Jak działa GMs Hy-wire

Model sedan GM Hy-wire. Zobacz więcej zdjęć pojazdów napędzanych paliwami alternatywnymi. Zdjęcie dzięki uprzejmości General Motors

Samochody to niezwykle skomplikowane maszyny, ale kiedy się do tego zabierasz, wykonują niesamowicie prostą robotę. Większość skomplikowanych rzeczy w samochodzie jest poświęcona skręcaniu kół, które przyczepiają się do drogi Ciągnąć karoseria i pasażerowie wzdłuż. Układ kierowniczy przechyla koła na boki, aby skręcić samochód, a systemy hamowania i przyspieszenia kontrolują prędkość kół.

Biorąc pod uwagę, że ogólna funkcja samochodu jest tak podstawowa (wystarczy zapewnić ruch obrotowy kołom), wydaje się trochę dziwne, że prawie wszystkie samochody mają tę samą kolekcję skomplikowanych urządzeń stłoczonych pod maską i taką samą ogólną masę mechaniczną i hydraulicznych połączeń działających na całej długości. Dlaczego samochody koniecznie potrzebują kolumny kierownicy, pedałów hamulca i przyspieszenia, silnika spalinowego, katalizatora i całej reszty?

Według wielu czołowych inżynierów motoryzacyjnych tak nie jest; a co więcej, w najbliższej przyszłości oni przyzwyczajenie. Najprawdopodobniej wielu z nas będzie jeździć radykalnie różnymi samochodami w ciągu 20 lat. Różnica tkwi nie tylko pod maską - posiadanie i prowadzenie samochodu również ulegnie znaczącej zmianie.

W tym artykule przyjrzymy się jednej interesującej wizji przyszłości - niezwykłemu samochodowi koncepcyjnemu General Motor - Hy-wire. GM może nigdy nie sprzedać publicznie Hy-wire, ale z pewnością jest to dobra ilustracja różnych sposobów, w jakie samochody mogą ewoluować w najbliższej przyszłości.

Zawartość

1. Podstawy przewodów hybrydowych
2. Moc wodorowa Hy-Wire
3. Sterowanie komputerowe Hy-Wire

Oryginalny samochód koncepcyjny AUTOnomy Możliwość jazdy aktualizacja AUTOnomy, Hy-wire Zdjęcie dzięki uprzejmości General Motors Zdjęcie dzięki uprzejmości General Motors Oryginalny samochód koncepcyjny AUTOnomy Możliwość jazdy aktualizacja AUTOnomy, Hy-wire Zdjęcie dzięki uprzejmości General Motors Zdjęcie dzięki uprzejmości General Motors

Projekt samochodu w dużej mierze dyktują dwa podstawowe elementy: silnik spalinowy i połączenia mechaniczne i hydrauliczne.

Jeśli kiedykolwiek zajrzałeś pod maskę samochodu, wiesz, że silnik spalinowy do prawidłowego działania wymaga wielu dodatkowych urządzeń. Niezależnie od tego, co jeszcze robią z samochodem, projektanci zawsze muszą zrobić miejsce dla tego wyposażenia.

To samo dotyczy połączeń mechanicznych i hydraulicznych. Podstawową ideą tego systemu jest to, że kierowca manewruje różnymi elementami wykonawczymi w samochodzie (kołami, hamulcami itp.) Mniej lub bardziej bezpośrednio, manipulując elementami sterującymi połączonymi z tymi siłownikami za pomocą wałków, przekładni i hydrauliki. Na przykład w układzie kierowniczym z zębatką, obracanie kierownicy powoduje obrót wałka połączonego z zębnikiem, który porusza zębatką połączoną z przednimi kołami samochodu. Oprócz ograniczenia konstrukcji samochodu, koncepcja podnośnika określa również sposób jazdy: kierownica, pedał i system zmiany biegów zostały zaprojektowane zgodnie z ideą połączenia.

Hy-wire ma koła, siedzenia i szyby jak w konwencjonalnym samochodzie, ale na tym podobieństwo się kończy. Pod maską nie ma silnika, w środku nie ma kierownicy ani pedałów. Zdjęcie dzięki uprzejmości General Motors

Cechą charakterystyczną Hy-wire (i jego koncepcyjnego poprzednika, AUTOnomy) jest to, że nie ma żadnej z tych dwóch rzeczy. Zamiast silnika ma stos ogniw paliwowych, który napędza silnik elektryczny połączony z kołami. Zamiast połączeń mechanicznych i hydraulicznych ma napęd za pomocą drutu system - komputer faktycznie obsługuje komponenty, które poruszają kołami, uruchamiają hamulce itd., na podstawie danych wejściowych z elektronicznego sterownika. To ten sam system sterowania, który jest stosowany w nowoczesnych myśliwcach, a także w wielu samolotach komercyjnych.

