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买F1能享节能补贴?同样是1.6t差距怎么这么大

2016-03-18 14:49:10
来源:爱车的诺诺
责任编辑:亚麦
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【写在前面】

F1的一大魅力,就在于它所应用的各种技术,无不代表当今汽车科技的顶尖水平。随着2016年F1赛事(上海站)的临近,诺诺提笔写点跟F1相关的科普知识,作为诺粉们的茶余饭后聊资吧。

赛车给人的第一印象就是:快!的确,F1加速到100km/h只需2秒多,成绩如此惊人!那么第一集,诺诺就来聊聊F1的发动机为什么那么NB吧。

【F1发动机动力对比】

F1赛车的发动机,从上世纪40年代起,变换了7、8个版本。目前使用在F1赛车上的是1.6升涡轮增压发动机。

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图:雷诺F1车队的1.6T发动机

1.6T这个排量,大家并不陌生,细数各大汽车厂商,可以找得出好不少正在服役的1.6T发动机。

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图: 常见1.6T发动机动力参数

看了这张图,你可能觉得内燃机技术差不多到了天花板了,各大厂家使出浑身解数,水平也不过如此接近。但当我把F1发动机的参数放进来对比后,大家就不这么认为了。

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图:民用1.6T发动机和F1参数对比

功率竟然可以相差四、五倍!?现在是不是觉得民用发动机还有很大的提升空间,只不过暂时被工程师们“藏起来”了?

好啦,我们就来看看F1发动机吃了什么灵丹妙药,马力可以如此突破极限吧!

【为什么F1发动机这么厉害】

这是一个很大的话题,涉及到发动机的工作原理、开发、设计和测试,一点一点深入的话,会很繁琐。诺诺专门为大家整理了几条便于消化的“大方向”,深入浅出地做个说明。

1. 超高转速

首要原因就是转速高!

看看功率的计算公式:

P=πNT/30 (N=转速,T=扭矩)

那么相同扭矩输出下,转速调校得越高,功率就越大咯!

民用汽油发动机最高转速通常为6500~7000rpm,平时大家舍得用到3000rpm就不错了;而F1发动机的最高转速可达20,000rpm(2014年,国际汽联把最高转速限定为15,000rpm)。这么高的转速,功率能不大么?

好多车迷不知道F1的怠速是多少,这个的确因各个车队调校而异,有五六千转的,也有七八千转的,宝马车队的4000rpm已经算低的了,这个数据也同样吓人哈。

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2. 超轻量化零件

想要做到那么高的转速,没有金刚钻可不行。

因为活塞在气缸里做往复运动,运动方向不断在变化,因此就有惯性力一说。F1发动机在最大转速下,活塞的运动加速度接近9000g,也就是说活塞承受的惯性力是自重的9000倍!此时,工程师必须考虑如何把活塞等运动件做得更轻盈,来减少惯性力。

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图:常规活塞和F1活塞对比图

拿活塞举例,民用发动机的铝制活塞重量大约500g,而F1的活塞一般在200g左右,而且还得输出更大的力矩,承受更多的应力,这就是材料和设计上的差距!

此外,如曲轴、连杆、凸轮轴、气门这些部件都得进行变态级别的轻量化设计,在更轻的重量下,达到更高的强度,说白了就是堆钱硬上,一个赛季只允许车队准备5台发动机,但是研发、测试的难度,跟年产50万台的民用发动机相比,只多不少,所以这项运动非常昂贵。

3. 结构优化

为了配合运动件的减重,很多零件都做了极致的“瘦身”,达到减小惯量的目的。但是在更单薄的外观下,如何保证原有的强度,除了材料更新之外,还少不了结构优化的功劳。

F1发动机设计和改进,大量应用有限元仿真软件,对每一处的应力值都做模拟和测试比对,寻找每个零件的“多余脂肪”,并在关键地方用足材料。这种类似“打磨”的精益化结构设计,是在民用产品开发上相当罕见的。所以说,服务于F1核心部件开发的技术工作者,在民用汽车领域是可以随便横着走的。同时,高度技术投入,加上时间和资源的巨大消耗,也为这项运动赋予了独特的科技魅力。

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图:连杆的应力分析色图

4. 特殊的“冲程-缸径比”

冲程和缸径是什么,我相信,凡是关注发动机的诺粉都知道,但“冲程-缸径比”这个概念,不见得人人都知道它的意义。(技研部吴部长正在写文章,聊第三代EA888的超级爆震,会对这个概念详细讲解。原谅我抢先一步,给大家先扫盲一下吧!)

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图:冲程和缸径示意图

民用发动机,处于对热传导、火焰传播和爆震抑制难度的考虑,这个比值一般在0.8~1.2(两者接近的情况居多),这样还会获得更好的燃油经济性。而F1发动机尤其在意动力,这是获胜的关键参数之一,所以选择了0.4~0.6(即冲程偏短),牺牲一些经济性是在所不辞的。此外,作为爆震、敲缸等负面影响,都可以通过爆震管理和赛事专用汽油(高辛烷值)来解决。

自2014年,国际汽联将汽油总消耗量的限值压低35%至100kg后,燃油经济性,也开始被各车队重视起来。

5. 高喷油压力

F1发动机的燃油喷射压力可达500bar(国际汽联如果不设定这个上限的话,还会无法无天),而号称高压直喷的民用发动机才150~200bar。

喷油压力高,带来了更好的雾化效果,更细小的燃料颗粒和完美的油气混合物,燃烧更充分,排放更好。

但是F1提高油轨压力的目的并不是为了降低排放。别忘了,发动机最高转速达15000rpm,那么每个气缸工作循环的时间就相当有限,留给喷油的“窗口”也很窄,如果不能保证一瞬间完成喷油,那么喷油脉宽就会成为提高转速的瓶颈。所以,超高油轨压力,其实是为了不影响提升最大转速的。

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图:高压喷油嘴

【写在最后】

同是1.6T,F1赛车的马力是民用发动机的5倍,而自重只有同排量民用车的一半,这样“大马配小车”的组合,能不吓人么?

要让这么强大的心脏可以充分施展,还需要注入多方面的科技,很多都是民用汽车工程师无法想象的,因此F1赛车也是使用飞机技术最多的陆上行走工具。

诺诺尽其所能,用诺式风格为大家继续科普F1背后的那点事,让大家更了解这项最昂贵的体育运动。

[编辑:亚麦]
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