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2014年，F1迎來了近25年內最大的技術變革。與之前相比，這次改革不僅進一步限制了空氣動力學的應用，還涉及到了賽車的核心裝置——發動機。從今年起，F1將使用1.6T V6渦增壓引擎代替之前的2.4L V8自然吸氣引擎。歷史上，F1上次使用渦輪增壓技術還要追朔到30年前，因此，新的發動機對於現役的車隊來說無疑是一個陌生而又充滿挑戰性的領域。一方面，自然吸氣和渦輪增壓兩種發動機在工作原理上存在著巨大的差異；另一方面，由於新發動機的工作特點與之前截然不同，因此在整車層面，底盤和空氣動力學設置，甚至是車手的駕駛方式都需要及時做出調整。在本次賽前技術分析中，我們就以發動機為核心，看一看新的技術改革究竟帶來了怎樣的變化。

如果說2009年F1使用動能回收系統是“投石問路”，那麽在2014年，FIA的改革就可謂是“大刀闊斧”了。時下，能源與環保問題已經成為了世界的主流話題，而作為世界汽車工業先鋒角色的一級方程式賽車如果不能順應這一趨勢，就會逐漸與以節能環保為主題的現實社會脫節，最終難逃衰亡的厄運。因此，為了能使這項運動依舊保持活力，為了這項運動依然可以成為世界汽車工業的先驅，F1就必須要從已經固化了的圈子里跳出來，走出一條節能環保的道路來。

國際汽聯改革的首要目標就是降低油耗。在2013年以前，每場大獎賽V8引擎要消耗的燃油要達到150kg，而現在，隨著1.6T渦輪增壓發動機的引入，每場比賽的油耗被 限制在了100kg。用三分之二的燃油跑完整場比賽，很明顯，新的渦輪增壓發動機具有更高的效率，這與渦輪增壓這項技術有著密不可分的關系。



概述



所謂增壓就是將空氣在供入汽缸之前預先壓縮，以提高空氣密度、增加進氣量的一項技術，由於進氣量的增加，可以相應地循環增加供油量，從而增加發動機的升功率。因此，增壓不僅可以改善燃油經濟性，還因為其能有效控制排放而被廣泛應用。

目前最常見的增壓方式有兩種：機械增壓和渦輪增壓，機械增壓是通過發動機曲軸直接驅動壓縮機的一種裝置，能有效地提高發動機功率，但由於驅動增壓器需消耗發動機功率，因此燃油消耗率比非增壓發動機略高。

渦輪增壓是將發動機排出的廢氣引入渦輪機，利用廢氣能量推動渦輪機旋轉，驅動與渦輪同軸的壓縮機實現加壓。廢氣渦輪與發動機無機械聯系。這種方式，能有效地利用排氣的能量進行增壓，所以經濟性比機械增壓和非增壓發動機都好。但由於渦輪機是流體機械，而發動機是動力機械裝置，因此二者在協調時存在缺點和不足。這點我們在之後的工作特點中重點分析。

渦輪增壓器的結構和工作原理

渦輪增壓器通常由離心式壓縮機、徑流式渦輪機及中間體三部分組成。中間體內有潤滑和冷卻軸承的油道，還有防止機油漏入壓氣機或渦輪機中的密封裝置。



離心式壓縮機由進氣道、壓氣機葉輪、無葉式擴壓管及壓縮機蝸殼組成。葉輪包括葉片和輪轂，由增壓器軸帶動旋轉。

當壓縮機旋轉時，空氣經過進氣道進入壓氣機葉輪，並在離心力的作用下沿葉片之間的流道從葉輪中心流向葉輪的周邊。空氣從旋轉的葉輪獲得能量，其流速、溫度都有較大的增高。隨後進入葉片式擴壓管。擴壓管為漸擴形流道——空氣流過擴壓管時，減速增壓（即將動能轉化為壓力能），溫度也有所升高。

由於氣體溫度升高會導致密度減小，損失一部分增壓效率，因此，需要在壓縮機和發動機之間加設中冷器，對空氣進行冷卻，確保其能具有更高的壓力。

渦輪機是將發動機排氣的能量轉變為機械功的裝置，其結構包括蝸殼、噴管葉輪和出氣道。工作時，發動機排出的廢氣將由蝸殼引導進入噴管，噴管是相鄰葉片組成的漸縮性流道。排氣流過進在噴管內降壓、降溫、增速，膨脹，使排氣的壓力能轉變為動能，由噴管流出的高速氣流沖擊葉輪，並在葉輪中繼續膨脹作功，推動葉輪旋轉。



