KERS是動(dòng)能回收系統(tǒng)(Kinetic Energy Recovery Systems)的英文縮寫(xiě)。其基礎(chǔ)原理是：通過(guò)技術(shù)手段將車身制動(dòng)能量存儲(chǔ)起來(lái)，并在賽車加速過(guò)程中將其作為輔助動(dòng)力釋放利用！具體的使用方法可能模仿A1的加速按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)。

F1引入

很多人認(rèn)為F1引入KERS的是FIA為增加超車機(jī)會(huì)-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(shí)之舉，這是完全錯(cuò)誤的！

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(duì)矛盾。能源問(wèn)題，二氧化碳排放，早已不再是時(shí)髦的話題，而是就擺著面前，并需要立即動(dòng)手解決的問(wèn)題。德國(guó)出臺(tái)了每公里二氧化碳排放量不得超過(guò)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(dòng)機(jī)不再有發(fā)展前途。與此同時(shí)，有的城市甚至計(jì)劃只允許在市中心使用混合動(dòng)力車，這意味著廠商在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)，必須保證他們的車型可以選裝混合動(dòng)力系統(tǒng)。通過(guò)這兩例，我們可以看到高效率的環(huán)保技術(shù)對(duì)于汽車工業(yè)的發(fā)展有多迫切。時(shí)下，雖然各大制造商從未達(dá)成過(guò)任何共識(shí)，但已基本形成了默認(rèn)的發(fā)展思路：先從混合動(dòng)力入手，然后向氫動(dòng)力或純電力過(guò)渡。只有這樣，汽車工業(yè)才可能有未來(lái)。

此時(shí)，以高科技著稱、位居汽車運(yùn)動(dòng)金字塔尖的F1，如果無(wú)視這一社會(huì)趨勢(shì)，必將面臨被淘汰的危險(xiǎn)。FIA主席馬克思-莫斯利曾在2006年說(shuō)過(guò)： “世界的趨勢(shì)正在發(fā)生改變，你將看到最明顯的是關(guān)于全球變暖問(wèn)題。在世界每一個(gè)地方，都有非常突出的民意運(yùn)動(dòng)。如果現(xiàn)在我們不改革，我們將錯(cuò)過(guò)這一趨勢(shì)，F(xiàn)1將變得落后，并最終死亡?！?/p>

也許有人會(huì)認(rèn)為莫斯利的話是在危言聳聽(tīng)，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(duì)于民用引擎沒(méi)有任何參考意義，耗資建1個(gè)1:1的風(fēng)洞開(kāi)銷大于5000萬(wàn)歐元，不計(jì)全年24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的成本，一站一改的空氣動(dòng)力學(xué)套件實(shí)用價(jià)值是零……。

很顯然，F(xiàn)1的技術(shù)發(fā)展方向，是完全與社會(huì)脫節(jié)的，而且隨著能源和環(huán)境問(wèn)題的加劇，它正在與社會(huì)發(fā)展方向背道而馳。過(guò)去，F(xiàn)1被稱為汽車工業(yè)的試驗(yàn)田，先進(jìn)民用技術(shù)的發(fā)源地；而隨著技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的變化，它的這項(xiàng)功能已越來(lái)越弱！在這種情況下，改革勢(shì)在必行，而且刻不容緩。因?yàn)闆](méi)有任何有社會(huì)責(zé)任的人，會(huì)對(duì)采用“過(guò)時(shí)”技術(shù)、大幅浪費(fèi)能源、危害環(huán)境的運(yùn)動(dòng)頂禮膜拜！

KERS正是F1順應(yīng)這一社會(huì)趨勢(shì)，保持先進(jìn)性邁出的第一步。

規(guī)則限制

為了鼓勵(lì)、推動(dòng)KERS技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)IA給予了車隊(duì)充足的發(fā)揮空間。發(fā)布的2009版F1技術(shù)規(guī)則中，國(guó)際汽聯(lián)只對(duì)KERS幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)做了規(guī)定，其余所有環(huán)節(jié)都是開(kāi)放的。按照莫斯利的說(shuō)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(guò)60KW，每圈的能量釋放總量不得超過(guò)400KJ。(規(guī)則原文5.2.3)

