F1赛车发动机仅为1.6T,为何马⼒达到了千匹?F1⽐赛相信很多朋友都看过,⽆论是很多年前所使⽤的2.4L⾃吸V8、亦或者是现如今采⽤的
1.6T涡轮增压V6发动机,都可以释放出强⼤的动⼒,如
v6发动机2.4L V8发动机的功率可以达到1000
匹,⽽新规则下的1.6T V6发动机依然可以做到750匹(混合动⼒单元),那么为何F1引擎的排
量那么⼩,却能释放那么强⼤的动⼒?
什么是功率(马⼒)?实际上功率就是在单位时间内、做功的多少,也就是说在单位时间内做
功越多、功率也⾃然越⾼!对于内燃机⽽⾔可以简单的理解为单位时间内循环次数越多、每循
环燃烧的燃料越多,所做的功也就越多(烧油多等于化学能转换的动能更多),但重点是该如
何在单位时间内获得更多的循环、以及该如何让每循环烧更多的燃油?
解决的⽅式就是提⾼转速,只要在单位时间内拥有更⾼的转速、那么就可以完成更多的循环(4
冲机转2圈完成1次循环),那么在单位时间内能燃烧掉的燃油就更多,是不是在单位时间内获
得的功也更多了?那么⾃然功率就可以被提⾼(单位时间内、做的功更多了,所以功率提⾼
了),所以F1动⼒单元的⼀⼤特点就是⾼转速,上世纪80年代转速⼀度接近20000转,06年更
改规则将F1动⼒单元的转速限制在18000转,⽽在14年最终将转速限制在15000转!
即便是出于环保的考量、降低了转速,但F1引擎的15000峰值转速依然不是民⽤领域发动机所能⽐拟的,现如今的民⽤发动机断油转速过8000转的都很少;⽽除了利⽤拉⾼转速增加单位时间内循环次数的⽅式,另⼀种⽅式就是让每⼀个循环都能燃烧更多燃料,这种⽅式同样可以在单位时间内燃烧更多的燃料、获得更多的功,这种⽅式其实就是增压的⽅式、确切说是潜⼒更⼤的涡轮增压!
⽤增压提⾼燃烧室的平均有效压⼒
什么是平均有效压⼒?可能很多朋友对这个词汇不是很理解,实际上平均有效压⼒就是单位⽓缸⼯作容积发出的有效功称为平均有效压⼒(mep)、单位mpa,简单的理解就是在单位体积的燃烧室内、平均有效压⼒越⼤,那么该燃烧室每循环做功越多;那么提⾼平均有效压⼒、就可以提⾼功率了,⽅式就是增压,将更⼤体积的压缩空⽓压⼊燃烧室内、让燃烧室在体积不变的基础上燃烧更多的燃油;
燃烧室容积不变、⽽烧的燃油却多了,那么是不是燃烧室内部的压⼒也增加了?这就是涡轮增压可以提⾼功率的原理(可以这么去理解歧管压⼒、平均有效压⼒、输出扭矩是成正⽐的);现如今F1赛车使⽤1.6T的V6引擎,若想达到750匹左右的马⼒(实际中存在差别、调整,具体动⼒参数不公开),平均有效压⼒需要达到22.05 bar,活塞平均速度达到26.5⽶每秒!
F1引擎的设计特点
若想让发动机峰值转速更⾼、转速攀升得更快,更短的活塞⾏程是重点、只有⾏程更短才更利于转速的拉⾼、迅速攀升,⽽根据⾏程-缸径⽐,可以把发动机分为3类
1.等径发动机:⾏程、缸径⼀致,这样的机器性能均衡,⽐如丰⽥的2jz、本⽥的K20A、斯巴鲁的FA20等等,采⽤这种设计的著名发动机很多!
2.长⾏程发动机:活塞⾏程长度要⼤于缸径长度,因为⾏程更长、所以曲轴承受的负荷也更⼤,转速偏低、转速攀升慢,因为曲轴⼒臂更长、所以扭矩特性好,⼀些越野车、重卡的机器皆如此设计!
