Иногда комментаторы могут угадать будущий текст…

Правда реальность куда проще и прозаичнее описанных догадок. Об этом и будет данная статья, развивая логику предыдущей темы КПД.

Если говорить в общем о КПД автомобиля как системы, то сразу виден большой масштаб потерь которые только сейчас решили попытаться «обнулить».

И основным процессом для оптимизации выбрали процесс торможения. Помимо традиционного фрикционного, где кинетическая энергия просто преобразуется в трение и тепло были и другие…

Например, широко известный процесс торможения двигателем.

У ДВС этот процесс вызывает множество споров об эффективности. Практика показывает что для инжекторных моторов действительно существует определенная экономия топлива и даже некоторое падение рабочей температуры(в случае перегрева).

Причиной этому служит сам алгоритм впрыска топлива при торможении двигателем, где электронный блок управления на основе данных температуры поступающего воздуха; температуры охлаждающей жидкости; частота вращения коленчатого вала; степени открытия дроссельной заслонки; замера массового расхода воздуха и объемной доли кислорода в выхлопных газах точно рассчитывает необходимое количество, время впрыска, как и угол опережения зажигания.

На карбюраторных машинах эту функцию выполняет ЭПХХ(Экономайзер принудительного холостого хода), но не у всех машин, поэтому иногда действительно работа двигателя на холостом ходу была экономичнее.

У электромотора процесс торможения двигателем изначально ранее проходил… без рекуперации. «Лишняя» энергия просто уходила на нагрев реостатов. Экономию тут можно было увидеть лишь при каком либо попутном использовании этого тепла.

У парового привода автомобилей, как и у паровозов была возможность включения обратной тяги колес. В частности у автомобилей Doble этот процесс даже широко рекламировался по причине облегчения процесса торможения в сравнении с конкурентами того времени у которых тормозной момент реализовывался часто лишь через передние тормоза (похожий процесс создания обратной тяги был и у пропеллера единственного парового самолета Airspeed 2000, а у ДВС версий того же самолета подобной функции не было)

На КПД как мы понимаем это влияло отрицательно. Ведь кроме затрат энергии на разгон были и затраты на остановку! И именно поэтому последующие паровые автомобили все таки имели сцепление для отключения мотора от трансмиссии и хорошие тормоза на всех колесах.

В наше время вопрос возврата энергии торможения был уже решен более однообразно.

1. Процесс рекуперативного торможения

Так у ДВС образцом положительного рекуперативного торможения стали как первые гибридные модели «Приуса» с последовательно-параллельной схемой работы, так и с виду обычные системы с «умным» генератором (который мог отключатся при разгоне машины и подключатся при торможении экономя топливо от 5–15 % в зависимости от манеры вождения).

«Классическое» рекуперативное торможение на гибридных автомобилях по официальным данным в сравнении с обычными ДВС могло экономить уже до 50 % топлива. А если учесть еще возможность заряда батареи гибрида от сети(Plug-in hybrid) при отдельных режимах эксплуатации и того больше(если не брать в учет происхождение энергии).

Если учесть что в городских условиях вождения от 30% до 50% энергии движения расходуется на процесс торможения при 70% КПД системы рекуперации может показаться что остаток для извлечения пользы уже небольшой, но как всегда есть определенные нюансы.

Так у гибридных машин батарея при осуществлении процесса рекуперации сильно зависит от температурных режимов работы. При выходе за пределы как низких и высоких температур рекуперация просто не осуществляется… т. е. КПД потенциального процесса равен нулю.

Так же есть четкие ограничения по емкости АКБ и выше определенного предела заряда заряд не осуществляется. Это приводит к тому что даже при наличии возможности заряда КПД процесса вновь становится нулевым. Поэтому наибольший эффект рекуперации у «гибридов» наблюдается в городских условиях при частых остановках и небольших пробегах между ними когда АКБ не успевает достичь 100% заряда.

