[汽車之家 改裝賽事大講堂]  各位，你覺得賽車到底有什么意義？或許在環(huán)保主義者口中你已經(jīng)聽說過關于“叫停賽車運動”的倡議，大概意思是說賽車只是無意義地在賽場里轉圈圈，毫無意義地浪費燃油，殊不知賽車運動除了廠商宣傳的平臺以外，更是汽車新技術研發(fā)中不可或缺的驗證平臺。許多現(xiàn)在普遍使用的技術都是最早在賽場上得到驗證和完善，待到成熟之后才應用到量產(chǎn)車領域的。渦輪增壓如此，電控燃油噴射如此，就連看似普通的發(fā)動機艙蓋都是誕生于賽車場上。這次我們來討論下賽車對于量產(chǎn)車的另一個技術貢獻，兼顧性能和環(huán)保的ERS（能量回收系統(tǒng)）。

　　幾年前，汽車廠商掀起了“渦輪復興”運動，使用很小的排量實現(xiàn)高效的大功率輸出。這個趨勢在近幾年增長迅速，從高端品牌到低端廠商都在宣傳他們新的渦輪增壓技術，宣傳重點自然是更環(huán)保、更高效、更富有動力性。WTCC世界房車錦標賽、WEC勒芒系列耐力賽等高端賽事紛紛向小排量發(fā)動機轉型；民用市場方面寶馬M、奔馳AMG、法拉利等頂級運動車廠商已經(jīng)紛紛推出搭載渦輪發(fā)動機的高性能產(chǎn)品。

　　現(xiàn)在就連F1一級方程式賽車這種頂級汽車賽事也已經(jīng)開始使用1.6L V6渦輪增壓發(fā)動機。誰都知道大排量自然吸氣發(fā)動機的聲浪更好聽，功率也并不遜色，讓它們不得不皈依渦輪的主要原因就是向環(huán)保妥協(xié)。同時為了實現(xiàn)不增加排放前提下的性能提升，賽車搭載了新一代的ERS能量回收系統(tǒng)。

　　今年F1使用的1.6升V6渦輪增壓發(fā)動機，輸出功率大約在550-600匹馬力的水平，可謂是小排量、大力道。新結構的ERS能量回收系統(tǒng)，分為KERS（動能回收）和TERS（熱能回收）憑借電動馬達回收剎車和排氣的能量，并在需要時重新輸出到車輪上，使得總功率可以提高到大約750馬力，和之前2.4升V8發(fā)動機已經(jīng)不相上下。這意味著燃燒效率提高了40%，一度讓環(huán)保人士詬病的一級方程式運動，從此有了一個更加“環(huán)�！钡男旅婵�。

● KERS動能回收系統(tǒng)

　　KERS動能回收系統(tǒng)在上一代F1發(fā)動機上就已經(jīng)存在了，大概結構是一臺電動/發(fā)電機，一個高能蓄電池組和一個控制模塊。那么在動能回收系統(tǒng)中，最初始的“動能”都是從哪里來呢？每當賽車在制動時，那些讓剎車盤變得滾燙、升溫至動輒上千℃的能量就是源泉。如果沒有KERS系統(tǒng)，它們么能會被無端浪費在剎車盤上。

　　KERS系統(tǒng)使用一個電動馬達和發(fā)動機連接，還有發(fā)電機連接在傳動軸或發(fā)動機飛輪上，在車輛減速的時候，將本會轉化為熱的能量變成電能，儲存在電池組里，這些儲存起來的電能可以通過電動機重新用于加速，在電動機和汽油機的聯(lián)合運作下，車子的直線動力性能會有質(zhì)的提高。要記住，幫助你加速的這些能量是從車輛前進動能中獲得儲存起來的，并沒有使用其它的額外資源，也就是將本來可能會浪費掉的的能量有效利用起來，同時實現(xiàn)了環(huán)保和性能提升。

