Рабочий процесс каждой машины, в том числе и транспортной, обязательно включает разгоны и замедления. Для машин непрерывного действия эти процессы играют незначительную роль, так как работа носит характер установившегося режима. Для машин же циклического действия, например городского транспорта, процессы разгона и замедления составляют значительную часть рабочего цикла. Рассматривая эти два процесса, можно заметить, что в первом случае происходит накопление кинетической энергии, во втором же случае — ее уменьшение. Кинетическая энергия при замедлениях автомобиля расходуется на его движение, а также рассеивается (диссипирует) в тормозах.

При малых скоростях машин доля кинетической энергии в общем энергетическом балансе невелика. Однако с повышением скоростей кинетическая энергия машин возрастает, быстро занимая преобладающую роль в энергетическом балансе. Такое же явление имеет место при снижении сопротивлений (или повышении к. п. д. трансмиссии) и уменьшении длины пути цикла.

В качестве примера рассмотрим зависимость изменения доли кинетической энергии Е в общем расходе механической энергии от перечисленных факторов — скорости, сопротивления движению и расстояния между остановками для городского транспорта. Кривая 1 (рис. 73) представляет зависимость изменения доли кинетической энергии Е от скорости движения υ км/ч при расстоянии между остановками s = 300 м и средней силе сопротивления движению Р= 1,5% от массы автомобиля.

Кривая 2 отражает тот же процесс, но уже в зависимости от расстояния s между остановками при максимальной скорости движения 60 км/ч и той же силе сопротивления движению Р. Наконец, кривая 3 характеризует зависимость той же величины Е от силы сопротивления движению Р в % от массы автомобиля при постоянных скоростях υ = 60 км/ч и расстоянии s = 300 м между остановками. Ясно, что при повышении скорости движения с одновременным уменьшением расстояния между остановками и силы сопротивления движению доля кинетической энергии в общем расходе энергии за цикл увеличивается еще интенсивнее.

Между тем, следует отметить, что как у транспортных, так и у других машин циклического действия скорость движения неуклонно повышается, сила сопротивления движению уменьшается, увеличивается к. п. д. трансмиссий; кроме того, у транспортных машин иногда желательно и уменьшение расстояния между остановками. Для современных машин циклического действия: автобусов, трамваев, троллейбусов, поездов метро, пригородных поездов, мостовых кранов и аналогичных им для наиболее эффективных циклов на совершение работы тратится около половины суммарной энергии двигателя, а другая половина энергии переходит в кинетическую с последующим ее рассеиванием. В будущем же это соотношение несомненно еще более ухудшится.

Такое положение приводит к необходимости как постоянного повышения мощности двигателя для обеспечения динамических качеств машины, так и применения устройств, поглощающих кинетическую энергию — различных замедлителей и тормозов. В результате этого затрудняется дальнейшее повышение производительности и экономичности машин. Использование кинетической энергии циклических машин могло бы обеспечить весьма большой экономический эффект.

Отношение энергии Еп, затраченной на полезное сопротивление, к полной энергии Ео может служить мерой для оценки резерва кинетической энергии в машине в заданных условиях

 

С улучшением использования энергии значение δ, увеличиваясь, стремится к единице. Резерв кинетической энергии  при этом соответственно уменьшается.

В качестве примера в табл. 1 приведены значения δ для различных циклов работы городского транспорта на пневмошинах — автобусов, троллейбусов и др. Для простоты оценки аэродинамическими сопротивлениями пренебрегаем.

Из таблицы следует, что δ достигает высоких значений при малой скорости и больших расстояниях между остановками. Между тем, современные транспортные машины работают в основном на высоких скоростях и имеют низкое значение δ и, следовательно, большие резервы кинетической энергии. Использование этой энергии может дать значительный экономический эффект. Особо значительный эффект может быть достигнут при малых значениях δ.

На практике кинетическая энергия движущихся машин частично используется рациональным управлением при свободном выбеге (накате) и динамическом преодолении подъемов.

При использовании наката кинетическая энергия транспортной машины расходуется на работу сил сопротивления на участке, называемом путем выбега или наката. Однако по ряду причин применение наката не всегда оправдано.

Кинетическую энергию транспортной машины можно также использовать для преодоления подъемов. При этом она частично аккумулируется в виде потенциальной энергии.

Ясно, что использование кинетической энергии для наката или преодоления подъемов носит частный характер, так как это далеко не всегда позволяют условия движения.

Кинетическая энергия транспортной машины может быть также использована путем рекуперативного торможения. Это такой вид использования кинетической или потенциальной энергии транспортной машины, когда предназначенная для рассеивания энергия путем соответствующих мероприятий затрачивается на совершение полезной работы.