И последний фактор — износ АКБ. Он влияет уже непосредственно на сам процесс приема и отдачи заряда снижая максимальную мощность и увеличивая время необходимое для приема рекуперативной энергии. Таким образом даже при наличии энергии от торможения не вся мощность может быть направлена в АКБ. Попутно устаревание батареи негативно влияет и на скорость роста температуры, и снижает остаточную емкость.

У Электромобиля результат работы рекуперации скромнее. Прирост пробега, а следовательно и экономия-КПД всего 15-20% при определенных условиях эксплуатации. Разумеется есть и плюсы. Так емкость большой батареи значительно выше чем у гибридного автомобиля, но в остальном лишь минусы для рекуперации.

Например, удерживать подходящий температурный режим АКБ для рекуперации в холодное время года сложнее из-за больших размеров батареи и отсутствия тепловой «поддержки» ДВС. По той же причине деградация АКБ в среднем выше чем у гибридов, так как батарея в основном работает в тяговом режиме, а не буферном. В следствии двух перечисленных факторов не удивительно что эффект от рекуперативного торможения даже владельцы «Теслы» не всегда замечают как существенный фактор повышения пробега.

Исключение составляют лишь условия движения за городом в холмистой местности где сочетание большой массы электромобиля и большой емкости АКБ способствует максимальному эффективности рекуперативного торможения.

Паровой привод. Исключительно по причине «древности» технологии электрическое рекуперативное торможение так и не было применено в этих машинах. Хотя можно точно утверждать что в начале 20 столетия аналоги электрические и бензиновые так же его не применяли.

Поэтому в данном случае можно рассуждать лишь только теоретически.

Например, подходит ли технология «умного» генератора для применения в условном паромобиле «Добла» или «Стенли»? Безусловно да! Схема взаимодействия мотора и работы электрической части тут идентичны ДВС, Значит экономия может возрасти от пессимистичных 3% до 15%.

А гибридный привод схожий с применяемым у «Приуса»? Тут может возникнуть множество вопросов лишь по тому что оба привода «равны» по возможностям крутящего момента и КПД по всей линии роста оборотов, а значит чем большую роль будет играть электромотор тем меньше мощность(а следовательно и размеры) требуется от паровой установки.

Фактически тут необходимо определить грань между требуемой паровой и электрической мощностью.

Естественно возникнет вопрос КПД! У ДВС цикла Аткинсона он формально выше, а значит паро-электро-кар будет хуже?

В определенном смысле это может быть правдой, если не учитывать роста КПД рекуперации в случае «скрещивания» парового и электрического приводов, и того же заряда АКБ от сети.

А вот рост КПД рекуперации можно получить именно за счет использования энергии рекуперативного торможения в случаях невозможности заряда АКБ на фактический подогрев воды для парового привода. КПД процесса может быть небольшой, но он все равно будет выше нуля в сравнении с ДВС-версией гибридного привода.

Тот же эффект роста КПД возможен при зарядке «от сети», когда будет не только АКБ получать заряд, но и паровой котел. Таким образом если сравнивать паро-электрический и ДВС-электрический симбиоз можно будет сказать что первый более равноправный, в отличие от второго(где это больше похоже на «временные костыли» перед переходом к полноценному электромобилю).

2. Альтернатива электрической рекуперации.

Однако не только электрическим приводом единым возможен возврат энергии торможения. Ведь как мы знаем лития на всех может и не хватить? Поэтому в наше время можно найти и другие варианты.

У ДВС это технология пневмо-электрического привода Hybrid Air от PSA.

Концепция Hybrid Air представляет собой гибрид двигателя внутреннего сгорания и гидравлического двигателя - насоса.

В качестве баков для альтернативного топлива в центральной части авто и под пространством багажника установлены два баллона: который побольше - для низкого давления; а тот, что поменьше, соответственно для высокого. Изначально роль ускорения автомобиля будет брать на себя ДВС, а после набора скорости в 70 км/ч в работу будет включатся гидравлический двигатель. Посредством этого самого гидравлического двигателя и планетарной трансмиссии энергия сжатого воздуха будет превращаться во вращательное движение колёс. Кроме того система рекуперации энергии тут будет включатся во время торможения за счет того что гидравлический мотор будет выступать в роли помпы, и закачивать воздух в баллон низкого давления.

