Pedeorelha | Sådan fungerer GM's Hy-wire

Thomas Dalton
0
3407
564

GM's sedan-model Hy-wire. Se flere alternative køretøjsbilleder. Foto høflighed General Motors

Biler er utroligt komplicerede maskiner, men når du kommer til det, gør de et utroligt enkelt job. De fleste af de komplekse ting i en bil er dedikeret til drejning af hjul, som griber vej til trække bilens karosseri og passagerer med. Styresystemet vipper hjulene side om side for at dreje bilen, og bremse- og accelerationssystemer styrer hjulets hastighed.

I betragtning af at den samlede funktion af en bil er så grundlæggende (den skal bare give hjul med roterende bevægelse), synes det lidt mærkeligt, at næsten alle biler har den samme samling af komplekse enheder, der er klemt under hætten og den samme generelle masse af mekaniske og hydrauliske forbindelser, der kører igennem. Hvorfor har biler nødvendigvis brug for en rattesøjle, bremse- og accelerationspedaler, en forbrændingsmotor, en katalytisk omformer og resten af det?

Ifølge mange førende bilingeniører gør de ikke det; og mere til det punkt, i den nærmeste fremtid, de vil ikke. Mest sandsynligt vil mange af os køre radikalt forskellige biler inden for 20 år. Og forskellen vil ikke kun være under hætten - det at eje og køre biler ændrer sig også markant.

I denne artikel skal vi se på en interessant vision for fremtiden, General Motors bemærkelsesværdige konceptbil, the Hy-wire. GM kan faktisk aldrig sælge Hy-wire til offentligheden, men det er bestemt en god illustration af forskellige måder biler kan udvikle sig i den nærmeste fremtid.

Indhold

Hy-wire Basics
Hy-Wires brintkraft
Hy-Wire computerstyring

Den originale AUTOnomy-konceptbil Den kørbare opdatering af AUTOnomy, Hy-wire Photo høflighed General Motors Photo høflighed General Motors

To grundlæggende elementer dikterer stort set bildesign i dag: forbrændingsmotor og mekaniske og hydrauliske forbindelser.

Hvis du nogensinde har kigget under hætten på en bil, ved du, at en forbrændingsmotor kræver en masse ekstra udstyr for at fungere korrekt. Uanset hvad de ellers gør med en bil, skal designere altid gøre plads til dette udstyr.

Det samme gælder mekaniske og hydrauliske forbindelser. Den grundlæggende idé med dette system er, at føreren manøvrerer de forskellige aktuatorer i bilen (hjulene, bremserne osv.) Mere eller mindre direkte ved at manipulere kørestyrene, der er forbundet til disse aktuatorer, med aksler, gear og hydraulik. I et rack- og -hjul-styresystem drejer for eksempel drejning af rattet en aksel, der er forbundet til et tandhjul, som bevæger et rack-gear forbundet til bilens forhjul. Ud over at begrænse, hvordan bilen er bygget, dikterer forbindelseskonceptet også, hvordan vi kører: Rattet, pedalen og gearskiftesystemet var alle designet omkring forbindelsesideen.

Hy-wiren har hjul, sæder og vinduer som en almindelig bil, men ligheden ender temmelig meget der. Der er ingen motor under hætten og intet ratt eller pedaler indeni. Foto høflighed General Motors

Det definerende træk ved Hy-wire (og dens konceptuelle forgænger, AUTOnomien) er, at den ikke har nogen af disse to ting. I stedet for en motor har den en brændselscellebunke, der driver en elektrisk motor, der er tilsluttet hjulene. I stedet for mekaniske og hydrauliske forbindelser har den en drev med tråd system - en computer betjener faktisk de komponenter, der bevæger hjulene, aktiverer bremserne og så videre, baseret på input fra en elektronisk controller. Dette er det samme kontrolsystem, der bruges i moderne jagerfly samt i mange kommercielle fly.

Dette indhold er ikke kompatibelt på denne enhed.

Foto høflighed General Motors

Illustration af AUTOnomys koncept til kropsvedhæftning

Resultatet af disse to udskiftninger er en meget anden type bil - og en meget anden køreoplevelse. Der er intet ratt, der er ingen pedaler, og der er intet motorrum. Faktisk er hvert udstyr, der faktisk bevæger bilen ad vejen, indeholdt i et 11-tommer tykke (28 cm) aluminiumskabinet - også kendt som skateboard -- i bunden af bilen. Alt over chassiset er kun dedikeret til førerkontrol og passagerers komfort.

