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F1赛车发动机只有1. 6T为什么可以爆发出惊人的动力?

2020-07-23 12:48阅读(179)

F1赛车发动机只有1. 6T为什么可以爆发出惊人的动力?:F1赛车是有规则限制的,不然只要有相应技术储备、硬件支持、足够大的涡轮以及不计成本的投入理论上1.6T可以

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F1赛车是有规则限制的,不然只要有相应技术储备、硬件支持、足够大的涡轮以及不计成本的投入理论上1.6T可以压榨出更强的动力,千匹马力只是规则限定下的标准。

这样做的好处一是降低了准入门槛,让一些在赛场上竞争力弱的车企减少了资金投入;二是避免各大车企之间无底线的攀比竞争,如果不计成本和规则合个车企的对动力的压榨一定是无底线的,最终大大增加投入甚至失去F1的精神而不计成本的研发和投入技术往往和民用车没半毛钱关系自然也起不到带领行业技术革新的作用;三是让F1上的一些顶尖技术和原理在民用车有一定的交集,最终让还是民用车得到实惠;四是FIA的规则也是不断更新的,F1也需要植入节能、环保的理念,新规则下F1也开始往混动方向发展。

说了一些相关知识只是让我们对F1有更客观的认识。F1是世界顶级方程式锦标赛它不是单纯的比速度,在极速背后可能是我们想不到的资金、技术储备和最前沿的技术创新支持。

FIA对F1动力的限制就近经过了三个阶段:第一阶最大排量3.0L,最大缸数10缸;第二阶段最大排量2.4L,最大缸数8缸;第三阶段也就是从2014年开始实行的最大排量1.6L以内,最大缸数6缸,也就是我们如今所看到的F1都采用1.6T+V6的动力核心。当然在10缸之前还有V12的引擎,只是年代久远不多赘述。

1.6T为何能实现如此强悍的动力?

理论上:

  • 从内燃机的原理上看,发动机的动力来源是燃油的燃烧爆炸产生的高温、高压驱使活塞上下周期运动从而带动曲轴旋转输出动力。那么很好理解,如果这台发动机的最大热效率一定那么它想要做更多的功就需要喷更多的油进行燃烧,不然不可能无中生有那么多动力(能量守恒没有原因)。所以,F1的油耗可以达到百公里50-60L,这也是F1能产生强大动力的根本源泉,不考虑油耗或者说对发动机的优化只注重性能而忽略油耗就是F1发动机的特点。
  • 如果燃油不是问题,那么想要提高发动机的功率就需要从转速和扭矩上考虑。功率=扭矩×转速/9550,从扭矩上入手肯定不切合实际,因为扭矩过大势必要增加行程,虽然在某一动态加速瞬间大的扭矩提供了较大的驱动力(或者说加速度),但增加扭矩增大行程后就不利于提升发动机的高转速功率。因为某一速度下行驶功率才是决定车辆加速和极速的恒定指标,而扭矩过大转速肯定就上不去这对于跑极速耐力赛的F1赛车来说可能半圈没到就被甩到最后了。而太大的扭矩完全就是浪费,因为F1本来才700-900公斤根本用不到,通过提高转速来压榨最大功率才是赛车追求的。所以F1的扭矩不需要太大但是转速一定要上去,因此提高转速成了实现其强大动力的方法。
  • 如果燃油和转速、扭矩不是问题了剩下的就得通过换气(进排气)系统来优化继续压榨动力。正常情况发动机的进气和排气都不可能完全充分那么就搞个涡轮增压吧,涡轮增压的好处是不消耗发动机动力反而利用了部分废气能量,所以它可以继续提高发动机的输出功率。由于F1怠速都可以保持在5000-8000转,所以它的增压器都是大惯量的涡轮可提供5个大气压的增压压力(家用一般是1.5-2.5个大气压)。在保证了足够的进气密度后只需要使劲喷油让燃油充分燃烧就行了。对排气的优化肯定是降低背压和减小排气干涉对排气顺畅的影响,采用独立直排排气系统,什么三元催化、消音器之类不存在的。
  • 如果以上都没问题了,下来就是提升发动机的热效率,通过提高压缩比、降低换气损失、降低摩擦、提高转化率等技术实现。如果热效率足够高说明燃烧相同的燃料就有更多的能量转化为有用功,那么如果多喷燃油发动机的功率上限也会相应提升。当然以上只是主要考虑方向,还有点火系统的改进也能有效提升功率,比如奔驰提出的“预燃烧”技术;配气正时和升程技术的优化也一定是最佳精度;喷油系统的设计也是为了更完全燃烧等等。