Инженеры компании заявляют что автомобиль с гибридной установкой Hybrid Air, даже несмотря на большую на 100 кг по сравнению с традиционным вариантом лишь с ДВС, будет иметь показатели топливной экономии на уровне не менее 45% при том что заявляется что потенциал технологии все еще не до конца определен, и может быть выше этих параметров.

При таких параметрах может возникнуть вопрос недостатков такой системы, а они существенны. Так как пневмодвигатель — полная противоположность двигателю внутреннего сгорания, то на выхлопе у такой системы возникает сильное переохлаждение мотора отчего для сохранения работоспособности при температурах уже +10 необходимо осуществлять принудительный подогрев воздуха. Еще одним недостатком является низкая плотность энергии, то есть количество вырабатываемой энергии на единицу объема рабочего тела. В сравнении с бензином ниже в 200 раз!

И к тому же низкий КПД около 5-7% (если не учитывать использование энергии охлаждения когда выхлопной воздух (до -15 гр.) использовали для помощи стандартному кондиционеру в машине).

Еще один существенный недостаток - дегидратации воздуха для работы системы. Если в сжатом воздухе будет хотя бы капля жидкости, то из-за сильного охлаждения при расширении рабочего тела она превратится в лед, и двигатель просто заглохнет (или даже потребует ремонта). Обычный летний воздух содержит примерно 10 г жидкости на 1 м 3 , и при наполнении одного баллона нужно затратить дополнительную энергию (около 0,6 кВт ч) на дегидратацию — причем эта энергия невосполнима.

Простота, надежность и высокая ремонтнопригодность привода, как и возможной рекуперации тут по-прежнему все еще не перевесила минусы, и поэтому об применении этой технологии на автомобилях массово ничего не слышно.

Исключение составляют лишь пневматические системы запуска ДВС, и гидро-пневматические системы HydroDrive для грузовых автомобилей имеющих ограниченную функцию рекуперации.

У электромобилей замена рекуперации обычной на пневматическую кажется невозможной на данный момент. И действительно откуда у электромобиля может взяться столько тепла для работы системы, и главное зачем?

Но на перспективу если рассмотреть внимательнее концепцию дооснащения второго поколения Tesla Roadster технологией пневмо-ускорителей от «Space X» все выглядит не так однозначно.

По словам Маска в новом электрокаре использующем системы двигателей холодного газа Space X будут металлокомпозитные баки высокого давления которые будут размещаться на месте заднего сиденья Roadster, а заряжаться от АКБ.

На первый взгляд ни слова о рекуперации… но вот если задуматься о каждом последующем рекуперативном торможении машины при котором энергия будет перетекать в закачку воздуха в баллоны? И это при том что сама рекуперация во многом будет зависима от параметров предельного заряда АКБ который благодаря повышенной нагрузке в большинстве случаев без такой системы мог бы быть достигнут быстрее?

Разумеется не всегда заряд сжатым воздухом можно будет назвать «рекуперацией», но определенный процент такой зависимости все же будет иметь место.

Паровой привод в плане альтернативной рекуперации прямых примеров не имеет, но во многом схож с ДВС по части использования. Одно из наиболее частых функций пневмопривода у паровых моторов был запуск парового двигателя.

Так как двигатели, использующие сжатый воздух или другие газы, отличаются от паровых двигателей только деталями, которые зависят от природы газа, то сжатый воздух использовался в паровых двигателях без доработок.

