Международная гонка на холм Пайкс-Пик — вторая по возрасту гонка в стране после Indianapolis 500, проводившаяся в 1916 году. На протяжении большей части своей истории соревнования проходили по грунтовой дороге, но с 2012 года трасса протяженностью 12.42 мили полностью проложенный, когда он поднимается на 4725 футов на вершину горы высотой 14,114 156 футов, названной в честь исследователя и генерала армии Зебулона Пайка. Трассу Пайкс-Пик со XNUMX поворотами, ограниченным обзором и разным изгибом и уклоном можно охарактеризовать как американскую Нордшляйфе в гору — с еще меньшим количеством спусков и возможностей для практики.
Для гонки 2018 года, состоявшейся 24 июня — 96-й гонки — Volkswagen привез сложную машину 21-го века под названием ID R Pikes Peak. Он разделяет брендинг ID, который VW применил к своей будущей линейке электромобилей следующего поколения. Было анонсировано как минимум четыре таких электромобиля VW, первый из которых будет представлен в течение двух лет, и все они заявляют о запасе хода не менее 250 миль. Этот ID R Pikes Peak призван продемонстрировать, что производительность также будет частью этого нового электрического бренда.
Под управлением Ромена Дюма, который до этого трижды выигрывал Пайкс-Пик, а также одержал равное количество побед в гонках «24 часа Нюрбургринга» и две победы в Ле-Мане, ID R соревновался в категории Unlimited. Якобы целью VW было побить существующий рекорд электромобилей 8:57.118, установленный Рисом Милленом два года назад, но негласной целью был пятилетний абсолютный рекорд 8:13.878, установленный Себастьяном Лебом в Peugeot 208 T16 Пайкс Пик особенный.
Именно это и сделал VW, завершив дистанцию за семь минут 57.148 секунды, оторвав от рекорда электромобиля целую минуту и побив общий рекорд на 16 секунд. Приветствую нового Царя горы и первое семиминутное восхождение на трассу. Вот технология, лежащая в основе специальной ракеты VW для подъема в гору.
LMP соответствует формуле E
На первый взгляд, ID R выглядит так, как будто он прибыл прямо из 24-часовой гонки Ле-Мана в предыдущие выходные. У него такая же характерная узкая, центральная, номинально двухместная кабина, окруженная обтекаемыми колесами и аэродинамически оптимизированным кузовом. Тем не менее, ID R выглядит заметно изящнее благодаря отсутствию фар и гораздо меньшим воздухозаборникам.
Самая большая разница заключается в крыльях, которые у автомобиля Pikes Peak просто огромны. Они почти на 18 дюймов шире, чем разрешено для автомобиля LMP, а ID R длиннее на аналогичную величину, что указывает на то, что передний сплиттер и заднее антикрыло также имеют более глубокие хорды. Это различие обусловлено как более слабыми правилами на Пайкс-Пик, так и законами физики.
Во-первых, прижимная сила прямо пропорциональна плотности воздуха. На высоте 9390 футов у стартовой линии плотность воздуха снижается примерно на 29 процентов по сравнению с уровнем моря. На вершине он падает еще на 12 процентных пунктов. Увеличение площади крыла — один из способов компенсировать это уменьшение. Большие крылья, конечно, означают большее сопротивление, но уменьшенная плотность воздуха также снижает это сопротивление. Кроме того, максимальная скорость на трассе Пайкс-Пик составляет всего около 150 миль в час — примерно две трети скорости Mulsanne на прямой в Ле-Мане, — так что дополнительное сопротивление не является серьезным недостатком.
Эта машина приводится в действие парой электродвигателей, развивающих по 335 лошадиных сил каждый. Говорят, что эти двигатели взяты из Формулы E, где в этом сезоне, который заканчивается через несколько недель, на машину приходится только один двигатель с мощностью, ограниченной 241 лошадиной силой во время гонки. Один двигатель, соединенный напрямую с дифференциалом, приводит в движение задние колеса; другие болты к аналогичному дифференциалу спереди. Оба двигателя находятся в пределах колесной базы, чтобы минимизировать полярный момент инерции автомобиля.
