KERS-운동에너지 회수 및 활용 시스템이란?

기본 원리는 차체의 제동 에너지를 기술적 수단을 통해 저장했다가 자동차 가속 시 보조 동력으로 방출하는 것

FIA가 도입한 이유는 무엇인가? 커스?

F1에 KERS를 도입한 것은 FIA가 추월 기회를 늘리고, 경쟁의 흥미를 높이고, 엔진 연구 개발을 억제하고, 비용 상승을 통제하기 위해 취한 일시적인 조치라고 생각하는 사람들이 많습니다. 잘못된!

오늘날 전 세계 자동차 산업은 산업 발전과 환경 보호 사이의 모순에 직면해 있습니다. 에너지 문제와 이산화탄소 배출은 더 이상 유행하는 주제가 아니라 우리 앞에 있고 즉각 해결해야 하는 문제입니다. 지난해 독일은 이산화탄소 배출량이 킬로미터당 120그램을 넘지 않아야 한다는 지표를 도입했다. 이 지표가 규제가 되면 더 이상 대형 배기량 엔진의 미래가 없다는 뜻이다. 동시에 일부 도시에서는 이제 도심에서만 하이브리드 차량의 사용을 허용할 계획까지 세우고 있습니다. 이는 제조업체가 제품을 개발할 때 해당 모델에 하이브리드 시스템을 장착할 수 있는지 확인해야 함을 의미합니다. 이 두 사례를 통해 우리는 자동차산업 발전을 위해 고효율 친환경 기술이 얼마나 시급한지 알 수 있다. 현재 주요 제조업체는 합의에 이르지 못했지만 기본적으로 하이브리드 전력으로 시작한 다음 수소 전력 또는 순수 전력으로 전환하는 기본 개발 아이디어를 형성했습니다. 그래야만 자동차 산업의 미래가 있을 수 있습니다.

이때, 첨단 기술로 유명하며 모터스포츠의 황금 첨탑에 있는 F1이 이러한 사회적 흐름을 무시한다면 도태될 위기에 처하게 될 것입니다. FIA 회장 Max Mosley는 2006년에 다음과 같이 말했습니다. "세계의 추세는 변하고 있으며 가장 눈에 띄는 것은 지구 온난화 문제입니다. 세계 곳곳에서 매우 두드러진 여론 운동이 있습니다. 지금 개혁하지 않으면 이런 추세를 놓칠 것이고 F1은 뒤쳐져 결국 망하게 될 것이다."

어떤 사람들은 모슬리의 말이 경각심을 불러일으킨다고 생각할 수도 있지만 현재 F1의 상황은 다음과 같다. : 연료 2.4리터 V8 엔진의 100km당 소비량은 49KG에 달합니다. 19,000rpm의 한계 속도는 민간용 엔진에 참고할만한 의미가 없습니다. 연중 24시간 작동 비용 원스톱 공기역학 키트의 실제 가치는 0입니다…

분명 현재 F1의 기술 발전 방향은 사회와 전혀 동떨어져 있고, 에너지와 환경 문제가 심화되면서 사회 발전 방향에도 역행하고 있다. 과거 F1은 자동차산업의 실험장이자 첨단민간기술의 산실로 알려졌으나, 지금은 기술발전 추세의 변화에 따라 F1의 기능도 점점 약화되고 있습니다! 이런 상황에서 개혁은 반드시 필요하며 미룰 수 없다. 사회적으로 책임 있는 사람이라면 누구도 "낡은" 기술을 사용하고 에너지를 크게 낭비하며 환경에 해를 끼치는 운동을 숭배하지 않을 것이기 때문입니다!

KERS는 F1이 이러한 사회적 흐름에 부응하고 진보적인 성격을 유지하기 위해 내딛는 첫 번째 조치입니다. (F1 전력 시스템의 장기 계획에 대해서는 이전 보고서를 보려면 클릭하십시오.)

3. KERS에 대한 FIA의 규칙 제한

개발을 장려하고 촉진하기 위해 FIA는 KERS 기술을 통해 팀이 수행할 수 있는 충분한 공간을 제공합니다. 올해 7월 11일 공개된 2009년판 F1 기술규칙에서는 FIA가 KERS의 몇 가지 기술지표만을 규정하고 그 외의 부분은 모두 공개했다. Mosley에 따르면 KERS의 개발에는 거의 제한이 없습니다. 다음은 새로운 규칙의 유일한 제약 사항입니다.

1. KERS 시스템의 최대 출력 및 입력 전력은 60KW를 초과할 수 없으며, 원당 총 에너지 방출은 400KJ를 초과할 수 없습니다. (원래 규칙 5.2.3)

2 주유를 위한 피트 스톱 중에는 차량이 KERS 시스템에 에너지 저장 장치를 추가할 수 없습니다. (원래 규칙 5.2.4)

3 레이싱 엔진, 기어박스, 클러치, 차동 장치, KERS 및 모든 관련 활성화 메커니즘은 FIA가 지정한 ECU 공급업체가 제공하는 ECU에 의해 제어되어야 합니다. (예: Kailun에서 제공하는 Mai 표준 ECU).

(규칙 8.2.1의 원본)

2009년 규칙의 현재 버전은 KERS만 제한합니다!

4: 두 가지 기술적 원리와 그 장점과 단점이 있는 KERS 시스템(이 기사의 초점)

FIA의 느슨한 규칙 프레임워크에는 현재 두 가지 KERS 시스템이 있습니다. 그 중에는 플라이휠 운동에너지 회수 시스템과 배터리-모터 운동에너지 회수 시스템이 있습니다. 아래에서는 연구개발 배경, 기술 원리, 매개변수 지표, 기술적 어려움, 솔루션 장단점 등 5가지 측면에서 자세히 소개하겠습니다. 먼저, 출시된 '플라이휠 운동에너지 회수 시스템'에 대해 이야기해보자.

