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2014年F1新规:涡轮增压发动机详细解释

2014-01-13 13:01
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       2014年将是F1技术的分水岭,新车的每一个方面都将受到新规则的影响,但没有那一部分受到的影响比引擎更大。


       尽管引擎在最近几十年经历了不小的变化,但却从没有规则要求一次进行如此巨大的改变。FIA推进省油而强力的发动机的意愿,以一种转型1.6升涡轮增压发动机的方式实现。这意味着2014年将会由引擎技术主导,甚至在很大程度上由引擎技术决定最终的结果。


       F1的引擎规则在几十年内保持了相对的稳定。从20世纪60年代开始,3升发动机规则先后被涡轮增压、3.5升自然吸气,3.0升自然吸气和最近的2.4升自然吸气取代。除了和涡轮短暂的蜜月时光,以及转向固定技术细节的举动之外,基础引擎从没有变得如此不一样。


       稳定性带来的结果是,自然吸气引擎能够接近20000rpm的转速,产生接近1000马力的功率。当经济形势不好的时候,引擎转向固定技术细节,研发在2006年被冻结。去年使用的2.4升V8引擎能达到18000rpm的转速,产生780马力的输出。由于技术细节和研发冻结,引擎变得极其可靠。结果是由于研发开支的减少、赛季需要建造发动机数量的减少,引擎生产商的开支大减。尽管失去了本田、宝马和丰田,F1还是在13年结束的时候留住了4家引擎制造商。


        一个新的引擎规则已经被讨论了很久。很多因素驱使FIA在今年作出改变,但塑造一个‘绿色’形象或许是最主要的因素。因此新引擎会更小、更高效同时也保持着和13年引擎类似的输出。随着计划计划发展,原来讨论的1.6升四缸发动机被修改成V6,这帮助法拉利和梅赛德斯营销他们的公路车项目,同时也和世界耐力锦标赛的LMP1规则保持高度一致。


       最初发布的时候,2014年技术规则描绘出与现在的V8极为不同的发动机和工作环境:1.6升单涡轮增压,无增压值限制,15000转转速限制和燃油流限制。更进一步的设计限制影响到很多方面,包括每个驾驶员全年只能使用五套发动机等。这些都是涉及面很广的变化,要求一台完全不同的发动机-或者说依规则描述,‘动力单元’-由于更多能量回收系统的引入。


       历史上,F1的引擎制造商在气缸数、V型角度和活塞尺寸等方面有着很大的自由度,只要保持在指定的排量限度内。随着汽车厂商在21世纪初开始争夺竞争优势,技术竞争使得发动机变得体积更小、更轻、转速更高。FIA提出了一个上限,并固定了一系列技术细节,在新规则中这些限制将更加详尽。


       因为发动机设计上的主要方面已经固定,车队将不得不在限制范围内创新。正如已经提到的那样,发动机必须是V6形式,90度夹角,活塞直径必须为80mm,安置位置固定。


       马上这就为引擎制造商带来了挑战。在V10时代就开始使用的巨大的98毫米内径在转向V8的时候仍然被保留,但现在更小的尺寸要求研发全新的测试工作台。更小的活塞也使得燃烧室中气缸的布局更加紧凑,加上更高的燃烧温度,意味着需要研发全新的更小的火花塞。或许更大的挑战在于,现在活塞将会面临更高的温度和更大的压力。发动机油冷却活塞的方式也会是工作中心之一,考虑到对活塞强度的要求更高,很可能铸铁活塞将会取代铝制品回归以保证可靠性。


       规则也限制了整个动力单元必须满足的尺寸要求,限制程度详尽到具体的标准安装位置,理论上认为这能阻止超紧凑发动机的安装、使得车队更换发动机成为可能。


       理论上讲,这回允许车队安装任何一种动力单元到自己的赛车上,新发动机可能会用螺栓固定在底盘与变速箱上,留有足够的余地。但如果换用其他制造商的发动机,可能还会有很多的细节改装需要完成。


        与先行规则一样,发动机的最大重量被限制-尽管是重的多的145kg而不是先行的95Kg-因为加入了ERS硬件的重量。这使得车队寻找更轻的车手,因为他们从底盘中能节约出用来满足最低重量限制、实现重量分配目标的重量是有限的。


       最后,发动机的中心位置也被固定。这阻止了车队烧钱来减轻发动机顶部的重量,降低重心来获取操控优势。


       重心高度比去年的200mm提高了35mm, 但机轴高度的提高吸收了部分新增高度。比旧规格提高32mm的机轴安装位置会带来离合器和变速箱设计上的连锁反应。


       涡轮增压器的回归是这些小巧的发动机能够产生与现在V8相当动力的原因之一。雷诺1977年在F1中引入涡轮,开启了一个崭新的时代,直到1988年涡轮被禁止。在这段时期内,通用的考斯沃斯3升V8发动机和法拉利的水平对置12缸发动机在新的1.5升涡轮发动机面前相形见绌,好的F1发动机过去能产生550马力,但在涡轮增压时期,由于燃油方程式和增压值的自由,他们能压榨出1500马力的输出!