Когда мы спросили, почему VW не использует отдельный двигатель для каждого колеса, что позволяет полностью гибко распределять крутящий момент, мы получили немного разные ответы. Франсуа-Ксавье Демезон, технический директор VW Motorsport, известного как FX, сказал, что четыре двигателя, даже без дифференциалов, весили бы больше, чем установка с двумя двигателями. Однако Вилли Рампф, технический консультант проекта и бывший технический директор команды Sauber F1, не был так уверен в весе, но сказал, что, по его мнению, у команды не было времени на разработку программы векторизации крутящего момента, учитывая что проект был начат только в октябре 2017 года, всего за девять месяцев до гонки. По словам Рампфа, существует некоторая возможность варьировать распределение крутящего момента между передними и задними колесами для оптимизации управляемости и сцепления, но это распределение никогда не отклонялось далеко от 50/50.
Пиковая мощность
Между двигателями и дифференциалами имеется только одно передаточное число, но оно большое, учитывая, что двигатели могут вращаться со скоростью почти 20,000 1 об/мин. Такая высокая скорость вращения является одним из секретов извлечения большой мощности из относительно небольших электродвигателей. Например, электродвигатель МГУ-К, соединенный с коленчатым валом гоночного двигателя Формулы-50,000, вращается со скоростью около 160 15.4 об/мин и развивает мощность 59 л.с., при минимальном весе XNUMX фунта. Мы не знаем точного веса двигателей гоночного автомобиля VW, но Формула Е указывает XNUMX фунтов для своей версии. Это намного меньше, чем у гоночного двигателя внутреннего сгорания аналогичной мощности.
Двигатели питаются от двух аккумуляторных батарей — одна расположена рядом с водителем, а другая — за кабиной. Аккумуляторы разделены на две части исключительно из соображений упаковки. Демезон сказал, что в батарее используются литий-ионные элементы, которые представляют собой плоские пакеты размером примерно шесть на девять дюймов и толщиной 0.3 дюйма, полученные от A123. VW не сказал, сколько элементов в аккумуляторных блоках, но Демезон сказал, что общая емкость аккумуляторов составляет 43.0 кВтч. Если в автомобиле используются ячейки AMP123 M20HD-A от A1, которые соответствуют его описанию, эта емкость будет достигнута при использовании около 660 ячеек. Эти элементы могут обеспечивать высокую мощность, необходимую для питания больших двигателей, а также могут поглощать большую мощность, генерируемую во время рекуперативного торможения. Эти 660 ячеек будут весить около 720 фунтов без учета веса их корпусов и систем охлаждения.
Для данной мощности использование более высокого напряжения и более низкого тока означает меньшую и более легкую проводку. Гоночная электрика обычно работает где-то ниже 1000 вольт, но выше 200-300 вольт, используемых в производственной электрике. Мы предполагаем, что 660 элементов соединены последовательно с 220 элементами и тремя такими блоками параллельно, производя около 725 вольт. Нам сказали, что электроника управления мощностью относительно традиционна и использует мощные контроллеры, разработанные для расширяющегося рынка электрических гонок, включая прототип Ле-Мана (LMP) и серию Formula E.
Возьмитесь за движение и остановитесь
Этот силовой агрегат упакован в шасси из углеродного волокна, изначально построенного как автомобиль LMP французским гоночным конструктором Norma. Это означает правильную гоночную подвеску с геометрией, в которой используется один блок пружины/амортизатора для контроля рывков на каждом конце и еще один блок пружины/амортизатора для контроля крена. Отличительной чертой автомобиля ID R является то, что он имеет гораздо более равномерное распределение веса спереди и сзади, чем типичный автомобиль LMP, для максимального сцепления на всех четырех колесах. В результате на всех четырех колесах установлены колеса одинакового размера, а на всех колесах — гоночные слики Michelin 31/71-18. По сути, это гоночные шины LMP с компаундом, разработанным для того, чтобы выдерживать ожидаемые низкие температуры, которые могут составлять около 70 градусов на старте и потенциально до 40 градусов на вершине, а также дорожное покрытие, которое меньше, чем чистота гоночной трассы. А при ожидаемом пробеге менее 10 минут срок службы шин не был критичен. Давление в шинах не было указано, хотя вначале оно было немного ниже, чем обычно, поскольку шины – даже без учета температурных эффектов – увеличивали давление примерно на 2 фунта на квадратный дюйм во время набора высоты 4725 футов во время пробега.
