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[F1专栏]从下一代F1引擎看民用车引擎趋势


2020-06-09

随着2013年赛季的开始,F1车迷们将迎来V8引擎的最后一个赛季,并準备重新回到「涡轮增压」的年代。在石油资源可能逐渐枯竭的议题发酵下,节能、环保成为近年来发烧的话题,这股浪潮除了在各车厂间延烧之外,也蔓延到了赛车运动之上。不论是方程式赛车的顶级赛事Formula 1 (一级方程式赛事) 还是WRC (世界越野拉力锦标赛) 、或是耐久赛事的年度盛会Le Mans 24小时耐久赛。

下一代F1引擎揭开面纱

几大F1引擎供应商在近期逐渐开始释出V6涡轮引擎的相关讯息,身为最近几个赛季表现最出色的引擎供应商之一,Mercedes-Benz于日前发表了将于2014年赛季正式上场的1.6升的单涡轮增压V6引擎,也让外界能一窥未来F1赛车的动力心脏细节。

[F1专栏]从下一代F1引擎看民用车引擎趋势随着2013年赛季的开始,F1车迷们将迎来V8引擎的最后一个赛季,并準备重新回到「涡轮增压」的年代。
赛车活动起源于1894年,但是一直到1900年为止,对所有参赛的车辆是没有任限制的。这表示你只要「开着一台车来比赛」就行了!(唯一的分类是使用汽油或蒸气引擎)。一直到1904年现今FIA的前身组织在法国成立,为了车辆製造商的方便、车手及观众的安全种种理由,他们开始试着对参赛车辆加以限制及分类,而引擎排气量与形式(汽缸排列方式、强制吸气与否等)一直是「方程式」规定的核心。

引擎一向有「赛车的心脏」这样的称号,在最顶级的F1赛事自然更加重要。2002年赛季各车队F1赛车使用的引擎出力大约在800-840匹马力上下、最高转速则是在18,000-19,000转之间,一具引擎的重量大约在95到110公斤。耗油则根据比赛状况与场地有所不同,过去F1引擎内的曲轴每分钟旋转超过1万8000次,8具汽缸内活塞每秒钟的位移超过25公尺!产生如此高马力及扭力的动力心脏还需要优秀的变速系统配合。相较之下,市售车如搭载上一代直6引擎的BMW M3车型极限转速为8,000转、与F1赛车仍有10,000转的转速差距。

F1赛事被称为汽车运动的代表,高耗油量(每100公里耗油将近50公升)却一直遭到环保人士的抨击。FIA不但是全球赛车运动的主管团体,也积极参与民用汽车工业的相关计画(例如车辆碰撞安全测试等等)。最近几年为适应节能环保的社会大趋势,前后两任FIA主席持续推动F1赛车引擎的节能化脚步。从2006年赛季开始,F1赛车的动力心脏从过去的3.0升排量V10引擎改为今日的2.4升V8引擎,就在多数F1车队仍在替2010年赛车进行第一次升级的时刻,F1车队科技总监就开始讨论2014年的F1比赛用引擎规格。

而以1.6升V6涡轮增压引擎来取代目前的2.4升自然进气V8引擎、「排量缩小化、效率增大化」的走向也符合整个汽车产业的发展趋势。类似的发展方向同属FIA管辖的WRC赛事中出现,该赛事在2011年赛季同样出现了近年来最大幅度的赛例更动,其中最主要的更动在于WRC赛事中最顶级的组别WRCar (World Rally Car) :从2011年赛季开始,WRCar组别援引Super 2000 (S2000) 的引擎科技规则将引擎最大排气量下修至1.6升,使得WRCar组别车辆所搭载的引擎由原先的2.0升涡轮增压引擎缩减为1.6升涡轮增压引擎。

下一代F1引擎同时兼顾性能与节能效果

面对近年来F1赛车动力心脏最大的变动,包括Mercedes、Renault、Ferrari等引擎供应商早已开始研发工作。V8引擎从2006年赛季开始取代先前的V10引擎,从明年开始将启用汽缸数更少的V6引擎来取代V8引擎。但其实早在1980年代F1赛事就曾平行使用过V6引擎及涡轮增压技术,而这一次再次採用V6引擎实际上是汽车工业的大势所趋。V6涡轮引擎的转速上限将从当前的18,000转降至15,000转,涡轮转速则限制在125,000转,下一代F1引擎将採用燃油直喷技术,最大喷射压力为500 Bar。与目前的引擎类似,新引擎还会导入能量回收系统ERS,目前的动能回收系统KERS是通过一套发电机/电动机系统回收后轴的煞车能量,而2014年除了KERS系统之外、还增加了另一套发电机与涡轮和热交换器相连以回收热能!

