互动科普

混合型汽车中的飞轮

HaroldA.Rosen*，DeborahR.Castleman**

一个快速旋转的飞轮与一台燃气涡轮机相结合为新型的混合型电动汽车提供动力。

有两个社会问题促使人们努力寻找另一种动力方案来替代现今汽车上使用的内燃机。其中二个问题是需要减少化石燃料消耗量，另一个问题则是需要降低空气污染。遗憾的是，大多数购车者在买车时都不是依据这两条标准来选择汽车的。多数消费者在挑选一辆新车时考虑的主要是价格、安全性、性能和燃油效率等因素。(当然，这最后一个因素的确对燃油消耗量和污染有影响，但买车者极少把它作为一个主要问题来考虑。)

1993年，本文作者之一(Haro．1dA．Rosen)同他的兄弟Benjamin一起创建了Rosen汽车公司，目标是生产一种新型的汽车动力系统，它不仅将解决空气污染和燃油效率问题，而且也将成为消费者真正希望购买的汽车。

Rosen汽车公司在过去四年中研究开发的一种混合型汽车采用了一项相当不寻常的技术——飞轮。虽然飞轮的概念很简单，但要实现这项技术却是很困难的。我们的动力系统中的飞轮是一个用高强度碳纤维复合物制成的旋转圆筒，它既可存储能量，也可产生能量。飞轮旋转速度越快，它所保持的能量也就越多。在需要能量时，可通过稍微降低飞轮的转速而把能量引出。

同所有混合型汽车一样，Ro．sen汽车公司开发的汽车也从两个独立的动力源获得动力。我们的混合型汽车使用的两个动力源是飞轮和燃气涡轮机，后者类似于一种微型的喷气发动机。(本期VictorWouk所著的“混合型电动汽车一文中对混合型汽车的技术作了全面的概述。)飞轮与涡轮机都与发电机相连；我们称这种涡轮机与发电机的组合装置为涡轮发电机。

这两个动力源优于一台内燃机。现今汽车所用的大功率内燃机可以使汽车很快加速，但其燃油效率较差，而低功率内燃机的燃油效率较好，但加速性能就不行了。此外，有害排放物是内燃机运行时不可避免的副产物。

在Rosen汽车公司开发的混合型电气动力系统中，汽车在正常行驶时靠涡轮发电机推进，同时涡轮发电机也给飞轮注入能量，需要加速时就靠飞轮提供补充的动力。此外，飞轮经过专门的设置，使得刹车期间它能够回收一些本来将会因摩擦而损失掉的能量。

飞轮的优点主要在于其效率高：能够产生监重新获得与飞轮相同的功率的化学电池，其重量比飞轮大得多，而在走走停停的行车期间，化学电池回收监重新利用的能量只及飞轮的一半。此外，当飞轮用于代替内燃机为汽车提供加速用的动力时，燃气涡轮机所需的最大功率就降低了。因此，燃气涡轮机可以做得更加小巧轻便。

我们之所以选择燃气涡轮机，是因为这种动力系统排放的污染物的量本来就很低：实际上，在使用催化燃烧时，污染物的排放接近于零。涡轮发电机可以做得体积小，结构简单，因而能在很长的使用寿命期内可靠地运行.涡轮机以无铅汽油为燃料，因此车主们可以在现有的汽油站加油.

1997年1月5日，我们观看了一辆以涡轮机一飞轮为动力的汽车的首次成功试驶.现在我们正在加紧研制改进型的飞轮、涡轮发电机以及动力系统的其它部件.我们计划不远的将来在一辆改装的豪华型赛车上使用这种混合型动力系统，以试验这种涡轮机一飞轮混合型电动汽车能够达到何等的加速性能、燃油效率及低的废气排放量.

飞轮及其工作原理

磁轴承：Rosen汽车公司设计的飞轮由一个铁轮锻和一个高强度碳纤维复合物制成的圆筒组成，其旋转速度可高达每分钟6万转.为了减少在这样高的旋转速度下的摩擦力，飞轮旋转时不接触任何东西.磁轴承支撑着飞轮，韭使飞轮系统的转动部分和非转动部分之间保持着极小的间隙(小至o.5英寸，即0.013厘米);即使汽车在坑洼不平的路面上颠簸行驶时，也能保持这样小的间隙.磁轴承消耗的能量必须非常低，这样在汽车停下且涡轮机关机时它不会使汽车的12伏蓄地池放电(这些蓄电池为诸如收音机和顶灯之类的附件提供其所稽的电力).为了存储业取出能量，飞轮还必须有一台电动发电机组;发电机的电动机转子装在飞轮圆筒的中心轴上.

平衡环: 从理论上说，飞轮的快速旋转可能产生相当大的回转力，足以影响车辆的操纵业使磁轴承过载.因此，需要用一组平衡环把飞轮系统支撑起来，使旋转的圆筒不会干扰汽车的旋转运动.

涡轮发电机:加利福尼亚州塔热纳的Capstone涡轮机公司正在研发一种洁净燃烧的燃气涡轮机(就是啧气式飞机上内部的发电机.涡轮发电机产生的能量用于保挣飞轮一直以适当崎速度撞事，.这静涡轮发电机是Capstone公司目前正在生产的涡轮发电机(用于建筑物的辅助发电设备之类的场合)的改进型号.

真空泵由于气动阻力会使飞轮的旋转速度降低业产生相当大的热量，需要有一台真空泵来使飞轮的周围保持真空状态，该泵由一台轻型的分子阻力泵和分子筛构成.不过，由于存在着残余的气功阻力和磁阻力，飞轮的能量还是会逐渐损失掉.但当驾车者转动点火钥时，起动涡轮机所需的能量是由飞轮提供的，因此，即使当汽车停车时飞轮也必须保持旋转状态.Rosen汽车公司的研究人员正在开发一种可以连续旋转至少几个星期而不用重新充入能量的飞轮.当飞轮终于停下时，将由汽车上的两个12伏蓄电池来起动涡轮机，涡轮机随后在大约两分钟的时间内使飞轮加速到它的最大旋转速度.

保护容黯为了安全起见，所有高速旋转系统一→从巨大的喷气式发动机到较小的飞轮一一都必须有适当的保护外壳.否则，一旦这种系统毁坏(此类事故的可能性是极小的).碎片便会以相当大的力量向外飞散.Rosen汽车公司的研究人员制出了一种以碳纤维复合物增强的钢为材料的容穗，在发生毁坏事故时它可以把飞轮密封在其内以保安全.一旦发生这样一种事故，平衡环支架将脱离开，使保护容器在环绕着宫的冷却液中转动.直至最终停下.这样，飞轮就将逐渐将其能量稳敢掉，而不至于使汽车受到突然的冲击.在发生撞车的情况下，这一保护结构将仍然保持完好无损，因为宫的设计使它能够经受飞轮毁坏时释放出来的力，而这些力比发生撞牢时的力要大得多.保护结构本身是用凯夫拉纤维增强的高强度固定带固定在汽拿上的.