Pedeorelha | Jak funguje GMs Hy-wire

Yurii Mongol
0
2824
506

GM sedanový model Hy-wire. Prohlédněte si další obrázky alternativních paliv. Foto s laskavým svolením General Motors

Auta jsou nesmírně komplikované stroje, ale když se k nim dostanete, dělají neuvěřitelně jednoduchou práci. Většina složitých věcí v autě je věnována otáčejícím se kolům, která sevřou cestu sem tělo karoserie a spolucestující. Řídicí systém naklápí kola ze strany na stranu, aby se otáčel autem, a brzdové a akcelerační systémy řídí rychlost kol.

Vzhledem k tomu, že celková funkce automobilu je tak základní (stačí zajistit rotační pohyb na kolech), zdá se trochu divné, že téměř všechna auta mají stejnou sbírku komplexních zařízení nabitých pod kapotou a stejnou celkovou hmotnost mechanických a hydraulická propojení probíhající po celé délce. Proč auta nutně potřebují sloupek řízení, brzdové a akcelerační pedály, spalovací motor, katalyzátor a zbytek?

Podle mnoha předních automobilových inženýrů to tak není; a ještě k věci v blízké budoucnosti zvyklý. S největší pravděpodobností bude mnoho z nás během 20 let řídit radikálně odlišná auta. A rozdíl nebude jen pod kapotou - výrazně se změní i vlastnická a řidičská auta.

V tomto článku se podíváme na jednu zajímavou vizi budoucnosti, pozoruhodný koncepční vůz General Motor, Hy-wire. GM nemusí nikdy skutečně prodat Hy-wire veřejnosti, ale je to určitě dobrá ukázka různých způsobů vývoje automobilů v blízké budoucnosti.

Obsah

Základy vodiče
Vodíková síla společnosti Hy-Wire
Řízení počítače Hy-Wire

Originální koncept vozu AUTOnomy Jízdní aktualizace vozu AUTOnomy, Hy-wire Foto s laskavým svolením General Motors Foto s laskavým svolením General Motors

Dnešní design vozu do značné míry určuje dva základní prvky: spalovací motor a mechanická a hydraulická propojení.

Pokud jste se někdy podívali pod kapotu automobilu, víte, že spalovací motor vyžaduje pro správnou funkci spoustu dalšího vybavení. Bez ohledu na to, co dělají s autem, musí designéři vždy vytvořit prostor pro toto vybavení.

Totéž platí pro mechanická a hydraulická propojení. Základní myšlenka tohoto systému spočívá v tom, že řidič ovládá různé akční členy v automobilu (kola, brzdy atd.) Více či méně přímo manipulací s ovládacími prvky řízení spojenými s těmito ovládacími prvky pomocí hřídelí, převodových stupňů a hydrauliky. Například v systému řízení s pastorkem otáčí volant otočením hřídele spojené s pastorkem, které pohybuje ozubeným kolem připojeným k předním kolům automobilu. Kromě omezování toho, jak je auto postaveno, určuje koncept pojezdu také to, jak řídíme: Volant, pedál a systém řazení byly navrženy kolem myšlenky propojení..

Hy-wire má kola, sedadla a okna jako běžné auto, ale podobnost tam skoro končí. Pod kapotou se nenachází žádný motor a uvnitř není žádný volant ani pedály. Foto s laskavým svolením General Motors

Definující charakteristikou Hy-wire (a jeho koncepčního předchůdce, AUTOnomy) je to, že nemá žádnou z těchto dvou věcí. Místo motoru má zásobník palivových článků, který pohání elektrický motor připojený k kolům. Místo mechanických a hydraulických vazeb má a pohon po drátu systém - počítač skutečně ovládá komponenty, které pohybují koly, aktivují brzdy atd., na základě vstupu od elektronického ovladače. Jedná se o stejný kontrolní systém, jaký se používá v moderních stíhacích letounech a v mnoha komerčních letadlech.

Tento obsah není na tomto zařízení kompatibilní.

Foto s laskavým svolením General Motors

Ilustrace konceptu upevnění těla AUTOnomy

Výsledkem těchto dvou náhrad je velmi odlišný typ automobilu - a velmi odlišný zážitek z jízdy. Neexistuje žádný volant, nejsou pedály a není žádný motorový prostor. Ve skutečnosti je každý kus zařízení, který skutečně pohybuje autem po silnici, umístěn v hliníkovém šasi o tloušťce 11 palců (28 cm) - také známém jako skateboard -- na základně auta. Vše nad podvozkem je určeno výhradně pro ovládání řidiče a pohodlí cestujících.

