F1中部分車隊所裝的KERS系統(tǒng)是怎樣將動能回收的？加裝KERS系統(tǒng)有那些好處？有沒有什么弊端？

【專家解說】：動能回收系統(tǒng) 電池-電機(jī)動能回收系統(tǒng)示意圖　　動能回收系統(tǒng)是FIA在F1賽車上使用的一項新技術(shù),英文縮寫KERS. 　　一，什么是KERS？ 　　KERS是動能回收系統(tǒng)(Kinetic Energy Recovery Systems)的英文縮寫。其基礎(chǔ)原理是：通過技術(shù)手段將車身制動能量存儲起來，并在賽車加速過程中將其作為輔助動力釋放利用！具體的使用方法可能模仿A1的加速按鈕來實現(xiàn)。 　　二，F(xiàn)IA為何要引入KERS？ 　　很多人認(rèn)為F1引入KERS的是FIA為增加超車機(jī)會-提高比賽興奮度，壓制引擎研發(fā)-控制成本飚升而采取的一時之舉，這是完全錯誤的！ 　　現(xiàn)在，全世界的汽車工業(yè)都面臨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展與保護(hù)環(huán)境這對矛盾。能源問題，二氧化碳排放，早已不再是時髦的話題，而是就擺著面前，并需要立即動手解決的問題。去年，德國出臺了每公里二氧化碳排放量不得超過120克的指標(biāo)，這一指標(biāo)如果成為法規(guī)，將意味著大排量發(fā)動機(jī)不再有發(fā)展前途。與此同時，現(xiàn)在有的城市甚至計劃只允許在市中心使用混合動力車，這意味著廠商在開發(fā)產(chǎn)品時，必須保證他們的車型可以選裝混合動力系統(tǒng)。通過這兩例，我們可以看到高效率的環(huán)保技術(shù)對于汽車工業(yè)的發(fā)展有多迫切。時下，雖然各大制造商從未達(dá)成過任何共識，但已基本形成了默認(rèn)的發(fā)展思路：先從混合動力入手，然后向氫動力或純電力過渡。只有這樣，汽車工業(yè)才可能有未來。 　　此時，以高科技著稱、位居汽車運(yùn)動金子塔尖的F1，如果無視這一社會趨勢，必將面臨被淘汰的危險。FIA主席馬克思-莫斯利曾在2006年說過： “世界的趨勢正在發(fā)生改變，你將看到最明顯的是關(guān)于全球變暖問題。在世界每一個地方，都有非常突出的民意運(yùn)動。如果現(xiàn)在我們不改革，我們將錯過這一趨勢，F(xiàn)1將變得落后，并最終死亡。” 　　也許有人會認(rèn)為莫斯利的話是在危言聳聽，但F1的現(xiàn)狀就是下面這樣：2.4升V8引擎的百公里油耗高達(dá)49KG，19000轉(zhuǎn)的極限轉(zhuǎn)速對于民用引擎沒有任何參考意義，耗資建1個1:1的風(fēng)洞開銷大于5000萬歐元，不計全年24小時運(yùn)轉(zhuǎn)的成本，一站一改的空氣動力學(xué)套件實用價值是零……。 　　很顯然，現(xiàn)在F1的技術(shù)發(fā)展方向，是完全與社會脫節(jié)的，而且隨著能源和環(huán)境問題的加劇，它正在與社會發(fā)展方向背道而馳。過去，F(xiàn)1被稱為汽車工業(yè)的試驗田，先進(jìn)民用技術(shù)的發(fā)源地；而現(xiàn)在，隨著技術(shù)發(fā)展趨勢的變化，它的這項功能已越來越弱！在這種情況下，改革勢在必行，而且刻不容緩。因為沒有任何有社會責(zé)任的人，會對采用“過時”技術(shù)、大幅浪費能源、危害環(huán)境的運(yùn)動頂禮膜拜！ 　　KERS正是F1順應(yīng)這一社會趨勢，保持先進(jìn)性邁出的第一步。 　　三，F(xiàn)IA對KERS的規(guī)則限制 　　為了鼓勵、推動KERS技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)IA給予了車隊充足的發(fā)揮空間。在今年7月11日發(fā)布的2009版F1技術(shù)規(guī)則中，國際汽聯(lián)只對KERS幾項技術(shù)指標(biāo)做了規(guī)定，其余所有環(huán)節(jié)都是開放的。按照莫斯利的說法，KERS的發(fā)展幾乎不受限。下文便是新規(guī)則中僅有的約束條款： 　　1，KERS系統(tǒng)的最大輸出和輸入功率不得超過60KW，每圈的能量釋放總量不得超過400KJ。(規(guī)則原文5.2.3) 　　2 賽車在進(jìn)站加油的過程中，不得向KERS的系統(tǒng)增加能量存儲。(規(guī)則原文5.2.4) 　　3 賽車引擎、變速箱、離合器、差速器和KERS以及所有的相關(guān)激活機(jī)構(gòu)，必須由FIA指定的ECU供應(yīng)商提供的ECU控制(即邁凱輪提供的標(biāo)準(zhǔn)ECU)。(規(guī)則原文8.2.1) 　　現(xiàn)版09款規(guī)則對KERS的限制僅此而已！ 　　