Что такое рекуперативное торможение и почему мы не используем его?

Я знаю, что многие электромобили используют рекуперативное торможение, чтобы сделать автомобиль более эффективным, преобразовав потерянную тепловую энергию в более полезную, многоразовую форму.

Конечно, должен быть какой-то способ разработки новой конструкции тормоза, которая позволила бы использовать эту технологию на более обычном автомобиле, приводимом в действие обычным двигателем внутреннего сгорания.

Что я не понимаю, так это:

• Что такое рекуперативное торможение?
• Почему мы можем использовать рекуперативное торможение только на электрических и гибридных автомобилях?
• Есть ли какая-то причина, по которой мы не можем использовать эту умную технологию торможения для увеличения мощности на коленчатом валу или снижения расхода топлива?

Источник изображения: http://sjam4uphysics.pbworks.com/w/page/38936885/Regenerative%20Braking

tl; dr: мы делаем. Это просто дорого.

Одно из различий между электродвигателями электрической и химической энергии заключается в том, что электрические системы значительно упрощают захват и удержание энергии (например, батареи). Все, что вам нужно сделать, это использовать индукцию для создания электрического тока прямо на колесе при торможении. Направьте этот ток на эту батарею, и вы сохраните энергию, которая в противном случае была бы потрачена впустую.

С двигателем химической энергии намного сложнее хранить избыточную энергию. Например, мы не можем использовать тормоза для производства большего количества бензина. Тем не менее, можно сохранить кинетическую энергию в чем-то вроде KERS . Это будет использовать энергию при торможении, чтобы раскрутить маховик. Этот маховик может быть использован для дополнительной движущей силы, когда это необходимо.

К сожалению, устройства KERS стоят дорого и требуют большого количества дополнительных разработок (как именно вы получите вращающийся маховик, чтобы толкать машину вперед?). Они также не распространены, поэтому они не получают выгоды от эффекта масштаба.

Все, что сказал, они работают. Формула-1 использовала их для достижения эффекта. Я бы не использовал такие возможности на дороге, но я был бы рад поэкспериментировать с чем-нибудь, что поможет мне получить больше энергии из галлона газа.

В ответ на вопрос «Что такое рекуперативное торможение и почему мы не используем его?», Мы делаем. При нормальном торможении передний импульс автомобиля счищается тормозами, превращая их в тепло в тормозном диске с последующим рассеиванием и теряется. При рекуперативном торможении вместо движения автомобиля, теряющегося в атмосфере в виде тепла, оно преобразуется в электрическую энергию и накапливается в аккумуляторе автомобиля.

Автомобили Volkswagen Bluemotion (и я вполне уверен, что другие производители делают это, но я уверен, что это делают Volkswagen) имеют очень сложный генератор. Когда автомобиль обнаруживает, замедляется ли он из-за давления, прилагаемого к тормозам, и автомобиль все еще находится на передаче, и это сцепление включено, генератор переключается в режим, в котором он получает значительно больше мощности от привода. Этот привод обычно исходит от двигателя, но в ситуации торможения он обеспечивается исключительно через трансмиссию и эффективно работает на трансмиссии.

Эта система установлена ​​как на бензиновых, так и на дизельных автомобилях Volkswagen, оснащенных Bluemotion. Более подробная информация доступна здесь и здесь

Я действительно ценю, что это не совсем в том же масштабе, что и автомобили F1, но это форма регенеративного торможения, и она используется на дорогах общего пользования сегодня.

Регенеративное торможение - это система, которая накапливает энергию, которая вместо этого теряется при нагревании в тормозах. Хотя эти системы звучат великолепно, у них есть целый ряд собственных проблем.

1. Еще до того, как приступить к накоплению и производству энергии, фактические тормоза становятся очень сложными. Для правильной работы рекуперативного торможения тормоза не должны включаться, пока рекуперативные тормоза делают свое дело. Дальнейшие рекуперативные тормоза работают только на высокой скорости и теряют свою эффективность по мере замедления. Это требует перехода, когда на высокой скорости рекуперативные тормоза замедляют вас, а обычные тормоза - нет, а когда вы замедляете, рекуперативные тормоза делают все меньше и меньше, и обычные тормоза, наконец, остановят вас. Система, которая заставляет педаль тормоза чувствовать себя нормально, в то время как обычные тормоза ничего не делают, а затем плавно переводит вас в обычное торможение, когда вы замечаете, что произошло переключение, очень сложна и очень трудна для совершенствования.
2. Хранение энергии - огромная проблема. В гибридах все звучит великолепно, просто заряжайте аккумуляторы, где на самом деле количество энергии, которую автомобиль генерирует во время остановки, намного больше, чем аккумуляторы могут реально поглотить. Если остановка быстрая, то проблема еще больше усиливается. Система, о которой упоминал @BobCross, называется KERS. Сочетая двигатель / генератор с маховиком, дополнительная рекуперативная энергия, которая не может поступать непосредственно в батареи, используется для вращения маховика. Затем со временем энергия преобразуется в электричество для зарядки батарей. Эти системы очень тяжелые и дорогие. Другая система использует суперконденсаторы. Дополнительная энергия сбрасывается в супер шапки. Проблема в том, что когда энергия накапливается в конденсаторах, она не очень полезна без кондиционирования. Напряжение в конденсаторах падает очень быстро. Если накапливается высокое напряжение, то необходима система для понижения напряжения до чего-то полезного. Если накапливается не больше напряжения, чем батарея, то необходима система, чтобы повысить напряжение до чего-то полезного. Супер конденсаторы тоже довольно дорогие.