Ta treść nie jest kompatybilna na tym urządzeniu.

Zdjęcie dzięki uprzejmości General Motors

Ilustracja koncepcji przywiązania do ciała w AUTOnomy

Rezultatem tych dwóch zastąpień jest zupełnie inny typ samochodu - i bardzo różne wrażenia z jazdy. Nie ma kierownicy, nie ma pedałów i nie ma komory silnika. W rzeczywistości każdy element wyposażenia, który faktycznie porusza samochód po drodze, jest umieszczony w aluminiowym podwoziu o grubości 11 cali (28 cm) - znanym również jako deskorolka -- u podstawy samochodu. Wszystko, co znajduje się nad podwoziem, służy wyłącznie kontroli kierowcy i komforcie pasażerów.

Oznacza to, że kierowca i pasażerowie nie muszą siedzieć za masą maszyn. Zamiast tego Hy-wire ma ogromną przednią szybę, która zapewnia każdemu dobry widok na drogę. Podłoga przedziału pasażerskiego wykonanego z włókna szklanego i stali może być całkowicie płaska i łatwo jest zapewnić każdemu siedzeniu dużo miejsca na nogi. Skoncentrowanie większości pojazdu w dolnej części samochodu również poprawia bezpieczeństwo, ponieważ znacznie zmniejsza prawdopodobieństwo przewrócenia się samochodu.

Ale najfajniejsze w tym projekcie jest to, że pozwala usunąć cały przedział pasażerski i zastąpić go innym. Jeśli chcesz przesiąść się z furgonetki na samochód sportowy, nie potrzebujesz całkowicie nowego samochodu; potrzebujesz tylko nowego korpusu (który jest dużo tańszy).

Zawsze możesz wrócić, gdy znów będziesz potrzebować furgonetki. Logistyka zmiany jest nadal niejasna - jeśli pomysł się przyjmie, mogą istnieć specjalne stacje rozdzielcze, w których można przechowywać różne karoserie, lub może istnieć sposób, w jaki kierowcy mogą samodzielnie zmieniać karoserie we własnym garażu.

W przyszłym

GM pierwotnie nazwał swoją koncepcję roboczą samochodu napędzanego ogniwami paliwowymi „ Autonomia, podkreślenie elastyczności sterowania komputerowego i przełączanych karoserii. Kiedy nadszedł czas, aby nazwać wersję nadającą się do jazdy, zespół projektantów zwerbował grupę dzieci w wieku od sześciu do 15 lat, aby wymyślić interesujące możliwości. Sesje burzy mózgów przyniosły setki nazwisk, w tym Dzika karta, Moonshot, Jetson i Wolt. GM ostatecznie zgodził się z sugestią 14-letniego Aleksieja Dachyshyna, Hy-wire, ponieważ ładnie podsumował on koncepcje wodorowego ogniwa paliwowego i systemu drive-by-wire u podstaw pojazdu..

Zbiorniki wodoru i stos ogniw paliwowych w Hy-wire Zdjęcie dzięki uprzejmości General Motors

W wodorowym ogniwie paliwowym katalizator rozbija cząsteczki wodoru w anodzie na protony i elektrony. Protony przemieszczają się przez membranę wymienną w kierunku tlenu po stronie katody, a elektrony przedostają się przez drut między anodą a katodą. Po stronie katody wodór i tlen łączą się, tworząc wodę. Wiele ogniw jest połączonych szeregowo, aby przenosić znaczny ładunek przez obwód.

„Hy” w Hy-wire oznacza wodór, standardowe paliwo do systemu ogniw paliwowych. Podobnie jak akumulatory, ogniwa paliwowe mają ujemnie naładowany zacisk i dodatnio naładowany zacisk, który napędza ładunek elektryczny przez obwód podłączony do każdego końca. Są również podobne do baterii, ponieważ generują energię elektryczną z Reakcja chemiczna. Ale w przeciwieństwie do akumulatora, możesz stale ładować ogniwo paliwowe, dodając paliwo chemiczne - w tym przypadku wodór z pokładowego zbiornika i tlen z atmosfery..

Ta treść nie jest kompatybilna na tym urządzeniu.

