Цепочки поставок дают сбой. Техас, Оклахома, Аляска — ни один из этих регионов не может добывать достаточно нефти, чтобы удовлетворить американский аппетит. Китай и Индия также строят свои экономики. Спрос опережает предложение. Цены взлетают. Воздух становится гуще. Вы чувствуете это на заправке.
Промышленность отвечает технологическими решениями. Топливные элементы на водороде выделяют только водяной пар. Биотопливо сжигает растительное сырье. Электрические автомобили (EV) полагаются на перезаряжаемые аккумуляторы. Гибриды сочетают бензиновые двигатели с электромоторами. Toyota Prius доминирует в сегменте гибридов. Он обеспечивает экономичность расхода топлива. Снижает уровень загрязнения. Но он не идеален. Вес аккумуляторов является проблемой. Деградация батарей — тоже.
Существует другой путь. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) и различные производители тестируют гидравлические гибриды. Они используют принципы, аналогичные электрическим гибридам. Они отказываются от тяжелых аккумуляторов. Они используют легкие компоненты. Они используют чистую жидкость для привода автомобиля на низких скоростях.
Как это работает? Это жизнеспособно? Мы рассмотрим механику, сравнения и текущее состояние технологии гидравлических гибридов.
Дизель: грязная альтернатива
Альтернативное топливо обычно означает источники, не являющиеся нефтяными. Дизельное топливо противоречит этому определению. Оно производится из нефти. Но оно менее очищено, чем бензин. Оно содержит больше энергии на галлон. Результат — отличная топливная экономичность.
Mercedes-Benz и другие производители разработали дизельные двигатели с чистым сгоранием. Они снижают выбросы. Выбросы дизельного топлива грязнее выбросов бензина из-за меньшей степени очистки. Углеродистые частицы вызывают обеспокоенность. Тем не менее, эффективность остается высокой. Это остается жизнеспособным вариантом для конкретных случаев использования.
Как работают гидравлические гибриды
Гидравлические гибриды накапливают энергию в сжатом воздухе или давлении жидкости. Электродвигатель действует как стартер и генератор одновременно. Он приводит в действие гидравлический насос. Насос создает давление жидкости. Жидкость накапливает энергию в аккумуляторе давления (накопителе).
Когда автомобиль разгоняется, накопленное давление приводит в действие гидромотор. Этот мотор помогает двигателю внутреннего сгорания. При торможении система улавливает кинетическую энергию. Она снова создает давление в жидкости. Это рекуперативное торможение. Но без аккумуляторов.
Накопитель давления легкий. Он заряжается быстро. Он лучше справляется с частыми остановками и стартами, чем аккумуляторы. Аккумуляторы со временем деградируют. Гидравлические накопители имеют больший срок службы по количеству циклов. Они лучше переносят экстремальные температуры. Литий-ионные аккумуляторы теряют емкость на холоде. Гидравлические системы — нет.
Сравнение: гидравлические и электрические гибриды
Электрические гибриды используют высоковольтные аккумуляторы. Они тяжелые. Они требуют сложного теплового управления. Они содержат токсичные материалы. Их переработка затруднена.
Гидравлические гибриды заменяют аккумулятор накопителем давления. Система легче. Компоненты проще. Обслуживание дешевле. Жидкость чистая. Она не просачивается в почву, как некоторые химические вещества из аккумуляторов.
Эффективность различается. Электрические гибриды эффективны на высоких скоростях движения по шоссе. Гидравлические гибриды преуспевают в городских условиях. Они хорошо справляются с резкими ускорениями. Они эффективно восстанавливают энергию при торможении. Компромисс — это запас хода. Электрические гибриды имеют больший запас хода на электротяге. Гидравлические гибриды имеют меньший запас хода только на электротяге. Они больше полагаются на двигатель.
Текущее применение
Кто использует гидравлические гибриды? Технология еще не стала массовой для легковых седанов. Она применяется в тяжелонагруженных сферах. Городские автобусы выигрывают от частых остановок. Погрузчики используют гидравлические системы для подъема. Принцип масштабируем.