3.短⾏程发动机:缸径⼤于⾏程,曲轴⼒臂更短、曲轴承受的负荷也更低,所以更适合拉⾼转速、拥有更快的转速攀升;因为曲轴⼒臂太短、所以扭矩特性差,但因为拥有超⾼的转速、所以峰值功率⾼;⽐如宝马N54发动机、⽇产VQ37HR发动机等,也包括F1的动⼒单元!
F1引擎缸径⼀般为80毫⽶、⾏程却仅有53毫⽶(s/D=0.66);燃油喷射压⼒接近500Bar左右,已经是民⽤发动机的3、4倍;涡轮增压系统的峰值压⼒在3.5-4.0Bar之间,这个压⼒值已经接近民⽤涡轮增压发动机峰值压⼒的3、4倍,常见的民⽤增压发动机压⼒值⼀般在0.8-1.1Bar的范围,⽐较有名的⽐
如凯迪拉克ATSL所⽤的2.0T LTG发动机压⼒值达到了1.3Bar(279匹),⽽F1的1.6T压⼒值却接近了4.0Bar,从⽽使得平均有效压⼒达到了惊⼈的22.05Bar(接前⽂)!
极限的榨取该如何抑制爆震
实际上F1引擎就是最⼤限度的榨取机器的潜⼒、但代价就是牺牲寿命,⼀个赛季就要换4台引擎(过
去换得更多),其实如果把民⽤涡轮增压机、如2.0T,打上4Bar的压⼒同样可以达到1000匹马⼒,只不过机体强度是承受不住的,不断产⽣的爆震也⾜以毁掉发动机;要知道2.0T最强的奔驰M133为了能达到400匹、将压缩⽐降到了8.3,⽽F1引擎的压缩⽐在14以上(2017年最新规则为压缩⽐最⾼不超过18)!
那么如此⾼的压缩⽐、运⾏时超⾼的平均有效压⼒,那么F1引擎是如何抑制爆震的?第⼀点使⽤的是醇基燃料(赛车领域⽤的都是醇基燃料,然⽽很多车友会表⽰醇基燃料没劲?),其次采⽤了湍流喷射点⽕系统;爆震⽆外乎就是点⽕后由于燃烧室压⼒过⼤且温度过⾼,导致部分混合⽓⾃燃;⽽点燃的混合⽓(从上到下)、⾃燃的混合⽓(从下⾄上)来⼀次对冲,也就是爆震了!
常规抑制爆震的⽅式⽆外乎降温、减压、降压缩⽐等等,但这种⽅式不适合F1、平均有效压⼒下降动⼒也受损了,所以F1引擎的湍流喷射点⽕系统就派上了⽤场;既然不可改变⾼温、⾼压的环境,那么只要确保点燃的混合⽓传播速度超过⾃燃混合⽓的传播速度即可;湍流喷射系统会在预燃烧室内将少量混合⽓点燃、再喷射到主燃烧室;若⽕花塞跳⽕单⼀⽕点传播速度慢,那么预燃烧室内喷射出的⽆数⽕点、将迅速传播引燃主燃烧室内所有混合⽓,在⾃燃产⽣前、
确保全部混合⽓被点燃!
总⽽⾔之F1引擎之所以功率超⾼,⽆外乎是于超⾼的转速、超⾼的平均有效压⼒,也符合功率=扭矩*转速这个公式,只要能提⾼输出扭矩、转速,那么两者的乘积功率就⼀定会提⾼;所以F1赛车的1.6T动⼒单元凭借⾼达15000转的转速、增压系统接近4.0bar的峰值压⼒、以及平均有效压⼒22bar,释放出了峰值750匹左右的动⼒,⽽曾经2.4L V8时代转速更是突破了20000转,功率突破千匹是很轻松的!