Podstawowym pomysłem jest użycie katalizatora do rozbicia cząsteczki wodoru (H2) na dwa protony H (H +, dodatnio naładowane pojedyncze atomy wodoru) i dwa elektrony (e-). Tlen na katoda (dodatnio naładowana) strona ogniwa paliwowego pobiera jony H + od strony anody przez a membrana do wymiany protonów, ale blokuje przepływ elektronów. Elektrony (które mają ładunek ujemny) są przyciągane do protonów (które mają ładunek dodatni) po drugiej stronie membrany, ale aby się tam dostać, muszą przejść przez obwód elektryczny. Ruchome elektrony tworzą prąd elektryczny, który zasila różne obciążenia w obwodzie, takie jak silniki i system komputerowy. Po stronie katody ogniwa wodór, tlen i wolne elektrony łączą się, tworząc wodę (H2O), jedyny produkt emisji w systemie. (Więcej informacji można znaleźć w artykule Jak działają ogniwa paliwowe).

Jedno ogniwo paliwowe wytwarza tylko niewielką ilość energii, więc musisz połączyć wiele ogniw w stos, aby w pełni wykorzystać proces. Stos ogniw paliwowych w Hy-wire składa się z 200 podłączonych pojedynczych ogniw seria, które wspólnie zapewniają 94 kilowaty mocy ciągłej i 129 kilowatów mocy szczytowej. Kompaktowy stos ogniw (jest mniej więcej wielkości wieży PC) jest chłodzony przez konwencjonalny system chłodnic, który jest zasilany przez same ogniwa paliwowe.

Inny widok Hy-wire Zdjęcie dzięki uprzejmości General Motors

Ten system dostarcza napięcia stałego w zakresie od 125 do 200 woltów, w zależności od obciążenia obwodu. Sterownik silnika zwiększa to do 250 do 380 woltów i przekształca je w prąd przemienny, aby napędzać trójfazowy silnik elektryczny który obraca koła (jest podobny do systemu stosowanego w konwencjonalnych samochodach elektrycznych).

Zadaniem silnika elektrycznego jest przykładanie momentu obrotowego do osi przedniego koła, aby obrócić oba przednie koła. Jednostka sterująca zmienia prędkość samochodu, zwiększając lub zmniejszając moc dostarczaną do silnika. Kiedy kontroler przykłada maksymalną moc ze stosu ogniw paliwowych, wirnik silnika obraca się z prędkością 12 000 obrotów na minutę, dostarczając moment obrotowy 159 funtów-stóp. Jednostopniowa przekładnia planetarna o przełożeniu 8,67: 1 zwiększa moment obrotowy, aby przyłożyć maksymalnie 1375 funtów stóp na każde koło. To wystarczający moment obrotowy, aby przenieść samochód o masie 4200 funtów (1905 kg) z prędkością 100 mil na godzinę (161 km / h) po poziomej drodze. Mniejsze silniki elektryczne manewrują kołami, aby kierować samochodem i sterowane elektrycznie zaciski hamulcowe zatrzymać samochód.

Gazowy wodór potrzebny do zasilania tego systemu jest przechowywany w trzech cylindrycznych zbiornikach o łącznej wadze około 165 funtów (75 kilogramów). Zbiorniki wykonane są ze specjalnego kompozyt węglowy o dużej wytrzymałości strukturalnej potrzebnej do przechowywania wodoru pod wysokim ciśnieniem. Zbiorniki obecnego modelu mieszczą około 4,5 funta (2 kg) wodoru przy około 5000 funtów na cal kwadratowy (350 barów). W przyszłych modelach inżynierowie Hy-wire mają nadzieję na zwiększenie progu ciśnienia do 700 barów (10000 funtów na cal kwadratowy), co zwiększyłoby paliwo samochodu i zwiększyłoby zasięg jazdy..

Ostatecznie GM ma nadzieję, że stos ogniw paliwowych, silniki i zbiorniki do magazynowania wodoru będą wystarczająco małe, aby zmniejszyć grubość podwozia z 11 do 6 cali (15 cm). Ta bardziej kompaktowa „deskorolka” pozwoliłaby na jeszcze większą elastyczność w konstrukcji ciała.