В 1974 году компания SAAB начала проект под кодовым названием ULF (сокращение от utan luftföroreningar, по-шведски «Без загрязнения воздуха») результатом работы которого было создание парового мотора с мгновенным запуском за счет использования воздуха, сжатого и хранимого во время работы автомобиля в баллонах, для питания автомобиля при запуске до тех пор, пока не будет создано достаточное давление пара. Информации по поводу рекуперации в данном случае не было, но по факту это можно считать первым примером гибридного привода паромобиля.

В наше время уже если рассуждать теоретически можно было бы организовать как рекуперацию по примеру концепции Hybrid Air, так и сбор конденсата при дегидратации воздуха для восполнения потерь воды. Особенно в жаркое время когда работа такого гибридного привода имела бы максимальный смысл.

Тем более что нагрев воздуха в данном случае мог бы осуществляться сразу за счет горелки парового мотора что сняло бы температурные ограничения использования привода для постоянной работы системы, а не только для пуска. А если учесть охлаждающий эффект для повышения КПД конденсатора всей системы парового привода, то КПД пневмо-привода можно было бы повысить на постоянной основе.

Таким образом для активного использования в движении паровой гибридный привод имел бы выбор систем рекуперации в зависимости от условий использования и цены доработки.

При недвижимом состоянии так же можно было бы найти ряд преимуществ.

3. Автомобиль как источник… энергии и тепла для дома.

ДВС традиционно может производить электроэнергию и тепло как в движении, так и на стоянке дома. Обычно эта функция не востребована, но в случае отказа стационарной электросети бывает полезна.

Именно эту функцию сейчас в полной мере могут использовать гибридные автомобили после проведения небольшой адаптации домашней электросети и автомобиля.

В частности Toyota Prius Plug-In Hybrid при тестировании показала что энергии полностью заряженной батареи Prius PHV с полным баком бензина, должно хватить на снабжение среднего японского домохозяйства в течение четырёх дней (это около 10 кВт/ч). Кроме того, энергия батарей подключаемых гибридных машин может использоваться для питания домов во время пиковых нагрузок на энергосистему, тем самым не только сглаживая нагрузку, и сокращая вероятность веерных отключений из-за перегрузок.

В теории конечно можно использовать и тепло «печки», если находится в машине во время работы двигателя.

У электромобилей функция передачи электроэнергии в обратном направлении более популярна.

В разное время об внедрении возможности питания энергосети от батареи электромобиля с помощью технологии Vehicle-to-grid (V2G) заявляли в Tesla, Nissan, Volvo, Hyundai, Lucid и многие другие...

Сроки и объемы снабжения тут уже, как правило, зависят от емкости батареи потому не могут быть более однозначными.

Так электромобиль Ford F-150 Lightning может питать дом в течение трех дней (при емкости АКБ 131 кВт·ч). Так же как гибридный автомобиль он сможет и генерировать тепло внутри салона что в критической ситуации может быть актуально.

Паромобили… могут обеспечить сразу три варианта снабжения дома, но в начале 20 века их чаще использовали ночью только как пункт обогрева дома, чтоб не глушить котел зимой.

Электрогенерацию тут можно обеспечить так же как и у остальных машин, но при этом формально может не зависеть от конкретного топлива для работы.

Производство тепла попутно обеспечиваемое за счет работы можно использовать в салоне машины и за ее пределами.

Так как особенностью пармообиля является сам факт производства тепла для обогрева с помощью генерации пара.

КПД парового отопления выше за счет отсутствия потерь на прокачку рабочего тела и меньших размеров труб и попутных теплопотерь. Все это в теории позволяет при наличии паровой системы отопления дома подключать котел паромобиля напрямую к дому, и уже отапливать все помещения здания. И даже есть возможность обойтись и более дешевыми решениями благодаря использованию пароводяных систем отопления, где пар будет передавать тепло жидкости.

P.S. - Больше всего удивляет в изучении паровых машин не их практически полное забвение на уже более полувека истории транспорта, а то как просто и непринужденно они теоретически способны решать проблемы настоящего сейчас, без каких либо дополнительных уникальных сложных разработок и систем. Все уже есть — осталось лишь совместить...