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[F1专栏]「鬆油废气Rear Diffuser」禁用影响大


2020-06-09

加拿大站结束后,德国车王Sebastian Vettel在本季前7站比赛拿下5站冠军加上2站亚军,并以60分的差距遥遥领先暂居第2位的Jenson Button。本季还剩下12站比赛,以如此局势发展下去,再过两站之后Sebastian Vettel若能继续保持如此领先幅度、之后的10站他仅需紧追在排名第2位的车手身后完赛、即可稳稳坐上2011年世界冠军宝座。不过影响Red Bull车队夺冠大业的变数在日前浮现,McLaren与Ferrari车手挑战本季世界冠军的希望是否能够延续?取决于FIA科技工作小组 (Technical Working Group,TWG) 能否强制执行F1车队禁用透过先进引擎控制系统而作动的「鬆油废气Rear Diffuser」 (off-throttle blown diffusers) 、并禁止未来以各种形式透过废气强化Rear Diffuser的性能,这可能是最近18个月以来最重要的F1赛车科技转折点!

[F1专栏]「鬆油废气Rear Diffuser」禁用影响大McLaren与Ferrari车手挑战本季世界冠军的希望是否能够延续?取决于FIA科技工作小组 (Technical Working Group,TWG) 能否强制执行F1车队禁用透过先进引擎控制系统而作动的「鬆油废气Rear Diffuser」。
与前翼、尾翼相比,黑嘛嘛的Rear Diffuser很少吸引众人的目光。它是装置于赛车尾翼的下方、F1赛车底盘尾部採用逐渐向上倾斜的设计,能够产生「抽离底盘空气」并造成真空效果。不要小看Rear Diffuser、它製造的下压力佔了F1赛车总下压力超过三分之一以上,甚至远远超过了最容易被车迷识别的前翼。Rear Diffuser逐渐向上延伸的结构所应用的原理则是流体力学的基本定律:白弩利定理。当车身下方的空气流过Diffuser时、因为通过的截面积增大而使流速变慢,此时会造成压力增大的情形 (白弩利定理是一个能量守恆定理,意即流速增大则压力变小、流速变小则压力称大) 。这种现象可以加快车身下方的空气造成「暂时真空」效果 (其实也就是也就是另一种形式的Ground Effect) 。此空力套件的尺寸大小对其空力效率有决定性的影响。在Rear Diffuser发展的全盛时期时它甚至负责製造F1赛车70%以上的下压力!一直到1994年FIA政策急转弯,强制缩短Rear Diffuser的长度之后它的重要性才「稍微降低」,但目前透过此空力装置产生的下压力仍佔F1赛车总下压力的近三分之一。

[F1专栏]「鬆油废气Rear Diffuser」禁用影响大   
为什幺过去30年来F1赛车设计师始终绕着Rear Diffuser的设计打转?参加过赛车活动的人都知道在一场比赛中、胜利的关键取决于「过弯的速度」,因为通常在直线道的表现大家都差不了多少 (如果真的连直线道都输别人、那也别玩了) 、而提升车辆过弯速度的不二法门是增加车辆的抓地力 (Grip Force) 。增加抓地力最完美的情况是加大下压力 (Downforce)却不会增加车辆的阻力 (Drag Force) ,所以拼命加大尾翼的面积是无效的、因为这样也会增大阻力,因此最佳的解决方式仍是提升Rear Diffuser的性能。Rear Diffuser是提供F1赛车所需下压力的无名英雄,这项装置的设计经常被车队视为是最高机密 (新车发表会时经常用布幔覆盖此处) 。车队会利用垂直的隔板将Diffuser分成许多小部分,这可以增加Rear Diffuser真空吸引的效率!

F1车迷如果记性不差,应该对2009年Brawn GP车队依靠备受争议的「双层Rear Diffuser」设计而拿下世界冠军仍有深刻印象。2009年赛季由Brawn GP、Williams和Toyota三支车队推出的双层Rear Diffuser套件在F1车坛掀起波澜,被其他车队视为「钻规则漏洞」而设计明显提高了车辆的空气下压力。由于FIA最终判决此设计合法,到了2009年后半赛季,所有F1赛车都搭载了双层Rear Diffuser套件。F1车队使用了两种设计:一种是通过在车辆底板上增加气流流通口以将车底的气流导入车尾的Diffuser,这种设计的代表车型是Williams FW31赛车。第二种是将车侧的气流导入Diffuser,这类设计的代表车型是BGP001赛车。根据空力设计师的估计,2009年配备双层Diffuser的赛车下压力其实已经超过了2008年的水準。但此设计的出现导致FIA苦心移除的车辆附加小翼,减小尾翼面积等措施以让赛车空气下压力减少30%的规则设计实际上没有效果,最终「双层Rear Diffuser」在2010年赛季结束后遭到禁用,F1赛车工程师只能保脑筋动到其他方向,「exhaust-blown diffuser」排气系统 (又被称为「hot blown diffuser」热吹扩散器) 被视为前述问题的答案。

[F1专栏]「鬆油废气Rear Diffuser」禁用影响大从2012年赛季开始,FIA计画通过修改排气管使用规则彻底禁止车队使用「exhaust-blown diffuser」排气系统,未来可能透过规定强制F1车队再次使用「潜望镜式」的排气管设计。
事实上类似Red Bull RB6赛车上搭载的「exhaust-blown diffuser」排气系统,利用引擎废气提升Rear Diffuser工作效率的设计过去也曾在F1历史上出现,但也有技术上的使用限制。此部分设计最头疼的地方在于此处也是后悬吊及排气管配置的部分。如果设计失当、排气管产生的高热废气会严重影响Rear Diffuser的效果 (车手会发现踩油门及收油的时候车辆操控会不平衡) ,过去多数F1车队都使用「潜望镜式」的排气管、将高温废气从Diffuser的上方排出就是为了减少高温引擎废气对Rear Diffuser空力效率的影响。但随着F1赛车引擎从3.0公升排量V10引擎缩小至2.4公升排量V8引擎,引擎废气温度对Rear Diffuser性能的影响也大幅降低,这是Adrian Newey全力研发「exhaust-blown diffuser」排气系统的背后原因,由于RB6赛车的性能非常优异,其他F1竞争对手也从去年中开始仿效、并在2011年赛车研发过程中将这项设计视为重点。