To znamená, že řidič a cestující nemusí sedět za hromadou strojů. Místo toho má Hy-wire obrovský přední čelní sklo, které dává každému jasný výhled na silnici. Podlaha z kabiny ze skleněných vláken a oceli může být zcela rovná a každému sedadlu je snadné dát spoustu prostoru pro nohy. Koncentrace velké části vozidla ve spodní části automobilu také zvyšuje bezpečnost, protože způsobuje, že se auto mnohem méně pravděpodobně převrátí.

Nejúžasnější věcí na tomto designu je, že vám umožní odstranit celý prostor pro cestující a vyměnit jej za jiný. Pokud chcete přejít z dodávky na sportovní auto, nepotřebujete úplně nové auto; stačí nové tělo (což je mnohem levnější).

Kdykoli potřebujete dodávku, můžete vždy přepnout zpět. Logistika přepínání je stále nejasná - pokud se nápad naplní, mohou existovat speciální přepínací stanice, kde si můžete nechat své různé karoserie, nebo by mohl existovat způsob, jak řidiči přepnout karoserie sami ve své vlastní garáži..

Nahoru Další

GM původně daboval svůj pracovní koncept pro auto s pohonem z drátěných palivových článků Autonomie, zdůraznit flexibilitu ovládání počítače a přepínatelných karoserií automobilů. Když přišel čas pojmenovat skutečnou verzi, kterou lze řídit, designérský tým přijal skupinu dětí ve věku od šesti do 15 let, aby přišly se zajímavými možnostmi. Candy-fueled brainstorming zasedání přinesla stovky jmen, včetně Divoká karta, Moonshot, Jetson a Volt. GM nakonec šel s 14-rok-starý Aleksei Dachyshyn návrh, Hy-wire, protože to pěkně shrnul vodíkové palivové články a drive-by-wire koncepty v jádru vozidla.

Vodíkové nádrže a palivové články v Hy-wire Photo s laskavým svolením General Motors

Ve vodíkovém palivovém článku katalyzátor rozkládá molekuly vodíku v anodě na protony a elektrony. Protony se pohybují skrz výměnnou membránu směrem k kyslíku na straně katody a elektrony procházejí drátem mezi anodou a katodou. Na straně katody se vodík a kyslík spojují a vytvářejí vodu. Mnoho buněk je zapojeno do série, aby se pohybovaly podstatným nábojem obvodem.

„Hy“ v Hy-wire znamená vodík, standardní palivo pro systém palivových článků. Stejně jako baterie mají palivové články záporně nabitý terminál a kladně nabitý terminál, který pohání elektrický náboj obvodem připojeným ke každému konci. Jsou také podobné bateriím v tom, že vyrábějí elektřinu z a chemická reakce. Na rozdíl od baterie však můžete nepřetržitě dobíjet palivový článek přidáním chemického paliva - v tomto případě vodík z palubní nádrže a kyslík z atmosféry.

Tento obsah není na tomto zařízení kompatibilní.

Základní myšlenkou je použít katalyzátor k rozdělení molekuly vodíku (H2) na dva H protony (H +, kladně nabité jednotlivé atomy vodíku) a dva elektrony (e-). Kyslík na katoda (pozitivně nabitá) strana palivového článku táhne ionty H + z anodové strany skrz a protonová výměnná membrána, ale blokuje tok elektronů. Elektrony (které mají záporný náboj) jsou přitahovány k protonům (které mají kladný náboj) na druhé straně membrány, ale musí se pohybovat elektrickým obvodem, aby se tam dostaly. Pohybující se elektrony tvoří elektrický proud, který pohání různá zatížení v obvodu, jako jsou motory a počítačový systém. Na katodové straně buňky se vodík, kyslík a volné elektrony spojují a vytvářejí vodu (H2O), jediný emisní produkt systému. (Další informace viz Jak fungují palivové články.)

Jeden palivový článek vydává jen trochu energie, takže je třeba zkombinovat mnoho článků do zásobníku, abyste z procesu mohli hodně využít. Zásobník palivových článků v Hy-wire je tvořen 200 samostatnými články zapojenými dovnitř série, které společně poskytují 94 kilowattů nepřetržitého výkonu a 129 kilowattů při špičkovém výkonu. Kompaktní komín (o velikosti PC věže) je udržován v chladu konvenčním radiátorovým systémem, který je poháněn samotnými palivovými články.

Další pohled na Hy-wire Photo s laskavým svolením General Motors

Tento systém dodává stejnosměrné napětí v rozsahu od 125 do 200 V, v závislosti na zátěži v obvodu. Řídicí jednotka motoru to zvyšuje až na 250 až 380 voltů a převádí jej na střídavý proud, aby pohání třífázový elektrický motor který točí kola (to je podobné systému používanému v konvenčních elektrických autech).