实际上:

如果要实现以上理论的条件,精度、技术、硬件材质、电控、高压等硬件的支持才是实现的基础。比如:

  • 喷油精准、高压、雾化充分,因为应对的可能是15000转/分的频率,这对喷油硬件来说不光是精度和压力的考验,散热、耐高温、高压也是重中之重
  • 高转速下散热和硬件强度是技术难题,需要匹配强大的散热系统和特殊合金材质制作的气缸、活塞(铝合金)、连杆(钛合金)机构等硬件机构
  • 涡轮的质量、散热、润滑高效得不到保证分分钟趴窝
  • 气道、油道、燃烧器形状、活塞设计、气门等等都需要尽最大可能减小阻力进行抛光处理或者特殊设计。
  • 总之F1的发动机基本上是集最顶尖的发动机技术和顶级的硬件材质才能通过以上理论来实现动力输出最大化,排除研发成本单就发动机材质和制造成本就达到了12-15万美元而每一赛季大概会备100台引擎供车队使用。当然这还不是一劳永逸,一台F1赛车发动机的寿命只有3000-5000公里。

F1向混动趋势方向进化

1.6T V6单缸排量0.267L,还是大缸径短行程的设计,只有不断的提升转速才能在单位时间内更换更多的新鲜空气参与燃烧。在增压的作用下氧气可以最大限度提高,而喷油往往也会加浓喷射以提高每个工况的功率输出,喷油多了、燃烧多了、做功也多了而只要硬件能承受就可以爆发出更多的动力。所以,对于F1引擎来说1.6T爆发个八九百匹也是稀松平常。

为何不搞千匹不是更厉害,因为FIA对发动机的寿命也有要求了,也就是一个赛季最多只能用三台发动机而一箱燃油也必须满足跑完此次圈数要求。所以混动和高热效率发动机才是现在F1的方向,强大的ERS不仅能回收动能、热能还可以提供动力输出,配合发动机也可以轻松超过1000匹并且降低了发动机油耗、提升了硬件耐用性。最终就是降低了成本,减少了资源浪费并且这些技术可能为民用车带来突破和实惠。

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F1赛车因排量受到限制,1.6L的排量放在普通民用车里面都瞧不上眼,但这并不妨碍它能爆发出超强的动力。

为什么如此,有四个方面的原因:

1. F1发动机有着超高的转速。传统的汽油发动机最大功率点在5000rpm~8500rpm范围,但F1赛车在12000rpm。

超高转速意味着单位时间内做功频次很高,自然更能爆发出超强动力。F1仅用1.6T的发动机就可以产生出最大达750kW的动力,百公里加速仅为2.3秒,这些在一般民用车上是不敢想的。

2. 高转发动机实现的基础是更短的活塞行程,因此F1发动机的气缸数会多达6缸。除此外,F1发动机的燃油喷射压力可达500bar,而民用发动机才150~200bar,燃油雾化效果更好,更有利于动力的提升。

3. 我们知道物体质量越低,惯性越低,这样的设计有助于发动机发挥更大的动力。因此包括活塞、连杆、凸轮轴、曲轴等部件在不影响部件强度的情况下会使用更轻的铝铬合金。

当然,这种变态级别的转速会很伤发动机,因此会对发动机的强度要求很高。像最高转速时,活塞的加速力相当于8500G。

不过在此高强度的工作下,发动机的寿命会大打折扣。但这些显然不是F1赛车会去担心的问题。2014年以后,每个赛季每位车手可以使用4台发动机,在2013年以前这个数字是8台。不得不说F1赛车是一门烧钱的艺术。

