он выглядит нелепо. Он выглядит нестабильно. Кажется, что он развалится на части при малейшем касании поршня.
Но доктор Хюттлин не проектировал сферический двигатель Хюттлина для работы в одиночку. Он спроектировал его в качестве генератора для увеличения запаса хода.
Это различие имеет значение. Генератор для увеличения запаса хода — это не основной силовой агрегат в гибриде. Это резервный генератор. Он включается, когда заряд батареи опускается ниже определённого порога, вращая генератор, чтобы вернуть электроны в электромотор. Именно такая конструкция отличает гибридный автомобиль с возможностью подзарядки от сети (PHEV) от полностью электрического автомобиля (EV). Без неё вы привязаны к зарядному устройству. С ней вы получаете запас хода.
Страх перед разрядом батареи (range anxiety) — это самый большой барьер на пути к внедрению электромобилей. Сферический двигатель Хюттлина был создан для решения этой проблемы с помощью геометрии, которая противоречит традиционной автомобильной инженерии.
Как работают традиционные генераторы для увеличения запаса хода
Чтобы понять, почему шар лучше блока, нужно посмотреть на то, что мы используем в настоящее время. Ранние гибриды полагались на двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Бензиновый двигатель вращает вал. Этот вал приводит в действие генератор. Генератор вырабатывает электричество. Электричество приводит в движение колёса.
Это неэффективно. Есть трение. Есть тепловые потери. Есть вибрация.
Современные гибриды усовершенствовали этот процесс. Некоторые из них отдают приоритет экономии топлива, стараясь как можно чаще выключать бензиновый двигатель. Другие поддерживают его работу на постоянных оптимальных оборотах, чтобы максимизировать выходную мощность генератора. Большинство всё ещё используют поршни и коленчатые валы, поскольку эта технология дёшева и хорошо изучена.
Но такая конструкция громоздка. Она требует системы охлаждения. Ей нужны замены масла. Она тяжёлая.
Доктор Хюттлин посмотрел на это и задался вопросом: почему генератор должен выглядеть как автомобильный двигатель?
Сферический дизайн: форма важнее традиций
Сферический двигатель Хюттлина отказывается от коленчатого вала. Он отказывается от блока цилиндров. Он использует сферу.
Концепция проста. Сфера вращается внутри корпуса. При вращении она действует и как двигатель, и как генератор. Нет поршней, движущихся вверх и вниз. Нет реципрокательной массы, которую нужно балансировать. Движение является чисто вращательным.
Это создаёт несколько немедленных преимуществ для генератора для увеличения запаса хода:
- Компактность: Двигатель является самодостаточным. Ему не нужны внешние связи.
- Лёгкость: Меньше движущихся частей означает меньше металла.
- Плавность: Нет взрывов. Нет вибраций. Только вращение.
- Стоимость: Более простое производство, если удастся решить проблему с уплотнениями.
Целью Хюттлина было создание устройства, которое было бы лёгким, компактным и дешёвым. Не высокопроизводительным силовым агрегатом, а надёжным вспомогательным устройством. Генератор для увеличения запаса хода не должен занимать место. Он не должен утяжелять шасси. Он должен просто сидеть там, тихо гудеть и поддерживать жизнь батареи.
Почему сфера?
Критики называют это причудливым. Инженеры называют это возвращением к первым принципам.
Традиционные двигатели неэффективны, потому что они преобразуют поступательное движение во вращательное. При этом преобразовании теряется энергия. Сферический дизайн пропускает этап преобразования. Он изначально является вращательным.
«Сферический двигатель Хюттлина отражает мысль о том, что генератор для увеличения запаса хода не должен растрачивать ресурсы гибрида».
Это не новая идея. Сферические двигатели теоретизируются уже десятилетиями. Но итерация Хюттлина — одна из немногих, которая перешла от белой доски к созданию функциональных прототипов. Дизайн бросает вызов устоявшимся нормам: как уплотнить вращающуюся сферу? Как справиться с теплом? Как управлять крутящим моментом?
Это сложные вопросы. Но потенциальная выгода заключается в том, что генератор для увеличения запаса хода будет помещаться в меньший корпус, весить меньше и иметь меньше точек отказа, чем стандартный микро-бензиновый двигатель.
