Ланцюжки поставок дають збій. Техас, Оклахома, Аляска — жоден із цих регіонів не може видобувати достатньо нафти, щоб задовольнити американський апетит. Китай та Індія також будують свої економіки. Попит випереджає пропозицію. Ціни злітають. Повітря стає густішим. Ви відчуваєте це на заправці.
Промисловість відповідає технологічним рішенням. Паливні елементи на водні виділяють лише водяну пару. Біопаливо спалює рослинну сировину. Електричні автомобілі (EV) покладаються на акумулятори, що перезаряджаються. Гібриди поєднують бензинові двигуни із електромоторами. Toyota Prius домінує у сегменті гібридів. Він забезпечує економічність витрат палива. Знижує рівень забруднення. Але він не є ідеальним. Вага акумулятора є проблемою. Деградація батарей – теж.
Існує інший шлях. Агентство з охорони навколишнього середовища США (EPA) та різні виробники тестують гідравлічні гібриди. Вони використовують принципи, аналогічні електричним гібридам. Вони відмовляються від важких акумуляторів. Вони використовують легені компоненти. Вони використовують чисту рідину для приводу автомобіля на низьких швидкостях.
Як це працює? Це життєздатно? Ми розглянемо механіку, порівняння та поточний стан технології гідравлічних гібридів.
Дизель: брудна альтернатива
Альтернативне паливо зазвичай означає джерела, які є нафтовими. Дизельне паливо суперечить цьому визначенню. Воно виготовляється з нафти. Але воно менш очищене, ніж бензин. Воно містить більше енергії на галон. Результат – відмінна паливна економічність.
Mercedes-Benz та інші виробники розробили дизельні двигуни із чистим згорянням. Вони знижують викиди. Викиди дизельного палива брудніші за викиди бензину через менший ступінь очищення. Вуглецеві частинки викликають стурбованість. Проте ефективність залишається високою. Це залишається життєздатним варіантом для конкретних випадків використання.
Як працюють гідравлічні гібриди
Гідравлічні гібриди накопичують енергію в стиснутому повітрі або тиск рідини. Електродвигун діє як стартер та генератор одночасно. Він приводить у дію гідравлічний насос. Насос створює тиск рідини. Рідина накопичує енергію в акумуляторі тиску (накопичувачі).
Коли автомобіль розганяється, накопичений тиск приводить у дію гідромотор. Цей двигун допомагає двигуну внутрішнього згоряння. При гальмуванні система вловлює кінетичну енергію. Вона знову створює тиск у рідині. Це рекуперативне гальмування. Але ж без акумуляторів.
Накопичувач тиску легкий. Він швидко заряджається. Він краще справляється з частими зупинками та стартами, ніж акумулятори. Акумулятори з часом деградують. Гідравлічні накопичувачі мають більший термін служби за кількістю циклів. Вони краще переносять екстремальні температури. Літій-іонні акумулятори втрачають ємність на холоді. Гідравлічні системи – ні.
Порівняння: гідравлічні та електричні гібриди
Електричні гібриди використовують високовольтні акумулятори. Вони важкі. Вони потребують складного теплового керування. Вони містять токсичні матеріали. Їхня переробка утруднена.
Гідравлічні гібриди замінюють акумулятор накопичувачем тиску. Система легша. Компоненти найпростіше. Обслуговування дешевше. Рідина чиста. Вона не просочується в ґрунт, як деякі хімічні речовини з акумуляторів.
Ефективність відрізняється. Електричні гібриди ефективні на високих швидкостях руху шосе. Гідравлічні гібриди процвітають у міських умовах. Вони добре впораються з різкими прискореннями. Вони ефективно відновлюють енергію при гальмуванні. Компроміс – це запас ходу. Електричні гібриди мають більший запас ходу на електротязі. Гідравлічні гібриди мають менший запас ходу лише на електротязі. Вони більше покладаються на двигун.
Поточне застосування
Хто використовує гідравлічні гібриди? Технологія ще не стала масовою для легкових седанів. Вона застосовується у важконавантажених сферах. Міські автобуси виграють від частих зупинок. Навантажувачі використовують гідравлічні системи для підйому. Принцип масштабуємо.