Úkolem elektromotoru je vyvinout točivý moment na osu předního kola a otáčet obě přední kola. Řídicí jednotka mění rychlost vozidla zvýšením nebo snížením výkonu aplikovaného na motor. Když řídicí jednotka aplikuje maximální výkon ze zásobníku palivových článků, rotor se točí při 12 000 otáčkách za minutu, čímž se dosáhne točivého momentu 159 liber. Jednostupňová planetová převodovka s poměrem 8,67: 1 zvyšuje krouticí moment a aplikuje na každé kolo maximálně 1375 liber. To je dostatek točivého momentu, aby bylo možné přesunout 4 200 liber (1 905 kg) vozu 100 mil za hodinu (161 km / h) na rovné silnici. Menší elektrické motory manévrují kola, aby řídily vůz, a elektricky ovládané brzdové třmeny zastavte auto.

Plynné vodíkové palivo potřebné k napájení tohoto systému je uloženo ve třech válcových nádržích o celkové hmotnosti asi 75 kilogramů. Nádrže jsou vyrobeny ze speciálních uhlíkový kompozitní materiál s vysokou strukturální pevností potřebnou k udržení vysokotlakého vodíku. Nádrže v současném modelu drží asi 4,5 libry (2 kg) vodíku při asi 5000 liber na čtvereční palec (350 barů). U budoucích modelů doufají inženýři Hy-wire ke zvýšení prahu tlaku na 10 000 liber na čtvereční palec (700 barů), což by zvýšilo palivovou kapacitu automobilu a rozšířilo dojezd.

Nakonec, GM doufá, že dostane palivové články, motory a zásobníky vodíku dostatečně malé, aby mohly snížit tloušťku podvozku z 11 palců na 6 palců (15 cm). Tento kompaktnější „skateboard“ by umožnil ještě větší flexibilitu v designu karoserie.

Hybridní čísla

Maximální rychlost: 100 mil za hodinu (161 km / h)
Hmotnost: 4 185 liber (1 898 kg)
Délka podvozku: 14 stop, 3 palce (4,3 m)
Šířka podvozku: 5 stop, 5,7 palce (1,67 m)
Tloušťka podvozku: 11 palců (28 cm)
Kola: osmi paprsková kola z lehké slitiny.
Pneumatiky: 20 palců (51 cm) vpředu a 22 palců (56 cm) vzadu
Výkon palivových článků: 94 kilowattů nepřetržitě, 129 kilowattů ve špičce
Napětí zásobníku palivových článků: 125 až 200 voltů
Motor: 250 až 380 V třífázový asynchronní elektromotor
Ochrana proti nárazu: přední a zadní „tlakové zóny“ (nebo „nárazové skříně“), které absorbují nárazovou energii
Probíhající související patenty GM: 30
Členové týmu GM podílející se na designu: 500+

GM je diagram designu AUTOnomy s laskavým svolením General Motors

„Mozek“ Hy-wire je centrální počítač umístěný uprostřed podvozku. Posílá elektronické signály do řídicí jednotky motoru, aby změnila rychlost, mechanismus řízení k manévrování vozu a brzdový systém pro zpomalení vozu.

Na úrovni podvozku řídí počítač všechny aspekty řízení a využití energie. Jeho příkazy však vycházejí z vyšší síly - jmenovitě řidiče v karoserii. Počítač se připojuje k elektronice těla prostřednictvím jediného univerzální dokovací port. Tento centrální port funguje stejným způsobem jako port USB v osobním počítači: přenáší konstantní proud elektronických příkazových signálů z řídicí jednotky do centrálního počítače a zpětnovazební signály z počítače do řídicí jednotky. Kromě toho poskytuje elektrickou energii potřebnou k provozu celé palubní elektroniky těla. Deset fyzické vazby uzamkněte tělo ke konstrukci podvozku.

X-drive Hy-wire X-drive se může posunout na obě strany vozidla. Foto s laskavým svolením General Motors Foto s laskavým svolením General Motors

Řídicí jednotka řidiče, dabovaná X-drive, je mnohem blíže k video hra ovladač než konvenční uspořádání volantu a pedálu. Regulátor má dvě ergonomické úchyty umístěné vlevo a vpravo od malého LCD monitoru. Chcete-li řídit vůz, lehce klouzejte rukojetí nahoru a dolů - nemusíte se otáčet kolem kola, stačí držet držadlo v poloze otáčení. Chcete-li zrychlit, otočte buď gripem, stejně jako byste otočili škrticí klapku na motocyklu; a abyste zabrzdili, stiskněte buď přilnavost.