为了更进一步提升「exhaust-blown diffuser」排气系统的性能,Red Bull车队又推出了透过先进引擎控制系统而作动的「鬆油废气Rear Diffuser」 (off-throttle blown diffusers) 。这项装置透过改写引擎控制ECU的功能,在车手在鬆开油门踏板的极短时间内让油门控制阀依旧处于开启状态继续供油并延迟点火。这可让F1赛车在进弯前、也就是车手在鬆开油门踏板的同时确保排气管向Rear Diffuser吹入足够的废气,进而保证在弯道内的下压力亦处于峰值,过去车手发现踩油门及收油的时候车辆操控会不平衡的问题因此获得解决。这项设计终于触发了FIA的底线:FIA科技工作小组 (Technical Working Group、TWG) 认为「鬆油废气Rear Diffuser」大量使用电脑控制功能,让油门踏板已不再只是扮演着控制动力和扭力输出的角色、而变成了空气动力装置的一部分 (而且不是由车手手动控制) 。

由电脑控制车辆驾驶、而非车手手动控制赛车关键功能一直以来都受到FIA的强力打压。1980年代后期至90年代初期是各式各样高科技进入F1比赛的高峰期,当时新上任的FIA主席Mosley一度曾鼓励各车队使用这些装置。以1993年车手Alain Prost那辆替他拿下第四座世界冠军的FW15赛车 (Williams车队) 来作为範例,7年前 (80年代中期) 利用风洞进行车身的初期设计已经是所有车队的基本程序、再加上利用高速电脑进行的Computational Fluid Dynamic运算,如此可以精确地预测出流经车身附近任何一处的空气性质。车身内则装置了ABS (防锁死煞车系统,使煞车锁死轮胎的机会降到最低) 、TCS (寻迹控制系统,防止后轮发生Spin的现象、使车辆能在弯道中展现100%的加速性能) 与Active Ride System (主动悬吊系统 ,让车辆在任何时刻都可以保持与地面相同的高度、这可以发挥最佳的空力性能) 这三大系统,更不要提全自动的变速箱与可程式化的辅助煞车系统!此时一位车手与一位电脑操作员已经没有太大的差别。从1994年开始、FIA规定各车队必须在赛季开始前缴交ECU控制装置的原始程式码给FIA科技工作小组审核。过去FIA曾两度禁用TCS循迹控制系统 (Traction Control) ,许多队伍就暗地使用控制引擎与油门的Engine Mapping系统做出类似TCS的效果,例如只要前后轮速度不一样的时候就自动断油之类的功能就是处在违法与合法之间的灰色地带,但此设计最终也遭到禁用。

F1科技工作小组 (TWG) 针对「鬆油废气Rear Diffuser」议题召开专项会议,Red Bull车队的态度是希望FIA能够对相关实施细节作出澄清。这项应用的首创者Red Bull车队被认为「鬆油废气Rear Diffuser」设计的最大受益者,不论是RB6或RB7赛车在赛道内的速度都遥遥领先其他对手,如果此设计被禁用、RB7赛车受到的影响也可能最大。根据FIA科技工作小组的规划,从英国站开始,当车手鬆开油门踏板时,Engine Mapping系统控制的油门的加开量不能高于10%。而从2012年赛季开始,FIA计画通过修改排气管使用规则彻底禁止车队使用「exhaust-blown diffuser」排气系统,未来可能透过规定强制F1车队再次使用「潜望镜式」的排气管设计。

[F1专栏]「鬆油废气Rear Diffuser」禁用影响大新规定从英国站开始实施后,红军能否大幅拉近与Red Bull车队的性能差距?让我们拭目以待。
如果说Red Bull车队是F1科技工作小组新规定的最大输家,那Ferrari车队可能是这项规定的最大赢家。Ferrari车队领队Stefano Domenicali甚至认为随着「鬆油废气Rear Diffuser」颁布使用上限,2011年世界冠军的竞争格局有可能重新洗牌。2011年赛季7站比赛结束后,目前Ferrari车队在车队积分榜上排名第3位,但落后榜首的Red Bull车队达到154分之多,不包含巴林站,今年F1赛季只剩下12站比赛。西班牙站正式比赛中F150°Italia赛车竞争力不足无法与Red Bull及McLaren赛车正面对抗,西班牙车王Fernando Alonso在苦撑20圈后名次一路下滑,最终仅以第5位完赛而且十分尴尬的被Sebastian Vettel套圈。F150°Italia赛车是以F10赛车的基础进行改良,后悬吊系统则因为「双层Rear Diffuser」与「exhaust-blown diffuser」排气系统 (利用引擎废气提升Rear Diffuser工作效率的设计) 的禁用而重新设计,不过与先前外界预期Ferrari车队可能沿用RB6赛车的「拉桿式」设计不同,新赛车仍使用「推桿式」设计,这也大幅影响了「鬆油废气Rear Diffuser」系统的性能。新规定从英国站开始实施后,红军能否大幅拉近与Red Bull车队的性能差距?让我们拭目以待。


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