        F1回归涡轮并不意味着80年代高增压喷火机器的复苏。相反,与公路车的发展方向一致,增压值会更低,涡轮延迟会减小,燃油消耗会减轻。


       发动机设计被严格控制:单涡轮,同时在可变几何形状上设置了限制。 它会被安放在赛车的中轴线上,排气系统安放在V型的外面, 像奥迪的勒芒原型车以及法拉利早期的涡轮增压F1发动机那样,将排气安放在V字布局之内的设计将不被允许。


       尽管废气门被允许,但动力总成所有废气必须通过单一排气管排出。由于排气管位置的规定,加上涡轮必须从尾气中获得能量。利用尾气来为空气动力目的吹气会遭到严重的限制。


       除了雷诺早期的F1发动机,中央布置的单一涡轮还从没有在F1中应用过。所以我们习惯于看到涡轮的空气进气像潜水艇排气管一样从侧箱中一样伸出,像一条蛇。


       因为2014年涡轮安放位置在发动机位置稍微靠后,这给空气箱利用现在的防滚架进气道提供了空间,所以在很多方面,明年的赛车和现在差别不大。


       不过这一点不受规则限制,所以车队可能会选择更好的位置安置一根或者两根进气管,唯一的限制是必须至少高于地面20cm,这就为空气动力设计创造了可能性,不必设计单一的大型防滚环,同时可以利用涡轮进气管创造的负压区域。涡轮系统会需要大量的制冷,尽管涡轮自身油冷,但经过涡轮的空气在进入发动机上方的压缩室时也需要冷却,所以我们会看到中冷器占据了一个侧箱的大部分空间。


       车队将会想要最小化涡轮中冷器与压缩室之间的管道长度,以减轻涡轮延迟。幸运的是,总热量输出会比现在的发动机小,因而普通的油冷和水冷器能塞进一个侧箱中,平衡另一个侧箱中涡轮中冷器的影响。


       允许涡轮增压器回归F1,却不规定增压值最初听起来像是一场发展带有巨大动力输出的超级增压发动机的军备竞赛。但F1对其绿色形象的关注,使得这条路径被限制死了。限制的方式就是燃油流限制。


       相当聪明地,FIA引入了一套新奇的即时燃油流上限。这就意味着发动机不能在转速超过10500rpm的时候燃油消耗率超过100千克/小时。


       在更低的转速,燃油流限制与rpm保持相关关系。这实际上意味着在转速超过10500rpm的区间内,动力受制于燃油流限制,所以达到最高转速15000rpm的结果就是会产生更小的动力,因为在这种转速下会产生严重的摩擦。


       发动机在10500rpm下会最有效率,所以或许只有在排位赛和大直道的最后,固定齿比的变速箱会使得发动机越过这一限制。


       促进燃油经济性、缓解燃油流限制对马力负面影响的重要举措是头一次允许燃油直喷技术的出现。之前,发动机使用的间接喷射技术,燃油先从喷射器被喷到进气喇叭上。现在燃油会以更高的压力直接被喷射进燃烧室。规则允许高达500bar的燃油压力,同时与这部分有关的零件由FIA统一制定,来阻止昂贵的高压泵的研发。


       新燃油流限制的最后一部分内容是监视燃油流的传感器。这台超音速设备由Gill传感器公司研制,在监视的同时不会阻碍穿过传感器的燃油。它会接受SECU的监视来保证发动机没有以过高的速率使用燃油。


       大多数F1粉丝对这些新发动机的噪音感到忧虑。小排量,涡轮和低转速与现在的V10/V8时代完全相反,他们担心新发动机会太安静,听起来太平淡。


       记性更好的车迷可能会回忆起80年代,那时的F1发动机排量更小,涡轮更小,转速比2014年发动机更低。我那时在现场,它们绝对不会听起来安静或者无趣。尽管新规则总会有不认同的人,但这些辩论会随着新赛季的开始而销声匿迹。


       另一个关于80年代涡轮增压时代的回忆是退赛车辆损坏的发动机中不断喷出的火焰。我不认为2014年会带来这样的毁灭性大火,但我们在冻结V8时代享受的可靠性是完全史无前例的。


       结果就是车队和车手完全不习惯管理损坏的发动机,或者是处理可靠性带来的冠军争夺中的挫折。今年的冠军或许不是由最快的车拿到,但一定是被一辆可靠的车拿到。


       进一步阻止任何车队遭遇系列发动机问题的规则是每个赛季5台发动机的上限。如果需要额外的动力总成,排位赛处罚就会发生。对某些车队来说,2014年会感到芒刺在背。


       总的来说,有着这么多的限制,新发动机会如何表现呢?我们可以很确定地说纯粹汽油驱动的部分在峰值马力上难以与现在的发动机匹敌。


       然而,有着ERS的帮助,他们就能与现在的发动机匹敌。但圈速并不仅仅与峰值马力有关,驾驶性或者扭矩在某些方面更加重要。


       2013年F1发动机在10000rpm以下只能产生极小的动力,紧接着就是后8000rpm极为宽广的动力区间能产生额外的500马力。


       随着涡轮增加低转速的马力,新发动机在5000转的时候就能产生一半的马力,然后曲线在10000rpm陡升到600以上马力,这时燃油流限制介入,动力有所衰减。


没有ERS系统的介入 (能量回收系统,后续分析会谈到), 基础发动机会产生600匹左右的动力;随着ERS-K功率加倍和 ERS-H的介入, 动力总成会在一圈的大多数时间产生大约800马力的动力,同时还带着巨大的扭矩。


       所有这些都是由1.6升发动机产生,却只需要2013年动力单元三分之二的燃油消耗。从这一点看来,这些动力单元让人印象深刻。


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