【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(diǎn)跟F1相關(guān)的科普知識(shí)，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(jī)?nèi)绱梭@人!那么第一集，諾諾就來聊聊F1的發(fā)動(dòng)機(jī)為什么那么NB吧。

【F1發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力對(duì)比】

F1賽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，從上世紀(jì)40年代起，變換了7、8個(gè)版本。目前使用在F1賽車上的是1.6升渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖：雷諾F1車隊(duì)的1.6T發(fā)動(dòng)機(jī)

1.6T這個(gè)排量，大家并不陌生，細(xì)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(dòng)機(jī)。

圖： 常見1.6T發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力參數(shù)

看了這張圖，你可能覺得內(nèi)燃機(jī)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(dòng)機(jī)的參數(shù)放進(jìn)來對(duì)比后，大家就不這么認(rèn)為了。

圖：民用1.6T發(fā)動(dòng)機(jī)和F1參數(shù)對(duì)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(dòng)機(jī)還有很大的提升空間，只不過暫時(shí)被工程師們“藏起來”了?

好啦，我們就來看看F1發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)這么厲害】

這是一個(gè)很大的話題，涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理、開發(fā)、設(shè)計(jì)和測(cè)試，一點(diǎn)一點(diǎn)深入的話，會(huì)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(gè)說明。

1. 超高轉(zhuǎn)速

首要原因就是轉(zhuǎn)速高!

看看功率的計(jì)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(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速通常為6500~7000rpm，平時(shí)大家舍得用到3000rpm就不錯(cuò)了;而F1發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20,000rpm(2014年，國(guó)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(gè)的確因各個(gè)車隊(duì)調(diào)校而異，有五六千轉(zhuǎn)的，也有七八千轉(zhuǎn)的，寶馬車隊(duì)的4000rpm已經(jīng)算低的了，這個(gè)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?yàn)榛钊跉飧桌镒鐾鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向不斷在變化，因此就有慣性力一說。F1發(fā)動(dòng)機(jī)在最大轉(zhuǎn)速下，活塞的運(yùn)動(dòng)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(shí)，工程師必須考慮如何把活塞等運(yùn)動(dòng)件做得更輕盈，來減少慣性力。

圖：常規(guī)活塞和F1活塞對(duì)比圖

拿活塞舉例，民用發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)上的差距!

此外，如曲軸、連桿、凸輪軸、氣門這些部件都得進(jìn)行變態(tài)級(jí)別的輕量化設(shè)計(jì)，在更輕的重量下，達(dá)到更高的強(qiáng)度，說白了就是堆錢硬上，一個(gè)賽季只允許車隊(duì)準(zhǔn)備5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，但是研發(fā)、測(cè)試的難度，跟年產(chǎn)50萬(wàn)臺(tái)的民用發(fā)動(dòng)機(jī)相比，只多不少，所以這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)非常昂貴。

3. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了配合運(yùn)動(dòng)件的減重，很多零件都做了極致的“瘦身”，達(dá)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(qiáng)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和改進(jìn)，大量應(yīng)用有限元仿真軟件，對(duì)每一處的應(yīng)力值都做模擬和測(cè)試比對(duì)，尋找每個(gè)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(jì)，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(shí)，高度技術(shù)投入，加上時(shí)間和資源的巨大消耗，也為這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)賦予了獨(dú)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(dòng)機(jī)的諾粉都知道，但“沖程-缸徑比”這個(gè)概念，不見得人人都知道它的意義。(技研部吳部長(zhǎng)正在寫文章，聊第三代EA888的超級(jí)爆震，會(huì)對(duì)這個(gè)概念詳細(xì)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(dòng)機(jī)，處于對(duì)熱傳導(dǎo)、火焰?zhèn)鞑ズ捅鹨种齐y度的考慮，這個(gè)比值一般在0.8~1.2(兩者接近的情況居多)，這樣還會(huì)獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。而F1發(fā)動(dòng)機(jī)尤其在意動(dòng)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(jì)性是在所不辭的。此外，作為爆震、敲缸等負(fù)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(guó)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(jì)性，也開始被各車隊(duì)重視起來。

5. 高噴油壓力

F1發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射壓力可達(dá)500bar(國(guó)際汽聯(lián)如果不設(shè)定這個(gè)上限的話，還會(huì)無法無天)，而號(hào)稱高壓直噴的民用發(fā)動(dòng)機(jī)才150~200bar。

噴油壓力高，帶來了更好的霧化效果，更細(xì)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(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速達(dá)15000rpm，那么每個(gè)氣缸工作循環(huán)的時(shí)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(huì)成為提高轉(zhuǎn)速的瓶頸。所以，超高油軌壓力，其實(shí)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(dòng)機(jī)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(qiáng)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(jī)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(diǎn)事，讓大家更了解這項(xiàng)最昂貴的體育運(yùn)動(dòng)。