F1動力揭秘

MICHAEL+WHITELEY

2014賽季的F1賽車有了新的引擎和新的混合動力技術(shù)，但當(dāng)車手們踩下油門的那一刻，究竟會發(fā)生什么？讓我們來揭秘吧……

新賽季的F1即將揭幕，第一場比賽于3月中旬在澳大利亞的墨爾本擰響引擎。我們有很多期待，特別是關(guān)于國際汽聯(lián)（FIA）強制通過的那些備受關(guān)注的規(guī)則變化，今年將帶來什么樣的比賽？渦輪增壓引擎正在回歸，KERS（能量回收系統(tǒng)）變得更加強大，甚至出現(xiàn)了新的能量回收方法。

2014年，這些改變?nèi)绾斡绊慒1賽車動力的傳遞？我們將會去探察，通過復(fù)雜的、系統(tǒng)的插圖，去仔細的探究當(dāng)車手的右腳踩下油門的一瞬間會發(fā)生什么，這一刻將會有多大的力量噴射到柏油賽道上。

為了那些想更深入了解F1賽車的人，我們甚至獲得了一些公式，來幫助解釋參與其中各種要素的關(guān)系。如果你在學(xué)校時沒有好好學(xué)習(xí)物理課，也不用緊張——這些公式不是必選課。

踩下油門

如今，方向盤和剎車是F1賽車中惟一的機械控制系統(tǒng)。當(dāng)油門踏板被踩下，一個十分靈敏的駕駛操作系統(tǒng)根據(jù)油門踏板的位置和發(fā)動機轉(zhuǎn)速（來自行車電腦）、利用預(yù)先確定的策略來理解車手的意圖。

一個連接到節(jié)流閥上的位置控制器決定著節(jié)氣門打開的程度，它允許空氣進入發(fā)動機。這些空氣進入進氣歧管后通過節(jié)氣門進入氣缸。

引擎

2014年，F(xiàn)1賽車使用的是1.6升渦輪增壓V6發(fā)動機，而不是之前的2.4升自然吸氣V8引擎。這些V6的發(fā)動機依然是四沖程，每個活塞的工作通過4個階段，這就是我們比較熟悉的：吸氣、壓縮、點火、排氣。

這四個階段具體過程是：

吸氣：活塞從上止點移動到下止點，空氣通過節(jié)氣門被吸入氣缸，此時燃料直接噴入氣缸內(nèi)。

壓縮：節(jié)氣門關(guān)閉后，活塞向上移動壓縮空氣與燃料的混合物。

點火：火花點燃壓縮后的油氣混合物，燃燒產(chǎn)生的能量推動活塞向下運動并帶動曲軸旋轉(zhuǎn)。

排氣：燃燒過程產(chǎn)生的氣體隨著活塞的往復(fù)運動通過排氣閥排出。

這個過程持續(xù)運轉(zhuǎn)，可以使曲軸轉(zhuǎn)速達到15000rpm，提供源源不斷的能盈。

渦輪增壓

在四沖程的最后階段，使用渦輪增壓器的發(fā)動機，獲得了一個提升輸出功率的機會。從1988年起我們在F1中就看不到增壓器了，在那之后它們一直被禁止使用。

現(xiàn)在，增壓發(fā)動機被重新引入，通過向引擎里壓進更多的空氣（因此更節(jié)省燃料），以彌補瘦身了的發(fā)動機，大大提升了發(fā)動機的容積效率。

排出尾氣中的殘余熱量，驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)，剩余的廢氣從渦輪另一側(cè)排出（見下頁插圖）。進氣系統(tǒng)的側(cè)面連接著制冷壓縮機，這會使更多的空氣進入發(fā)動機的進氣歧管，在限定排量的情況下獲取更多能量。由于渦輪在125000轉(zhuǎn)/分鐘的速度下運轉(zhuǎn)，如果不受控制，渦輪增壓器就會“增壓”并迫使過多空氣進入發(fā)動機，因此，現(xiàn)代的渦輪增壓器采用了廢氣閥來轉(zhuǎn)移渦輪葉片排出的氣體。

能量節(jié)約

最新的F1動力單元的套簡上有一個非常高明的設(shè)計系統(tǒng)，用來收集通常被浪費掉的能量。一個新的被稱為MGU-H（Motor Generator Unit-Heat）的裝置，收集從渦輪增壓器中排出的廢氣熱量，并把它們轉(zhuǎn)換成電能，這些電能或者被儲存在電池中，或者被直接用來驅(qū)動底盤上的電動機。這個系統(tǒng)是如此的巧妙，它還可以反向運轉(zhuǎn)，利用存儲的電能驅(qū)動渦輪在（發(fā)動機）低轉(zhuǎn)速時旋轉(zhuǎn)，消除渦輪的滯后帶來的影響。大的渦輪有著大的滯后性，發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速下排出的氣體并不足以帶動渦輪旋轉(zhuǎn)。消除這種滯后會使引擎更像是V8引擎，在低扭矩下也有線性的動力輸出。

電池動力

在上一賽季，電力可以來源于同一類型的混合動力系統(tǒng)。今年，名字已經(jīng)從KERS改為MGU-K（Motor Generator Unit-Kinetic），即使有了較高的容量，但還是在同樣的方式下運轉(zhuǎn)。簡單說，這個裝置與發(fā)動機的曲軸相連，既可以在制動的時候吸收能量，又可以增加輸出功率（在2014年規(guī)則下，可達120kW/160bhp）。制動時，這個裝置是個發(fā)電機，減輕制動帶來的負荷，并向電池組補充能量。加速時，這個裝置是車輛惟一的動力（在維修區(qū)）或者增加輸出功率（在賽道中）。

傳動

旋轉(zhuǎn)的曲軸把動力輸送到不需要離合器的8速序列式變速器，賽車行駛中變換擋位就不需要離合器了。差速器傳輸扭矩并把來自發(fā)動機的動力分配給連接在輪子上的兩根傳動軸上，限滑差速器多種多樣，都能鎖定內(nèi)側(cè)輪胎以防止空轉(zhuǎn)。當(dāng)賽車在拐彎時，差速器的這種特質(zhì)可以通過電動液壓控制系統(tǒng)做出改變來準確引導(dǎo)賽車前進。201 4年的規(guī)則允許使用這種系統(tǒng)，只要每場比賽有固定不變的設(shè)定。

輪胎

輪胎的功能是傳遞扭矩和提供最大的抓地力，還有盡可能長的工作壽命（除非爆胎）。這涉及到基本的滾動阻力的理論。

滾動阻力主要來自兩個過程：接觸地面的輪胎因滾動、變形會導(dǎo)致大概90%損耗，其次是克服路面的摩擦力。這受正常的負荷、輪胎氣壓、溫度、承受的扭矩、車速、路面狀況等支配。

結(jié)論

正如你所見，從車手踩下油門踏板那一刻，眾多復(fù)雜的系統(tǒng)就相互影響，為沖向賽道的賽車輸送動力。有些系統(tǒng)會應(yīng)用到未來的公路車輛中（見下面小文字）。所以，當(dāng)你下次觀看F1的時候，花上幾分鐘去欣賞一下這些車輛背后最新的科學(xué)成果。也許你不知道，你早就使用著像它們一樣的高科技了，而你還沒有意識到。endprint