　　目前大部分F1的KERS系統(tǒng)都使用高壓鋰離子電池作為儲能單元，在快速充放電時電池會大量發(fā)熱，過熱的鋰電池功率會產(chǎn)生衰減，還可能會導致電池的損壞，于是散熱成了KERS系統(tǒng)的技術難點之一。因此在寶馬和豐田的賽車上都使用了超級電容來代替電池組。

　　還有一種思路是飛輪動能儲能方式，這種方式廣泛應用在勒芒賽車上。它使用一個超高速旋轉的飛輪以純動能的方式儲存能量，在需要時以動能轉換電能的方式釋放。

　　這樣的優(yōu)點是沒有了鋰電池的化學儲能過程，也不需要生產(chǎn)在制造過程中會產(chǎn)生污染的鋰電池，不過就目前技術來看，飛輪儲能和超級電容的能量存儲量還不能和鋰電池相比較。

● TERS熱能回收系統(tǒng)

　　內(nèi)燃機在工作中，超過40%的熱能會因為排氣而損失掉，傳統(tǒng)渦輪增壓裝置實際上就是能量回收的方法之一，它使用排氣的能量推動渦輪葉片，再作用在吸入發(fā)動機的空氣上，實現(xiàn)了一部分能量的循環(huán)利用。而TERS熱能回收系統(tǒng)的加入，能將發(fā)動機燃燒效率提高到一個全新的高度。

　　TERS系統(tǒng)的精髓就在與渦輪上連接的一個電動馬達。和傳統(tǒng)的渦輪相比簡直就是天才設計。實際上，這種混動渦輪結構最早在二戰(zhàn)時期就出現(xiàn)了，當時使用在某些戰(zhàn)斗機和柴油卡車上。該技術最大的優(yōu)勢就是能量再次利用的可控性，從而可以使用在最需要的時候。

　　TERS系統(tǒng)可以通過渦輪的旋轉為系統(tǒng)充電，回收的能量也能在需要的時候送回到渦輪上保持渦輪高速旋轉。這樣可以大大減少遲滯效應，提高動力單元的平順性和燃油經(jīng)濟性。根據(jù)新賽季規(guī)則，F(xiàn)1載油量從之前的230升降低到140升，燃油流速也有了更嚴格的限制。帶有ERS系統(tǒng)的渦輪發(fā)動機能夠?qū)①悎鲋械挠秃慕档偷街�前V8的一半，用更少的燃油保持和之前一樣的行駛里程。

　　據(jù)說，梅賽德斯的F1發(fā)動機使用一種創(chuàng)新的渦輪設計：將渦輪的進氣側與排氣側分開放置在發(fā)動機前后兩端，前面放進氣側，后面放排氣側，中間用長長的傳動軸穿過兩組氣缸中間的空隙連接。這樣的設計有利有弊。好處是進氣側有了更低的工作溫度，進氣效率更高，渦輪和中冷器也可以做得更小巧；弊端是這么長的傳動軸必然變重，其慣性力矩和扭轉效應也隨之加劇。很可惜目前由于技術保密問題我們只能看到示意圖，可能在幾年之后發(fā)動機解密了，才能見到梅賽德斯發(fā)動機的真身。

● 混合ERS系統(tǒng)及其演變

　　近幾年F1對內(nèi)燃機技術的真正革新，在于使用了多重混合動力系統(tǒng)，集合了的TERS系統(tǒng)和使用新一代控制器的KERS系統(tǒng)。由TERS回收的電能可以用于給電池組充電，也可以直接轉移到KERS上，實時變成驅(qū)動后輪的能量。根據(jù)賽事規(guī)則，用于直接驅(qū)動車輪的電能，每圈比賽可以使用最多33秒。屆時，KERS系統(tǒng)可以將發(fā)動機功率能提高至少160馬力。同時電能還可以用于驅(qū)動渦輪增壓器上的電動機，保持渦輪增壓器的轉速，解決頻繁變速時的渦輪遲滯問題，讓渦輪增壓發(fā)動機也擁有自然吸氣發(fā)動機一樣的高速響應。

