【寫在前面】

F1的一大魅力，就在于它所應(yīng)用的各種技術(shù)，無不代表當(dāng)今汽車科技的頂尖水平。隨著2016年F1賽事(上海站)的臨近，諾諾提筆寫點跟F1相關(guān)的科普知識，作為諾粉們的茶余飯后聊資吧。

賽車給人的第一印象就是：快!的確，F(xiàn)1加速到100km/h只需2秒多，成績?nèi)绱梭@人!那么第一集，諾諾就來聊聊F1的發(fā)動機為什么那么NB吧。

【F1發(fā)動機動力對比】

F1賽車的發(fā)動機，從上世紀40年代起，變換了7、8個版本。目前使用在F1賽車上的是1.6升渦輪增壓發(fā)動機。

圖：雷諾F1車隊的1.6T發(fā)動機

1.6T這個排量，大家并不陌生，細數(shù)各大汽車廠商，可以找得出好不少正在服役的1.6T發(fā)動機。

圖： 常見1.6T發(fā)動機動力參數(shù)

看了這張圖，你可能覺得內(nèi)燃機技術(shù)差不多到了天花板了，各大廠家使出渾身解數(shù)，水平也不過如此接近。但當(dāng)我把F1發(fā)動機的參數(shù)放進來對比后，大家就不這么認為了。

圖：民用1.6T發(fā)動機和F1參數(shù)對比

功率竟然可以相差四、五倍!?現(xiàn)在是不是覺得民用發(fā)動機還有很大的提升空間，只不過暫時被工程師們“藏起來”了?

好啦，我們就來看看F1發(fā)動機吃了什么靈丹妙藥，馬力可以如此突破極限吧!

【為什么F1發(fā)動機這么厲害】

這是一個很大的話題，涉及到發(fā)動機的工作原理、開發(fā)、設(shè)計和測試，一點一點深入的話，會很繁瑣。諾諾專門為大家整理了幾條便于消化的“大方向”，深入淺出地做個說明。

1. 超高轉(zhuǎn)速

首要原因就是轉(zhuǎn)速高!

看看功率的計算公式：

P=πNT/30 (N=轉(zhuǎn)速，T=扭矩)

那么相同扭矩輸出下，轉(zhuǎn)速調(diào)校得越高，功率就越大咯!

民用汽油發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速通常為6500~7000rpm，平時大家舍得用到3000rpm就不錯了;而F1發(fā)動機的最高轉(zhuǎn)速可達20,000rpm(2014年，國際汽聯(lián)把最高轉(zhuǎn)速限定為15,000rpm)。這么高的轉(zhuǎn)速，功率能不大么?

好多車迷不知道F1的怠速是多少，這個的確因各個車隊調(diào)校而異，有五六千轉(zhuǎn)的，也有七八千轉(zhuǎn)的，寶馬車隊的4000rpm已經(jīng)算低的了，這個數(shù)據(jù)也同樣嚇人哈。

2. 超輕量化零件

想要做到那么高的轉(zhuǎn)速，沒有金剛鉆可不行。

因為活塞在氣缸里做往復(fù)運動，運動方向不斷在變化，因此就有慣性力一說。F1發(fā)動機在最大轉(zhuǎn)速下，活塞的運動加速度接近9000g，也就是說活塞承受的慣性力是自重的9000倍!此時，工程師必須考慮如何把活塞等運動件做得更輕盈，來減少慣性力。

圖：常規(guī)活塞和F1活塞對比圖

拿活塞舉例，民用發(fā)動機的鋁制活塞重量大約500g，而F1的活塞一般在200g左右，而且還得輸出更大的力矩，承受更多的應(yīng)力，這就是材料和設(shè)計上的差距!

此外，如曲軸、連桿、凸輪軸、氣門這些部件都得進行變態(tài)級別的輕量化設(shè)計，在更輕的重量下，達到更高的強度，說白了就是堆錢硬上，一個賽季只允許車隊準備5臺發(fā)動機，但是研發(fā)、測試的難度，跟年產(chǎn)50萬臺的民用發(fā)動機相比，只多不少，所以這項運動非常昂貴。

3. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了配合運動件的減重，很多零件都做了極致的“瘦身”，達到減小慣量的目的。但是在更單薄的外觀下，如何保證原有的強度，除了材料更新之外，還少不了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的功勞。

F1發(fā)動機設(shè)計和改進，大量應(yīng)用有限元仿真軟件，對每一處的應(yīng)力值都做模擬和測試比對，尋找每個零件的“多余脂肪”，并在關(guān)鍵地方用足材料。這種類似“打磨”的精益化結(jié)構(gòu)設(shè)計，是在民用產(chǎn)品開發(fā)上相當(dāng)罕見的。所以說，服務(wù)于F1核心部件開發(fā)的技術(shù)工作者，在民用汽車領(lǐng)域是可以隨便橫著走的。同時，高度技術(shù)投入，加上時間和資源的巨大消耗，也為這項運動賦予了獨特的科技魅力。

圖：連桿的應(yīng)力分析色圖

4. 特殊的“沖程-缸徑比”

沖程和缸徑是什么，我相信，凡是關(guān)注發(fā)動機的諾粉都知道，但“沖程-缸徑比”這個概念，不見得人人都知道它的意義。(技研部吳部長正在寫文章，聊第三代EA888的超級爆震，會對這個概念詳細講解。原諒我搶先一步，給大家先掃盲一下吧!)

圖：沖程和缸徑示意圖

民用發(fā)動機，處于對熱傳導(dǎo)、火焰?zhèn)鞑ズ捅鹨种齐y度的考慮，這個比值一般在0.8~1.2(兩者接近的情況居多)，這樣還會獲得更好的燃油經(jīng)濟性。而F1發(fā)動機尤其在意動力，這是獲勝的關(guān)鍵參數(shù)之一，所以選擇了0.4~0.6(即沖程偏短)，犧牲一些經(jīng)濟性是在所不辭的。此外，作為爆震、敲缸等負面影響，都可以通過爆震管理和賽事專用汽油(高辛烷值)來解決。

自2014年，國際汽聯(lián)將汽油總消耗量的限值壓低35%至100kg后，燃油經(jīng)濟性，也開始被各車隊重視起來。

5. 高噴油壓力

F1發(fā)動機的燃油噴射壓力可達500bar(國際汽聯(lián)如果不設(shè)定這個上限的話，還會無法無天)，而號稱高壓直噴的民用發(fā)動機才150~200bar。

噴油壓力高，帶來了更好的霧化效果，更細小的燃料顆粒和完美的油氣混合物，燃燒更充分，排放更好。

但是F1提高油軌壓力的目的并不是為了降低排放。別忘了，發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速達15000rpm，那么每個氣缸工作循環(huán)的時間就相當(dāng)有限，留給噴油的“窗口”也很窄，如果不能保證一瞬間完成噴油，那么噴油脈寬就會成為提高轉(zhuǎn)速的瓶頸。所以，超高油軌壓力，其實是為了不影響提升最大轉(zhuǎn)速的。

圖：高壓噴油嘴

【寫在最后】

同是1.6T，F(xiàn)1賽車的馬力是民用發(fā)動機的5倍，而自重只有同排量民用車的一半，這樣“大馬配小車”的組合，能不嚇人么?

要讓這么強大的心臟可以充分施展，還需要注入多方面的科技，很多都是民用汽車工程師無法想象的，因此F1賽車也是使用飛機技術(shù)最多的陸上行走工具。

諾諾盡其所能，用諾式風(fēng)格為大家繼續(xù)科普F1背后的那點事，讓大家更了解這項最昂貴的體育運動。