簡單地講，渦輪增壓是利用廢氣驅動機械裝置做功，從能量的角度分析，整個過程中，完成的是由廢氣到空氣的能量轉化。



工作特點與技術缺陷



前面已經提到過，渦輪機是流體機械，而機械裝置在與流體發生相互作用時難免存在技術缺陷。

葉輪在旋轉的過程中不可避免地存在慣性，當車速較低時，發動機排出的廢氣量少，少量的廢氣推動葉輪旋轉存在較大困難，因此在低速狀態下，渦輪提供的加速性能不明顯，表現為低速時加速後滯，而當車速較高時，渦輪旋轉速度又可能過快，導致進氣壓力過高，因此渦輪增壓發動機有待進一步解決的問題是：1.如何提高發動機的低轉速轉矩；2.低速時應避免增壓器工作線接近喘振線；3.防止高速進氣壓力過高或增壓器超速；4.降低高速時的泵氣損失；5.防止缸內產生過高壓力及熱負荷增加。

目前在民用車領域，已經采用了多種針對渦輪增壓器的解決方案，通過對材料和結構的優化，逐步提升了渦輪增壓器的工作性能，比如，用質量輕並且耐熱的陶瓷材料可使渦輪的質量大約減輕2/3，這樣大大地減小了渦輪葉輪的慣性，剝弱了遲滯現象；通過改良工藝，保證蝸殼內表面光潔，減少氣體流動中伴隨的損失；通過優化結構，將渦輪設計成可變結構，通過控制流道的的大小　來實現低速時的高加速性和調整時的壓力穩定。



可變渦輪：左側為高速狀態，右側為低速狀態

但是，民用車目前使用的大部分技術在Ｆ1的動力規則中是禁止的。例如可變渦輪就是禁止使用的，但這並不意味著Ｆ1的發動機技術會落後於民用領域，因為新的動力裝置還包含一個重要角色——能量回收系統。

嚴格地講，2014年的Ｆ1動力系統不能被稱作“引擎”，而是要稱為“動力單元”，引擎僅僅是該系統中的一部分，該動力單元由引擎（ICE）、渦輪增壓器（TC）、動能電機（MGU－K），熱能電機（MGU－H）和能儲單元（ES）、控制單元（CE）六部分組成。在這六部分中，動能和熱能回收裝置同樣起了重要的作用。早在2009年，F1就已經使用了能量回收系統，但當時使用的僅僅是動能回收系統（KERS），2014年的能量回收系統中，為了劃分更明確的功能，該系統被命名為MGU－K，而新引入的熱能回收系統則被命名為MGU－H能儲單元稱為ES，整套能量回收系統被稱為ERS。




新的ERS在性能、功能和使用方法上都與之前存在著巨大的不同。

以動能回收系統為例，該系統在09年時僅僅能帶來6秒的輔助加速，然而在2014年，這一時間被延長到至了33秒，新的動能回收系統具有更大的功率（4MJ，為原來的10倍），同時也伴隨更多的能量輸出，此外，操作方法也不再像09年那樣將按鈕一按到底，而是允許存在不同的設置，例如，車手可以選擇利用一半的功率跑上66秒，也可以利用四分之一的功率跑上132秒，這些，都可以通過實際情況的需求進行設定和選擇。

另外一套能量回收裝置，即MGU－H，則與渦輪增壓器相結合扮演了重要的角色。它類似於一臺發電機，能夠將廢氣中的能量轉化為電能存入與ERS－K的共享能儲單元中，此外，它還可以發揮出“泄壓閥”的作用，這也就使得該裝置在渦輪高轉速時能名有效吸收過剩的能量，保護渦輪；又能在低速狀態下放電加快葉輪的旋轉避免其遲滯性。因此，熱能回收裝置決定著一臺發動機的性能，如果沒有MGU－H，比賽將會異常艱難。

現在，讓我們看一看這些因素會具體帶給一輛F1賽車怎樣的變化。



一、引擎



1.進氣方式

與自然吸氣不同，渦輪增壓引擎吸入的是被壓縮的高密度空氣，它可以讓發動機爆發出更高的效率。

2.燃油噴射方式

之前采用的2.4LV8自然吸氣引擎采用的是缸外噴射，而在今年，1.6T渦輪增壓引擎將使用缸內噴射，與前者相比，其噴射壓力更高，可有效提高燃油效率，達到節能環保的目的。（F1最大的噴射壓力將達到500bar）

3.燃燒室加長，運行溫度升高

因為2.4升的8缸變為1.6升的6缸，意味著引擎單缸容積從300cc降低到266.6cc。V8的缸徑是98mm,V6為80mm。利用容積計算公式可得出

V8引擎的活塞行程=300000mm3÷(π×49mm2)≈40mm



V6引擎的活塞行程=266666mm3÷(π×40mm2)≈53mm



缸徑縮小(18mm)，行程更長(13mm)，因此燃燒室的形狀從扁平狀被拉長了。考慮到新引擎轉速從18000rpm降至15000rpm，這是個合乎邏輯的變化，因為我們知道高轉速的發動機通常會采用短行程設計，反之亦然。

此外，通過計算我們還能發現，新引擎雖然轉速降低了，但是由於氣缸行程變長。使得活塞的速度反而有所增加。



2013款V8F1發動機在轉速18000rpm時的活塞速度=0.040m × 2 × 18000rpm/60s=24m/s



2014款V6F1發動機在轉速15000rpm時的活塞速度=0.053m × 2 × 15000rpm/60s=26.5m/s



關於燃燒室，還有一點需要提及，渦輪增壓引擎由於能效更高，每次燃燒所產生的熱量比同規格的自然吸氣發動機要大很多，加上氣缸內部壓力更大，這意味著速度不降反增的活塞將面臨更加嚴酷的工作環境。

