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从赛场到街道 赛车ERS系统及民用案例

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KERS动能回收系统

  [汽车之家 改装赛事大讲堂]  各位,你觉得赛车到底有什么意义?或许在环保主义者口中你已经听说过关于“叫停赛车运动”的倡议,大概意思是说赛车只是无意义地在赛场里转圈圈,毫无意义地浪费燃油,殊不知赛车运动除了厂商宣传的平台以外,更是汽车新技术研发中不可或缺的验证平台。许多现在普遍使用的技术都是最早在赛场上得到验证和完善,待到成熟之后才应用到量产车领域的。涡轮增压如此,电控燃油喷射如此,就连看似普通的发动机舱盖都是诞生于赛车场上。这次我们来讨论下赛车对于量产车的另一个技术贡献,兼顾性能和环保的ERS(能量回收系统)。

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  几年前,汽车厂商掀起了“涡轮复兴”运动,使用很小的排量实现高效的大功率输出。这个趋势在近几年增长迅速,从高端品牌到低端厂商都在宣传他们新的涡轮增压技术,宣传重点自然是更环保、更高效、更富有动力性。WTCC世界房车锦标赛、WEC勒芒系列耐力赛等高端赛事纷纷向小排量发动机转型;民用市场方面宝马M、奔驰AMG、法拉利等顶级运动车厂商已经纷纷推出搭载涡轮发动机的高性能产品。

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  现在就连F1一级方程式赛车这种顶级汽车赛事也已经开始使用1.6L V6涡轮增压发动机。谁都知道大排量自然吸气发动机的声浪更好听,功率也并不逊色,让它们不得不皈依涡轮的主要原因就是向环保妥协。同时为了实现不增加排放前提下的性能提升,赛车搭载了新一代的ERS能量回收系统。

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  今年F1使用的1.6升V6涡轮增压发动机,输出功率大约在550-600匹马力的水平,可谓是小排量、大力道。新结构的ERS能量回收系统,分为KERS(动能回收)和TERS(热能回收)凭借电动马达回收刹车和排气的能量,并在需要时重新输出到车轮上,使得总功率可以提高到大约750马力,和之前2.4升V8发动机已经不相上下。这意味着燃烧效率提高了40%,一度让环保人士诟病的一级方程式运动,从此有了一个更加“环保”的新面孔。

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● KERS动能回收系统

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  KERS动能回收系统在上一代F1发动机上就已经存在了,大概结构是一台电动/发电机,一个高能蓄电池组和一个控制模块。那么在动能回收系统中,最初始的“动能”都是从哪里来呢?每当赛车在制动时,那些让刹车盘变得滚烫、升温至动辄上千℃的能量就是源泉。如果没有KERS系统,它们么能会被无端浪费在刹车盘上。

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  KERS系统使用一个电动马达和发动机连接,还有发电机连接在传动轴或发动机飞轮上,在车辆减速的时候,将本会转化为热的能量变成电能,储存在电池组里,这些储存起来的电能可以通过电动机重新用于加速,在电动机和汽油机的联合运作下,车子的直线动力性能会有质的提高。要记住,帮助你加速的这些能量是从车辆前进动能中获得储存起来的,并没有使用其它的额外资源,也就是将本来可能会浪费掉的的能量有效利用起来,同时实现了环保和性能提升。

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  目前大部分F1的KERS系统都使用高压锂离子电池作为储能单元,在快速充放电时电池会大量发热,过热的锂电池功率会产生衰减,还可能会导致电池的损坏,于是散热成了KERS系统的技术难点之一。因此在宝马和丰田的赛车上都使用了超级电容来代替电池组。

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  还有一种思路是飞轮动能储能方式,这种方式广泛应用在勒芒赛车上。它使用一个超高速旋转的飞轮以纯动能的方式储存能量,在需要时以动能转换电能的方式释放。

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  这样的优点是没有了锂电池的化学储能过程,也不需要生产在制造过程中会产生污染的锂电池,不过就目前技术来看,飞轮储能和超级电容的能量存储量还不能和锂电池相比较。

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TERS热能回收系统及民用范例

● TERS热能回收系统

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  内燃机在工作中,超过40%的热能会因为排气而损失掉,传统涡轮增压装置实际上就是能量回收的方法之一,它使用排气的能量推动涡轮叶片,再作用在吸入发动机的空气上,实现了一部分能量的循环利用。而TERS热能回收系统的加入,能将发动机燃烧效率提高到一个全新的高度。