2 賽車在進(jìn)站加油的過(guò)程中，不得向KERS的系統(tǒng)增加能量存儲(chǔ)。(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(duì)KERS的限制僅此而已！

優(yōu)缺點(diǎn)

在FIA寬松的規(guī)則框架下，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(dòng)能回收系統(tǒng)和電池-電機(jī)動(dòng)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)和方案優(yōu)缺點(diǎn)四個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹。首先講已經(jīng)面世的“飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)”。

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(gòu)買！2007年年初，受到雷諾汽車公司的支持，雷諾F1車隊(duì)的兩位工程師喬恩-希爾頓和道格-克羅斯離開(kāi)總部恩斯托(enstone)專門(mén)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(gè)英語(yǔ)單詞飛輪(flywheel)和混合動(dòng)力(hybrid)的組合詞，我們將其譯為“飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)公司”【注：下文統(tǒng)一簡(jiǎn)稱為FB公司】。該公司在2007年年中開(kāi)發(fā)出了一套高效率的飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)。

技術(shù)原理

飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)的原理其實(shí)非常簡(jiǎn)單。兒時(shí)玩過(guò)回力玩具車的朋友知道，當(dāng)我們通過(guò)向后滾動(dòng)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(shì)能后，再將車放在地上，積蓄的勢(shì)能便能讓車快速行駛起來(lái)。FB公司的動(dòng)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(dòng)能－>勢(shì)能—>動(dòng)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程】。但其具體的工作過(guò)程肯定要復(fù)雜許多，要知道這是時(shí)速超過(guò)300公里的F1賽車。下面讓我們一起看其實(shí)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(dòng)比齒輪組、一臺(tái)CVT(無(wú)級(jí)變速箱)和一套離合器構(gòu)成(離合器2)，其中無(wú)級(jí)變速箱由技術(shù)合作伙伴T(mén)orotrak公司提供，另一家公司Xtrac負(fù)責(zé)傳動(dòng)系統(tǒng)制造。系統(tǒng)工作過(guò)程如下：

當(dāng)賽車在制動(dòng)的過(guò)程中，車身動(dòng)能會(huì)通過(guò)無(wú)級(jí)變速箱傳入飛輪，此時(shí)處于真空盒中的飛輪被驅(qū)動(dòng)、高速旋轉(zhuǎn)積蓄能量。而當(dāng)賽車在出彎時(shí)，飛輪積蓄的能量則通過(guò)無(wú)級(jí)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(dòng)力匯合后，作為推動(dòng)力傳遞給后軸。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，由寫(xiě)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(duì)性調(diào)整。也就是說(shuō)可以具有不同的外形選擇！

技術(shù)難點(diǎn)

眾所周知，對(duì)于F1賽車來(lái)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(dòng)能回收系統(tǒng)的這項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)很高)，使系統(tǒng)對(duì)賽車的配重影響降至最低，采用飛輪動(dòng)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(chǔ)指標(biāo)呢？

FB公司采用的解決方案是提高轉(zhuǎn)速。他們?cè)囍破凤w輪轉(zhuǎn)速已達(dá)到64500轉(zhuǎn)/分，這是一個(gè)近乎瘋狂的數(shù)字。但此時(shí)新問(wèn)題又出現(xiàn)了，因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速意味著系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生巨大的熱量和面臨巨大的風(fēng)阻損耗。

方案優(yōu)缺點(diǎn)

希爾頓和克羅斯最終決定將飛輪包裝在一個(gè)真空盒內(nèi)部，按照該公司的說(shuō)法，內(nèi)部氣壓可達(dá)1x10-7帕。這到底是一個(gè)怎樣的概念呢？喬恩-希爾頓表示，這相當(dāng)于一個(gè)氣體分子需要運(yùn)行45KM才能和另外一個(gè)相遇。不過(guò)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(wèn)題，但如何防止軸承在(向飛輪)輸入和輸出動(dòng)力的過(guò)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(qǐng)專利。

變速器

由來(lái)