Det betyder, at chaufføren og passagererne ikke behøver at sidde bag en masse maskiner. I stedet har Hy-wire en enorm forrude, der giver alle et klart udsigt over vejen. Gulvet i glasfiber- og stål-passagerrummet kan være helt fladt, og det er let at give hvert sæde masser af benplads. Koncentrering af hovedparten af køretøjet i den nederste del af bilen forbedrer også sikkerheden, fordi det gør bilen meget mindre tilbøjelig til at vælte.

Men det sejeste ved dette design er, at det giver dig mulighed for at fjerne hele kupeen og udskifte det med et andet. Hvis du vil skifte fra en varevogn til en sportsbil, behøver du ikke en helt ny bil; du har bare brug for en ny krop (som er meget billigere).

Du kan altid skifte tilbage, når du har brug for varebilen igen. Logistikken med at skifte er stadig uklar - hvis ideen griber ind, kan der være specielle skiftestationer, hvor du kan bevare dine forskellige bilkarosserier, eller der kan være en måde for chauffører at skifte bilkarosserier selv i deres egen garage.

Næste

GM kaldte oprindeligt sit arbejdskoncept for en driv-ved-wire brændselscellebil Autonomi, at fremhæve fleksibiliteten i computerstyringen og omskiftelige bilkroppe. Da det var tid til at navngive den egentlige kørbare version, rekrutterede designteamet en gruppe børn, lige fra seks til 15 år gamle, for at komme med interessante muligheder. Candy-fueled brainstorming sessioner gav hundreder af navne, inklusive Wildcard, moonshot, Jetson og Volt. GM gik i sidste ende med 14-årige Aleksei Dachyshyns forslag, Hy-wire, fordi det pænt opsummerede konceptet brændstof-brændselscelle og drev-ved-ledning i køretøjets kerne.

Brintstoftanke og brændselscellebunke i Hy-wire Photo med tilladelse fra General Motors

I en brintbrændselscelle bryder en katalysator brintmolekyler i anoden til protoner og elektroner. Protonerne bevæger sig gennem udvekslingsmembranen, mod ilt på katodesiden, og elektronerne går deres vej gennem en ledning mellem anoden og katoden. På katodesiden kombineres brint og ilt til dannelse af vand. Mange celler er forbundet i serie for at bevæge betydelig ladning gennem et kredsløb.

"Hy" i Hy-wire står for hydrogen, standardbrændstof til et brændselscelleanlæg. Ligesom batterier har brændselsceller en negativt ladet terminal og en positivt ladet terminal, der driver elektrisk ladning gennem et kredsløb, der er forbundet til hver ende. De ligner også batterier, idet de genererer elektricitet fra en kemisk reaktion. Men i modsætning til et batteri, kan du konstant oplade en brændselscelle ved at tilføje kemisk brændstof - i dette tilfælde brint fra en ombord opbevaringstank og ilt fra atmosfæren.

Dette indhold er ikke kompatibelt på denne enhed.

Den grundlæggende idé er at bruge en katalysator til at opdele et brintmolekyle (H2) i to H-protoner (H +, positivt ladede enkelt hydrogenatomer) og to elektroner (e-). Oxygen på katode (positivt ladet) side af brændselscellen trækker H + -ioner fra anodesiden gennem a protonbyttermembran, men blokerer for strømmen af elektroner. Elektronerne (som har en negativ ladning) tiltrækkes af protonerne (som har en positiv ladning) på den anden side af membranen, men de skal bevæge sig gennem det elektriske kredsløb for at komme dertil. De bevægende elektroner udgør den elektriske strøm, der driver de forskellige belastninger i kredsløbet, såsom motorer og computersystemet. På katodesiden af cellen kombineres brint, ilt og frie elektroner og danner vand (H2O), systemets eneste emissionsprodukt. (Se Sådan fungerer brændselsceller for mere information.)

Én brændselscelle lægger kun lidt strøm ud, så du er nødt til at kombinere mange celler i en stak for at få meget brug af processen. Brændselscellestaklen i Hy-ledningen består af 200 individuelle celler tilsluttet serie, som samlet giver 94 kilowatt med kontinuerlig kraft og 129 kilowatt ved spidseffekt. Den kompakte cellebunke (det er på størrelse med et pc-tårn) holdes kølig af et konventionelt radiatorsystem, der drives af brændselscellerne i sig selv.

En anden visning af Hy-wire Photo høflighed General Motors

Dette system leverer jævnspænding i området fra 125 til 200 volt, afhængigt af belastningen i kredsløbet. Motorstyringen øger dette op til 250 til 380 volt og konverterer det til vekselstrøm for at køre trefaset elektrisk motor der drejer hjulene (dette svarer til det system, der bruges i konventionelle elbiler).

