F1動(dòng)力揭秘

MICHAEL+WHITELEY

2014賽季的F1賽車有了新的引擎和新的混合動(dòng)力技術(shù)，但當(dāng)車手們踩下油門的那一刻，究竟會(huì)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(qiáng)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(qiáng)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(dòng)力的傳遞？我們將會(huì)去探察，通過復(fù)雜的、系統(tǒng)的插圖，去仔細(xì)的探究當(dāng)車手的右腳踩下油門的一瞬間會(huì)發(fā)生什么，這一刻將會(huì)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(shí)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(jī)械控制系統(tǒng)。當(dāng)油門踏板被踩下，一個(gè)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(dòng)機(jī)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(gè)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(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。這些空氣進(jìn)入進(jìn)氣歧管后通過節(jié)氣門進(jìn)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(dòng)機(jī)，而不是之前的2.4升自然吸氣V8引擎。這些V6的發(fā)動(dòng)機(jī)依然是四沖程，每個(gè)活塞的工作通過4個(gè)階段，這就是我們比較熟悉的：吸氣、壓縮、點(diǎn)火、排氣。

這四個(gè)階段具體過程是：

吸氣：活塞從上止點(diǎn)移動(dòng)到下止點(diǎn)，空氣通過節(jié)氣門被吸入氣缸，此時(shí)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(dòng)壓縮空氣與燃料的混合物。

點(diǎn)火：火花點(diǎn)燃?jí)嚎s后的油氣混合物，燃燒產(chǎn)生的能量推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)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(yùn)動(dòng)通過排氣閥排出。

這個(gè)過程持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，可以使曲軸轉(zhuǎn)速達(dá)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(dòng)機(jī)，獲得了一個(gè)提升輸出功率的機(jī)會(huì)。從1988年起我們?cè)贔1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(dòng)機(jī)被重新引入，通過向引擎里壓進(jìn)更多的空氣（因此更節(jié)省燃料），以彌補(bǔ)瘦身了的發(fā)動(dòng)機(jī)，大大提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的容積效率。

排出尾氣中的殘余熱量，驅(qū)動(dòng)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(jìn)氣系統(tǒng)的側(cè)面連接著制冷壓縮機(jī)，這會(huì)使更多的空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)，如果不受控制，渦輪增壓器就會(huì)“增壓”并迫使過多空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)力單元的套簡上有一個(gè)非常高明的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，用來收集通常被浪費(fèi)掉的能量。一個(gè)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(chǔ)存在電池中，或者被直接用來驅(qū)動(dòng)底盤上的電動(dòng)機(jī)。這個(gè)系統(tǒng)是如此的巧妙，它還可以反向運(yùn)轉(zhuǎn)，利用存儲(chǔ)的電能驅(qū)動(dòng)渦輪在（發(fā)動(dòng)機(jī)）低轉(zhuǎn)速時(shí)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(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速下排出的氣體并不足以帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)。消除這種滯后會(huì)使引擎更像是V8引擎，在低扭矩下也有線性的動(dòng)力輸出。

電池動(dòng)力

在上一賽季，電力可以來源于同一類型的混合動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)。簡單說，這個(gè)裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸相連，既可以在制動(dòng)的時(shí)候吸收能量，又可以增加輸出功率（在2014年規(guī)則下，可達(dá)120kW/160bhp）。制動(dòng)時(shí)，這個(gè)裝置是個(gè)發(fā)電機(jī)，減輕制動(dòng)帶來的負(fù)荷，并向電池組補(bǔ)充能量。加速時(shí)，這個(gè)裝置是車輛惟一的動(dòng)力（在維修區(qū)）或者增加輸出功率（在賽道中）。

傳動(dòng)

旋轉(zhuǎn)的曲軸把動(dòng)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(dòng)機(jī)的動(dòng)力分配給連接在輪子上的兩根傳動(dòng)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(shí)，差速器的這種特質(zhì)可以通過電動(dòng)液壓控制系統(tǒng)做出改變來準(zhǔn)確引導(dǎo)賽車前進(jìn)。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(dòng)阻力的理論。

滾動(dòng)阻力主要來自兩個(gè)過程：接觸地面的輪胎因滾動(dòng)、變形會(huì)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(fù)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(dòng)力。有些系統(tǒng)會(huì)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(shí)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(shí)到。endprint