Â

WIAT

N

AUKI

Grudzieƒ 1997 47

M

otywem poszukiwania nap´-
du, który móg∏by zastàpiç sto-
sowane dziÊ w samochodach

silniki wewn´trznego spalania, jest dà-
˝enie do zmniejszenia zu˝ycia paliw
kopalnych i zanieczyszczenia powie-
trza. Niestety wi´kszoÊç klientów ku-
pujàcych samochody kieruje si´ inny-
mi kryteriami. Nabywajàc nowe auto,
zwracajà uwag´ na cen´, bezpieczeƒ-
stwo, osiàgi i zu˝ycie paliwa. (Ten ostat-
ni czynnik oczywiÊcie wp∏ywa na wiel-
koÊç zanieczyszczeƒ, ale z regu∏y nie on
decyduje o wyborze pojazdu.)

W 1993 roku jedno z nas (Rosen) oraz

jego brat Benjamin za∏o˝yli Rosen Mo-
tors. Celem by∏o opracowanie nowego
nap´du, który nie tylko zu˝ywa∏by wy-
jàtkowo ma∏o paliwa i emitowa∏ niewie-
le spalin, lecz równie˝ zainteresowa∏
potencjalnych nabywców samochodu.

Przez ostatnie cztery lata firma pra-

cowa∏a nad pojazdem hybrydowym
wykorzystujàcym raczej nietypowe roz-
wiàzanie – ko∏o zamachowe. Chocia˝
koncepcja jest prosta, to jej urzeczywist-
nienie sprawia wiele trudnoÊci. Ko∏o za-
machowe w naszym zespole nap´do-
wym ma postaç wirujàcego cylindra
wykonanego z kompozytu o wysokiej
wytrzyma∏oÊci wzmocnionego w∏ók-
nem w´glowym. Ko∏o mo˝e zarówno
magazynowaç, jak i oddawaç energi´.
Im szybciej wiruje cylinder, tym wi´kszà
energià dysponuje. Czerpie si´ jà kosz-
tem zmniejszenia pr´dkoÊci obrotowej
ko∏a zamachowego.

Jak ka˝dy pojazd hybrydowy równie˝

zbudowany przez Rosen Motors ma dwa
êród∏a zasilania: ko∏o zamachowe i turbi-
n´ gazowà podobnà do ma∏ego silnika
odrzutowego [patrz: Victor Wouk, „Po-

jazdy z nap´dem hybrydowym”, strona
42]. Zarówno ko∏o zamachowe, jak i tur-
biny sà sprz´˝one z generatorami. Po∏à-
czenie turbiny benzynowej i generatora
b´dziemy nazywaç turbogeneratorem.

Zastosowanie obu êróde∏ nap´du przy-

nosi lepsze wyniki ni˝ jeden silnik we-
wn´trznego spalania. Powszechny w dzi-
siejszych samochodach spalinowy silnik
du˝ej mocy pozwala osiàgaç znaczne
przyspieszenie, przyp∏aca si´ to jednak
wi´kszym zu˝yciem paliwa. Motor o ma-
∏ej mocy jest ekonomiczniejszy, ale daje z
kolei s∏abe przyspieszenia. Dodatkowo
nieuniknionym produktem ubocznym
pracy tych silników jest emisja tlenków
azotu.

W uk∏adzie nap´dowym pojazdu hy-

brydowego opracowanego w Rosen
Motors turbogenerator nap´dza sa-
mochód podczas jazdy ze sta∏à
pr´dkoÊcià i jednoczeÊnie uzupe∏-
nia energi´ ko∏a zamachowego.
Energia ta jest zu˝ywana przy
przyspieszaniu auta. Podczas ha-
mowania ko∏o zamachowe odzy-
skuje energi´, która normalnie by-
∏aby tracona w wyniku tarcia.

G∏ównà zaletà ko∏a zamachowego

jest jego efektywnoÊç: chemiczne
akumulatory potrafiàce zmagazy-
nowaç podobnà iloÊç energii mia-
∏yby znacznie wi´kszà mas´, a i tak
odzyskiwa∏yby zaledwie po∏ow´
energii w czasie jazdy z cz´stymi
przystankami. Co wi´cej, dodatko-
wej energii podczas przyspieszeƒ
dostarcza ko∏o zamachowe, nie sil-
nik, mo˝e wi´c on mieç dzi´ki temu
mniejszà moc i byç mniejszy oraz
l˝ejszy. Wybrano turbin´ gazowà,
poniewa˝ emituje ona niewiele tok-

sycznych zwiàzków. Poziom ich emisji
spada niemal do zera, gdy zastosuje si´
spalanie katalityczne. Turbogenerator
mo˝e byç ma∏y i doÊç prosty, a wi´c nie-
zawodny i niek∏opotliwy w eksploatacji.
Turbina spala benzyn´ bezo∏owiowà.