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  TERS系统的精髓就在与涡轮上连接的一个电动马达。和传统的涡轮相比简直就是天才设计。实际上,这种混动涡轮结构最早在二战时期就出现了,当时使用在某些战斗机和柴油卡车上。该技术最大的优势就是能量再次利用的可控性,从而可以使用在最需要的时候。

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  TERS系统可以通过涡轮的旋转为系统充电,回收的能量也能在需要的时候送回到涡轮上保持涡轮高速旋转。这样可以大大减少迟滞效应,提高动力单元的平顺性和燃油经济性。根据新赛季规则,F1载油量从之前的230升降低到140升,燃油流速也有了更严格的限制。带有ERS系统的涡轮发动机能够将赛场中的油耗降低到之前V8的一半,用更少的燃油保持和之前一样的行驶里程。

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  据说,梅赛德斯的F1发动机使用一种创新的涡轮设计:将涡轮的进气侧与排气侧分开放置在发动机前后两端,前面放进气侧,后面放排气侧,中间用长长的传动轴穿过两组气缸中间的空隙连接。这样的设计有利有弊。好处是进气侧有了更低的工作温度,进气效率更高,涡轮和中冷器也可以做得更小巧;弊端是这么长的传动轴必然变重,其惯性力矩和扭转效应也随之加剧。很可惜目前由于技术保密问题我们只能看到示意图,可能在几年之后发动机解密了,才能见到梅赛德斯发动机的真身。

● 混合ERS系统及其演变

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  近几年F1对内燃机技术的真正革新,在于使用了多重混合动力系统,集合了的TERS系统和使用新一代控制器的KERS系统。由TERS回收的电能可以用于给电池组充电,也可以直接转移到KERS上,实时变成驱动后轮的能量。根据赛事规则,用于直接驱动车轮的电能,每圈比赛可以使用最多33秒。届时,KERS系统可以将发动机功率能提高至少160马力。同时电能还可以用于驱动涡轮增压器上的电动机,保持涡轮增压器的转速,解决频繁变速时的涡轮迟滞问题,让涡轮增压发动机也拥有自然吸气发动机一样的高速响应。

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  还有另外一种ERS系统是类似于勒芒赛车的电混四驱系统。除了现有的KERS动能回收系统外,还会有另外一组电动马达驱动另外两组车轮。在大部分勒芒赛车上,通用的结构是中置发动机通过变速箱驱动后轮,并通过与发动机连接的电动马达进行功率辅助和能量回收,同时还有另外一组电动机直接驱动前轮,除了辅助动能回收、减少浪费在制动系统上的能量以外,前轮上的电动机还能起到相当比例的驱动作用,实现电混四驱,大大提升了车辆的弯道性能,赛车从中置后驱摇身一变成了中置四驱。

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  一些勒芒赛车并不实用高压锂电池组作为储能设备,而是实用超级电容或储能飞轮结构,在轻量化和可靠性上应该说是更胜一筹。

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  这种储能飞轮结构已经逐渐在应用于量产车市场,不过我感觉没人能接受自己车里有一个动辄十万转/分运转的一个高速物体,虽然未必真会损坏什么,但总让人感觉不太好……以上是纯个人感觉哈。说到量产车,我们就聊聊ERS系统在量产车上的应用吧。

● ERS系统的民用价值

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  如果说环保车型的首选,普锐斯可能是比较典型的例子。混合动力在民用车上的应用,在大多数人的认知中就是用慢吞吞的动力换来更好的经济性。现在有了来自赛场的ERS系统的民用化方案,高性能车型也能在环保和性能提升上双方面受益。

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  这样的产品实际上已经有了,例如最新的迈凯伦P1、保时捷918,还有即将和大家见面的新一代讴歌NSX等都使用了ERS系统中类似KERS动能回收系统的结构。使用和赛车类似的电动马达、电池组和控制单元组成的结构,使得在内燃机动力的基础上再获得新的提高。

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  街道车辆没有F1赛场的复杂规则限制,他们可以更自由的设计KERS系统。比如918 Spyder使用了两台独立电动机。一台154马力的马达位于后轮附近,与发动机联动;另一台125马力的电动机直接驱动前轮,并可以用离合器控制断开。这样,918 Spyder就成了一辆混合四轮驱动的跑车。

