【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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!)
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。
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]分享
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