KERS (Kinetic Energy Recovery System) to system odzyskiwania energii kinetycznej. W wersji mechanicznej wykorzystuje szybko wirujące koło zamachowe, które przejmuje energię tracącą się podczas hamowania, a następnie oddaje ją przy ruszaniu lub przyspieszaniu. Dzięki temu silnik spalinowy może być mniej obciążony, a samochód otrzymuje krótkotrwały zastrzyk dodatkowej mocy.
Co to jest system KERS?
Podczas hamowania samochód traci energię kinetyczną, która w zwykłym układzie zamienia się głównie w ciepło na tarczach i klockach hamulcowych. Mechaniczny KERS przechwytuje część tej energii i zamienia ją na ruch obrotowy koła zamachowego.
Koło zamachowe jest elementem zdolnym do magazynowania energii w postaci szybkich obrotów. W opisywanym rozwiązaniu może być zamontowane przy tylnej osi, podczas gdy silnik spalinowy napędza oś przednią. KERS oparty na kole zamachowym różni się od elektrycznych układów odzyskiwania energii, które przechowują ją w akumulatorze.
Jak działa mechaniczny system KERS?
Cykl pracy układu można przedstawić w trzech etapach:
- Hamowanie – energia kinetyczna poruszającego się samochodu zostaje wykorzystana do rozpędzenia koła zamachowego. W badanym rozwiązaniu osiągało ono prędkość nawet 60 000 obr./min.
- Magazynowanie – wirujące koło przechowuje energię w postaci ruchu obrotowego. Nie oznacza to, że obraca się ono z prędkością samochodu. Jego obroty są wielokrotnie wyższe niż prędkość obrotowa kół pojazdu. Umieszczenie koła w próżni ogranicza straty powodowane przez opór powietrza.
- Przekazanie energii – podczas ruszania lub przyspieszania specjalna przekładnia przekazuje energię z koła zamachowego na oś napędową. Układ może wspomóc silnik spalinowy albo czasowo zastąpić jego pracę przy napędzaniu samochodu.
W niektórych założeniach pracy systemu silnik spalinowy zostaje wyłączony już podczas hamowania. Zmagazynowana energia może później posłużyć do ruszenia z miejsca lub krótkiego przyspieszenia. KERS nie dostarcza mocy bez przerwy, ponieważ ilość przechowywanej energii i czas jej oddawania są ograniczone.
Jakie korzyści daje KERS?
System najlepiej wykorzystuje swoje możliwości tam, gdzie samochód często zwalnia i ponownie przyspiesza. Każde hamowanie staje się wtedy okazją do uzupełnienia energii w kole zamachowym.
Najważniejsze korzyści obejmują:
- mniejsze zużycie paliwa – w przywoływanych badaniach wskazywano możliwość ograniczenia spalania nawet o około 25% w porównaniu z mocniejszą jednostką o podobnych osiągach;
- dodatkową moc – połączenie energii z koła zamachowego z pracą silnika może zapewnić krótkotrwały efekt boost, szacowany w badanym rozwiązaniu na około 80 KM;
- lepszą dynamikę ruszania i przyspieszania – energia jest dostępna szybko, więc układ może zwiększyć moment obrotowy bez oczekiwania na stopniowe rozwinięcie mocy przez silnik;
- największą wydajność w ruchu miejskim – częste hamowanie i ruszanie sprzyja odzyskiwaniu energii bardziej niż długotrwała jazda ze stałą prędkością.
Z tego powodu mechaniczny KERS ma szczególny sens w warunkach typu stop-and-go, na przykład w mieście lub na krętej trasie. Podczas spokojnej jazdy pozamiejskiej, gdy samochód rzadko hamuje, możliwości ponownego ładowania koła zamachowego są mniejsze.
Dlaczego stosuje się włókno węglowe?
Starsze koncepcje wykorzystywały stalowe koła zamachowe, ale takie elementy były ciężkie, duże i miały ograniczoną zdolność do pracy przy bardzo wysokich obrotach. Lżejszą konstrukcję można uzyskać dzięki włóknu węglowemu.
W eksperymentalnym układzie Volvo koło zamachowe z włókna węglowego ważyło około 6 kg i miało około 20 cm średnicy. Niewielka masa ułatwia montaż w samochodzie osobowym, a praca w próżni zmniejsza straty energii. To połączenie lekkiej konstrukcji i wysokiej prędkości obrotowej zwiększa użyteczność mechanicznego KERS.
W skrócie, KERS odzyskuje energię podczas hamowania, przechowuje ją w wirującym kole zamachowym i oddaje przy przyspieszaniu. Największe korzyści przynosi w jeździe miejskiej, gdzie może jednocześnie ograniczyć obciążenie silnika i poprawić chwilową dynamikę samochodu.