A, R&D 배경

이것은 르노가 채택할 기술 솔루션이며 윌리엄스가 이를 구매할 계획입니다! 2007년 초, 르노 자동차 회사의 지원으로 르노 F1 팀의 엔지니어 두 명인 Jon Hilton과 Doug Cross는 Enstone에 있는 본사를 떠나 Silverstone 회사에 "Flybrid Systems LLP"라는 회사를 설립했습니다. 여기서 플라이브리드는 플라이휠(Flywheel)과 하이브리드(Hybrid)라는 두 단어의 합성어입니다. 참고: 이하 FB컴퍼니로 표기합니다. 이 회사는 2007년 중반에 고효율 플라이휠 운동 에너지 회수 시스템을 개발했습니다(위 그림 참조).

플라이휠 운동에너지 회수 시스템의 원리는 사실 매우 간단하다. 어릴 때 풀백 장난감 자동차를 가지고 놀았던 친구들은 바퀴를 뒤로 굴려 에너지 저장 구조(보통 스프링이나 고무줄 구조)에 위치 에너지가 축적된 다음 자동차를 땅에 놓으면 축적된 잠재력이 사라진다는 것을 알고 있습니다. 에너지는 자동차를 빠르게 움직이게 할 수 있습니다. FB컴퍼니의 운동에너지 회수계획은 이러한 기본원리를 채택하고 있습니다. 참고: 운동에너지 -> 위치에너지 -> 운동에너지의 변환과정이 기본원리입니다. 하지만 구체적인 작동 과정은 훨씬 더 복잡할 것입니다. 이 자동차는 시속 300km가 넘는 속도를 내는 F1 자동차라는 점을 알아야 합니다. 실제 구조를 살펴보겠습니다.

위 그림과 같이 FB Company에서 제공한 시스템 개략도입니다(오른쪽 하단은 CAD 3차원 렌더링). 고속 플라이휠 세트, 고정 변속비 기어 세트 2개 세트, CVT(무단 변속기) 및 클러치(클러치 2)로 구성됩니다. 무단 변속기는 기술 파트너인 Torotrak에서 제공합니다. 그리고 또 다른 회사인 Xtrac이 변속기 시스템 제조를 담당하고 있습니다. 시스템의 작동 과정은 다음과 같습니다.

자동차가 제동할 때 차체의 운동에너지가 무단변속기를 통해 플라이휠로 전달됩니다. 진공박스가 구동되어 고속으로 회전하여 에너지를 축적합니다. 자동차가 코너를 빠져나오면 플라이휠에 축적된 에너지가 무단변속기를 통해 역방향으로 방출됩니다. 참고: 여기서 역방향은 플라이휠의 회전 방향이 아닌 에너지의 흐름을 의미하며, 플라이휠과 플라이휠 사이에 전달됩니다. 메인 기어박스의 출력단과 엔진 동력이 합쳐진 후 구동력으로 리어 액슬에 전달됩니다. 전체 시스템은 간단하고 컴팩트한 구조를 가지고 있으며 SECU(표준 ECU)로 작성된 지원 프로그램에 의해 제어됩니다. 외관 측면에서는 사용자 요구에 따라 목표 조정이 이루어질 수 있습니다. 이는 다양한 모양 옵션을 가질 수 있음을 의미합니다!

C. 기술적 어려움

우리 모두 알고 있듯이 F1 경주용 자동차에는 1kg의 질량이 유용합니다. 가능한 가장 높은 에너지 밀도 비율(참고: 플라이휠 운동 에너지 회수 시스템의 이 지표는 이미 매우 높음)을 달성하고 시스템이 경주용 자동차의 균형추에 미치는 영향을 최소화하기 위해 플라이휠 운동 에너지 회수 솔루션에는 다음이 필요합니다. 에너지 저장 플라이휠 본체는 최대한 작지만 이것이 에너지 저장 사양을 어떻게 충족합니까?

FB컴퍼니가 채택한 솔루션은 회전 속도를 높이는 것이다. 현재 시험용 플라이휠의 속도는 64,500rpm에 도달했는데, 이는 거의 미친 수치입니다. 그러나 이때 새로운 문제가 발생합니다. 빠른 속도는 시스템이 엄청난 열을 발생시키고 엄청난 바람 저항 손실에 직면하게 된다는 것을 의미하기 때문입니다.

Hilton과 Cross는 궁극적으로 내부 공기압이 최대 1x10-7 Pa인 진공 상자 안에 플라이휠을 포장하기로 결정했습니다. 이것은 어떤 개념입니까? Jon Hilton은 이것이 하나의 가스 분자가 다른 가스 분자를 만나기 위해 45km를 이동해야 하는 것과 같다고 말했습니다. 하지만 생각해보면 플라이휠을 진공박스에 넣어두면 발열과 바람 저항 손실 문제는 확실히 해결될 수 있지만, 베어링의 기밀성이 손상되는 것을 방지하는 방법은 무엇일까요? (플라이휠에) 동력을 입력하고 출력합니까? 새로운 문제가 다시 탄생하다! 현재 기술에서는 전기 변환이 옵션이지만 에너지 손실이 너무 심각합니다.

그 결과, 두 엔지니어는 혁신적인 샤프트 씰링 기술을 발명하고 현재 특허를 출원했습니다.