四：兩種技術(shù)原理的KERS系統(tǒng)及其優(yōu)缺點(本文重點) 　　在FIA寬松的規(guī)則框架下，現(xiàn)在存在兩種技術(shù)原理的KERS系統(tǒng)正在研發(fā)當(dāng)中：飛輪動能回收系統(tǒng)和電池-電機(jī)動能回收系統(tǒng)。下面，我們將從研發(fā)背景、技術(shù)原理、參數(shù)指標(biāo)、技術(shù)難點和方案優(yōu)缺點五個方面對其進(jìn)行詳細(xì)介紹。首先講已經(jīng)面世的“飛輪動能回收系統(tǒng)”。 　　A，研發(fā)背景 　　這是雷諾將采用的技術(shù)方案，威廉姆斯打算購買！2007年年初，受到雷諾汽車公司的支持，雷諾F1車隊的兩位工程師喬恩-希爾頓和道格-克羅斯離開總部恩斯托(enstone)專門在銀石組建了一家名叫“Flybrid Systems LLP”的公司。在這里，F(xiàn)lybrid是兩個英語單詞飛輪(flywheel)和混合動力(hybrid)的組合詞，我們將其譯為“飛輪混合動力系統(tǒng)公司”【注：下文統(tǒng)一簡稱為FB公司】。該公司在2007年年中開發(fā)出了一套高效率的飛輪動能回收系統(tǒng)(見上圖)。 　　飛輪動能回收系統(tǒng)的原理其實非常簡單。兒時玩過回力玩具車的朋友知道，當(dāng)我們通過向后滾動車輪讓蓄能結(jié)構(gòu)(一般為彈簧或橡皮筋結(jié)構(gòu))積蓄勢能后，再將車放在地上，積蓄的勢能便能讓車快速行駛起來。FB公司的動能回收方案，正是采用的這種基礎(chǔ)原理【注意：是基礎(chǔ)原理，即從動能－>勢能—>動能的轉(zhuǎn)化過程】。但其具體的工作過程肯定要復(fù)雜許多，要知道這是時速超過300公里的F1賽車。下面讓我們一起看其實際構(gòu)造： 　　如上圖所示：這是FB公司提供的系統(tǒng)原理圖(右下為CAD三維效果圖)。它總共由：一套高轉(zhuǎn)速飛輪、兩套固定傳動比齒輪組、一臺CVT(無級變速箱)和一套離合器構(gòu)成(離合器2)，其中無級變速箱由技術(shù)合作伙伴Torotrak公司提供，另一家公司Xtrac負(fù)責(zé)傳動系統(tǒng)制造。系統(tǒng)工作過程如下： 　　當(dāng)賽車在制動的過程中，車身動能會通過無級變速箱傳入飛輪，此時處于真空盒中的飛輪被驅(qū)動、高速旋轉(zhuǎn)積蓄能量。而當(dāng)賽車在出彎時，飛輪積蓄的能量則通過無級變速箱反向釋放【注：這里指的反向指能量的流向，而非飛輪旋轉(zhuǎn)方向】，并在主變速箱的輸出端和引擎動力匯合后，作為推動力傳遞給后軸。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，由寫入SECU(標(biāo)準(zhǔn)ECU)的配套程序進(jìn)行控制。在外形上，可根據(jù)用戶需求，做針對性調(diào)整。也就是說可以具有不同的外形選擇！ 　　C，技術(shù)難點 　　眾所周知，對于F1賽車來講每一公斤的質(zhì)量都是有用的。為了達(dá)到盡可能高的能量密度比(注：飛輪動能回收系統(tǒng)的這項指標(biāo)已經(jīng)很高)，使系統(tǒng)對賽車的配重影響降至最低，采用飛輪動能回收方案需要將蓄能主體飛輪做的盡可能的小，但這又如何滿足能量存儲指標(biāo)呢？ 　　FB公司采用的解決方案是提高轉(zhuǎn)速。目前，他們試制品飛輪轉(zhuǎn)速已達(dá)到64500轉(zhuǎn)/分，這是一個近乎瘋狂的數(shù)字。但此時新問題又出現(xiàn)了，因為高轉(zhuǎn)速意味著系統(tǒng)會產(chǎn)生巨大的熱量和面臨巨大的風(fēng)阻損耗。 　　希爾頓和克羅斯最終決定將飛輪包裝在一個真空盒內(nèi)部，按照該公司的說法，內(nèi)部氣壓可達(dá)1x10-7帕。這到底是一個怎樣的概念呢？喬恩-希爾頓表示，這相當(dāng)于一個氣體分子需要運(yùn)行45KM才能和另外一個相遇。不過想的到還得做得到，將飛輪置身真空盒的確可以解決生熱和風(fēng)阻損耗的問題，但如何防止軸承在(向飛輪)輸入和輸出動力的過程中，氣密性不被破壞呢？新的難題再次誕生！在現(xiàn)有技術(shù)下，電轉(zhuǎn)換是種可選方案，但能量損失太嚴(yán)重。結(jié)果這兩位工程師還是找到了解決之道，他們發(fā)明了創(chuàng)新的軸密封技術(shù)，現(xiàn)已申請專利。 　　現(xiàn)在，第一個商業(yè)化的產(chǎn)品已在開發(fā)中，Xtrac獲得了Torotrak的專利授權(quán)，將利用后者的圓環(huán)曲面?zhèn)鲃臃桨福_發(fā)高效、緊湊、速比連續(xù)可變的傳動裝置，在F1賽車上實現(xiàn)動能回收的設(shè)想。而且我們也很容易預(yù)見，它會出現(xiàn)在普通的道路車輛上。