汉密尔顿夺冠,红牛没超法拉利,原因都不在发动机……

 

昨天,第 1000 站的 F1 比赛刚落下帷幕,英国三旬老汉第六次在上海封王,而梅奔的优势从一起跑就建立起来了,即便是再小白的观众也能看出来梅奔的动力技术要远远领先于其他车队。

可惜小编下手晚了,没抢到票,只能在家看电视了 ……

虽然感受不到现场的氛围,不过看转播的好处就是亮点时刻一个不落。上赛大直道末端的回头弯一直是制造看点的地方,比赛第二十圈维特尔和维斯塔潘在这儿的比拼也是整场比赛的亮点之一:维斯塔潘虽然在入弯的时候进到了内线,但刹车的时候抱死损失了部分优势,所以两个人的比拼就放在了出弯。

这时候就是真正比拼两家各自动力单元水平的时候了。之所以叫动力单元而不是发动机,是因为现在 F1 的动力输出早已不是发动机一个人的活儿,还有个重要角色 " 动能回收系统 " 也会参与动力输出。

不过开始介绍动能回收系统之前我们还得先回到发动机上,因为这里需要先捋一下能量的流动。

我们的内燃机其实可以看作是一个能量转换装置,将化石燃料的内能转化为机械能,再由传动系统传递到车轮变成车辆行驶的动能。加速和匀速好说,让发动机按情况干活儿就行;但车辆并不可能一直处在同一个状态,总有需要减速的时候,这时候就要想办法减少车辆的动能。

传统燃油车制动时依靠刹车片和刹车盘摩擦,将车辆的动能耗掉从而实现减速。其实在这里用消耗来表述并不完全准确;能量不会凭空产生也不会凭空消失,它只会从一个物体转移到另一个物体,从一种形式转化为另一种形式(能量守恒定律哈),这个大家应该都背过。

(图片来自 motorsport.com)

所以制动时很大一部分能量是被制动系统转换成了热能,产生大量的热。比较极端的直观表现就是赛车在剧烈制动时刹车盘能变得通红,也因此越是性能取向的车越在刹车散热设计上越下功夫,热量实在太多了。

但是这些可都是内燃机好不容易转换而来的能量,直接散发掉了未免太过浪费。特别是对于在赛场上需要频繁剧烈制动的赛车而言,整场比赛下来意味着有相当可观的能量都在制动过程中流失掉了。

赛车作为车辆技术的前沿阵地,自然不会放过对这部分能量利用的研究,而 F1 又作为赛车运动的排头兵,2009 赛季开始国际汽联就已经在规则上允许装备动能回收系统(kinetic energy recovery system),简称 KERS。

动能回收系统的基本原理其实很好理解,它有个工作单元直接和动力总成机械连接。赛车需要减速的时候动力总成带动工作单元转动,这时候工作单元的角色是发电机,将车辆的动能转化为电能再储存起来,同时也帮助赛车实现减速。

在加速超车等一些需要更多动力输出的情况下,由控制系统释放指令将储存的电能释放出来,这时候工作单元角色就变成了电动机,从而输出动力。所以单独叫这个工作单元发电机或者电动机都不够合适,后来 F1 发动机技术规则调整成 1.6T 的 V6 后,国际汽联也把它改名为更直观易懂的 MGU(Motor Generator Unit)。除了改名,V6T 时代还加入了新的能量回收单元:MGU-H(heat:热能);为了区分,传统的动能回收单元则被称作 MGU-K(kinetic:动能)。

(图片来自 Renault Sport Formula One Team)

上图是雷诺的 F1 动力单元,它的技术合作伙伴是大家非常熟悉的英菲尼迪,所以你也能在英菲尼迪混动车型上看到类似的技术应用。

(点击图片可查看车辆详细信息)

(图片来自 Infiniti Mexico)

只不过民用车上的这套系统只有动能回收,热能回收技术暂时还停留在赛场内。

至于 MGU-H,我们经常提到发动机的热效率达到 50% 如何如何,其实意味着化石燃料燃烧产生的能量并没有被完全利用。除去被转化成机械能的部分,剩下的相当一部分都随废气排放出去了,如此可观的能量自然也是新技术的关注重点。

MGU-H 和涡轮同轴连接,能量回收状态时,它就是一个由涡轮驱动的发电机,只是最大转速被限制在了 125,000rpm。不过既然叫 MGU,那么意味着它也是可以进行角色转换的。传统涡轮达到工作转速往往需要一定的时间,但当你有一个能达到 125,000rpm 的 MGU,它角色切换成电动机的时候完全可以用来给涡轮提速,减少涡轮增压发动机先天不足的涡轮迟滞现象。

(图片来自 FIA)

除了驱动涡轮,MGU-H 回收的能量也是可以供给 MGU-K 从而驱动车轮的。实际上,整个 F1 动力单元内部的能量流动是更为复杂的,各家车队在这上面的研究也没少下功夫,都希望能从中获取到一些技术优势。附一张官方技术规则资料里的能量流截图供感兴趣的朋友研究。

赛场上的技术很多都会运用到民用车上,应用动能回收最多的其实就是混动、纯电动汽车。而有些混动车的动力系统架构,和高性能车也没啥区别了。自营车曾经上架过一台混动的思铂睿(感兴趣的读者可以点击上图查看详细信息),它的动力系统架构就和科尼塞克 Regera 相一致。只是两者取向稍有不同,前者因为对续航里程的需求,它被设计有更强大的回收系统。而对于跑车来说,回收系统是这更多像是对制动力的补充。

纯电动车的能量回收系统更加强大,收油门时的拖拽感更强。有无能量回收,对里程影响特别大。在混动车上,这种拖拽感就比较小,但是依然能够有明显的能量回收效果,对延长里程降低油耗,也有很好的帮助。

除了动能的回收利用,现在的量产车上很多新技术的运用也都是围绕能量展开:电子空调压缩机、电子助力转向等等,都是为了减少外部附件从发动机上耗费能量,当这些举措叠加在一起的时候,油耗也就能显著地被降下来。

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