挑戰(zhàn)油電混動(dòng) 機(jī)械飛輪式KERS動(dòng)能回收系統(tǒng)解析

　　作為汽車最前沿技術(shù)的演練場(chǎng)——F1方程式賽車一直備受關(guān)注，廣大車主、車迷們當(dāng)中也不乏F1的忠實(shí)粉絲，隨著F1方程式賽車在中國的家喻戶曉，電視解說中一些對(duì)于賽車新技術(shù)的新名詞也成了大家熱議的話題。雖說F1方程式賽車是一項(xiàng)不計(jì)成本的追求速度的競(jìng)賽項(xiàng)目，但是在重重壓力下，近些年來也有著不少“環(huán)保舉措”，最明顯的就是發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)越來越少、排量越來越小，同時(shí)還要保持動(dòng)力性能不受影響。

　　在既要環(huán)保又要?jiǎng)恿Φ碾p重壓力下，“KERS”技術(shù)作為F1最先應(yīng)用的“混合動(dòng)力”技術(shù)，也在電視轉(zhuǎn)播中幾乎成了提及率最高的詞匯之一。但是千萬不要認(rèn)為，KERS技術(shù)距離現(xiàn)實(shí)就非常遙遠(yuǎn)，這不，近日沃爾沃成功的將F1上的KERS技術(shù)應(yīng)用在了量產(chǎn)車型上，值得一提的是，技術(shù)合作方正是同時(shí)為F1車隊(duì)提供技術(shù)支持的公司。

　　通過與Torotrak與Flybrid System公司通力合作，沃爾沃聲稱，已經(jīng)能利用此技術(shù)，實(shí)現(xiàn)油耗降低20%，同時(shí)普通4缸發(fā)動(dòng)機(jī)更能獲得媲美6缸發(fā)動(dòng)機(jī)的加速感。說到這里，可能有人會(huì)問，這不就是動(dòng)能回收+混合動(dòng)力嗎？其實(shí)這KERS系統(tǒng)可以界定為混合動(dòng)力技術(shù)，但是沃爾沃與F1所使用的這套KERS系統(tǒng)卻是基于機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，并不同于以往的通過制動(dòng)卡鉗處回收制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能?！皺C(jī)械”二字，意味著什么呢？相比較復(fù)雜的電子能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)來說，“機(jī)械”就意味著更可靠、更廉價(jià)、更易普及，當(dāng)然也意味著結(jié)構(gòu)偏臃腫……在瑞典能源局的657萬克朗的巨額贊助扶持下，這個(gè)新一代動(dòng)能回收技術(shù)前景一派光明。那么這種機(jī)械式KERS動(dòng)能回收系統(tǒng)，究竟怎樣運(yùn)作的呢？

60000rpm

　　這套KERS系統(tǒng)放置在后軸上，慣性飛輪是其最明顯的特征。在減速過程中，制動(dòng)力能夠令飛輪高速旋轉(zhuǎn)，甚至達(dá)到60000rpm的超高速！60000rpm轉(zhuǎn)速是一個(gè)什么概念？簡(jiǎn)單理解，某些發(fā)動(dòng)機(jī)的極限轉(zhuǎn)速也就是6000rpm上下，再乘以10倍呢？因此制動(dòng)回收的能量迅速轉(zhuǎn)化成飛輪的慣性動(dòng)能，當(dāng)車子開始繼續(xù)加速前進(jìn)時(shí)，飛輪的慣性又能通過特殊設(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳回車輪，這樣就形成了動(dòng)能回收和釋放的完整循環(huán)。

　　現(xiàn)如今先進(jìn)的ECU技術(shù)可以輕易令發(fā)動(dòng)機(jī)可以在制動(dòng)時(shí)熄火，在需要時(shí)重新點(diǎn)火介入，而飛輪儲(chǔ)存的慣性動(dòng)能也能夠在需要時(shí)同發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力聯(lián)合釋放，或者保留到巡航速度下再持續(xù)的釋放。按照歐洲最新的汽車監(jiān)測(cè)工況設(shè)計(jì)，有了KERS系統(tǒng)之后，相同的工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間能夠減少近一半的時(shí)間，這也就意味著發(fā)動(dòng)機(jī)能夠大幅減少油耗。大家有沒有注意到，飛輪KERS系統(tǒng)并不需要以往混合動(dòng)力車型往往依賴的碩大笨重的電池組？