Производители экспериментируют. Некоторые прототипы транспортных средств используют гидравлическую энергию для движения по городу. EPA оценивает эти системы на соответствие стандартам выбросов. Цель — снижение загрязнения. Повышение топливной экономичности. Снижение стоимости.
Эта технология не является панацеей. У нее есть ограничения. Запас хода
Преимущество гибридов на низких скоростях
Электромоторы в стандартных гибридах имеют свои ограничения. Они легкие и эффективны при движении в пробках, но им не хватает крутящего момента для разгона автомобиля на высоких скоростях. Именно поэтому большинство гибридных трансмиссий переключаются на бензиновый двигатель, когда скорость достигает 20–30 миль в час. Ниже этого порога электрический мотор берет всю работу на себя, что значительно снижает расход топлива и выбросы. Однако это не единственный способ утилизации потерянной энергии. Гидравлические гибриды предлагают механическую альтернативу, которая полностью обходит электричество.
Как гидравлические гибриды накапливают энергию
Вместо литий-ионных батарей гидравлические системы опираются на законы гидродинамики. Конструкция включает три основных компонента: резервуар низкого давления, насос и аккумулятор высокого давления. Ключевую роль играет именно аккумулятор. Он содержит запас жидкости вместе с азотом под давлением. При торможении кинетическая энергия не рассеивается в виде тепла, как в обычном автомобиле. Вместо этого это усилие приводит в действие насос. Насос перекачивает жидкость из резервуара в аккумулятор. По мере роста давления внутри системы происходит ее зарядка, имитируя состояние полностью заряженного электрического аккумулятора.
Прямой привод: обход электромотора
Здесь отличие от электрических гибридов становится очевидным. Стандартный гибридный привод передает энергию на электромотор, который затем вращает карданный вал. Гидравлические гибриды полностью исключают электромотор. Сжатый азот в аккумуляторе высвобождает свою энергию непосредственно в трансмиссию. Это механическое усилие вращает карданный вал, разгоняя автомобиль. По мере набора скорости насос меняет направление действия, возвращая жидкость обратно в резервуар. Этот цикл подготавливает систему к повторному накоплению энергии при следующем торможении. Это замкнутый контур. Простой. Эффективный. Никакого электромотора, который утяжелял бы шасси.
«Обход электромотора помогает сохранить и его эффективность.» — Механический прямой привод устраняет потери при преобразовании энергии, присущие электрическим системам.
Принцип бутылки с газировкой
Представьте, что вы трясете бутылку с газировкой. Давление накапливается, пока его не придется сбросить. Гидравлические гибриды работают по тому же принципу. Вместо того чтобы разбрызгивать газированную жидкость повсюду, система направляет это давление на оси. Трансмиссия соединяет коробку передач с ведущими колесами, преобразуя давление газа в движение. Устраняя промежуточный этап электрификации, система сокращает количество деталей, которые могут выйти из строя или терять энергию при передаче.
Недостатки в хайпе вокруг гибридов
Являются ли гибриды (бензин/электричество) идеальным решением? Не обязательно. Хотя они сжигают меньше топлива, они создают новые проблемы. Добавление батарей и электромоторов увеличивает вес автомобиля. Более тяжелым машинам требуется больше энергии для движения, что может нивелировать часть преимуществ в эффективности. Кроме того, утилизация батарей остается логистической и экологической проблемой. Токсичные материалы, содержащиеся в этих элементах, требуют специализированной обработки, с которой многие сообщества не справляются.
Есть еще поведенческий аспект. Полосы для автомобилей с несколькими пассажирами (HOV) были созданы для снижения заторов путем поощрения совместных поездок. Многие города разрешили движение по этим полосам водителям гибридов с одним человеком в салоне. Это создает извращенный стимул. Водитель гибрида в одиночку в такой полосе все равно выбрасывает загрязняющие вещества, пусть и в меньшем количестве, чем автомобиль только на бензине. При этом он получает преимущество во времени, предназначенное для транспортных средств с несколькими пассажирами. Тем временем бензиновые автомобили, в которых едут несколько человек, застревают в обычном потоке. Результат? Водители гибридов проскакивают вперед, в то время как настоящие попутчики ждут. Загрязнение может быть меньше на милю, но эффективность использования дорог снижается. Эта технология не является панацеей. Это просто другой вид компромисса.