Виробники експериментують. Деякі прототипи транспортних засобів використовують гідравлічну енергію для руху містом. EPA оцінює ці системи відповідно до стандартів викидів. Мета – зниження забруднення. Підвищення паливної економічності. Зниження вартості.
Ця технологія не є панацеєю. Має обмеження. Запас ходу
Перевага гібридів на низьких швидкостях
Електромотори у стандартних гібридах мають свої обмеження. Вони легкі і ефективні при русі в пробках, але їм не вистачає моменту, що крутить, для розгону автомобіля на високих швидкостях. Саме тому більшість гібридних трансмісій перемикаються на бензиновий двигун, коли швидкість досягає 20-30 миль на годину. Нижче цього порога електричний мотор бере всю роботу на себе, що значно знижує витрати палива та викиди. Проте це єдиний спосіб утилізації втраченої енергії. Гідравлічні гібриди пропонують механічну альтернативу, яка повністю оминає електрику.
Як гідравлічні гібриди накопичують енергію
Замість літій-іонних батарей гідравлічні системи спираються на закони гідродинаміки. Конструкція включає три основні компоненти: резервуар низького тиску, насос та акумулятор високого тиску. Ключову роль відіграє акумулятор. Він містить запас рідини разом із азотом під тиском. При гальмуванні кінетична енергія не розсіюється як тепла, як у звичайному автомобілі. Натомість це зусилля приводить у дію насос. Насос перекачує рідину із резервуара в акумулятор. У міру зростання тиску всередині системи відбувається її заряджання, імітуючи стан повністю зарядженого електричного акумулятора.
Прямий привід: обхід електромотора
Тут на відміну електричних гібридів стає очевидним. Стандартний гібридний привід передає енергію на електромотор, який обертає карданний вал. Гідравлічні гібриди повністю виключають електродвигун. Стиснутий азот в акумуляторі вивільняє свою енергію безпосередньо у трансмісію. Це механічне зусилля обертає карданний вал розганяючи автомобіль. У міру набору швидкості насос змінює напрямок дії, повертаючи рідину назад у резервуар. Цей цикл готує систему повторного накопичення енергії при наступному гальмуванні. Це замкнутий контур. Простий. Ефективний. Жодного електромотора, який обтяжував би шасі.
«Обхід електромотора допомагає зберегти його ефективність.» — Механічний прямий привід усуває втрати при перетворенні енергії, властиві електричним системам.
Принцип пляшки з газуванням
Уявіть, що ви трусите пляшку з газуванням. Тиск накопичується, доки його не доведеться скинути. Гідравлічні гібриди працюють за тим самим принципом. Замість того, щоб розбризкувати газовану рідину всюди, система спрямовує цей тиск на осі. Трансмісія з’єднує коробку передач з провідними колесами, перетворюючи тиск газу в рух. Усуваючи проміжний етап електрифікації система скорочує кількість деталей, які можуть вийти з ладу або втрачати енергію при передачі.
Недоліки в хайпі навколо гібридів
Чи є гібриди (бензин/електрика) ідеальним рішенням? Чи не обов’язково. Хоча вони спалюють менше палива, вони створюють нові проблеми. Додавання батарей та електромоторів збільшує вагу автомобіля. Більш важким машинам потрібно більше енергії для руху, що може нівелювати частину переваг ефективності. Крім того, утилізація батарей залишається логістичною та екологічною проблемою. Токсичні матеріали, що містяться в цих елементах, вимагають спеціалізованої обробки, з якою багато спільнот не справляються.
Є ще поведінковий аспект. Смуги для автомобілів з кількома пасажирами (HOV) були створені для зниження заторів шляхом заохочення до спільних поїздок. Багато міст дозволили рух цими смугами водіям гібридів з однією людиною в салоні. Це створює збочений стимул. Водій гібрида поодинці в такій смузі все одно викидає забруднюючі речовини, хай і меншою кількістю, ніж автомобіль тільки на бензині. При цьому він отримує перевагу у часі, призначений для транспортних засобів з кількома пасажирами. Тим часом бензинові автомобілі, до яких їдуть кілька людей, застряють у звичайному потоці. Результат? Водії гібридів проскакують уперед, тоді як справжні супутники чекають. Забруднення може бути менше милю, але ефективність використання доріг знижується. Ця технологія не є панацеєю. Це просто інший вид компромісу.