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  对于保时捷918或迈凯伦P1来说,你甚至可以用全电动模式来驾驶。在踩下制动踏板时,电动马达可以将车辆前进动能重新储存到储能单元——大多是锂电池组中。不过这些超级跑车不是用来玩纯电模式的,它们源自于赛车科技的ERS系统总是在处心积虑如何在环保的前提下让车跑得更快。在这一点上,法拉利的LaFerrari(这名字无语了)做得更纯粹一些,它没有纯电动模式,像是纯赛车一样它的KERS系统只有两个模式:储能和释放动能,能将额外的161马力释放到加速当中,而且还弥补了V12发动机在低转速区间的扭矩,使得发动机调校人员可以专注推进9000rpm附近的高转速工况。

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  在保时捷918和宝马i8上,工程师们使用了更接近勒芒赛车的结构:电混四驱系统。它们都是用一台中置发动机驱动后轮,然后再有独立的电动马达驱动前轮实现四轮驱动,而驱动能量的来源除了插座充电以外,都来自制动时的能量回收。以宝马i8为例,如果没有电混结构,谁也不会把一台区区213马力的1.5T发动机和跑车联系在一起,但是在额外130马力混动系统的帮衬下,i8只用4.67秒就能完成0-100km/h加速,而实测综合油耗仅有5.7L/100km。

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  也许你会想到,电池组一般都会很重,那么一套ERS系统在性能车上是否会增加很多累赘呢?虽然这个问题还没得到完美解决方案,但我可以给你一些希望:一套输出80马力的F1 KERS系统的总共重量只有34kg。

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  如果只是专注于高端的话,ERS系统的应用还是稍微有些曲高和寡。那么有没有应用在稍微平易近人一些的性能车上的例子呢?我可以告诉你很快就有了。早在2012年,普锐斯的发明者丰田汽车就研发出了用于GT86的混动平台,在涡轮发动机和民用化KERS系统的辅助下实现超过300马力的最大功率输出,据称碳排放仅有200g/km左右。

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  有朋友可能会提醒我忽略了什么,必须提及的就是有一些中国品牌已经推出了同时标榜性能的燃油经济性的混合动力车型,而其结构和赛车用的KERS动能回收系统如出一辙。如果提到“百公里加速4.9秒、油耗仅2升/百公里”的标称性能,估计大家已经能猜出我说的是哪个品牌了,不提到名字也是为了避免引起太多人围观。虽然它还没有做到完美,但作为一个努力奋进的中国品牌,我们还是要为它叫一声好,说不定哪天扛起国内混动性能车大旗的一员中就会有它。

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  驱动涡轮TERS热能回收目前还没有应用于量产车,应该是暂时的成本制约吧,毕竟十几万转/分的涡轮增压器是目前主流电动机的转速噩梦。虽然没有具体的赛用TERS系统的造价信息,但相信在目前的技术背景下还是个天文数字。随着时间推移,技术不断进步,当TERS系统能够装备到量产车上的时候,相信会是涡轮增压系统的二次革命。然后,完备的ERS整合方案将大大延长传统内燃机作为主流动力单元的时间,让仅存的石油能源更有效的利用。在特斯拉那种纯电动车普及之前,我们可以有更长的时间享受内燃机的美妙歌唱。

● 写在最后

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  有人说大可不必讨论内燃机的话题了,反正它也要被电动车取代,可是你让酷爱汽车运动的车迷朋友们怎么活?发动机迷人的声浪永远是汽车魅力不可或缺的部分,我们对经典V8的低声咆哮津津乐道,为V10的狂野嘶鸣而兴奋不已,转子发动机鬼魅般的嗓音未必是所有人的菜,但哪怕是一台调校良好的直列四缸发动机都能带给人些许的听觉享受。如果电动时代来临,这一切即将远去,如果电动时代来临,这些弥漫在赛场上、旅途中甚至街角处的乐趣将只能留在以后的老电影里成为谈资……如果你跟我一样想让内燃机的歌声唱得更久一些,不妨持续关注汽车厂商在环保方面孜孜不倦的研发,是他们的付出才让内燃机在运动车领域有了更长远的前景,而这一切都来自于赛场,是看似毫无意义的赛车运动造就了前沿技术的第一个测试平台……好了,要不这次就讨论到这里,如果你对源自于赛场的ERS系统民用方案有什么独到的见解,欢迎在留言区中和我一起讨论,尤其是性能迷们,留下你的墨宝再走。(文/汽车之家 许云鹤)

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