В том случае, когда большое количество транспортных машин связано единой сетью питания (например, электрический транспорт), вероятное число тормозимых транспортных машин близко к числу разгоняющихся. Здесь принципиально возможной является отдача в сеть энергии, выделяемой при торможении и использовании ее для разгона других машин.

Это может быть осуществлено путем перевода тяговых двигателей в генераторный режим с отдачей выделяемой энергии в сеть. Однако ввиду того, что режим замедления до остановки весьма неэффективен для работы генераторов, этот метод позволяет использовать всего несколько процентов кинетической энергии. Торможение до остановки не следует отождествлять с торможением при движении под уклон. В последнем случае генераторы работают с большей эффективностью. Описанный метод рекуперативного торможения практикуется лишь для большой группы машин городского транспорта, связанной единым питанием, а для машин с индивидуальным питанием непригоден.

Кинетическая энергия используется радикально в том случае когда она может быть накоплена в аккумуляторе, находящемся на самой машине, а затем выделена для использования.

В настоящее время техника располагает различными видами аккумуляторов энергии, из которых наиболее распространены электрические, тепловые и механические.

Для накопления энергии при торможении машины аккумулятор должен иметь специфические свойства, обусловленные кратковременным интенсивным протеканием процесса. Из рассмотрения, по-видимому, следует исключить тепловые аккумуляторы, требующие преобразования механической энергии в тепловую и обратно. Эти процессы, особенно последний, как известно, весьма трудоемки и неэффективны, а также имеют низкий к. п. д.

Электрические аккумуляторы наиболее распространены в технике. Они имеют высокую удельную энергоемкость, способны.

сохранять энергию длительное время. Основной недостаток этих аккумуляторов — малая удельная мощность как при зарядке, так и при разрядке. Кроме того, для преобразования механической энергии в электрическую и обратно требуется электродвигатель, работающий также в режиме генератора. Несмотря на это, электрические аккумуляторы все-таки принципиально пригодны для аккумулирования кинетической энергии машин.

Наиболее целесообразны для этих целей аккумуляторы механической энергии — статические и динамические.

Статические аккумуляторы представляют собой пружину, резиновый элемент или иное упругое тело. Однако энергоемкость статических аккумуляторов в тысячи раз ниже, чем динамических той же массы. Этим объясняется неприемлемость статических аккумуляторов для накопления значительных количеств энергии.

Небольшие количества кинетической энергии могут быть накоплены в маховике инерционного рекуперативного тормоза с резиновым упругим звеном (рис. 74). 

Инерционный аккумулятор с упругим звеном подключается к трансмиссии машины с помощью фрикционной муфты. На первом этапе торможения основная часть энергии аккумулируется в упругом звене в виде потенциальной энергии. Затем по мере разгона маховика кинетическая энергия торможения вместе с аккумулированной потенциальной энергией упругого звена накапливается в маховике. Недостатком этого рекуператора является то, что в упругом звене должно накапливаться от 0,25 до 0,5 суммарной энергии торможения (в зависимости от частоты вращения маховика перед торможением). Ввиду малой аккумулирующей способности упругого звена такой рекуператор не может применяться при накоплении большого количества кинетической энергии.

Статические аккумуляторы могут накопить большое количество энергии только в том случае, если рабочим телом является газ, так как он имеет высокую деформируемость (сжимаемость). Однако при этом имеют место большие потери энергии, вызываемые малым к. п. д. пневмокомпрессоров и пневмодвигателей в требуемом режиме работы, а также потерей адиабатического тепла. Это практически исключает возможность применения пневмоаккумуляторов для накопления с последующим использованием кинетической энергии, если только в качестве рабочего тела не использовать жидкость. Такие «пневмогидравлические» аккумуляторы принципиально пригодны для рекуперации кинетической энергии и сейчас исследуются для этих целей у нас и за рубежом.

Из механических аккумуляторов для данной цели более эффективен инерционный аккумулятор — маховик.

Наибольшая сложность в системе рекуперативного торможения маховиком заключается в приводе, соединяющем маховик, разгоняющийся при торможении, с трансмиссией и, наоборот, разгоняющийся вал трансмиссии при разгоне машины с замедляющимся маховиком.

Проф. Н. К. Куликовым в 1951 г. была предложена схема инерционного рекуператора с планетарным приводом. Рекуператор Н. К. Куликова (рис. 75) представлял собой планетарную коробку передач с маховиком и бесступенчатым вариатором, но он не был построен из-за отсутствия прогрессивной передачи (вариатора) с требуемой характеристикой.

