Техника автомобиля Semper Vivus

Исторический Semper Vivus был изготовлен в единственном экземпляре. Фердинанду Порше он служил для практической апробации его идеи о серийном гибридном приводе. Поэтому от первого в мире ходового экземпляра полногибридного автомобиля осталось лишь несколько конструкторских чертежей, документов и фотографий. Именно на их основе был воссоздан Semper Vivus.

Приводная концепция Semper Vivus впервые предусматривала принцип, который сегодня реализован в подготовленном для выпуска на рынок электромобиле с Range Extender (двигатель для увеличения запаса хода). Автомобиль приводится в движение от электродвигателей, питание которых осуществляется от аккумуляторной батареи. После того как батарея разрядится, водитель может запустить два двигателя внутреннего сгорания, подключенных к генератору. Именно он выработает необходимую для дальнейшего движения электроэнергию.

Прототип гибридного автомобиля приводили в движение два двигателя, установленные в ступицы колес, которые были изобретены и запатентованы Фердинандом Порше в 1898 году. Он не доверял любым видам трансмиссий и коробок передач, считая их бездарно расходующими тяговое усилие двигателя и быстроизнашивающимися деталями. Хотя корпус каждого двигателя и представлял собой отлитую из алюминия деталь, вес его составлял около 270 килограммов. Двигатели представляли собой силовые агрегаты с наружным ротором, у которых находящийся в состоянии покоя статор располагается посередине, а вокруг него вращается ротор. Дискообразную форму двигателя, к которой стремился Порше, позволили обеспечить устойчивые к вибрации плоские коллекторы и 82 отдельные секции обмотки якоря. Он представляет собой электродвигатель последовательного возбуждения с восемью полюсами, ротором и статором. Преимущество этого принципа состоит в том, что двигатель сразу же развивает высокий крутящий момент — около 300 ньютон-метров.

Тяжелые передние колеса закреплены на поворотных кулаках, которые соединены с трубчатой рамой без использования подвески. Для обеспечения хотя бы минимального уровня комфорта и для защиты установленных в ступицах колес двигателей и пассажиров от ударов при поездках по тогда очень неровным дорогам автомобиль был оснащен пневматическими шинами размером 880 x 120 миллиметров. Управление Semper Vivus осуществлялось через систему рулевого управления с поворотными кулаками, на поперечные рулевые тяги которого воздействовал червячный механизм с передаточным отношением 6:1. Задние колеса со сплошными резиновыми шинами размера 1150 x 100 были установлены на концы неподвижной оси, которая также была жестко связана с рамой.
Это шасси состоит из простой прямоугольной трубчатой стальной рамы, соединенной с помощью зажимных сухарей. Для того чтобы сделать кузов и центр тяжести более низкими, Фердинанд Порше не стал закреплять самую тяжелую отдельную деталь – батарею на раму. Он поместил ее в кожух и подвесил на четырех спиральных пружинах в прямоугольнике. Первоначально батарея представляла собой 420-килограмовый свинцовый кислотный аккумулятор с 44 ячейками, который без нагрузки выдавал напряжение 88 Вольт и имел емкость 110 ампер-часов. У восстановленного Semper Vivus в целях безопасности была установлена свинцовая гелевая батарея, имеющая аналогичные своей предшественнице характеристики, размеры и массу. Подвеска защищает от губительных ударов не только чувствительные свинцовые пластины батареи; на кожухе батареи, расположенном между задней осью и передним сиденьем, установлены сиденья, генератор и система управления приводом. Из неподпрессоренного пространства для ног водителя выходит рулевая колонка, рядом с которой расположен рычаг ножного тормоза. Защищенные облицовкой высотой по колено вольтметр и амперметр информируют водителя о значениях напряжения и тока. Снаружи к обитой мешковиной деревянной облицовке прикреплены керосиновая фара и два радиатора водяного охлаждения.

