F1混动时代引擎技术巡礼（二）能量回收系统

记得有一位意大利的老爷爷曾说，“研究空气动力学的，都是那帮造不出好引擎的人”。我认为老爷爷的话糙但理不糙，即使在进入了21世纪之后，一台“性能优异”的引擎仍然是赛车获得成功的关键。甚至过去几年出现过不少“靠动力优势掩盖气动设计不足”的例子，“力大砖飞”这个军迷圈的梗，对于F1同样适用。

在开始正文之前，我想先探讨两个问题。

在我看来，“好引擎”的标准一直在随着时代的变迁而改变。

在F1的自然吸气V10时代，马力大的就是“好引擎”。彼时，规则没有对燃油流量和燃油总量做限制，那么谁能在单位时间内完成更多次燃烧，理论上就能获得更大的性能优势。于是，更高的引擎转速成了所有引擎制造商追逐的目标。

梅奔的引擎研发大佬AndyCowell刚入行的时候，是负责研发引擎的凸轮轴与气门弹簧等部件。他见证了V10引擎的极限转速从最初的16000rpm，一步一步提升，并最终突破了20000rpm。谁能在保证可靠性的前提下获得更高的引擎极限转速，那谁就能在引擎动力这方面取得优势。

F1的自然吸气V8时代是一个非常“奇葩”的阶段。一方面，引擎的极限转速早已被规则限制，那个通过“暴力(brute-force)”获取马力的时代已经过去；另一方面，比赛中的加油被禁止(但规则对燃油流量没有限制)，KERS这个新潮玩意儿的加入，似乎“高效省油”是个充满前景的研发方向。直到2010赛季，气吹扩散器(BlownDiffuser)的出现，使得引擎不再是单纯的“动力单元”，引擎需要同时兼顾“吹风机”的重要功能。引擎输出模式(EngineMapping)取代引擎极限转速，成为引擎最重要的优化方向。雷诺和梅奔先后搞出了，”不踩油门但是会喷油“的热吹(HotBlow)，和”不踩油门但是会打开气门鼓风“的冷吹(ColdBlow)。FIA很快取缔了冷吹和热吹，于是引擎制造商们开始对引擎的扭矩曲线(TorqueCurve)动手。

从2010赛季到2013赛季结束的这段时间内，”好引擎“不是动力最强的那个，也不是最省油的那个，而是输出模式与扭矩曲线最匹配气吹扩散器/柯安达效应气吹扩散器的那个(雷诺)。

按照当时的迈凯伦技术总监PaddyLowe的说法，利用气吹扩散器的赛车可以让车手在一整圈内都踩着全油门完成，因为引擎模式让即使全油门也不总是全扭矩输出。

我曾在另一个答案中提到过歪头的”循迹油门技术“，即踩着油门入弯，用油门控制车尾的下压力。歪头利用的就是F1V8引擎那”中低转速无/低扭矩“的特性，并玩出了极致。再多说一句，歪头最近几年老是在出弯的时候转圈圈，应该是他的老习惯与混动引擎”中低转高扭矩“的输出特性不合拍导致的。

如上文所描述的”长歪了”的V8引擎，并不是规则制定者所乐见的结果。于是，F1进入V6混动时代之初的2014赛季，FIA就统一了排气管的位置与规格，彻底断了车队们拿尾气整活儿的念头。从此，内燃机只具有将燃料的化学能转化成其他形式能量的单一用途，并不再具有如“吹风机”的功能。

在此基础上，混动PU的规则几乎是完全围绕着”能量(Energy)“这个核心概念而制定的，比如：

从引擎发动的那刻起，直到方格旗在终点线挥舞，F1赛车所做的一切都源自于那(不超过)110kg燃料的化学能：

有一说一，能量回收系统(ERS)在赛车界不能算是特别稀罕的玩意儿，类似的MGU系统在如勒芒LMP1/LMH上也存在了多年，应用的历史不比F1混动PU的时间要短。F1混动PU能发展成现在这样，首先还是要从规则中找原因。下图是上文中使用过的“PowerUnitEnergyFlow”图的一部分，我用蓝色笔画把混动PU规则中的重点标出来了。

可以看出，整个ERS系统中，甚至对于整个PU来说，潜力最大的就是MGU-H(排气能量回收系统)。规则对于MGU-H在比赛中的使用，做了如下规定：

反观同属ERS系统的MGU-K(动能回收装置)，规则对于能量的回收与使用都有非常严苛的限制，具体如下：

我们以本田的RA621H混动PU为例，其在比赛模式设定下(BalancedSOC)，混动系统内的能量流动可以被分为一下的六个阶段：

所谓的“额外回能”，就是当赛车处于上图中的A或B状态时：

如下图所示，ExtraHarvest的目的在于，利用规则中“MGU-H与电池和MGU-K之间能量传输不受限制“，绕开MGU-K每圈只能回收不超过2兆焦能量”的限制。

额外出力也是利用规则中“MGU-H与电池和MGU-K之间能量传输不受限制”，绕开MGU-K每圈只能使用不超过4兆焦的电池能量”的限制。能量从电池流向MGU-H并被转化成Inertia；MGU-H再“回收”这部分能量，然后为MGU-K出力供能。

下图是EXH与EXD工作的现实例子，

在保证了MGU-K有足够能量的基础上，MGU-H回收的超出部分的能量就可以被用作MGU-H出力(本田称之为“e-Boost“)。该模式下，废弃阀门打开，内燃机的排气背压降低，输出提升；MGU-H由电池供电，负责转动进气涡轮，维持进气增压值。

下面的视频中，赛恩斯在出弯后短暂地摁住了“超车”按钮。梅奔的OT模式也就是本田的E-Boost。方向盘显示器右端是显示电池电量的柱状图，可以看到电池电量在OT模式被激活的几秒内下降了超过25%。