Паралельні системи кріпляться безпосередньо до стандартної трансмісії та карданного валу. Все досить просто. Але є нюанс. Двигун внутрішнього згоряння ніколи не вимикається повністю. Він працює на неодруженому ходу. Він витрачає паливо, поки ви стоїте на світлофорі. На відміну від бензиново-електричних гібридів, які відключають двигун для економії палива, паралельні гідравлічні гібриди підтримують обертання бензинового двигуна, щоб він міг допомогти при різкому прискоренні.
Ціна цього компромісу висока. Ви отримуєте приблизно 40-відсоткове покращення паливної економічності. Це значний показник. Однак технологія поки що залишається переважно у сфері вантажівок для важких умов експлуатації. Ви не знайдете під капотом звичайного легкового автомобіля для щоденних поїздок.
Перевага послідовної схеми
Послідовні гідравлічні гібриди вибирають інший шлях. Вони повністю відмовляються від традиційної трансмісії та карданного валу. Потужність передається від двигуна до гідравлічного насоса, а потім безпосередньо до коліс. Менше компонентів означає менше втрат енергії на тертя та нагрівання.
Така конструкція дозволяє бензиновому двигуну повністю відключатися, коли транспортний засіб не рухається. Колеса обертаються виключно за рахунок гідравлічного тиску, накопиченого в акумуляторі. Результат? Паливна економічність зростає на 60–70 відсотків. Викиди відповідно знижуються. Математика проста: менше працюючого двигуна – менше відходів.
Чому UPS?
Можливо, ви запитаєте, чому Агентство з охорони навколишнього середовища США (EPA) вибрало для партнерства UPS та Eaton Corporation, а не великого виробника легкових автомобілів. Відповідь полягає в особливостях експлуатації. Гідравлічні гібриди демонструють найкращі результати в умовах руху в пробках з частими зупинками та стартами. Кур’єрські фургони працюють саме так. Вони часто зупиняються. Вони часто рушають з місця. Більшість дня вони проводять на низьких швидкостях, де двигун інакше марно працював би на холостому ходу.
У 2005 році EPA оголосило про пілотну програму за участю вантажівок UPS, оснащених послідовною гідравлічною гібридною силовою установкою. Це не концепт-кари. Вони схожі на звичайні кур’єрські фургони UPS. Але піднизом, під зовнішнім виглядом, важку роботу виконує система послідовного гідравлічного приводу. Бензиновий двигун заряджає гідравлічну систему. Гідравліка штовхає фургон уперед. Двигун спить, поки фургон котиться.
Максимальна реалізація потенціалу
Розуміння цієї різниці має ключове значення. Паралельні системи забезпечують modest gains (помірний приріст) за мінімальних структурних змін. Послідовні системи забезпечують колосальну ефективність, але потребують фундаментальної переробки трансмісії. Для транспортних засобів із великим пробігом та частими зупинками послідовні гібриди є явним переможцем. Для решти випадків технологія все ще перебуває в стадії становлення. Головне питання не в тому, чи вона працює. Питання в тому, чи ми готові відмовитися від традиційної трансмісії.
Чому EPA зробила ставку на важкі вантажівки, а не на седани
Це звучить контрінтуїтивно. Ви бачите величезну вантажівку доставки UPS і думаєте: «Чому б не встановити таку систему в Prius?» Агентство з охорони навколишнього середовища (EPA) підтримало розробку серійного гідравлічного гібрида в 2005 році, але не заради задоволення від спостереження за гідравлічною потужністю в компактному седані. Вони зробили це через затори.
Гідравлічні гібриди не виділяються на відкритій трасі. Як тільки ви розганяєтеся до 65 mph, вони стають звичайними автомобілями. Їхня магія проявляється в пробках. Саме тут відкриваються переваги серійної гідравлічної системи. Вона повністю вимикає двигун та працює за рахунок накопиченого гідравлічного тиску. Стоп. Старт. Стоп. Старт. Цей цикл – ключ до економії палива.