В истории автомобилестроения Semper Vivus останется уже только потому, что он был оснащен двумя одноцилиндровыми двигателями, расположенными за сиденьем водителя. Эти двигатели не имеют механического соединения с приводной осью. Их главная задача – снабжать через генераторы электроэнергией двигатели, установленные в ступицах колес. Так впервые был реализован на практике принцип серийного гибридного привода. Оба одинаковых двигателя внутреннего сгорания являются оригинальными четырехтактными двигателями компании DeDion-Bouton, каждый объемом 700 кубических сантиметров и мощностью 3,5 л.с. с частотой вращения 1200 об/мин. Блок цилиндров изготовлен из алюминия, а поршни – из серого чугуна. Охлаждение двигателям обеспечивает водяная рубашка, содержимое которой перекачивает водяной насос. В оригинальном автомобиле он находился на одной оси с коленчатым валом и нагнетал охлаждающую жидкость в трубчатые радиаторы, расположенные в передней части автомобиля. Резервуар для воды был размещен под задним пассажирским сиденьем. Во время работ над воссозданием Semper Vivus для двух охлаждающих контуров использовались компактные электронасосы, запитываемые от аккумуляторной батареи.

Приготовление смеси обеспечивали жиклерные карбюраторы, воздушный поток которых регулировался с помощью небольшого рычага, соединенного с дроссельной заслонкой в карбюраторе. В камеру сгорания смесь проходила сбоку, через так называемый продувочный клапан, который при впуске горючeй смеси в камеру под действием пониженного давления открывался, а перед тактом сжатия закрывался с помощью пружины. Воспламенение сжатой смеси обеспечивала система прерывистого зажигания со свечой зажигания, расположенной сбоку между впускным и выпускным каналом цельного цилиндра. Катушка зажигания размером с консервную банку работала с двенадцативольтным напряжением, которое в начале 20 столетия обычно снималось с шестой ячейки батареи. В наши дни эту задачу решает современный преобразователь напряжения, питание которого осуществляется от гелевой батареи. Двигатели DeDion-Bouton работают по принципу противотока. Поэтому отработавшие газы, потоком которых управляет боковой клапан, выходят из камеры сгорания под продувочным клапаном.

Передняя по направлению движения часть коленчатого вала каждого двигателя внутреннего сгорания через упругий диск муфты приводит в движение ротор генератора с параллельным возбуждением. В генераторе этого типа обмотка возбуждения и якорь имеют параллельное электрическое соединение. В связи с тем, что обмотке возбуждения требуется лишь часть тока якоря, генератор с параллельным возбуждением работает равномерно даже при меняющихся нагрузках. К тому же такой генератор постоянного тока можно использовать как для двигателей в ступицах колес, так и для подзарядки батареи с необходимым повышенным напряжением. Но ехать на вырабатываемом генератором токе и одновременно заряжать батарею Semper Vivus не мог – техника оригинального гибридного автомобиля это не позволяла. Поэтому воссозданный образец был сконструирован так, что подзарядка батареи ввиду необходимости точного поддержания напряжения зарядки возможна лишь при неподвижном автомобиле. В качестве альтернативы вырабатываемому генератором току можно использовать сетевой ток, для чего необходимо зарядное устройство. 110 лет назад в городах имелись также 110-вольтные сети постоянного тока, которые позволяли адаптировать напряжение с помощью сопротивлений.

Каждый из двух генераторов весит 140 килограммов, а оба вместе – 280 килограммов. Каждый из них выполняет одновременно и функцию стартера для соответствующего двигателя внутреннего сгорания. Выключатель стартера на задней стороне сиденья водителя, как и другие органы управления обоих агрегатов, задействуется с заднего сиденья. После запуска двигателя внутреннего сгорания генератор переключается в режим выработки электроэнергии и вырабатывает при частоте вращения 1200 об/мин ток силой около 20 ампер при напряжении 90 Вольт. Оба генераторы подключены параллельно, поэтому в совокупности они вырабатывают около 3,6 киловатт электроэнергии.