Фирмой «Кларк» (Англия) разработаны различные варианты рекуперативных тормозов, состоящих, из маховиков и планетарных коробок передач.

Рис. 75. Маховичный рекуператор проф. Н. К. Куликова:

1—вариатор; 2—приведенная масса автомобиля; 3—маховик; 4—сцепление

Автобусный рекуперативный тормоз Гиректа фирмы «Кларк» (рис. 76) представляет собой четырехскоростную планетарную коробку передач, соединенную солнечной шестерней с двигателем автобуса, водилом сателлитов — с карданным валом, а венцом — с маховиком, аккумулирующим кинетическую энергию автобуса вместе с энергией, выделяемой работающим двигателем.

При торможении автобуса, связанного трансмиссией с водилом сателлитов, на венец передачи, а стало быть, и на вал маховика действует крутящий момент. Реактивный же момент, который и замедляет автобус, действует на вал двигателя. Поэтому двигатель автобуса не отключается ни при торможении, ни при разгоне.

Маховик привода имеет массу 80 кг и вращается с максимальной частотой до 15 000 об/мин. При диаметре маховика 0,57 м его окружная скорость достигает 450 м/с. Форма маховика близка к диску равной прочности.

При торможении автобуса маховик разгоняется с 12 000 до 15 000 об/мин.

Установленный на автобусе массой 10 т привод Гиректа позволяет тормозить со скорости 48 до 16 км/ч; а при разгоне, который продолжается около 15 с, он заменяет дополнительный двигатель мощностью 90 кВт.

При снижении частоты вращения маховика ниже 12 000 об/мин, например при стоянке, оператор может по желанию непосредственно из кабины соединить маховик с двигателем и разогнать его.

Маховик привода Гипекта ввиду большой частоты вращения помещен в кожух с разреженной атмосферой для снижения вентиляционных потерь. Воздух из кожуха непрерывно удаляется насосом, питающимся непосредственно от маховика. Благодаря этому разогнанный маховик может вращаться до остановки более недели. После ночной стоянки автобуса энергии маховика хватает для пуска двигателя.

Передача планетарной коробки включается автоматически с помощью электромагнитных муфт.

Следует отметить, что установка рекуперативного тормоза такого типа на автобусе позволяет экономить до 50% топлива, особенно при малых расстояниях между остановками.

Фирмой «Кларк» разработано также гидромеханическое устройство с маховиком для рекуперативного торможения, названное Гидректа.

Гидректа представляет собой сочетание планетарного привода Гиректа с гидродинамическим трансформатором для повышения плавности и легкости управления. При этом экономические показатели Гидректа несколько ниже, чем у Гиректа, что объясняется потерями энергии в гидроприводе.

Маховик привода Гидректа имеет диаметр 0,51 м и массу 64 кг. Его максимальная частота вращения 20 000 об/мин. Общее время разгона неподвижного маховика до максимальных оборотов 1 мин 40 с.

Автомобиль массой около 1200 кг, снабженный двигателем в 115 кВт и устройством Гидректа, позволяет разгоняться с места до скорости 100 км/ч за 4,75 с, а до 145 км/ч — за 11,25 с. Это очень высокие динамические показатели для автомобиля. Среднее ускорение его достигало 6 м/с2.

Рекуператоры кинетической энергии на основе маховиков и планетарных передач не обеспечивают достаточной эффективности работы из-за ступенчатого изменения передаточного отношения привода.

Кинетическая энергия автомобиля выделяется при замедлении его движения, а воспринимается маховиком при ускорении движения. Это вызывает необходимость соединения трансмиссии автомобиля и маховика бесступенчатой передачей с весьма широким диапазоном регулирования передаточного отношения, причем, это регулирование должно проводиться достаточно быстро — ведь торможение автомобиля длится обычно всего несколько секунд.

Кроме того, высокие мощности привода вызывают потребность в его компактности и высоком к. п. д.

В этом смысле представляются перспективными новые схемы рекуператоров кинетической энергии на основе дискретного ленточного вариатора и маховика (рис. 77). Изменение передаточного отношения дискретного ленточного вариатора основано на изменении диаметров витков ленты в процессе перемотки.

Дискретный ленточный вариатор состоит из двух кассет с мотками ленты, навитой на валы с посаженными на них маховыми массами. Один из маховиков, имитирующий, например, движущуюся машину, вращается, другой остановлен, причем вся лента намотана на его валу. При навивании ленты на вал вращающегося маховика она сматывается с другого мотка, и маховик разгоняется по мере перемотки ленты. В конце цикла, когда вся лента сматывается с вала маховика, последний имеет максимальную скорость. Далее цикл может повторяться.