Несмотря на возможность жесткого торможения с помощью двойных электродвигателей в рекуперативном режиме, гоночный R Racer использует гоночные углеродно-углеродные дисковые тормоза нормального размера. Это связано с тем, что в нижней части трассы, когда батарея почти полностью заряжена, максимальное рекуперативное торможение недоступно. Однако через несколько миль рекуперация в сочетании с фрикционными тормозами и огромной прижимной силой может привести к замедлению до 5.0 g. В то время как фрикционные тормоза были полноразмерными, их охлаждающие каналы – нет, поскольку рекуперация разделяла большую часть тормозной нагрузки на протяжении большей части пробега. Фактически, около 20 процентов энергии, используемой двигателями во время пробега, восстанавливалось во время рекуперативного торможения.
Этот диапазон неопределенных температур вынудил инженеров полагаться на обширное компьютерное моделирование для проектирования различных систем охлаждения автомобиля. Согласно спецификации A123, батарея лучше всего работает при температуре около 70 градусов и никогда не должна нагреваться выше 131, что в этом отношении удивительно человечно. Инженеры VW решили охлаждать батарею с помощью воздуховода, подаваемого в автомобиль, поскольку это легкое решение хорошо работало с ячейками пакетного типа. Жидкостное охлаждение использовалось для двигателей и электроники управления мощностью, и для проектирования этих систем также требовалось обширное компьютерное моделирование. Во-первых, даже в начале давление окружающего воздуха составляло всего 10.4 фунта на квадратный дюйм, а пониженная плотность воздуха снижает теплопередачу в радиаторе. В то время как температура имеет тенденцию падать с увеличением высоты, атмосферное давление тоже. Много машинного времени было потрачено на выполнение вычислительного гидродинамического анализа для проверки различных сценариев. Это было особенно важно, потому что на трассе Пайкс-Пик мало возможностей для тренировок, которая обычно открыта для движения туристов в течение дня и часто покрыта снегом зимой.
Подъем в гору
Хотя у батареи ID R было достаточно заряда для завершения подъема, характер соревнований на Пайкс-Пик требовал довольно быстрой подзарядки. Это потому, что даже после того, как машина тронется с места, трассу может закрыть камнепад, резкая смена погоды или даже зритель, заболевший высотной болезнью. Это означает, что любая машина на трассе должна будет развернуться, вернуться к старту и быть готовой к еще одной попытке пройти гору, имея на подготовку всего 20 минут.
Поэтому VW разработал быстрозарядное устройство мощностью 90 кВт. Этого достаточно, чтобы зарядить аккумулятор за отведенное время, учитывая тот факт, что рекуперативное торможение на спуске до старта уже помогло бы восстановить только частично разряженный аккумулятор. И такая скорость зарядки не грозила перегревом батареи, которую можно было охлаждать внешними обдувами по мере необходимости.
Одна особенность заключается в том, что этот генератор приводился в действие двигателем внутреннего сгорания, работающим на глицерине. Это нетоксичный спирт, получаемый в качестве побочного продукта при производстве биодизельного топлива. Говорят, что он достаточно безопасен, чтобы его можно было использовать в качестве искусственного подсластителя в пище. Это также экологически чистое топливо, используемое для питания генераторов в гонках Формулы Е.
В итоге ID R весил менее 2425 фунтов с Дюма, прикрученным к водительскому сиденью. Каждая лошадиная сила была обременена всего лишь тремя с половиной фунтами массы, и VW указал время разгона от нуля до 62 миль в час для автомобиля за 2.25 секунды, что кажется консервативным.
Электродвигатели не теряют мощность по мере того, как воздух становится разреженным выше в горах, в отличие от проблемы кислородного голодания, которая преследует гонщиков с двигателем внутреннего сгорания на Пайкс-Пик уже более века.
Этот рекордный пробег заставляет задуматься, сможет ли автомобиль с двигателем внутреннего сгорания когда-нибудь снова стать королем горы на Пайкс-Пик.