4. 除了发动机层面,F1赛车因超轻的车重和优秀的空气动力学特性,保证了它能放肆挥洒动力。反观一些爆改后的改装车,即便装上了大马力发动机,也根本控不住。

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1.6T爆发惊人的动力其实并不稀奇。现在F1的引擎是1.6T V6混合动力引擎,在FIA的限定下最大输出功率在900马力以上,这其实还是有很大保留的,理论上只要你的缸体够结实,你的增压值越高同样排量的发动机就可以压榨出更强大的动力,早在上世纪80年代F1比赛中1.5T的涡轮增压引擎就是和3.0升自吸发动机同场竞技的,1.5T的最高输出功率可以轻松突破1200马力,尤其在做排位成绩时调大增压值跑完一圈下来缸体直接更换。

而之所以说如今的F1动力还有所保留是因为规则和各种预算帽的限制,车队在赛季中对引擎的升级也要受到配额数限制。再加上取消掉赛中加油,轮胎衰竭导致的养生开法,现在的F1引擎爆缸的几率都少了很多,真的很怀念V10 3.0自吸18000转以上的F1引擎所拥有的魅力。

而且F1的强大并不仅仅在于它的直线速度,更主要的是强大的空气套件所带来的下压力,可以让F1在200km/h以上甚至超过300km/h的高速弯能承受达到5G的侧向加速度。引擎科技也在不断提升,但决定F1胜败远远不止引擎这一单一因素。

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F1的发动机之所以能爆发出惊人的动力性是很多因素决定的,比如超高的压缩比、短行程大缸径的物理结构带来的高转速、高增压值等。

1、压缩比

都说F1用的汽油和我们家用车的汽油成分上差不多,听起来似乎很一般,但F1的汽油个组分比例不同,其性能必然差别巨大。就像钢材,各种元素含量不同其性能和价格也是天上地下。F1赛车的油辛烷值很高,因此发动机可以使用很大的压缩比,压缩比大了热效率高,对动力提升有帮助。

2、高转速

F1发动机转速轻松上万,而家用车6000差不多就到红线转速了。之所以能达到那么高的转速主要得益于发动机大缸径短行程的物理结构。活塞行程短可以降低活塞运动时的惯量,实现更高频率的运动。就好比你打沙袋,用长拳打的话力量很足但是出拳频率很难提高,而你的拳头距离沙袋很近时再打就能打出很高的频率。F1发动机由于转速太高普通的气门弹簧已经无法满足需求,因为高转速下气门开闭频率极高,普通钢制弹簧无法承受如此高频率的运动,因此F1的发动机用的都是气压气门,利用气压控制气门关闭。

3、高增压值

一般家用车增压压力也就0.6-0.8Bar左右,而F1的发动机增压压力最起码在3Bar以上。家用车发动机进入高转速区间后由于进气效率低导致输出扭矩下降,而F1的增压压力大,可以保证在高转速依然有很好的进气效率从而保证高转速的扭矩输出,高转速也有大扭矩那么功率自然就上来了。

4、多缸发动机单位时间内做功频率高

F1是V6发动机,曲轴转过120度就有一个气缸做功,而我们普通的四缸发动机曲轴转过180度才有一个气缸工作,所以在转速起来后单位时间内V6发动机做功密度更高。就像两个拳击运动员,一定时间内一个人只能打6拳,而另一个人能打出8拳。

5、性能至上、寿命次要

F1的发动机即便不拿来跑比赛只是装在1.6L的家用车上也很难用长久,因为其设计就是以性能为核心,F1跑几场比赛下来是要换发动机的,和性能相比寿命并不是重点,就像一个人豁出命去肯定要比正常人厉害。

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每台F1发动机的设计寿命仅为3000公里左右,F1发动机以12000-15000 rpm的速度运行使用超先进的材料工程。