Такие приводы могут обеспечить использование кинетической энергии цикличных машин с очень малыми внутренними потерями за цикл. Дискретный ленточный вариатор обеспечивает варьирование передаточного числа практически в 50 раз при к. п. д. около 0,97. Смазки вариатор не требует, а по удельной мощности (передаваемой мощности, отнесенной к массе установки) он близок к зубчатым передачам.

Особенность работы рекуператора заключается в том, что лента в ленточном вариаторе при торможении и разгоне должна перематываться в разных направлениях — реверсироваться.

Схема рекуперативного тормоза с реверсированием путем переворота ленточного механизма показана на рис. 78. В этой схеме маховик связан с валом вариатора фрикционной и зубчатой муфтами; второй вал вариатора связан с колесами автомобиля точно так же. Ленточный механизм поворачивается на 180° для изменения направления намотки ленты маломощным сервоприводом.

При торможении или разгоне необходимо включение сначала обеих зубчатых муфт, а затем фрикционных.

По завершении процесса следует выключить, фрикционные, а затем зубчатые муфты. Последнее производится автоматически с помощью датчика степени намотки ленты и любой из систем управления автомобиля — механической, пневматической, электрической.

Для проверки работоспособности рекуператора был изготовлен опытный образец, опробованный как в стендовых условиях, так и на автомобиле УАЗ-450 (рис. 79). Автомобиль УАЗ-450 был выбрал главным образом вследствие наличия двух ведущих мостов, что облегчило задачу подсоединения рекуператора к трансмиссии.

Эксперименты, проведенные на автомобиле с рекуперативным тормозом, показали принципиальную применимость данной системы рекуперирования кинетической энергии на автомобиле.

Несмотря на конструктивные недостатки испытанной системы рекуператора, она показала удовлетворительные характеристики торможения и разгона. Автомобиль со скоростью примерно М км/ч, т. е. со средней и даже высокой скоростью регулярного торможения городских автобусов, затормаживался совершенно без участия фрикционных тормозов. Торможение было плавным, без рывков. Рекуператор в этом случае играл роль замедлителя.

 

Разгон автомобиля энергией, накопленной при торможении, был очень плавным, намного лучше обычного разгона с помощью коробки передач. После разгона автомобиля рекуператором включалась высшая передача. Таким образом, автомобиль разгонялся без применения низших и промежуточных передач.

Измерение расхода топлива показало следующее: для разгона автомобиля с места до скорости 30 км/ч без участия рекуператора требовалось 28 см3, а для разгона рекуператором и двигателем совместно до той же скорости в тех же условиях требовалось всего 16 см3 топлива. Таким образом, на каждом разгоне экономилось около 45% топлива. Эти показатели близки к полученным Р. Кларком на его системе рекуперативного тормоза.

Лабораторией аккумулирования и рекуперирования механической энергии Курского политехнического института совместно со Всесоюзным конструкторско-экспериментальным институтом автобусостроения разработаны и испытаны экспериментальные рекуператоры к автобусам типа ЛАЗ-695 (рис. 80). Рекуператор установлен в отсеке двигателя справа от него по ходу и связан карданным валом с передачей автобуса.

Рис. 80. Экспериментальный рекуператор к автобусу ЛАЗ-695

Масса рекуператора 150 кг при массе маховика 80 кг; максимальная частота вращения маховика 6000 об/мин; энергоемкость рекуператора до 0,6 млн. Дж энергии.

Рекуперация энергии торможения на городских автобусах, как показал эксперимент, может обеспечить экономию около 50% топлива и сохранение основных фрикционных тормозов для экстренных торможений. Значительное снижение расхода топлива и работа двигателя преимущественно на установившихся режимах существенно уменьшает выделение отработавших газов в атмосферу, особенно наиболее вредных компонентов, выделяющихся при неустановившихся режимах. Повышается интенсивность разгона автобусов, а следовательно, и его средняя скорость.

Большой эффект дает рекуперация энергии торможения на метрополитене. Метропоезд «Эдванс Консепт», недавно вышедший на линию Нью-Йоркского метро, экономит с помощью маховичных рекуператоров свыше 30% электроэнергии, что очень существенно отражается на энергетическом балансе города.

Надо отметить, что основная цель рекуперации энергии торможения сегодня состоит в существенном очищении атмосферы городов от чрезвычайно опасных для человека и природы продуктов неполного сгорания топлива. И в этом кроме рекуператоров энергии, помогают и очень похожие на них по назначению спасительные гибриды.