Гибриды и электромобили имеют встроенные электрические системы, чтобы использовать преимущества рекуперативного торможения. Все эти проблемы еще более усиливаются с прямыми бензиновыми двигателями. Новая система требует установки, не может использовать что-то существующее, чтобы обеспечить рекуперативное торможение, увеличивающее расходы. Становится трудно продать кого-то по системе, которая добавляет 5 тысяч долларов к цене автомобиля, который экономит топливо в городе, но страдает на шоссе.

Ford разрабатывает систему, в которой поршневой насос подает заряд гидравлического аккумулятора, когда вы останавливаетесь. При повторном взлете давление жидкости передается в обратном направлении через насос, чтобы превратить его в двигатель для облегчения запуска с момента остановки. Система предназначена для больших грузовиков, размер системы которых не слишком обременителен. Также система работает громко и подвержена утечкам.

Дизель-электрические железнодорожные локомотивы используют рекуперативное торможение, но они называют это «динамическим торможением». Кроме того, они не накапливают энергию, они выдувают ее через резисторные решетки и вентиляторы на уровне крыши.

Полностью электрические локомотивы и некоторые трамваи могут, как правило, подавать регенерированную энергию обратно в провод или третий рельс; это намного проще в системах постоянного тока.

Но тяговые двигатели (как правило, по одному на ось) приводятся в движение импульсом поезда и работают как генераторы.

Регенеративное торможение действительно полезно только на электрических или гибридных автомобилях по той простой причине, что у них есть способ использовать накопленную энергию. Кроме того, как только у вас есть электрический двигатель в составе трансмиссии, в значительной степени встроено рекуперативное торможение (по крайней мере, с точки зрения аппаратного обеспечения), поскольку вы просто используете существующий двигатель или генератор и переключаете энергию, генерируемую на батарею, для дальнейшего использования. использовать.

По сути, нет никакого смысла в том, чтобы использовать рекуперативное торможение во всем, кроме гибридного автомобиля, ведь регенерирующее торможение - хорошее определение гибридного автомобиля.

Хотя нет никаких причин, по которым вы не смогли бы оснастить автомобиль с обычным двигателем с ИС системой рекуперативного торможения, но если вы не собираетесь использовать эту мощность для управления автомобилем, вы на самом деле не достигли многого, добавив много дополнительного вес и сложность для хранения электрической энергии, которую вы не можете использовать.

Существует также проблема, заключающаяся в том, что в длительных поездках по автомагистралям и автомагистралям вам может не хватить тормозов, чтобы удовлетворить даже небольшие потребности вспомогательных электрических систем (освещение, зажигание, радио, зарядка аккумулятора для запуска и т. Д.), Поэтому вы можете даже не получить Преимущество не нуждается в генераторе.

Мы можем сделать следующую лучшую вещь.

Впереди на полмили (800 м) я вижу свет, желтеющий; при скорости 100 миль в час (100 км / ч) это 30 секунд. И я знаю, что у света есть 35-секундный цикл плюс 10 секунд, чтобы стек остановленных автомобилей начал двигаться.

Я прикладывал постоянную силу, чтобы поддерживать скорость. Я буду продолжать делать это еще 25 секунд, затем 5 секунд твердого торможения и остановлюсь. 15 секунд играю с моим телефоном, затем я в пути.

Или ... Я немедленно перехожу в режим ожидания. Моя машина берегов. Когда двигатель все еще работает, мой импульс толкает (вращает) двигатель для мягкого торможения, поэтому топливные форсунки полностью отключаются. Моя скорость постепенно замедляется ... 55 ... 50 ... 45 ... Немного власти ... 40 (65kph) ... флип свет поворачивает зеленыйпока я еще 1/8 мили (200 м) обратно. Остановившиеся машины распаковываются, и я точно определяю, когда подать мощность. И я никогда не тормозил.

В первом сценарии есть две энергетические биржи. Сначала топливо применялось на 3/8 мили (600 м), чтобы остаться в круизе. Во-вторых, энергия торможения потеряла в последней 1/8 мили. Мало того, что они почти равны, они имеют одинаковую энергию . Если бы мы делали правильную регенерацию, мы могли бы прочитать их с амперметра и вывести фактические джоули из и в.

Во втором сценарии их нет. Топливо не расходуется и энергия торможения не теряется. Эффект рекуперативного торможения достигается, но без каких-либо потерь преобразования.

Конечно, это образовательный подход, а не технологический, но он работает. Даже на EV, способном к регенерации, он все еще работает лучше, чем на регенерации - на самом деле, он будет работать даже лучше на EV, потому что вы получаете лучший «крен» - не нужно использовать перетаскивание, чтобы вращать двигатель, просто чтобы обеспечить тормоз и помощь в управлении ,