Параллельные системы крепятся непосредственно к стандартной трансмиссии и карданному валу. Всё достаточно просто. Но есть нюанс. Двигатель внутреннего сгорания никогда не выключается полностью. Он работает на холостом ходу. Он расходует топливо, пока вы стоите на светофоре. В отличие от бензиново-электрических гибридов, которые отключают двигатель для экономии топлива, параллельные гидравлические гибриды поддерживают вращение бензинового двигателя, чтобы он мог помочь при резком ускорении.
Цена этого компромисса высока. Вы получаете примерно 40-процентное улучшение топливной экономичности. Это значительный показатель. Однако технология пока остаётся преимущественно в сфере грузовиков для тяжёлых условий эксплуатации. Вы не найдёте её под капотом обычного легкового автомобиля для ежедневных поездок.
Преимущество последовательной схемы
Последовательные гидравлические гибриды выбирают другой путь. Они полностью отказываются от традиционной трансмиссии и карданного вала. Мощность передаётся от двигателя к гидравлическому насосу, а затем напрямую к колёсам. Меньше компонентов означает меньше потерь энергии на трение и нагрев.
Такая конструкция позволяет бензиновому двигателю полностью отключаться, когда транспортное средство не движется. Колёса вращаются исключительно за счёт гидравлического давления, накопленного в аккумуляторе. Результат? Топливная экономичность увеличивается на 60–70 процентов. Выбросы соответственно снижаются. Математика проста: меньше работающего двигателя — меньше отходов.
Почему UPS?
Возможно, вы спросите, почему Агентство по охране окружающей среды США (EPA) выбрало для партнёрства UPS и компанию Eaton Corporation, а не крупного производителя легковых автомобилей. Ответ кроется в особенностях эксплуатации. Гидравлические гибриды демонстрируют наилучшие результаты в условиях движения в пробках с частыми остановками и стартами. Курьерские фургоны как раз работают именно так. Они часто останавливаются. Они часто трогаются с места. Большую часть дня они проводят на низких скоростях, где двигатель иначе бесполезно работал бы на холостом ходу.
В 2005 году EPA объявило о пилотной программе с участием грузовиков UPS, оснащённых последовательной гидравлической гибридной силовой установкой. Это не концепт-кары. Они выглядят как обычные курьерские фургоны UPS. Но underneath, под внешним видом, тяжёлую работу выполняет система последовательного гидравлического привода. Бензиновый двигатель заряжает гидравлическую систему. Гидравлика толкает фургон вперёд. Двигатель «спит», пока фургон катится.
Максимальная реализация потенциала
Понимание этого различия имеет ключевое значение. Параллельные системы обеспечивают modest gains (умеренный прирост) при минимальных структурных изменениях. Последовательные системы обеспечивают колоссальную эффективность, но требуют фундаментальной переработки трансмиссии. Для транспортных средств с большим пробегом и частыми остановками последовательные гибриды являются явным победителем. Для всех остальных случаев технология всё ещё находится в стадии становления. Главный вопрос не в том, работает ли она. Вопрос в том, готовы ли мы отказаться от традиционной трансмиссии.
Почему EPA сделала ставку на тяжелые грузовики, а не на седаны
Это звучит контринтуитивно. Вы видите огромный грузовик доставки UPS и думаете: «Почему бы не установить такую систему в Prius?» Агентство по охране окружающей среды (EPA) поддержало разработку серийного гидравлического гибрида в 2005 году, но не ради удовольствия от наблюдения за гидравлической мощью в компактном седане. Они сделали это из-за заторов.