Numery przewodów hybrydowych

• Prędkość maksymalna: 100 mil na godzinę (161 km / h)
• Waga: 4185 funtów (1898 kg)
• Długość podwozia: 14 stóp, 3 cale (4,3 m)
• Szerokość obudowy: 5 stóp, 5,7 cala (1,67 m)
• Grubość obudowy: 11 cali (28 cm)
• Koła: ośmioramienne obręcze ze stopu metali lekkich.
• Opony: 20 cali (51 cm) z przodu i 22 cale (56 cm) z tyłu
• Moc ogniwa paliwowego: 94 kilowaty ciągłe, 129 kilowatów szczytowych
• Napięcie stosu ogniw paliwowych: od 125 do 200 woltów
• Silnik: trójfazowy asynchroniczny silnik elektryczny o napięciu od 250 do 380 V.
• Ochrona przed zderzeniem: przednia i tylna „strefa zgniotu” (lub „crash boxy”) pochłaniająca energię uderzenia
• Powiązane patenty GM w toku: 30
• Członkowie zespołu GM zaangażowani w projektowanie: 500+

Schemat GM projektu AUTOnomy dzięki uprzejmości General Motors

„Mózgiem” Hy-wire jest centralny komputer umieszczony w środku obudowy. Wysyła sygnały elektroniczne do jednostki sterującej silnikiem, aby zmieniać prędkość, mechanizmu kierowniczego do manewrowania samochodem oraz układu hamulcowego, aby spowolnić samochód.

Na poziomie podwozia komputer kontroluje wszystkie aspekty jazdy i wykorzystania mocy. Ale swoje rozkazy bierze od siły wyższej - czyli od kierowcy w karoserii. Komputer łączy się z elektroniką ciała za pomocą pojedynczego uniwersalny port dokujący. Ten centralny port działa tak samo, jak port USB w komputerze osobistym: przesyła stały strumień elektronicznych sygnałów sterujących z kontrolera samochodu do centralnego komputera, a także sygnały zwrotne z komputera do kontrolera. Dodatkowo zapewnia energię elektryczną potrzebną do obsługi wszystkich pokładowych układów elektronicznych nadwozia. Dziesięć połączenia fizyczne zablokować nadwozie w konstrukcji podwozia.

Napęd X-drive w Hy-wire X-drive może przesuwać się na dowolną stronę pojazdu. Zdjęcie dzięki uprzejmości General Motors Zdjęcie dzięki uprzejmości General Motors Napęd X-drive w Hy-wire X-drive może przesuwać się na dowolną stronę pojazdu. Zdjęcie dzięki uprzejmości General Motors Zdjęcie dzięki uprzejmości General Motors

Jednostka sterująca kierowcy, nazwana Napęd X, jest dużo bliżej a gra wideo kontroler niż konwencjonalna kierownica i układ pedałów. Kontroler posiada dwa ergonomiczne uchwyty, umieszczone po lewej i prawej stronie małego monitora LCD. Aby kierować samochodem, lekko przesuwaj manetki w górę iw dół - nie musisz ciągle kręcić kołem, aby skręcić, wystarczy trzymać uchwyt w pozycji skrętu. Aby przyspieszyć, przekręcasz jeden z uchwytów w taki sam sposób, jak pedał gazu na motocyklu; a żeby zahamować, ściskasz jeden z uchwytów.

Elektroniczne czujniki ruchu, podobnie jak w wysokiej klasy joystickach komputerowych, przekształcają ten ruch na sygnał cyfrowy, który może rozpoznać centralny komputer. Przyciski na kontrolerze umożliwiają łatwe przełączanie z neutralnego na jazdę do tyłu, a przycisk rozrusznika włącza samochód. Ponieważ absolutnie wszystko jest sterowane ręcznie, możesz robić, co chcesz ze stopami (wyobraź sobie, że wkładasz je do masażu podczas jazdy do iz pracy każdego dnia).

Kolorowy monitor o przekątnej 5,8 cala (14,7 cm) na środku kontrolera wyświetla wszystkie informacje, które normalnie można znaleźć na desce rozdzielczej (prędkość, przebieg, poziom paliwa). Zamiast konwencjonalnych lusterek zapewnia również obraz z tyłu samochodu z kamer wideo umieszczonych po bokach iz tyłu samochodu. Drugi monitor, umieszczony na konsoli obok kierowcy, wyświetla informacje o systemie stereo, klimatyzacji i nawigacji.

Ponieważ nie napędza bezpośrednio żadnej części samochodu, X-drive może naprawdę dotrzeć do dowolnego miejsca w kabinie pasażerskiej. W obecnym modelu sedan Hy-wire X-drive przesuwa się na jedno z dwóch przednich siedzeń, dzięki czemu możesz zmienić kierowcę nawet bez wstawania. Łatwo jest również regulować X-drive w górę lub w dół, aby poprawić komfort kierowcy lub całkowicie go odsunąć, gdy nie prowadzisz.

