Ле-Ман: Гибридное настоящее
В этом сезоне на трассе Ля-Сарт пройдет 80-й по счету шоссейно-кольцевой автомобильный марафон «24 часа Ле-Мана». Гонку организует Западный автомобильный клуб Франции (АСО), который прикладывает большие усилия, чтобы вернуть свое детище на подобающее ему место в иерархии автоспорта. Для этого требуется привлечь еще больше производителей, которые в последнее время старательно «озеленяют» свою продукцию.
Как и в «Формуле-1», во французском марафоне на старт теперь выходят машины, оборудованные системами рекуперации энергии (Kinetic Energy Recuperation Systems или KERS). Первопроходцами, как ни странно, стали частники из небольшой швейцарской команды Hope Polevision, заявившие гибрид в прошлом году.
От нынешних он отличался тем, что был полностью механическим. Между коротким 4-цилиндровым 2-литровым турбодвигателем и КПП нашлось место для системы Flybrid CFT (Clutch Flywheel Tranmission), в которой маховику вращение на торможениях сообщается непосредственно от коленчатого вала двигателя через целую систему небольших многодисковых сцеплений.
Идея запасать кинетическую энергию с помощью маховика не нова. Еще в 2007 году группа инженеров команды Renault F1 выступила за разработку такого узла, но интереса у начальства это предложение не вызвало. Именно тогда обиженными сотрудниками была образована упомянутая выше частная фирма Flybrid
Конструкторы уверены, что механический вариант способен эффективнее запасать гораздо больше энергии, чем электрический. Да и КПД должен быть выше, так как ничто не теряется при трансформации одного вида энергии в другой и обратно. К сожалению, ограничение в ресурсах помешало частникам как следует испытать интересную новинку.
А крупные игроки год назад на рискованный шаг не решились – слишком многое стояло на кону. Однако с возвращением коллектива Toyota и заводчане переключились на использование гибридных силовых агрегатов.
Если в серии F1 жесткий технический регламент, спринтерский характер заездов и особенности компоновки вынуждают конструкторов использовать однотипные системы, то в марафонских гонках соперники используют самые различные варианты KERS.
Запас дармовых «лошадей» хранится либо в электрическом виде (в батареях или в конденсаторах), либо в механическом (благодаря маховику). Естественно, каждый производитель пытается применить решения, которые роднят прототипы с серийными моделями.
Общий узел систем – мотор-генератор (Motor Generator Unit), вал которого через редуктор связан непосредственно с колесами автомобиля. На торможениях автоматика переключает KERS в режим зарядки, и MGU вырабатывает электричество. А вот дальше возможны различные способы его использования.
Компания Bosch, с которой обычно сотрудничает команда Audi, предлагает два варианта. Можно раскручивать маховик или, как в «Формуле-1», запасать электроэнергию в блоке литий-ионных аккумуляторных батарей. Однако для марафонских гонок второе менее приемлемо. Аккумуляторы, конечно, мало весят и компактны (что предопределило их успех в F1), однако для обеспечения надежности при колоссальном числе циклов зарядки-разрядки пришлось бы искусственно повышать время накопления в них энергии, что в свою очередь привело бы к росту затрат на охлаждение. А заменить блок батарей в гоночных условиях невозможно из соображений техники безопасности – производители собираются присылать своих собственных специалистов на фабрики команд для этой операции.
Другой вариант предложили в команде Toyota. Японцы уже имеют большой опыт работы с суперконденсаторами, которые занимают гораздо больше места, чем батареи, тяжелы, но обеспечивают больший срок службы и не так требовательны к охлаждению. На новейшем прототипе TS030 установлен суперконденсатор фирмы Nisshinbo, способный запасать до 1 МДж электроэнергии. В гонках, из-за ограничений в техническом регламенте, ему придется работать в полсилы. Однако даже при полной загрузке узел мог бы выдержать весь сезон без замены.
Не нужно недооценивать третий вариант – с маховиком. В «Формуле-1» от него отказались из-за больших размеров и веса. Однако в марафонских гонках именно такой узел, теоретически, приносит больше пользы. Студенты Крэнфилдского университета (Великобритания) провели компьютерные испытания, в которых сравнили обычный прототип с машинами, укомплектованными батареями, конденсатором и маховиком.
Именно последний оказался наиболее быстрым и экономичным. Он не только прошел круг в Ле-Мане на 1,2 секунды быстрее обычного прототипа (с батареями и конденсаторами выигрыш составил только 1 секунду), но и сэкономил за 24 часа 144 литра топлива (против 93 у полностью электрических систем).
Систему с маховиком уже не первый год испытывает фирма Porsche, которая вернется в Ле-Ман в 2014 году. Ее купе 911 GT3 R Hybrid часто опережает на финише марафонов формально более мощные машины класса GTE. Интересно, что маховик – единственный узел, который производит не сама фирма Porsche. Немцы заказывают его у дочерней компании известного коллектива Williams F1.
Заставить маховик быстро раскручиваться до скорости 40000 об/мин не так уж трудно. Оперативность многократной зарядки-разрядки – еще одно положительное качество механического варианта. Гораздо сложнее помочь ему сохранять вращательный момент. Внутри корпуса должен поддерживаться вакуум. В электромеханическом варианте это обеспечивается установкой моторов, раскручивающих маховик, непосредственно внутри корпуса. А вот для полностью механической системы фирме Flybrid пришлось изобретать особые пластиковые уплотнители валов.
Конструкция получается тяжелой. Маховик (как и конденсатор) занимает пассажирское место – благо все спортивные машины, прототипы являются по определению двухместными. Однако на охлаждении можно сэкономить – сам корпус греется даже меньше, чем электронный блок управления системы.
Запасенная в батареях, конденсаторах или маховиках энергия на спортивных машинах подводится обратно к моторам-генераторам, установленным на одной из осей. Гонщик не может самостоятельно включить систему – дармовых «лошадей» распрягают автоматически на скорости выше 120 км/ч и при малых углах поворота руля, чтобы у конструкторов не появился соблазн соорудить что-то вроде активного дифференциала. Главная цель перехода на гибриды – повышение эффективности силовой установки. Какая из систем действительно приносит больше пользы, болельщики узнают совсем скоро. Марафон в Ле-Мане в этом году состоится 16-17 июня.
5745