Piàtego stycznia br. odby∏a si´ pierw-

sza udana jazda próbna hybrydowego
auta nap´dzanego turbinà i ko∏em za-
machowym. Obecnie pracujemy nad
ulepszonà wersjà tego ko∏a, turbogenera-
tora i innych elementów uk∏adu nap´-
dowego. W niedalekiej przysz∏oÊci pla-
nujemy zainstalowanie naszej jednostki
nap´dowej w luksusowym sportowym
kabriolecie, aby zademonstrowaç, jak
„zrywny”, a jednoczeÊnie ekonomiczny
i przyjazny dla Êrodowiska mo˝e byç hy-
brydowy samochód firmy Rosen.

TURBINOWO-˚YROSKOPOWE AUTO reaguje na naciÊni´cie peda∏u przyspieszenia
lub hamulca za poÊrednictwem elektronicznych uk∏adów sterujàcych pracà ko∏a zama-
chowego i turbogeneratora. Ko∏o zamachowe dostarcza wi´kszoÊç energii potrzebnej do
przyspieszania, podczas hamowania pojazdu natomiast magazynuje jà; w przeciwnym
razie by∏aby tracona. Turbogenerator wykorzystywany jest g∏ównie podczas jazdy ze
sta∏à pr´dkoÊcià oraz do utrzymywania optymalnej pr´dkoÊci ko∏a zamachowego.

Ko∏a zamachowe

w pojazdach hybrydowych

Szybko wirujàce ko∏o zamachowe wraz z turbinà gazowà

b´dzie nap´dzaç nowy pojazd hybrydowy

Harold A. Rosen i Deborah R. Castleman

SLIM FILMS

TURBOGENERATOR

KO¸O ZAMACHOWE

PEDA¸
HAMULCA

PEDA¸
GAZU

ELEKTRONICZNE
UK¸ADY STERUJÑCE

ZAWIESZENIE KARDANOWE.

Teoretycz-

nie si∏y ˝yroskopowe powstajàce na sku-
tek wirowania ko∏a zamachowego mogà
utrudniaç kierowanie autem, a tak˝e powo-
dowaç przecià˝enie magnetycznych ∏o˝ysk.
Zapobiega temu system przegubów pier-
Êcieniowych, który izoluje wirujàcy cylinder
od ruchów obrotowych pojazdu.

TURBOGENERATOR.

Opracowany przez Capstone Turbine Corporation

z Tarzana (Kalifornia) sk∏ada si´ z benzynowej turbiny (podobnej do stosowa-
nych w samolotach odrzutowych), nap´dzajàcej umieszczony wewnàtrz gene-
rator pràdu. Energia z turbogeneratora s∏u˝y do utrzymywania odpowiedniej
pr´dkoÊci obrotowej ko∏a zamachowego. Widoczny na zdj´ciu turbogenera-
tor jest zmodyfikowanà wersjà urzàdzeƒ produkowanych obecnie w Capstone
i u˝ywanych na przyk∏ad jako awaryjne êród∏a zasilania w budynkach.

Jak pracuje ko∏o zamachowe

TURBOGENERATOR

SLIM FILMS

UK¸AD GÓRNY ¸O˚YSKA MAGNETYCZNEGO

G¸ÓWNY WA¸ NAP¢DOWY

CYLINDER Z KOMPOZYTU

WZMOCNIONEGO W¸ÓKNEM

ROTOR SILNIKA

ZAWIESZENIE KARDANOWE

MAGNETYCZNE ¸O˚YSKA.