Den elektriske motor har til opgave at anvende drejningsmoment på forhjulsakslen for at dreje de to forhjul. Betjeningsenheden varierer hastigheden på bilen ved at øge eller reducere den effekt, der påføres motoren. Når regulatoren bruger maksimal effekt fra brændselscellebunken, roterer motorens rotor med 12.000 omdrejninger pr. Minut, hvilket giver et drejningsmoment på 159 pund. Et enkelttrins planetgir, med et forhold på 8,67: 1, trapper op drejningsmomentet for at anvende maksimalt 1,375 pund fødder på hvert hjul. Det er tilstrækkeligt drejningsmoment til at bevæge den 1.200 kilo (1.905 kg) bil 100 mil i timen (161 km / t) på en plan vej. Mindre elektriske motorer manøvrerer hjulene for at styre bilen og kontrolleres elektrisk bremsekaliper bringe bilen til stop.

Det gasformige brintbrændstof, der er nødvendigt for at drive dette system, opbevares i tre cylindriske tanke og vejer i alt ca. 75 kg (75 kg). Tanke er lavet af en speciel kulstofkompositmateriale med den høje strukturelle styrke, der er nødvendig for at indeholde højtrykshydrogengas. Tanke i den nuværende model rummer ca. 4,5 kg (2 kg) brint ved ca. 5 000 pund pr. Kvadrat tomme (350 bar). I fremtidige modeller håber Hy-wire-ingeniørerne at øge trykgrænsen til 10.000 pund pr. Kvadrat tomme (700 bar), hvilket ville øge bilens brændstofkapacitet til at udvide køreområdet.

I sidste ende håber GM at få brændselscelle-stakken, motorerne og brintopbevaringstankene små nok til at de kan reducere chassitykkelsen fra 11 cm til 6 inches (15 cm) Dette mere kompakte "skateboard" giver mulighed for endnu mere fleksibilitet i kropsdesignet.

Hy-wire numre

Tophastighed: 100 miles i timen (161 km / t)
Vægt: 1885 kg (1.898 kg)
Chassislængde: 4,3 meter
Chassisbredde: 1,67 meter (5 fod, 1,7 tommer)
Chassis tykkelse: 28 cm
Hjul: otte-ejet, let alufælge.
Dæk: 20-tommer (51-cm) foran og 22-tommer (56-cm) bagpå
Brændselscelleeffekt: 94 kilowatt kontinuerlig, 129 kilowatt peak
Brændstof-celle-stack-spænding: 125 til 200 volt
Motor: 250 til 380 volt trefas asynkron elektrisk motor
Beskyttelse mod nedbrud: "knusningszone" foran eller bagpå (eller "kasser") for at absorbere stødenergi
Relaterede GM patenter i gang: 30
GM-teammedlemmer involveret i design: 500+

GMs diagram over AUTOnomy-designet Courtesy General Motors

Hy-wire's "hjerne" er en central computer indeholdt i midten af chassiset. Den sender elektroniske signaler til motorstyringsenheden for at variere hastigheden, styremekanismen til manøvrering af bilen og bremsesystemet for at bremse bilen.

På chassisniveau styrer computeren alle aspekter af kørsel og strømbrug. Men det tager sine ordrer fra en højere magt - nemlig føreren i bilens karosseri. Computeren opretter forbindelse til kroppens elektronik gennem en enkelt universal dockingport. Denne centrale port fungerer på samme grundlæggende måde som en USB-port på en personlig computer: Den transmitterer en konstant strøm af elektroniske kommandosignaler fra bilcontrolleren til den centrale computer, såvel som feedbacksignaler fra computeren til controlleren. Derudover leverer den den elektriske kraft, der er nødvendig for at betjene al kroppens elektroniske elektroniske ombord. Ti fysiske forbindelser lås karosseriet til chassisstrukturen.

Hy-wire's X-drev X-drevet kan glide til hver side af køretøjet. Foto høflighed General Motors Foto høflighed General Motors

Driverens kontrolenhed, kaldet X-drive, er meget tættere på en videospil controller end et konventionelt rattet og pedalarrangementet. Controlleren har to ergonomiske greb placeret til venstre og højre for en lille LCD-skærm. For at styre bilen glider du let i håndtagene op og ned - du behøver ikke fortsat at dreje et hjul for at dreje, du skal bare holde grebet i drejeposition. For at accelerere drejer du begge greb på samme måde som du ville dreje gassen på en motorcykel; og for at bremse, klemmer du begge greb.

