国际汽联2014年推出的F1赛车动力单元规则当中,一台F1赛车的动力单元包括六种组件:内燃机(ICE)、涡轮(TC)、动能回收单元(MGUK)、热能回收单元(MGU-H)、能量储备(ES)、控制系统(ECU)[1]。 动能回收单元(MGUK)与内燃机的曲轴连接在一起。在赛车手踩下刹车后,这个动能电机作为发电机使用,可以将赛车的动能转化为电能,而在赛车手踩下油门加速的时候,动能电机就变成了电动机,将储存的电能用来加速,把电能转化为动能。MGUK在作用发挥到最大的时候,功率能达到120KW。 热能回收单元(热能电机MGUH)与赛车上的涡轮增压器相连接,主要作用是吸收废气中的热能,并将热能转化为电能。转化的电能一部分存储到电池中,一部分给MGUK使用。由于赛车在进入弯道后需要减速。而驶出弯道后又需要立即加速。会有涡轮迟滞现象,而此时MGUH就可以作为电动机使用,用来消除赛车的涡轮迟滞现象。 另外就是在整个赛季只允许最高使用三套动力单元,超过即处罚。以上国际汽联通过车上安装的传感器及供应商控制等方式得到了严格的执行,大家不用想着作弊。 发动机的功率是指单位时间内发动机所做的功。功率用扭矩计算,公式为:功率(W)=2π×扭矩(N.m)×rpm)/60,即功率(kW)=扭矩(N.m)×转速(rpm))/9549。 提高输出功率最简单直接的方式就是提高转速。F1赛车发动机使用的是典型的短行程高转速发动机,转速可达15000转/分,而普通民用车辆的转速很少能超过6000转/分立即博真人登录钟。 F1赛车发动机拥有比普通引擎更短小的活塞和连杆,缸径一般为80毫米、行程却仅有53毫米(s/D=0.66),最高转速时,活塞的加速力相当于8,500G,因此活塞连杆的烈度必须很强。 转速高,就意味着发动机的喷射压力必须足够大,因为只有足够大的喷射压力,才能够实现每秒钟150次点火的极高频率,一般家用车的燃油喷射压力是150-200bar左右,而F1发动机喷油压力达到500bar。因此F1发动机的油耗也非常高,每100公里需要用掉60公升以上的赛车专用汽油。 F1赛车发动机另一大特色就是压缩比超高达到了16,民用车型压缩比往往在8以下。超高压缩比意味着会有明显的“爆震”现象。 所谓的爆震就是一次正常点燃与混合气自燃的博弈,当火花塞跳火引燃周围混合气逐渐向外传播是需要时间的,如果在火花外传过程中外围混合气由于高温高压导致自燃,那么点燃火花自内向外而自燃火花自外向内产生碰撞,碰撞的结果就是爆震。 F1赛车发动机依赖的是湍流射流点火技术,实现了高达16的压缩比,这背后是非常复杂的控制技术,需要大量的计算流体动力学(CFD)建模来优化燃烧室内的燃烧形态,来实现精准控制[2]。 原理相对简单大概是这样的燃油在喷射到燃烧室前先喷射少量入预燃烧室,在预燃烧室内先进行少量燃油的引燃,之后预燃烧室内已经燃烧的高温混合气流会被推出利用这足够高温的气流(火花)去引燃主燃烧室内更多的燃油; 如果说传统的火花塞跳火只是利用单一火点进行传播,那么这湍流射流技术就是利用预燃烧室内的无数火花进行喷射,所以在火花引燃油气的速度上要更快,换句话说只要抢在混合气自燃之前将其引燃,就可以很好的避免爆震。 以上一番操作下来,F1赛车的发动机的磨损也是非常惊人的,这还是在其应用了大量先进稀有材料的前提下,基本每个赛季都要换上3套动力总成,这还是在国际汽联的严格要求下。 在以上第二部分介绍了F1赛车发动机的复杂性,据了解不考虑研发成本,F1赛车引擎的制造成本也要21万美元,考虑到跑上2000-3000公里就要换引擎,这费用线赛车的点火系统与民用车也是大不相同,它采用的是外部预热油液点火技术,启动引擎时,需要提前把加热到一定温度的油和水注入发动机内,然后再靠一个外部启动器打火。完成一次发动机启动过程,可谓是相当麻烦。 总的说来,F1赛事是在挑战人类工程极限,其在研发比赛过程中积累的经验正不断的在民用车上发挥作用。 |