　　還有另外一種ERS系統(tǒng)是類似于勒芒賽車的電混四驅(qū)系統(tǒng)。除了現(xiàn)有的KERS動能回收系統(tǒng)外，還會有另外一組電動馬達驅(qū)動另外兩組車輪。在大部分勒芒賽車上，通用的結構是中置發(fā)動機通過變速箱驅(qū)動后輪，并通過與發(fā)動機連接的電動馬達進行功率輔助和能量回收，同時還有另外一組電動機直接驅(qū)動前輪，除了輔助動能回收、減少浪費在制動系統(tǒng)上的能量以外，前輪上的電動機還能起到相當比例的驅(qū)動作用，實現(xiàn)電混四驅(qū)，大大提升了車輛的彎道性能，賽車從中置后驅(qū)搖身一變成了中置四驅(qū)。

　　一些勒芒賽車并不實用高壓鋰電池組作為儲能設備，而是實用超級電容或儲能飛輪結構，在輕量化和可靠性上應該說是更勝一籌。

　　這種儲能飛輪結構已經(jīng)逐漸在應用于量產(chǎn)車市場，不過我感覺沒人能接受自己車里有一個動輒十萬轉/分運轉的一個高速物體，雖然未必真會損壞什么，但總讓人感覺不太好……以上是純個人感覺哈。說到量產(chǎn)車，我們就聊聊ERS系統(tǒng)在量產(chǎn)車上的應用吧。

● ERS系統(tǒng)的民用價值

　　如果說環(huán)保車型的首選，普銳斯可能是比較典型的例子。混合動力在民用車上的應用，在大多數(shù)人的認知中就是用慢吞吞的動力換來更好的經(jīng)濟性。現(xiàn)在有了來自賽場的ERS系統(tǒng)的民用化方案，高性能車型也能在環(huán)保和性能提升上雙方面受益。

　　這樣的產(chǎn)品實際上已經(jīng)有了，例如最新的邁凱倫P1、保時捷918，還有即將和大家見面的新一代謳歌NSX等都使用了ERS系統(tǒng)中類似KERS動能回收系統(tǒng)的結構。使用和賽車類似的電動馬達、電池組和控制單元組成的結構，使得在內(nèi)燃機動力的基礎上再獲得新的提高。

　　街道車輛沒有F1賽場的復雜規(guī)則限制，他們可以更自由的設計KERS系統(tǒng)。比如918 Spyder使用了兩臺獨立電動機。一臺154馬力的馬達位于后輪附近，與發(fā)動機聯(lián)動；另一臺125馬力的電動機直接驅(qū)動前輪，并可以用離合器控制斷開。這樣，918 Spyder就成了一輛混合四輪驅(qū)動的跑車。

　　對于保時捷918或邁凱倫P1來說，你甚至可以用全電動模式來駕駛。在踩下制動踏板時，電動馬達可以將車輛前進動能重新儲存到儲能單元——大多是鋰電池組中。不過這些超級跑車不是用來玩純電模式的，它們源自于賽車科技的ERS系統(tǒng)總是在處心積慮如何在環(huán)保的前提下讓車跑得更快。在這一點上，法拉利的LaFerrari（這名字無語了）做得更純粹一些，它沒有純電動模式，像是純賽車一樣它的KERS系統(tǒng)只有兩個模式：儲能和釋放動能，能將額外的161馬力釋放到加速當中，而且還彌補了V12發(fā)動機在低轉速區(qū)間的扭矩，使得發(fā)動機調(diào)校人員可以專注推進9000rpm附近的高轉速工況。

　　在保時捷918和寶馬i8上，工程師們使用了更接近勒芒賽車的結構：電混四驅(qū)系統(tǒng)。它們都是用一臺中置發(fā)動機驅(qū)動后輪，然后再有獨立的電動馬達驅(qū)動前輪實現(xiàn)四輪驅(qū)動，而驅(qū)動能量的來源除了插座充電以外，都來自制動時的能量回收。以寶馬i8為例，如果沒有電混結構，誰也不會把一臺區(qū)區(qū)213馬力的1.5T發(fā)動機和跑車聯(lián)系在一起，但是在額外130馬力混動系統(tǒng)的幫襯下，i8只用4.67秒就能完成0-100km/h加速，而實測綜合油耗僅有5.7L/100km。