Elektroniske bevægelsessensorer, der ligner dem i avancerede joysticks til computere, oversætter denne bevægelse til et digitalt signal, som den centrale computer kan genkende. Knapper på controlleren giver dig mulighed for let at skifte fra neutral til kørsel til bagudvendt, og en startknap tænder bilen. Da absolut alt er håndstyret, kan du gøre hvad du vil med dine fødder (forestil dig at sætte dem i en massager under kørslen til og fra arbejde hver dag).

Den 5,8 tommer (14,7 cm) farvemonitor i midten af controlleren viser alle de ting, du normalt finder på instrumentbrættet (hastighed, kilometertal, brændstofniveau). Det giver dig også bagfrabilleder fra videokameraer på siderne og bagsiden af bilen i stedet for traditionelle spejle. En anden skærm på en konsol ved siden af driveren viser dig stereo-, klimakontrol- og navigationsinformation.

Da det ikke direkte kører nogen del af bilen, kan X-drevet virkelig gå overalt i kupeen. I den nuværende Hy-wire sedan-model svinger X-drevet rundt til et af de to forreste sæder, så du kan skifte chauffører uden engang at rejse sig. Det er også nemt at justere X-drevet op eller ned for at forbedre førerkomforten, eller at flytte det ud af vejen helt, når du ikke kører.

GM-koncept af AUTOnomien med og uden et organ tilknyttet Foto høflighed General Motors Foto høflighed General Motors

En af de sejeste ting ved drev-for-trådsystemet er, at du kan finjustere køretøjets håndtering uden at ændre noget i bilens mekaniske komponenter - alt hvad der kræves for at justere styre-, accelerator- eller bremsefølsomhed er noget nyt computersoftware. I fremtidige køre-for-wire køretøjer vil du sandsynligvis være i stand til at konfigurere kontrollerne nøjagtigt til din smag ved at trykke på et par knapper, ligesom du muligvis kan justere sædepositionen i en bil i dag. Det ville også være muligt i denne type system at gemme forskellige kontrolpræferencer for hver driver i familien.

Den store bekymring med drev-ved-wire køretøjer er sikkerhed. Da der ikke er nogen fysisk forbindelse mellem føreren og bilens mekaniske elementer, ville en elektrisk svigt betyde totalt tab af kontrol. For at gøre denne slags system levedygtig i den virkelige verden, vil drev-ved-ledningsbiler have brug for sikkerhedskopierede strømforsyninger og overflødige elektroniske forbindelser. Med tilstrækkelige sikkerhedsforanstaltninger som dette er der ingen grund til, at bilkørsel ville være farligere end konventionelle biler. Faktisk tror mange designere, at de vil være meget sikrere, fordi den centrale computer vil være i stand til at overvåge driverinput. Et andet problem er at tilføje tilstrækkelig crashbeskyttelse til bilen.

Den anden store hindring for denne type bil er at finde ud af energieffektive metoder til produktion, transport og opbevaring af brint til de ombyggede brændselscelle-stakke. Med den nuværende teknologitilstand kan faktisk produktion af brintbrændstof generere omtrent lige så meget forurening som ved at bruge benzinmotorer, og opbevarings- og distributionssystemer har stadig en lang vej at gå (se Sådan fungerer brintøkonomien for mere information).

Så får vi nogensinde chancen for at købe en Hy-wire? General Motors siger, at det fuldt ud har til hensigt at frigive en produktionsversion af bilen i 2010, under forudsætning af at den kan løse de største brændstof- og sikkerhedsproblemer. Men selvom Hy-wire-teamet ikke lever op til dette mål, planlægger GM og andre bilproducenter bestemt at bevæge sig ud over den konventionelle bil engang snart, mod et edb, miljøvenligt alternativ. Efter al sandsynlighed vil livet på motorvejen se nogle store ændringer inden for de næste par årtier.

For mere information om Hy-wire og andre nye bilteknologier, se linkene på næste side.

Relaterede artikler

Quiz Corner: Fuel Cell Quiz
Sådan fungerer brændselsceller
Sådan fungerer elbiler
Sådan fungerer brintøkonomien
Sådan fungerer hybridbiler
Sådan fungerer Toyota MTRC
Sådan fungerer bilcomputere
Sådan fungerer brændstofprocessorer
Sådan fungerer luftdrevne biler
Sådan fungerer F-15s
Sådan fungerer joysticks
Hvordan Segways fungerer
Hvad er alle de forskellige måder at opbevare energi ud over at bruge genopladelige batterier?

Sådan fungerer GM's Hy-wire

Relaterede artikler

Flere gode links