Гидравлические гибриды не выделяются на открытой трассе. Как только вы разгоняетесь до 65 миль в час, они становятся обычными автомобилями. Их магия проявляется в пробках. Именно здесь раскрываются преимущества серийной гидравлической системы. Она полностью выключает двигатель и работает за счет накопленного гидравлического давления. Стоп. Старт. Стоп. Старт. Этот цикл — ключ к экономии топлива.
Грузовики UPS живут в таком режиме. Они медленно продвигаются через городские центры. Они редко выезжают на скоростные автомагистрали. Они постоянно работают на холостом ходу, пока водители стучат в двери или ждут посылки. В обычном дизельном грузовике работа на холостом ходу расходует топливо и выбрасывает загрязняющие вещества. В гидравлическом гибриде двигатель «спит». Грузовик остается под напряжением, но выхлоп остается тихим.
Здесь также действует эффект масштаба. Снижение выбросов на один процент для небольшого автомобиля имеет ничтожное значение. То же самое для тяжелого грузовика, который проезжает тысячи миль в год, создает измеримую разницу. Выгода не просто теоретическая. Она измеряется в сэкономленных галлонах топлива.
Разрыв в эффективности: гидравлические и электрические гибриды
Цифры здесь резкие. Стандартный бензиново-электрический гибридный автомобиль восстанавливает около 30 процентов энергии, теряемой при торможении. А гидравлический гибрид? Он захватывает 70 процентов этой энергии. Почему такая разница? Путь, который проходит энергия. Электрические гибриды направляют энергию торможения через электродвигатель и в аккумулятор. На каждом этапе происходят потери при преобразовании. Гидравлические системы захватывают эту энергию напрямую, сохраняя ее в виде сжатой жидкости без промежуточного электрического преобразования.
По оценкам EPA, эта эффективность снижает выбросы CO2 на 40 процентов по сравнению с обычными грузовиками UPS. Для автопарка это дает значительный эффект. Один грузовик может экономить 1000 галлонов топлива ежегодно. За весь срок службы автомобиля экономия на обслуживании и более низкие расходы на топливо могут принести UPS до 50 000 долларов на каждый грузовик. Меньшее количество обслуживания по сравнению с бензиново-электрической установкой — еще одно преимущество. Гидравлические компоненты легкие. Они используют простую механику. Им не требуются сложные системы управления батареями или протоколы утилизации токсичных химических веществ.
Но есть одно «но». Огромное.
Проблема с радио
Вы не увидите гидравлический гибридный седан в своем местном автосалоне. Ни один крупный автопроизводитель не планирует его выпускать. Причина не в инженерии. Это вопрос удобства. Это ваше автомобильное радио.
Современные автомобили — это электрические хабы. Радио, кондиционер, мультимедийный экран, электропривод окон — все они питаются от аккумулятора. В обычном автомобиле генератор заряжает этот аккумулятор, пока работает двигатель. Если вы выключите двигатель, батарея разрядится. Оставите фары включенными? Вы останетесь без помощи.
Бензиново-электрические гибриды решают эту проблему с помощью дополнительных батарей. Они поддерживают работу электроники, когда двигатель отключается на красный свет светофора. У гидравлических гибридов нет такого дополнительного банка батарей. Энергия хранится механически или гидравлически, а не в виде электрического заряда в батарее, готовой к подключению к сети.
В параллельном гидравлическом гибриде двигатель никогда не выключается. Поэтому генератор продолжает питать радио. Никаких проблем. Но серийный гидравлический гибрид? Это самая эффективная версия. Двигатель отключается во время остановок. Без дополнительных батарей для хранения заряда радио выключается. Кондиционер останавливается. Навигатор гаснет.
Для грузовика доставки это нормально. Водителю не важно, если радио молчит во время остановки. Для потребителя, сидящего в пробке, это непреодолимое препятствие. Вы хотите развлечений. Вы хотите климат-контроля. Серийный гидравлический гибрид не может обеспечить это, не добавив тот вес и сложность, которых он стремится избежать. Это трудный продукт для продажи американским покупателям, которые ожидают, что их автомобиль будет мобильной гостиной, даже когда он стоит на месте.
Так что технология ждет. Эффективная. Мощная. Но тихая.