4.曲軸位置升高

V8時期FIA規定曲軸的中心不能低於參考面以上58mm，而在現在，這一數字升高到了90mm，此外，相應的傳動裝置安裝位置也會升高，這對於賽車的低重心和穩定性等指標來說都是不利的負面因素。

5.引擎的體積和外觀的變化

今年V6的汽缸夾角仍然為900，長度上，由於砍掉了兩個汽缸，因此新引擎會縮短15%，另一方面，由於新的引擎具有更高 的曲軸中心和更長的活塞行程，這又意味著新引擎會比之前加高很多，因此，新的引擎呈現出縱向伸展的趨勢。

油箱方面，由於新引擎具有更高的效率，因此，油箱的體積與之前相比減小了30%。



二、渦輪



1.只允許使用一個渦輪，渦輪最高轉速125000rpm。

2.禁止使用可變渦輪技術（這一點我們之前提到過）

此外，FIA還對渦輪的安裝位置做了限定，要求渦輪的軸心必須和引擎曲軸平行，且不得超出賽車中心線25mm。而關於渦輪的增壓值，FIA並未做出限制，根據最大燃油流速不得大於100kg/h計算，相當於渦輪的增壓值最大限制在3.5bar左右。



三.ERS系統



1.MGU－K的電機必須與引擎曲軸采用機械連接，保持固定的齒比，轉速不得超過50000rpm，扭矩輸出不得超過200Nm。

2.MGU－H電機和渦輪之間也必須采用固定齒比的機械連接。轉速不得超過渦輪轉速125000rpm。

3.能儲單元：電池的質量應在20－25kg之間必須安裝在油箱下方。

賽車整體變化與面臨的技術挑戰

1.由於新引進了ERS，因此動力單元的重量增加了50kg，但是賽車在比賽時重量並沒有發生太大的變化，因為燃油減少了50kg，整車的重量下限調整到了690kg。

2.新引擎的扭矩顯著提高，2012款的V8引擎輸出的扭矩僅有300N.m，而今年的引擎在目標功率475kw時最大扭矩輸出在375N.m，加上KERS系統200N.m，峰值扭矩高達600N.m，如此大的扭矩，對於輪胎、賽車的空氣動力學設置，車手的駕駛風格來說都是巨大的挑戰(合理地解決牽引力問題至關重要，特別是雨地)。除了扭矩，新動力單元在功率輸出上也發生了明顯的變化。內燃機的最大功率由於燃油流速的限制止步於475kw，但ERS又提供了120kw 的功率補償。因此新動力單元的性能與去年持平，即750馬力左右，甚至更多一些。在工作特性方面，渦輪增壓引擎的動力來的比自吸高轉引擎要早，渦輪介入的初段功率輸出非常陡峭，隨後增幅放緩。自吸V8引擎在10000rpm以下的動力是非常有限的，但此後隨著轉速攀升呈非常線性的遞增，到18000rpm達到峰值。



技術難點



可靠性



任何新技術的引入，在初期都會面臨可靠性問題，而在下賽季的F1這個問題會變得更加突出。原因有二，首先是引擎的壽命要求翻了一倍，2013年一位車手一個賽季允許使用8臺引擎，而2014年壓縮到5臺。這意味著原來一臺引擎跑2000km，現在需要跑4000公里以上，直逼勒芒的引擎壽命。

其二是動力單元被拆分了，加大了車隊受罰的可能。我們知道按照去年的引擎使用規則，非常簡單，一位車手一個賽季只能使用8臺引擎，超出8臺，每次更換就罰退10位一次。

而從2014年開始。FIA將新的動力單元拆分為了六個模塊。每位車手一年只能使用5臺動力單元總成，也就是5套這樣的6個模塊。如果超出這個限制，就會受到處罰。



散熱



2014版的動力單元對於散熱有著更高的要求。關於組件的布置問題會讓車隊的設計師投入極大的精力。比如，熱能電機的布置問題就有兩種不同的方案，一種是將其置於發動機一側，另一種則是置於氣缸夾角的空間內，而這兩種方案都要進行仔細的分析和評估。最終，我們看到雷諾的解決方案屬於前者，而奔馳則是後者。




散熱器的數量和體積也是一項嚴峻的考驗。中冷器的體積會異常龐大，基本上會占據一側的側箱空間，而散熱器的數量也多達5個（甚至是7個），這對於車身配重和空氣動力學來說絕對不是好消息。



在2014年，動力單元會成為影響比賽的關鍵性因素，而新的動力單元將會帶來賽車性能和工作特性的全面性、系統性的變化。所以，今年的比賽將會和往年風格大為迥異。關於新賽車在實際行駛時還具備了哪些新的特性，筆者將會在之後的底盤與空氣動力學特輯中進行具體分析。

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