Начало эры гибридов F1 — KERS (Kinetic energy recovery system)

Гибридные технологии пришли в формулу один в 2009 году с появлением системы KERS (Kinetic energy recovery system) система кинетической рекуперации энергии. Основной принцип работы данной системы заключается в накоплении энергии торможения, с последующим ее использованием, с целью добавить мощности двигателю болида F1. По правилам максимальная добавка мощности не должна была превышать 60 кВт (около 80 лс) в течении 6.75 секунд, причем пилот имел выбор использовать все отведенное время сразу, либо использовать циклично по необходимости. KERS активировалась нажатием кнопки BOOST находящейся на руле болида. Конструкция систем рекуперации энергии в те годы строго не рекламентировалась, в связи с этим появилось несколько схем воплощения ее в жизнь.

Некоторые команды использовали электрические мотор генераторы в комплексе с литий-ионным аккумулятором, другие предпочли механический накопитель энергии с помощью быстровращающегося маховика с миниатюрным сцеплением, третьи использовали смешанные системы механических и электронакопительных систем, четвертые вместо литий ионных аккумуляторов попытались перейти на применение суперконденсаторов итд. В общем схем было довольно много, но разберем основные из них.

Описание KERS систем, устанавливаемых на болиды Formula 1

Полностью электрическая система KERS
Мотор генератор, установленный на переднем валу двигателя, при торможении болида ф1 переключается в режим генератора и накапливает электроэнергию в литий ионной аккумуляторной батарее. При необходимости прибавки мощности, пилот нажимает кнопку BOOST на руле и электроэнергия подается на мотор генератор, переключаемый в режим электро-двигателя мощностью 80 лс, которая прибавляется соответственно к основному (ДВС) Батареи сильно грелись и требовали дополнительного охлаждения. В связи с этим вместо аккумуляторной батареи, некоторые команды применяли супер-конденсаторы лишенные этого недостатка.

Электромеханические и механические системы KERS
Механическая система рекуперации энергии KERS Flybrid состояла из блока накопления энергии KERS, основанного на раскрутке маховика массой 5 кг до высоких оборотов (64500 об/мин) Энергия торможения через многоступенчатый редуктор уходила на раскрутку маховика в вакууме через быстродействующий вариатор Torotrak CVT.

Тороидальный вариатор Torotrak CVT обеспечивает передачу потока мощности от силовой установки на маховик и обратно, с минимальными потерями энергии. Всего за 50 миллисекунд он способен изменить передаточное отношение с 6:1 до 1:1


Стальной, либо карбоновый маховик, массой 5 кг, диаметром 240 мм, раскрученный до 64500 об/мин, развивал необходимые 400 кДж, что в перещете на мощность, составляло 80 лс с длительностью 6.75 секунд на каждом круге гонки. Вся система имела вес в 24 кг и занимала объем 13 литров.

Электромеханические системы имели маховик насыщенный магнито-заряженными материалами, в результате он становился ротором двигателя и мог вырабатывать, на неподвижном статоре электроэнергию, которую можно было аккумулировать в батареях с последующим ее использованием. Причем использовать можно, как отдельно, так и совместно с раскрученным маховиком.

Существовало несколько разновидностей электромеханических систем KERS, но всех их объединял принцип накопления энергии не в аккумуляторных батареях, а в раскрутке небольшого маховика до огромных оборотов. Чем выше обороты раскрутки маховика, тем меньше по габаритам и массе может быть маховик при запасении одной и той-же энергии. Зачастую главным ограничением здесь служит, прочность самого маховика, который может разорвать при превышении критичного предела оборотов. Карбоновые маховики обладают гораздо лучшими характеристиками, если необходимо запасти максимальное колличестко энергии с килограмма веса вращающейся части рабочего колеса. Система основанная на механическом аккумулировании энергии обладала лучшим КПД, по сравнению с электрическими KERS. Маховиковая KERS усваивала до 70% энергии торможения против 35% систем основанных на мотор-генераторес аккумуляторной батарреей.

К концу 2013 года самые совершенные KERS системы укладывались по массе в диапазон 20-25 кг.



Cистема рекуперации энергии KERS Flybrid


Тороидальный вариатор Torotrak CVT



Сцепление связи маховика с вариатором. Диски сцепления имеют столь малый диаметр, так как им не приходиться передавать огромный крутящий момент, максимум 18 н/м. При 60000 об в минуту не нужен большой крутящий момент, чтоб получить 80 лс мощности. При дальнейшем понижении рабочих оборотов вариатором, крутящий момент на выходе редуктора возрастает, соответственно падению оборотов.

На сегодняшний день гибридные двигатели болидов формулы один уже не используют механические накопители энергии и все гибридные двигатели Ф1 2014 построены по примерно одной схеме Гибридные технологии формулы один 2014
Но прошлые разработки не прошли мимо автоиндустрии и многие из них используются для экономии топлива и по сей день. Например механические накипители энергии без использования дорогостоящих аккумуляторов, применяют в производстве гибридной части двигателя для автобусов. В условиях современного города с постоянным движением в пробках, с частым троганьем и торможением, гибридные технологии приходяться как нельзя к стати!