Вантажівки UPS живуть у такому режимі. Вони повільно рухаються через міські центри. Вони нечасто виїжджають на швидкісні автомагістралі. Вони постійно працюють на холостому ходу, поки водії стукають у двері чи чекають на посилки. У звичайній дизельній вантажівці робота на холостому ході витрачає паливо і викидає забруднюючі речовини. У гідравлічному гібриді двигун “спить”. Вантажівка залишається під напругою, але вихлоп залишається тихим.
Тут діє ефект масштабу. Зниження викидів на один відсоток для невеликого автомобіля має незначне значення. Те саме для важкої вантажівки, яка проїжджає тисячі миль на рік, створює вимірну різницю. Вигода не просто теоретична. Вона вимірюється у заощаджених галонах палива.
Розрив в ефективності: гідравлічні та електричні гібриди
Цифри тут різкі. Стандартний бензиново-електричний гібридний автомобіль відновлює близько 30 відсотків енергії, що втрачається при гальмуванні. А гідравлічний гібрид? Він захоплює 70 відсотків цієї енергії. Чому така різниця? Шлях, що проходить енергія. Електричні гібриди спрямовують енергію гальмування через електродвигун та в акумулятор. На кожному етапі відбуваються втрати під час перетворення. Гідравлічні системи захоплюють цю енергію безпосередньо, зберігаючи її як стиснутої рідини без проміжного електричного перетворення.
За оцінками EPA, ця ефективність знижує викиди CO2 на 40 відсотків порівняно із звичайними вантажівками UPS. Для автопарку це дає значний ефект. Одна вантажівка може заощаджувати 1000 галонів палива щорічно. За весь термін служби автомобіля економія на обслуговуванні та нижчі витрати на паливо можуть принести UPS до 50 000 доларів на кожну вантажівку. Найменша кількість обслуговування порівняно з бензиново-електричною установкою – ще одна перевага. Гідравлічні компоненти легені. Вони використовують просту механіку. Їм не потрібні складні системи керування батареями чи протоколи утилізації токсичних хімічних речовин.
Але є одне “але”. Величезне.
Проблема з радіо
Ви не побачите гідравлічний гібридний седан у своєму місцевому автосалоні. Жоден великий автовиробник не планує його випускати. Причина не в інженерії. Це питання зручності. Це ваше авто радіо.
Сучасні автомобілі – це електричні хаби. Радіо, кондиціонер, мультимедійний екран, електропривод вікон – всі вони живляться від акумулятора. У звичайному автомобілі генератор заряджає цей акумулятор, доки працює двигун. Якщо ви вимкнете двигун, батарея розрядиться. Залишіть фари увімкненими? Ви залишитеся без допомоги.
Бензиново-електричні гібриди вирішують цю проблему за допомогою додаткових батарей. Вони підтримують роботу електроніки, коли двигун вимикається на червоне світло світлофора. Гідравлічні гібриди не мають такого додаткового банку батарей. Енергія зберігається механічно або гідравлічно, а не у вигляді електричного заряду батареї, готової до підключення до мережі.
У паралельному гідравлічному гібриді двигун ніколи не вимикається. Тому генератор продовжує живити радіо. Жодних проблем. Але ж серійний гідравлічний гібрид? Це найефективніша версія. Двигун вимикається під час зупинок. Без додаткових батарей для зберігання заряду радіо вимикається. Кондиціонер зупиняється. Навігатор гасне.
Для вантажівки доставки це нормально. Водієві не важливо, якщо радіо мовчить під час зупинки. Для споживача, що сидить у пробці, це непереборна перешкода. Ви хочете розваг. Ви хочете клімат-контролю. Серійний гідравлічний гібрид не може забезпечити це, не додавши ту вагу та складність, яких прагне уникнути. Це важкий продукт для продажу американським покупцям, які очікують, що їхній автомобіль буде мобільною вітальнею, навіть коли він стоїть на місці.
Тож технологія чекає. Ефективна. Потужна. Але тиха.