Компромиссы
Путешествие не всегда гладкое. Сферический дизайн создаёт новые инженерные препятствия. Уплотнение вращающейся сферы против неподвижного корпуса затруднено. Паттерны износа сферических подшипников сложны. И хотя теория чиста, реальность производственной точности может быть дорогой.
Тем не менее, альтернативой является приверженность статус-кво. Поршневые двигатели тяжёлые. Они шумные. Они выделяют загрязняющие вещества, даже когда
Давайте пропустим вступительные рассуждения о гибридных матрицах распределения мощности. Это отвлекает. Чтобы действительно понять, что делает двигатель Хюттлина, рассматривайте его как автономный двигатель внутреннего сгорания. Просто представьте выходную мощность. Куда направляется эта энергия после выхода из блока, не имеет значения для понимания самого механизма. Механика и так запутанная, не стоит усложнять её, беспокоясь о трансмиссии.
Вот базовые показатели. Текущий прототип выдает примерно 104 лошадиные силы. Это число не является главным. Главным является масштабируемость. Доктор Хюттлин утверждает, что эту конструкцию можно масштабировать под практически любые требования к мощности, которым удовлетворяет современная автомобильная инженерия. Хотя текущие модели имеют жидкостное охлаждение, архитектура поддерживает и воздушное охлаждение.
Именно в простоте конструкции скрываются преимущества в эффективности.
Этот двигатель содержит около 60 компонентов. В среднем четырехцилиндровый поршневой двигатель имеет примерно 250 деталей. Меньше деталей означает меньше потенциальных поломок, проще сборка и производство. Это снижение сложности повышает тепловую эффективность до более чем 30 процентов.
Подумайте об этом показателе.
Традиционные двигатели внутреннего сгорания работают с эффективностью примерно 20 процентов. Это означает, что 80 процентов энергии из вашего топливного бака исчезает в виде тепла, шума и потерь на трение. С двигателем Хюттлина менее 70 процентов потенциальной мощности растрачивается впустую. Меньше сожженного топлива. Меньше выбросов. Вы платите меньше на заправке, а планета дышит немного легче.
Но физика? Вот здесь становится интересно.
Внутри серебряной сферы
Доктор Хюттлин называет движение «трехмерной кинематикой». Он сжигает бензин. В нем есть поршни. Но после этих двух фактов вы попадаете в неизведанную территорию.
Посмотрите на прототип. Это серебряный алюминиевый шар с торчащими из него трубами. Он выглядит как реквизит для Spaceship Earth в Epcot. Как сфера может заключать в себе камеру сгорания?
Внутри этого легкого шара находятся кугели (шары). Они движутся по направляющим. Эти направляющие расположены внутри двух поршней на одном подшипнике. Эти поршни находятся внутри ротора. Этот ротор вращается внутри внешней алюминиевой оболочки.
Когда ротор вращается, поршни работают в противофазе. Кугели скользят по своим направляющим. Это скользящее движение вращает ротор.
Звучит как набор непонятных терминов. Поршень. Ротор. Подшипник. Они носят те же названия, что и детали, которые вам знакомы, но их роль здесь совершенно иная. Не позволяйте терминологии ввести вас в заблуждение.
Передача мощности и временные рамки
Катушки и магниты внутри сферы генерируют электричество. Эта энергия передается за пределы оболочки на аккумуляторы. Это не основные тяговые батареи. Они действуют как временные накопители энергии. Они сглаживают подачу мощности для трансмиссии.
Оттуда энергия поступает на другой двигатель. Этот двигатель напрямую приводит в движение колеса. Никакой традиционной трансмиссии. Никакого карданного вала. Компания Innomot AG заявляет, что такая система прямого привода значительно эффективнее, чем передача мощности через коробку передач.
Доктор Хюттлин десятилетиями оттачивал эту концепцию. Патенты были поданы в декабре 2010 года, что добавилось к портфелю из более чем 150 патентов. Innomot AG планирует лицензировать технологию. Это означает, что вы, вероятно, не увидите автомобиль с двигателем Хюттлина на автосалоне завтра.
Ожидается, что серийные автомобили появятся в течение двух-пяти лет. Технология готова. Инженерная база надежна. Вопрос в том, рискнет ли какой-либо крупный производитель разместить в своем моторном отсеке серебряный шар, который противоречит каждому интуитивному предположению о том, как должен работать двигатель.
Посмотрим.