　　也許你會想到，電池組一般都會很重，那么一套ERS系統(tǒng)在性能車上是否會增加很多累贅呢？雖然這個問題還沒得到完美解決方案，但我可以給你一些希望：一套輸出80馬力的F1 KERS系統(tǒng)的總共重量只有34kg。

　　如果只是專注于高端的話，ERS系統(tǒng)的應用還是稍微有些曲高和寡。那么有沒有應用在稍微平易近人一些的性能車上的例子呢？我可以告訴你很快就有了。早在2012年，普銳斯的發(fā)明者豐田汽車就研發(fā)出了用于GT86的混動平臺，在渦輪發(fā)動機和民用化KERS系統(tǒng)的輔助下實現(xiàn)超過300馬力的最大功率輸出，據(jù)稱碳排放僅有200g/km左右。

　　有朋友可能會提醒我忽略了什么，必須提及的就是有一些中國品牌已經(jīng)推出了同時標榜性能的燃油經(jīng)濟性的混合動力車型，而其結構和賽車用的KERS動能回收系統(tǒng)如出一轍。如果提到“百公里加速4.9秒、油耗僅2升/百公里”的標稱性能，估計大家已經(jīng)能猜出我說的是哪個品牌了，不提到名字也是為了避免引起太多人圍觀。雖然它還沒有做到完美，但作為一個努力奮進的中國品牌，我們還是要為它叫一聲好，說不定哪天扛起國內(nèi)混動性能車大旗的一員中就會有它。

　　驅(qū)動渦輪TERS熱能回收目前還沒有應用于量產(chǎn)車，應該是暫時的成本制約吧，畢竟十幾萬轉/分的渦輪增壓器是目前主流電動機的轉速噩夢。雖然沒有具體的賽用TERS系統(tǒng)的造價信息，但相信在目前的技術背景下還是個天文數(shù)字。隨著時間推移，技術不斷進步，當TERS系統(tǒng)能夠裝備到量產(chǎn)車上的時候，相信會是渦輪增壓系統(tǒng)的二次革命。然后，完備的ERS整合方案將大大延長傳統(tǒng)內(nèi)燃機作為主流動力單元的時間，讓僅存的石油能源更有效的利用。在特斯拉那種純電動車普及之前，我們可以有更長的時間享受內(nèi)燃機的美妙歌唱。

● 寫在最后

　　有人說大可不必討論內(nèi)燃機的話題了，反正它也要被電動車取代，可是你讓酷愛汽車運動的車迷朋友們怎么活？發(fā)動機迷人的聲浪永遠是汽車魅力不可或缺的部分，我們對經(jīng)典V8的低聲咆哮津津樂道，為V10的狂野嘶鳴而興奮不已，轉子發(fā)動機鬼魅般的嗓音未必是所有人的菜，但哪怕是一臺調(diào)校良好的直列四缸發(fā)動機都能帶給人些許的聽覺享受。如果電動時代來臨，這一切即將遠去，如果電動時代來臨，這些彌漫在賽場上、旅途中甚至街角處的樂趣將只能留在以后的老電影里成為談資……如果你跟我一樣想讓內(nèi)燃機的歌聲唱得更久一些，不妨持續(xù)關注汽車廠商在環(huán)保方面孜孜不倦的研發(fā)，是他們的付出才讓內(nèi)燃機在運動車領域有了更長遠的前景，而這一切都來自于賽場，是看似毫無意義的賽車運動造就了前沿技術的第一個測試平臺……好了，要不這次就討論到這里，如果你對源自于賽場的ERS系統(tǒng)民用方案有什么獨到的見解，歡迎在留言區(qū)中和我一起討論，尤其是性能迷們，留下你的墨寶再走。（文/汽車之家 許云鶴）

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