[F1专栏]从下一代F1引擎看民用车引擎趋势其实早在1980年代F1赛事就曾平行使用过V6引擎及涡轮增压技术,当时Porsche车厂还提供V6涡轮增压引擎供McLaren车队使用。
让人兴奋的是若当前的KERS系统,F1车手每圈只能获得持续7秒约80匹马力的额外动力输出,而使用未来的ERS系统,F1车手每圈可以获得持续长达33秒、功率高达161匹马力的额外动力输出。新ERS系统的输出能量相当于当前KERS系统的10倍,通过后轴回收的能量是当前的5倍。整合1.6升的单涡轮增压引擎与强大的ERS系统,2014年赛季F1引擎的总功率输出将和目前的V8引擎相当 (保持在750匹马力) 但扭力输出会更大、这意味着赛车将拥有更好的出弯加速度,当然也同时意味着后轮面临着更大的压力 (也考验车队与车手的轮胎管理能力) 。

[F1专栏]从下一代F1引擎看民用车引擎趋势下一代F1引擎更强调其燃油效率的提升!新ERS系统的导入意味着将提高引擎的燃烧效率:F1引擎当前的燃烧效率约为30% (与道路民用车相当)、而2014年的目标是提高到40%。
除了功率输出之外,下一代F1引擎更强调其燃油效率的提升!新ERS系统的导入意味着将提高引擎的燃烧效率:F1引擎当前的燃烧效率约为30% (与道路民用车相当) 、而2014年的目标是提高到40%。关于2014年赛季的引擎效率FIA有强制性规定:包括要求引擎在极限状况下每小时的燃油流量不得超过100公斤;当转速低于8,500转时每小时的燃油流量不能超过73公斤。现行规则下F1赛车在比赛开始时,其油箱内的燃油为150公斤、而前述数字在2014年将下降至约100K公斤。这代表F1工程师必须让新一代F1引擎的燃油效率比目前的引擎提高30%并保持相同的动力输出。而引擎寿命也必须提升:从2014年赛季开始,每位F1车手每个赛季只能使用5具引擎 (目前是8具),引擎使用寿命要求将从目前的2,000公里增加到4,000公里,这对引擎可靠度来说是更加严峻的挑战。

[F1专栏]从下一代F1引擎看民用车引擎趋势2014年赛季F1引擎的总功率输出将和目前的V8引擎相当 (保持在750匹马力) 但扭力输出会更大、这意味着赛车将拥有更好的出弯加速度,当然也同时意味着后轮面临着更大的压力 (也考验车队与车手的轮胎管理能力) 。
Mercedes高性能引擎部常务董事Andy Cowell对下一代F1引擎的评价很高「下一代引擎将让F1赛事进入另一层次,尤其能帮助有头脑的车手更有竞争优势、还能大幅节约燃料。另外下一代引擎能提供更大的扭力,这意味着车手出弯时的车辆控制力更高,这点特色让我们很欣喜。而让F1赛事回到科技研发的平台,我相信这也是许多车迷所乐意见到的」。而对于外界担心下一代V6涡轮增压引擎的声浪明显不如V8引擎,Andy Cowell透露从他在引擎测试平台的经验,新引擎的声浪还是非常美妙:「新引擎的声音将会很大,但是我认为那是一种美妙的音乐。频率将会很高,加上涡轮的转速达到125,000转,所以其分贝相当高,在引擎测试平台旁边你必须得戴上耳塞」。

[F1专栏]从下一代F1引擎看民用车引擎趋势   
F1引擎发展方向与民用车引擎趋向一致

超过100美元/桶的燃料价格颠覆了汽车产业,引擎小型化的需求刻不容缓。全球车厂虽然投入大量资源在新能源动力系统,但同时也同意内燃式引擎在未来20年都不会消失。在涡轮增压与整合进气系统的持续进步下,当今1.4-1.6升的小排量涡轮引擎可提供过去1.8升引擎不相上下的动力,但能源使用效率却更高,看来汽车引擎「迷你化」的大方向势不可改。

[F1专栏]从下一代F1引擎看民用车引擎趋势从2014年赛季开始,每位F1车手每个赛季只能使用5具引擎 (目前是8具),引擎使用寿命要求将从目前的2,000公里增加到4,000公里,这对引擎可靠度来说是更加严峻的挑战。
引擎增压的主要目的从过去的「提升性能与驾驶乐趣」转变为「满足日常驾驶所需」,其使用模式也大幅改变。与机械式增压器相比较,涡轮增压器仅在需要增压时才开始工作,因此涡轮增压引擎的节能表现较佳。而机械式增压器始终处于工作状态 (不论转速高低),因此也始终在消耗能源。透过最新的电子控制涡轮增压技术,涡轮增压引擎的油门反应与带机械增压引擎几乎没有差异。在双涡轮直六引擎取得非凡成功后,BMW车厂正在全力研发直列四缸、1.6升排量的涡轮增压汽油引擎,未来BMW DTM赛车的动力心脏有望以这具引擎作为基础进行改良。涡轮增压器取代机械增压器、成为汽车製造商的新宠,其背后原因并不是增压技术的优劣所致、而是涡轮增压技术更适合销量更高的小排量四缸引擎在城市的用车需求。

[F1专栏]从下一代F1引擎看民用车引擎趋势随着F1引擎发展方向与民用车引擎趋向一致,未来消费者将有更大的机会享受到F1引擎工程师们的研发成果!
我们以过去在Mercedes C200及E200车型使用的机械增压引擎和目前全面更换的涡轮增压引擎来对比。过去Mercedes C200K车型内的1.8升机械增压引擎输出最大扭力的转速区间在2,800至5,000转,反观换用了1.8升涡轮增压引擎之后,输出最大扭力转速区间下降至1,800至4,600转,这明显增加了城市用车最需要的低转速扭力加速性能。从上面的对比我们可以发现:涡轮增压器取代机械增压器、成为汽车製造商的新宠,其背后原因并不是增压技术的优劣所致、而是涡轮增压技术更适合销量更高的小排量四缸引擎在城市的用车需求。机械增压在某些场合下仍有其不可取代性:如大排量、大扭力的性能车款。随着F1引擎发展方向与民用车引擎趋向一致,未来消费者将有更大的机会享受到F1引擎工程师们的研发成果!


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