Elektronické snímače pohybu, podobné těm, které jsou umístěny na špičkových počítačových joystickech, převádějí tento pohyb do digitálního signálu, který může centrální počítač rozpoznat. Tlačítka na ovladači umožňují snadné přepnutí z neutrálu na jízdu vzad a startovací tlačítko zapne auto. Vzhledem k tomu, že vše je ovládáno ručně, můžete s nohama dělat cokoli chcete (představte si, že je každý den během jízdy do práce az práce v maseru).

Barevný monitor o průměru 5,8 palce (14,7 cm) ve středu ovladače zobrazuje všechny věci, které byste normálně našli na palubní desce (rychlost, počet najetých kilometrů, hladina paliva). Rovněž poskytuje namísto konvenčních zrcadel obrázky z videokamer po stranách a zezadu. Druhý monitor na konzole vedle ovladače zobrazuje stereofonní, klimatické a navigační informace.

Vzhledem k tomu, že nejezdí přímo na žádnou část automobilu, mohl by se X-drive opravdu dostat kamkoli do prostoru pro cestující. U současného modelu sedan Hy-wire se X-drive otáčí kolem kteréhokoli z předních dvou sedadel, takže můžete přepínat řidiče, aniž byste vstávali. Rovněž je snadné seřizovat X-drive nahoru nebo dolů, aby se zlepšilo pohodlí řidiče, nebo ho úplně vyřadit z cesty, když nejedete.

GM koncept AUTOnomy s připojeným tělem a bez něj Foto s laskavým svolením General Motors Foto s laskavým svolením General Motors

Jednou z nejúžasnějších věcí na systému „drive-by-wire“ je, že můžete doladit ovládání vozidla beze změny v mechanických součástech automobilu - vše, co je potřeba k nastavení citlivosti řízení, akcelerátoru nebo brzdy, je nějaký nový počítačový software. U budoucích vozidel s pohonem po dráze budete s největší pravděpodobností schopni ovládat ovládací prvky přesně podle svých představ stisknutím několika tlačítek, stejně jako byste dnes mohli upravit polohu sedadla v autě. V tomto systému by bylo také možné ukládat odlišné ovládací preference pro každého řidiče v rodině.

Velký problém u vozidel typu drive-by-wire je bezpečnost. Protože neexistuje žádné fyzické spojení mezi řidičem a mechanickými prvky automobilu, elektrická porucha by znamenala úplnou ztrátu kontroly. Aby byl tento druh systému v reálném světě životaschopný, budou auta typu „by-wire“ potřebovat záložní zdroje napájení a redundantní elektronické propojení. S odpovídajícími bezpečnostními opatřeními, jako je toto, není důvod, proč by automobily typu „by-wire“ byly nebezpečnější než konvenční automobily. Ve skutečnosti si mnoho designérů myslí, že budou mnohem bezpečnější, protože centrální počítač bude schopen sledovat vstup ovladačů. Dalším problémem je přidání dostatečné ochrany proti nárazu do automobilu.

Další hlavní překážkou tohoto typu automobilu je vymýšlení energeticky účinné metody pro výrobu, přepravu a skladování vodíku pro zásobníky palivových článků na palubě. Při současném stavu technologie může výroba vodíkového paliva generovat přibližně tolik znečištění jako u benzínových motorů a systémy skladování a distribuce mají stále ještě dlouhou cestu (další informace viz Jak funguje ekonomika vodíku).

Budeme mít tedy někdy šanci koupit Hy-wire? Společnost General Motors uvádí, že v roce 2010 plně hodlá uvolnit produkční verzi vozu za předpokladu, že dokáže vyřešit hlavní problémy s palivem a bezpečností. Ale i když tým Hy-wire tento cíl nesplní, GM a další výrobci automobilů rozhodně plánují někdy brzy přejít od konvenčního automobilu k počítačové, ekologické alternativě. Pravděpodobně se v příštích několika desetiletích objeví život na dálnici.

Další informace o Hy-wire a dalších nově vznikajících automobilových technologiích najdete v odkazech na následující stránce.

Související články

Kvízový koutek: Kvíz s palivovými články
Jak fungují palivové články
Jak elektrická auta fungují
Jak funguje ekonomika vodíku
Jak fungují hybridní auta
Jak Toyota MTRC funguje
Jak fungují automobilové počítače
Jak fungují palivové procesory
Jak budou auta poháněná vzduchem fungovat
Jak fungují F-15s
Jak Joysticky fungují
Jak Segways fungují
Jaké jsou různé způsoby ukládání energie kromě použití dobíjecích baterií?

Další skvělé odkazy

TechTV: Hitching Ride on Hy-Wire
TechTV: 21. století s plavbou Hy-Wire
CNN.com: Hy-wire navržený pro zelenou roli
PopularMechanics.com: Fueling the Future
PopularMechanics.com: Hy-Wire Act
Adresář vozidel s alternativním palivem
Skupina vozidel na alternativní palivo
FuelEconomy.gov