Поездка на первом полногибридном автомобиле мира проходит абсолютно по-иному, чем на любом автомобиле в наше время. Для регулирования скорости используется не педаль акселератора, а расположенный сбоку рычаг управления, которым управляется шестиступенчатый контроллер, который сохранил свое название с 1900 года. Сначала водитель вытягивает главный выключатель, а для начала движения он включает первую «передачу». Представляющий собой контактный валик контроллер с контактами для различных электрических контуров включает рядные обмотки возбуждения и якорные обмотки обоих расположенных в ступицах двигателей. После этого на двигатели поступает ток до 80 Ампер, и Semper Vivus начинает плавное движение. Если, например, при начале движения автомобилю мешает какое-то препятствие, то установленный в этом электрическом контуре дополнительный резистор предотвращает перегрев системы. Этот пионер гибридных автомобилей спокойно преодолевает примерно семипроцентный подъем.

При движении на этой первой «передаче» автомобиль развивает скорость примерно до 10 км/ч. После этого потребление тока падает примерно до 20 ампер, и водителю для набора скорости приходится включать следующую «передачу». На второй «передаче» контроллер, как и прежде, обеспечивает последовательное подключение обеих обмоток, однако теперь ток на якоря подается параллельно. Создаваемый током якоря крутящий момент двигателей в ступицах колес снова возрастает в результате небольшого сопротивления на якоре и приводит к дальнейшему возрастанию скорости. На скорости около 20 км/ч очередь доходит до третьей «передачи». Теперь контроллер включает обмотки возбуждения и якорные обмотки двигателей в ступицах колес в параллельную схему. Набрав на ровной дороге скорость около 35 километров в час, Semper Vivus достигает своей максимальной скорости движения.

Если водитель не хочет ехать на полном «газу» или в данном случае вернее сказать на полном токе, то на выбранной им передаче он включает и выключает подачу тока периодически, слега надавливая ногой на педаль тормоза, которая скомбинирована с выключателем. Если водитель использует максимальную скорость Semper Vivus полностью, то заряда батареи хватит для того, чтобы 1,7-тонный Semper Vivus проехал по равнинной дороге около 50 километров. После этого водитель может включить генераторы и продолжить движение на энергии находящихся в топливном баке 40 литров бензина – дальность хода (пока) не известна.

Наступает время, когда водителю нужно тормозить. Для этого он снова берется за боковой рычаг контроллера и включает передачу для замедления хода. Теперь оба двигателя отключены от системы подачи электроэнергии и закорочены сопротивлением 8 Ом, преобразующим в тепло ток, который генерируется в результате движения автомобиля по инерции. Рекуперация энергии в батарею по технологии 1900 года была невозможна. Если тормозного момента установленных в ступицы колес двигателей оказывается недостаточно, то водитель нажимает дополнительно на педаль, которая приводит в действие два ленточных тормоза на задних колесах. Воссозданный Semper Vivus для безопасности оснащен еще стояночным ленточным тормозом, которого у оригинала предположительно не было. Есть у Semper Vivus и предотвращающее скатывание автомобиля устройство в виде стопорных защелок, которые срабатывают при движении в горах и зацепляются за внутренние зубья тормозных барабанов.

Пятая «передача» контроллера изменяет направление вращения двигателей, после чего Semper Vivus начинает движение задним ходом. Шестая «передача» в действительности является нулевой или нейтральной, на которой при включенном ручном тормозе можно производить запуск бензиновых двигателей.

Поездка на Semper Vivus впечатляет, хотя и не является легкой. Нагрузка на переднюю ось составляет 1060, а на заднюю – 830 килограммов, поэтому управлять автомобилем без сервопривода не так уж просто. При этом водитель, находясь на высоте более двух метров над дорогой, может наслаждаться со своего места отличным обзором – верхняя кромка спинки сиденья водителя является самой высокой точкой автомобиля и возвышается над дорогой на 1830 миллиметров. При этом первый серийный гибридный автомобиль мира при длине 2,64 метра, межосевом расстоянии 2260 мм и колеей 1370 миллиметров спереди и 1540 миллиметров сзади занимает практически столько же места на дороге, как современный малолитражный автомобиль.