前不久曾說(shuō)過(guò)，F(xiàn)IA有意實(shí)施新的F1規(guī)則，主要目的是減少賽車對(duì)環(huán)境的影響，并降低成本，使賽車技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界更有價(jià)值。其中一項(xiàng)要求就是將減速能量存下來(lái)用于加速，使出彎后加速更為凌厲，或者“尾隨-甩出-超車”式的進(jìn)攻更容易得手。第一個(gè)商業(yè)化的產(chǎn)品已在開(kāi)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?dòng)方案，開(kāi)發(fā)高效、緊湊、速比連續(xù)可變的傳動(dòng)裝置，在F1賽車上實(shí)現(xiàn)動(dòng)能回收的設(shè)想。而且我們也很容易預(yù)見(jiàn)，它會(huì)出現(xiàn)在普通的道路車輛上。

形狀

所謂圓環(huán)曲面在這里就是指圓環(huán)內(nèi)圈的表面形狀，你可以想象出一個(gè)多納圈，用砂子把它中央的孔塞實(shí)，之后你如果有本事把多納圈吃干凈，那么剩下的砂型就是圓環(huán)曲面了。是不是象個(gè)沙漏瓶的小腰？在這個(gè)細(xì)腰的中間截開(kāi)，就是Torotrak變速器的核心——兩個(gè)尖對(duì)尖的轉(zhuǎn)盤(pán)，其中一個(gè)當(dāng)動(dòng)力輸入用，另一個(gè)別無(wú)選擇，就只好用來(lái)輸出了。

光靠?jī)蓚€(gè)尖頂著肯定是傳遞不了動(dòng)力的，更別提變速了。于是在轉(zhuǎn)盤(pán)之間還安置了兩到三個(gè)滾輪。兩個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)對(duì)向夾緊，就會(huì)夾住這些滾輪，輸入轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶著滾輪轉(zhuǎn)，輸出轉(zhuǎn)盤(pán)自然也跟著轉(zhuǎn)起來(lái)。看得出，力是通過(guò)滾動(dòng)摩擦傳遞的。那么怎樣實(shí)現(xiàn)變速呢？只要讓滾輪的軸線擺動(dòng)起來(lái)就行了。開(kāi)始時(shí)滾輪的一邊頂著輸入轉(zhuǎn)盤(pán)半徑較大的位置，另一邊按在輸出轉(zhuǎn)盤(pán)靠近尖頂?shù)牡胤?，就是低檔。隨著滾輪的擺動(dòng)，速比便會(huì)越來(lái)越小，而且，這個(gè)變化是連續(xù)的，即CVT。市場(chǎng)上常見(jiàn)的CVT是皮帶輪+帶或鏈條的式樣，與之相比，這種圓環(huán)曲面變速器的效率更好，而且能傳遞更大的扭矩，Torotrak的演示車就是輛Ford的SUV，475Nm扭矩的5.4升V8發(fā)動(dòng)機(jī)充分證明了這種傳動(dòng)方案的負(fù)載能力。Torotrak還為變速器取名IVT，即infinitely variable transmission，以示區(qū)別。

發(fā)展史

還記得Atkinson循環(huán)嗎？很多人類發(fā)明都要在歷史長(zhǎng)河里經(jīng)世累代地潛水，才能修成正果，圓環(huán)曲面變速器也是如此。早在1877年，Charles Hunt就申請(qǐng)到了專利，而直到1920年代，經(jīng)Frank Hayes改進(jìn)之后才推向市場(chǎng)，在1930年前后安裝到Austin 7上。Perbury公司在1960～1980年代期間對(duì)其繼續(xù)完善，成果甚至打動(dòng)了軍方——在著名的鷂式戰(zhàn)機(jī)上用來(lái)帶動(dòng)一臺(tái)25千瓦的發(fā)電機(jī)，雖然扭力不是很大，但轉(zhuǎn)速特高，從7000到17000rpm。1986年BTG集團(tuán)接手相關(guān)業(yè)務(wù)，又過(guò)了十幾年，掌握這項(xiàng)技術(shù)的部門(mén)脫離了BTG，才有了今天的Torotrak。