GM koncepcja AUTOnomy z dołączonym nadwoziem i bez. Zdjęcie dzięki uprzejmości General Motors Zdjęcie dzięki uprzejmości General Motors GM koncepcja AUTOnomy z dołączonym nadwoziem i bez. Zdjęcie dzięki uprzejmości General Motors Zdjęcie dzięki uprzejmości General Motors

Jedną z najfajniejszych rzeczy w systemie drive-by-wire jest to, że można precyzyjnie dostroić prowadzenie pojazdu bez zmiany jakichkolwiek elementów mechanicznych samochodu - wszystko, czego potrzeba, aby wyregulować układ kierowniczy, pedał przyspieszenia lub czułość hamulca, to nowe oprogramowanie komputerowe. W przyszłych pojazdach typu „drive-by-wire” najprawdopodobniej będziesz w stanie skonfigurować elementy sterujące dokładnie według własnych upodobań, naciskając kilka przycisków, tak jak w przypadku dzisiejszej regulacji pozycji siedzenia w samochodzie. W tego rodzaju systemie byłoby również możliwe przechowywanie odrębnych preferencji dotyczących sterowania dla każdego kierowcy w rodzinie.

Dużym problemem związanym z pojazdami typu drive-by-wire jest bezpieczeństwo. Ponieważ nie ma fizycznego połączenia między kierowcą a elementami mechanicznymi samochodu, awaria elektryczna oznaczałaby całkowitą utratę kontroli. Aby tego rodzaju system był opłacalny w świecie rzeczywistym, samochody typu drive-by-wire będą potrzebowały rezerwowych zasilaczy i nadmiarowych połączeń elektronicznych. Przy takich odpowiednich środkach bezpieczeństwa nie ma powodu, dla którego samochody typu drive-by-wire byłyby bardziej niebezpieczne niż samochody konwencjonalne. W rzeczywistości wielu projektantów uważa, że ​​będą one znacznie bezpieczniejsze, ponieważ komputer centralny będzie mógł monitorować dane wejściowe sterownika. Innym problemem jest dodanie do samochodu odpowiedniej ochrony zderzeniowej.

Inną główną przeszkodą dla tego typu samochodów jest rozwiązanie problemu metody energooszczędne do produkcji, transportu i przechowywania wodoru dla pokładowych stosów ogniw paliwowych. Przy obecnym stanie technologii faktyczne wytwarzanie paliwa wodorowego może generować mniej więcej tyle samo zanieczyszczeń, co używanie silników benzynowych, a systemy magazynowania i dystrybucji wciąż mają przed sobą długą drogę (zobacz Jak działa gospodarka wodorem, aby uzyskać więcej informacji).

Czy kiedykolwiek będziemy mieli okazję kupić przewód Hy-wire? General Motors twierdzi, że w pełni zamierza wypuścić wersję produkcyjną samochodu w 2010 roku, zakładając, że może rozwiązać główne problemy z paliwem i bezpieczeństwem. Ale nawet jeśli zespół Hy-wire nie osiągnie tego celu, GM i inni producenci samochodów zdecydowanie planują wkrótce wyjść poza konwencjonalny samochód, w kierunku skomputeryzowanej, przyjaznej dla środowiska alternatywy. Najprawdopodobniej życie na autostradzie ulegnie znacznym zmianom w ciągu najbliższych kilku dekad.

Aby uzyskać więcej informacji na temat Hy-wire i innych nowych technologii motoryzacyjnych, zapoznaj się z linkami na następnej stronie.

Powiązane artykuły

• Quiz Corner: Fuel Cell Quiz
• Jak działają ogniwa paliwowe
• Jak działają samochody elektryczne
• Jak działa gospodarka wodorowa
• Jak działają samochody hybrydowe
• Jak działa Toyota MTRC
• Jak działają komputery samochodowe
• Jak działają procesory paliwowe
• Jak będą działać samochody napędzane powietrzem
• Jak działają F-15
• Jak działają joysticki
• Jak działają segwaye
• Jakie są różne sposoby magazynowania energii oprócz używania akumulatorów?

Więcej świetnych linków

• TechTV: Hitching a Ride on the Hy-Wire
• TechTV: rejs z Hy-Wire w XXI wieku
• CNN.com: Hy-wire zaprojektowane do ekologicznej roli
• PopularMechanics.com: Napędzamy przyszłość
• PopularMechanics.com: Hy-Wire Act
• Katalog pojazdów napędzanych paliwami alternatywnymi
• Grupa pojazdów na paliwo alternatywne
• FuelEconomy.gov