它不仅是非常坚固的材料,还包括例如如何管理热量。

陶瓷制成的气瓶并不是什么新鲜事物。它拥有30年的技术。

陶瓷有助于将热量反射回气缸芯,并通过排气释放热量,而不是加热气缸千斤顶。但是在F1冠军引擎中,他们使用最昂贵的材料来提供每一分的性能。

+超高压缩率大大提高了热效率。

超完美的燃油:空气混合以及超完美的燃油和空气输送到每个气缸。

通过使用巨大的双中冷涡轮,进气一直很冷,直到在气缸内被压缩为止。而且总是有大量的空气进入。


热力学表明,进气温度越低/发动机越冷,压缩程度越高,可以用更少的燃料获得更多的动力。每次比赛有100Kg的燃油极限,考虑到比赛进行了多少节流,这真是令人惊讶。机械中断会消耗大量能量。

然后是相当先进的能量回收系统。

他们有两个ERS。首先是KERS,它与普锐斯十年来一样,并且电动机的功能并不比普锐斯强大得多。除Prius专用于电动机外(汽油发动机仅对电池充电)。在F1上,电动机直接产生HP,而KERS增加了该功率,专门用于加速成长直道。


然后是连接到涡轮的发电机/电动机。它用于三件事:

降低涡轮增压器的速度,在驾驶员停车/踩油门时以涡轮增压器RPM换取电池电量。

加速涡轮增压,在驾驶员需要加速时迅速增加涡轮增压气流。消除涡轮滑阀上升滞后。

一般将多余的余热回收为电池电量。排气口非常热,产生的空气流量超出了需要,有助于KERS加速。

我认为涡轮增压/热能ERS部分在很大程度上为KERS的电池充电提供了额外的加速并降低了油耗。

涡轮增压器的马力额定值与大型街车发动机相似。它的动力来自主机的废气。想象一下200 + hp涡轮增压意味着什么!

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转速高。

因为是涡轮增压的所以排量被压缩到了1.6,原来都是3.0以上的。至于为什么可以爆发出惊人的动力,这个主要是设计方面的考量,发动机体本身能够承受的压力比普通发动机高出数倍不止,而且对于通常需要保持10000转以上的转速运转条件下,发动机的能效比和散热性都会更好。另外有一些发动机实际上引入了一种机油渗漏技术,允许少量机油渗漏进气缸中,作为助燃剂。

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F1赛车通常指的是方程式赛车

方程式赛车发动机排量小,但是马力大的主要原因是气门与普通家用车不同

方程式赛车的机械气门可以为赛车提供更高的转速,普通家用车为了考虑节油和安全性,一般发动机的最高安全转速为5000转/分——6000转/分,一般的跑车可以达到7000转/分,顶级跑车可以达到9000转/分,但是方程式赛车的发动机最高转速可达19000转/分钟。

发动机的转速越高就可以为赛车提供更加强大的马力

同时,方程式赛车的变速系统、底盘、空气动力装置和轮胎都是特制的,可以为赛车提供更加强大的动力。

扩展资料:

F1大赛,是方程式汽车赛中最高级别的比赛。现代世界一级方程式锦标赛于1950年由第二次世界大战后废弃机场改造而成的英国银石赛道上举行,当年赛季共有7场比赛,其中包含一场美国印第500大赛。

第一场比赛冠军由意大利车手法里驾驶阿尔法·罗密欧赛车获得,而他也成为一级方程式锦标赛史上第一位世界冠军。04年中国上海参加了,由国际汽车联合会安排比赛。

目前一级方程式比赛共有11支参赛车队,每支车队2位车手,22位车手必须持有由国际汽联签发的“超级驾驶执照”。比赛每年3月~10月在世界各国的著名赛道举行,2005年分19站比赛。比赛赛程分为3天,包含星期五的自由练习、星期六的排位赛、星期日下午两点开始的正赛

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我们平时感觉排量越大汽车加速性越好,是基于家用车的普通用车感受来的,转速都不会特别变态就升档了,加速正常输出平稳就好,F1万转变档,直观来说是做功次数多多了,靠大扭矩和高转速达到推力大和高速的目的。百公里油耗50多。

有S档和手动换档拨片的家用车,也可以体验下发动机嘶吼的感受,不心疼车的情况下,等转速到红区在升档,也许就理解了。??。