原理

當(dāng)今材料的發(fā)展使這種變速機(jī)構(gòu)日臻完善。理論上，轉(zhuǎn)盤(pán)和滾輪是緊緊地貼在一起的，這樣才能產(chǎn)生摩擦力，但事實(shí)上它們并沒(méi)有真的接觸，這要?dú)w功于一種特別開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)分子鏈摩擦液。這種液體在壓力之下粘度也會(huì)大漲，不但能傳遞摩擦力，還能形成0.05至0.4微米的液膜，將轉(zhuǎn)盤(pán)和滾輪隔開(kāi)。要形成如此薄的膜，肯定也離不了精密的加工技術(shù)和精良的鋼材。給Torotrak加工轉(zhuǎn)盤(pán)、滾輪的是光洋精工（初和豐田工機(jī)合并，名字叫JTEKT），它的當(dāng)家產(chǎn)品就是滾珠軸承。無(wú)獨(dú)有偶，日本精工NSK也為Jatco加工類似的部件，不用說(shuō)也知道NSK是干什么的。Jatco為日產(chǎn)制造的Extroid被稱為半圓環(huán)曲面變速器，說(shuō)白了就是曲面的圓弧短了點(diǎn)，速比變化范圍只有4.36，不得不借助液力變扭器滋補(bǔ)一下扭力，但也不是說(shuō)它無(wú)縛雞之力，只要車子一動(dòng)起來(lái)，變扭器就能立即鎖住，無(wú)需再勞動(dòng)了。相比之下Torotrak的底氣要沖一些，它的演示機(jī)型速比跨度已經(jīng)達(dá)到了6.05，所以才敢號(hào)稱“無(wú)限可變”。

典型的圓環(huán)曲面變速器由兩組機(jī)構(gòu)串列而成，這樣傳遞的扭力可以加倍，而尺寸也不會(huì)比一般的齒輪式變速箱更大。由于滾輪被禁錮在圓環(huán)曲面內(nèi)，其轉(zhuǎn)軸用不著承受任何負(fù)載。轉(zhuǎn)盤(pán)受液壓驅(qū)動(dòng)沿軸向夾緊，而夾緊力度則由電控裝置根據(jù)傳遞扭矩的大小來(lái)調(diào)節(jié)。

特點(diǎn)

Torotrak完整的IVT變速器中，不僅有一個(gè)圓環(huán)曲面變速機(jī)構(gòu)，還有一套行星齒輪。低速的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)一方面直接連到行星架，另一方面通過(guò)圓環(huán)曲面變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)輪，從而實(shí)現(xiàn)從前進(jìn)到倒車的速度連續(xù)變化，中間當(dāng)然有完全停止的狀態(tài)，因此稱它速比無(wú)限可變。換言之，理論上其輸出扭矩也可以變到無(wú)限大，控制系統(tǒng)通過(guò)控制速比就能克服很棘手的障礙，另一方面，速比的改變?cè)谇S僅轉(zhuǎn)過(guò)半圈的瞬間里就能完成，所以不用擔(dān)心因突然過(guò)載而損壞發(fā)動(dòng)機(jī)或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。只是這種狀態(tài)下，按照美國(guó)CAFE工況測(cè)算，平均動(dòng)力損耗超過(guò)19%，故而只用于倒車和起步。車速提高后，行星架被脫開(kāi)，太陽(yáng)輪和外齒圈被鎖在一起，動(dòng)力完全通過(guò)環(huán)形曲面變速機(jī)構(gòu)傳遞。

再回到動(dòng)能回收上來(lái)，圓環(huán)曲面裝置本身肯定不能吸收、存儲(chǔ)和釋放動(dòng)能，干這活兒的是一個(gè)飛輪（就是圖中那個(gè)虛的大圓輥?zhàn)樱?。Torotrak的變速裝置也沒(méi)有取代常規(guī)的多檔齒輪式變速器，它的角色其實(shí)是連接飛輪和變速器的橋梁，通過(guò)調(diào)節(jié)速比，讓動(dòng)能以最優(yōu)的方式在兩者之間來(lái)回走動(dòng)，而不是完全通過(guò)剎車盤(pán)散失掉。這種模式不但結(jié)構(gòu)緊湊——Torotrak相信商業(yè)化的變速單元會(huì)輕于5公斤，而且其能量傳遞效率甚至高過(guò)90%，明顯優(yōu)于電機(jī)-蓄電池模式。F1對(duì)尺寸和重量的要求都非常嚴(yán)苛，如果成功的話，普及到其它領(lǐng)域就是輕而易舉的事。

Xtrac將只提供變速單元，飛輪部分還要各車隊(duì)自行開(kāi)發(fā)（所以是虛的），Torotrak可以提供控制程序方面的專家意見(jiàn)。

KERS

定義