　　正因?yàn)閼T性飛輪只能在制動(dòng)的片刻回收能量，那么飛輪收集能量的過程將是非常有限的，飛輪KERS技術(shù)的挑戰(zhàn)就在于如何有效地管理好日常行駛中不斷重復(fù)的走走停停，充分利用好這些高間歇性但持久發(fā)生的制動(dòng)。換句話說，制動(dòng)越多，就越省油，這與普通油電混合動(dòng)力車的外部特性相仿。

　　高轉(zhuǎn)速飛輪儲(chǔ)存的能量如果集中釋放，大概能夠?yàn)閯?dòng)力系統(tǒng)提供額外的80馬力瞬時(shí)功率，這幾乎已經(jīng)相當(dāng)于增加了一臺(tái)1.2L左右的普通汽油機(jī)了。因此有了飛輪KERS系統(tǒng)的車在加速性能上往往都非常突出，這也是F1方程式賽車對(duì)KERS系統(tǒng)鐘愛有加的原因之一。

碳纖維是輕量與緊湊的解決之道

　　既然提到是慣性飛輪，我們小時(shí)候可能都見過那種慣性小車，在地上反復(fù)蹭幾下車輪，輪子就能高速旋轉(zhuǎn)，這時(shí)將小車放在地上，小車就會(huì)嗖的一聲跑出去好遠(yuǎn)。筆者更是曾經(jīng)為了探究小車加速的原理，拆掉了許多心愛的玩具。這類玩具往往是借助巨大的金屬飛輪，非常厚重，幾乎占據(jù)了玩具自重的90%以上，才能儲(chǔ)存足夠多的動(dòng)能。

　　飛輪KERS系統(tǒng)的原理大同小異，只是實(shí)現(xiàn)起來不可能用那樣不切實(shí)際的做法，畢竟在乘用車上，保證足夠的輕量化與小型化，才可能讓這種技術(shù)得到普及應(yīng)用。借助先進(jìn)的材料科技，相同的原理完全可以通過碳纖維材料的應(yīng)用去實(shí)現(xiàn)。沃爾沃的飛輪KERS系統(tǒng)使用的碳纖維飛輪重量只有6kg，直徑20cm。如此緊湊的體積和輕巧的身段，也足以說明為什么需要60000rpm的超高轉(zhuǎn)速才能積蓄足夠多能量。同時(shí)為了降低飛輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的空氣摩擦阻力，飛輪又被套在一個(gè)真空容器中，真是煞費(fèi)苦心。

局部CVT傳動(dòng)的應(yīng)用

　　說完了動(dòng)力的儲(chǔ)存原理，動(dòng)力的儲(chǔ)存和釋放又是怎樣演繹的呢？通過前面的介紹我們已經(jīng)知道，飛輪的超高轉(zhuǎn)速顯然與車輪轉(zhuǎn)速不是一個(gè)量級(jí)的，無論是誰驅(qū)動(dòng)誰，都需要一個(gè)超大速比的變速機(jī)構(gòu)才行。在現(xiàn)有的汽車結(jié)構(gòu)上找變速機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)直是太容易了，因此工程師設(shè)計(jì)了一套環(huán)型牽引機(jī)構(gòu)與行星齒輪組結(jié)構(gòu)搞定了超大速比的問題，這其實(shí)是一套CVT無極變速傳動(dòng)系統(tǒng)，但是卻不同于我們傳統(tǒng)意義上所理解的鋼帶式CVT變速器?？傊?，結(jié)果就是這套CVT傳動(dòng)系統(tǒng)讓低速的車輪可以驅(qū)動(dòng)超高速飛輪儲(chǔ)存慣性能量，也能夠在需要的時(shí)候，從慣性飛輪中輸出能量到驅(qū)動(dòng)輪上。

　　整個(gè)過程由一套啟動(dòng)離合器與齒輪組負(fù)責(zé)動(dòng)能回收過程與釋放過程的適時(shí)切換。這樣以來，一套幾乎完全由傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成的飛輪KERS動(dòng)能回收系統(tǒng)，僅用齒輪組、碳纖維飛輪、少量電控設(shè)備就實(shí)現(xiàn)了原本油電混合動(dòng)力系統(tǒng)中所需的電池組、電動(dòng)機(jī)、齒輪組、復(fù)雜電控設(shè)備這樣龐雜機(jī)構(gòu)的相同功能，并且可靠性、耐久性以及易維護(hù)性都更上一層樓。

　　這類機(jī)械式KERS系統(tǒng)普及仍需時(shí)日，但是我們有足夠的理由相信，未來的“混合動(dòng)力”，將不再會(huì)是油電混合獨(dú)霸的天下。