Ko∏o zamachowe zaprojektowane przez Rosen Motors sk∏ada si´ z tytanowej

piasty i cylindra wykonanego z kompozytu wzmocnionego w∏óknem w´glowym. Cylinder mo˝e wirowaç z pr´dko-
Êcià 60 tys. obr./min. Aby zmniejszyç tarcie wyst´pujàce przy takich obrotach, ko∏o jest zawieszone w pró˝ni.
Podtrzymujà je magnetyczne ∏o˝yska, zachowujàce jednoczeÊnie na sta∏ym poziomie (zaledwie 0.13 mm)
luz pomi´dzy ruchomymi i nieruchomymi elementami urzàdzenia, nawet wtedy gdy samochód przeje˝-
d˝a po nierównej nawierzchni. Energia pobierana przez ∏o˝yska musi byç wystarczajàco ma∏a, aby
podczas parkowania samochodu, gdy turbina nie dzia∏a, nie roz∏adowywa∏y si´ 12-woltowe
akumulatory. (Energià z akumulatorów sà zasilane elementy wyposa˝enia, na przyk∏ad radio
lub reflektory.) Aby móc czerpaç energi´ z ko∏a zamachowego lub mu jà przekazywaç,
jest ono po∏àczone z generatorem wa∏em sprz´gajàcym.

48 Â

WIAT

N

AUKI

Grudzieƒ 1997

POMPA PRÓ˚NIOWA.

Poniewa˝ opór powietrza spowalnia∏by ko∏o zamachowe, a na skutek tarcia wydziela∏y-

by si´ spore iloÊci ciep∏a, do wypompowywania powietrza z przestrzeni wokó∏ ko∏a zamachowego niezb´dna
jest pompa pró˝niowa. Sk∏ada si´ ona z lekkiej pompy molekularnej i sita czàsteczkowego. Z powodu szczàtko-

wego oporu aerodynamicznego i magnetycznego ko∏o zamachowe traci jednak energi´. Powinno ca∏y czas

wirowaç, nawet wtedy gdy samochód jest zaparkowany; to w∏aÊnie ko∏o uruchamia turbin´, gdy kie-

rowca przekr´ci kluczyk w stacyjce. Naukowcy z Rosen Motors pracujà nad ko∏em, które b´-

dzie mog∏o wirowaç bez uzupe∏niania energii co najmniej przez kilka tygodni. W przypad-

ku zatrzymania si´ ko∏a dwa 12-woltowe akumulatory wprawià w ruch turbin´, która

w ciàgu 2 min rozp´dzi je ponownie.

OBUDOWA.

Ze wzgl´dów bezpieczeƒstwa

ka˝de szybko wirujàce urzàdzenie – od
ogromnych silników odrzutowych po ma∏e
ko∏a zamachowe – musi byç odpowiednio
os∏oni´te. W przeciwnym razie w wyniku
ma∏o zresztà prawdopodobnej awarii jego
szczàtki zosta∏yby rozrzucone ze znacznà
si∏à. Pracownicy Rosen Motors opracowa-
li obudow´ ze stali wzmocnionej kompo-
zytami i w∏óknem w´glowym. W razie awa-
rii przeguby pierÊcieniowe si´ od∏àczà,
a obudowa wraz z ko∏em zamachowym za-
cznie wirowaç w cieczy ch∏odzàcej. Dzi´-
ki temu ko∏o ∏agodnie wytraci swojà pr´d-
koÊç, nie powodujàc gwa∏townego szar-
pni´cia. W razie kolizji obudowa pozosta-
nie nienaruszona, poniewa˝ zaprojektowa-
no jà tak, aby wytrzyma∏a si∏´ uderzenia
od∏amków rozpadajàcego si´ ko∏a zama-
chowego, du˝o wi´kszà ni˝ wyst´pujàca
podczas zderzenia. Obudowa jest przymo-
cowana do pojazdu pasami wzmocniony-
mi Kevlarem.

Informacje o autorach

HAROLD A. ROSEN i DEBORAH R. CASTLEMAN pracujà w Rosen Motors w Woodland

Hills (Kalifornia). Rosen jest wspó∏za∏o˝ycielem (wraz z bratem Benjaminem M. Rosenem) fir-

my, jednoczeÊnie jej prezesem i dyrektorem naczelnym. Pe∏ni∏ równie˝ funkcj´ wiceprezesa

Hughes Aircraft Company i kierowa∏ zespo∏em, który opracowa∏ pierwszego geostacjonar-

nego satelit´. Castleman jest wiceprezesem firmy. Tytu∏ magistra in˝yniera elektryka otrzy-

ma∏a w California Institute of Technology. Przed podj´ciem pracy w Rosen Motors by∏a za-

st´pcà wicesekretarza obrony w rzàdzie Billa Clintona.

Â

WIAT

N

AUKI

Grudzieƒ 1997 49

UK¸AD DOLNY ¸O˚YSKA MAGNETYCZNEGO

POJEMNIK OCHRONNY

POMPA PRÓ˚NIOWA

T∏umaczy∏

Robert Przybylski