F1赛车在正赛中的多数时间内，都需要维持一种能量平衡状态。此状态下，ES(电池)内的StateofCharge(SOC电池电量)在每一圈结束后基本上与开始单圈时的SOC接近。如下图所示，

在混动时代的第一个阶段，提升内燃机的热效率是提升动力单元竞争力的主要手段。换句话说，谁家的引擎消耗同等质量的燃油能获得更高的输出功率(曲轴)，谁就有最强的PU(梅奔)。

我如此划分阶段，是因为在2020赛季之前，燃烧技术的进步所带来的性能上的提升，还未受到边际效应的影响。下图是本田回归F1之后，燃烧技术的应用与对应的内燃机功率提升；图中的一些技术，如副室燃烧(Pre-ChamberIgnition)，有的制造商先用上了，于是便获得了性能优势；大约到2020年左右，所有的引擎制造商已经对于研发混动PU有了深刻的理解，该用上的前沿燃烧技术，在自家的和对手的PU上都能找到。

时间来到2020年，摆在工程师面前的是两个非常棘手的矛盾。首先，如果打算继续提升内燃机的热效率，就需要想尽办法让更多的空气参与燃烧，也就是提高进气增压值。但是，提升进气增压值会导致排气背压(ExhaustBackPressure)增大，更大的排气背压会干扰高速燃烧(RapidCombustion)，而不稳定的燃烧反而会降低内燃机热效率。这就是进气增压值与燃烧稳定性的矛盾。

另外，就是内燃机热效率与MGU-H回能之间的矛盾。这个矛盾是由MGU-H的工作原理决定的：假设，一个热效率为60%的内燃机燃烧了热值为100MJ的燃料，那么MGU-H回收的是40MJ能量中的一部分；在MGU-H效率不变的情况下，如果将内燃机的热效率提升至70%，则MGU-H只能从30MJ中回收一部分能量，回能下降。

于是，工程师有两个研发方向可以选择，

选择了研发方向A的梅奔的工程师，为M12EPerformance混动PU设计了新的进气增压系统，其通过降低内燃机进气温度，提升了进入燃烧室的空气密度，并成就了可观的内燃机性能提升。2021赛季的收官阶段，梅奔甚至可以通过献祭内燃机缸体寿命的方式，让PU的性能起飞。

本田的工程师选择了研发方向B。本田引擎R&D总监浅木泰昭在RA621H引擎发布时说：

Itdepends.

不好说，这要看具体情况。

假设ERS的能量充足的情况下，梅奔PU在出弯后几秒内的”加速关键阶段(CriticalPhase)“拥有比本田RA621H更强势的表现。这是一种单纯的输出功率上的优势，因为MGU-K的功率是规定的120KW(160HP)，所以内燃机更给劲儿的自然在总功率上占优。上个赛季的巴西大奖赛就是这种优势的典型例子。

梅奔PU由于牺牲了MGU-H的回能，导致其更容出现ERS“电量不足”的状况。ERS的能量不够用了，赛车在出弯后就会进入”De-Rating”状态，又称“BatteryClipping”。如下图所示的，在正常情况下，MGU-K出力会覆盖出弯后的加速关键阶段；De-Rating会让MGU-K提前停止工作，导致赛车在加速阶段损失120KW的功率。

我这里刚好有一个新鲜的梅奔PUDe-Rating的例子，视频是迈阿密大奖赛“Mick撞歪头”时，Mick的车载视角录像。当赛车进入De-Rating状态时，赛车尾部的尾灯会开始闪烁，提醒后面的赛车，“我会比正常状况下要慢很多(少了120KW)”。歪头大概是为了完成之前的超车消耗了过多的电池电量，所以他的赛车在进入加速阶段后马上开始BatteryClipping。我猜，Mick赛车上的MGU-K没有因为电量不足提前断电。而正是两者赛车之间大约120KW的功率差距，让Mick做出了自己可以完成超车的误判。

整个2021赛季，只要出现梅奔PU吃瘪的情况，那么原因一定是ERS回能不足导致的引擎De-Rating。

由于本田工程师选择了追求平衡的研发思路，所以很难用“优势”或“弱点”去描述本田PU的性能特点，用“偏好”可能会更准确易懂。下图中的六条赛道，本田PU更偏好左边的三条赛道。

与之相对的，红牛赛车在巴西大奖赛面对开挂的梅奔赛车毫无招架之力；在索契赛道，红牛车队判断自己胜算不大，索性选择战略性放弃，给Max更换了新的PU；收官战中，红牛只能依靠低下压力气动设定，勉强在排位赛中抗衡动力强劲的梅奔赛车，正赛中则因为轮胎劣势而毫无招架之力。

简而言之，本田PU擅长那种主要由“长直道——低速弯——长直道”组成的赛道，因为这是ERS最理想的工况。尤其对于MGU-H来说，其只有在足够长的全油门赛段才能获得最佳的回能效率。比如，下图是我截取的一段红牛赛车的遥测数据：

我们再回过头去看那些本田PU“讨厌”的赛道，他们都至少有一个赛段是由连续的中低速弯组成的。结合浅木泰昭的说法，本田选择的研发思路是基于“MGU-H回能没有规则上限”；理想状态下，本田PU的ERS能回收更多的能量，也就能更频繁地使用E-Boost(MGU-H出力)，提升内燃机的输出功率。所以，在MGU-H回能受限的赛道上，本田PU无法发挥自身的优势。

最近一直在传“大众集团加入F1”的新闻，似乎越来越接近现实。德国制造商开出的条件之一，就是简化2026新规则PU的ERS，将MGU-H移除。如果让我做决定的话，我宁愿保留MGU-H。

现在的EngineGame多有意思啊！