渦輪新世紀 F1引擎新賽季面臨的挑戰

記者:Alegna 2014-01-30

賽車運動一直都是汽車發展史的先驅,一級方程式賽車的演進更像是人類工程技術的頂尖對決,也是車輛科技創新的最佳展現。從上個世紀30年代的引擎後驅配置、80年代的地面效應,都能看出F1領先時代的技術層次,絕對是汽車科技的拓荒者。2014賽季F1即將導入的渦輪增壓內燃機以及動能回收概念,這也使得「引擎」(Engine)這個名詞已經不足以形容這種系統,或許改稱「動力單元」(Power Unit)會比較適合。

4
▲撇開輸出功率的不同,光是體積與重量的改變,賽車重心就與過去完全不同,而且散熱設計也必須重新規劃。

「方程式」賽車所指為賽車具備統一的規範,但在相同的限制下,競爭者終究還是會找到最有利於已的優勢。而全新賽季的一級方程式錦標賽技術規範已有革命性的巨大改變,牽一髮而動全身是可以預期的,也難怪今年技術規則被視為史上最重大的變革。

首先簡單整理新制的幾項重點:


4
▲新的能量回收系統來自渦輪機和煞車的多餘動能轉換成電能,在加減速或超車時會供給不同的負荷比重,確保賽車隨時都有最佳性能。

- 1.6升V6渦輪增壓缸內直噴內燃機
- 最高轉速15000rpm
- 由排氣與煞車兩組馬達所組成的強效能量回收系統
- 綜效最大馬力輸出760bhp
- 單站油箱容量上限100kg,且限制供油率100kg/hr,以迫使賽車同時使用電能與內燃機
- 賽季中只能使用5具引擎,且結構不得有任何差異


4
▲上個世紀的渦輪系統固然擁有驚人馬力,但21世紀加入能量回收系統的概念,油耗表現也成了勝負關鍵。

F1過去在1977到1986年間也曾有過「V6+Turbo」的組合,以RENAULT為例,這段期間它們就拿下20場勝利、50次桿位,因此今年的改變對它們並不算陌生,然而挑戰依舊存在。新的F1引擎排氣量縮減為1600cc後,衝程因而減少(缸徑80mmm x 衝程53mm),兩排各三組汽缸以90度夾角排列,光是這組V6引擎約可輸出600bhp,單位效率大概是一般高性能版量產車的三倍。排氣量雖然減少,但由於增壓的緣故,燃燒室卻幾乎是V8引擎的兩倍大,內部壓力達200bar,曲軸和活塞承受的壓力也更大。增壓造成的爆震不僅難以預測,如何控制對各引擎製造廠更是一大挑戰,因為這種破壞性的狀況一旦發生,引擎就會瞬間報銷。


4
▲MGU-H(渦輪機動能回收)、 MGU-K(煞車動能回收)依據不同場合設定調配比例,所組成的ERS輸出功率,最大可達160bhp,佔動力系統總功率2成以上。

由於賽制規定必須使用燃油直噴設計,也就是必須直接把霧化汽油噴進燃燒室,而不是注入進氣岐管,換句話說,油氣混合的精確程度必須極高,因為這也將決定引擎整體的輸出效率和油耗表現。關於這類缸內直噴引擎的設計,一般可以選擇將噴油嘴置於燃燒室上方(接近火星塞),或是採取側置的方式,這必須看賽車追求極速或彎中性能來決定。此外,渦輪機運轉速度必須隨時和引擎轉速匹配,因此扭矩反應或許會有遲滯,也就是俗稱的Turbo Lag,在新的1.6 Turbo引擎上,如何盡可能讓遲滯時間與V8引擎一樣趨近於零,也將是技術上的挑戰。

3
根據2013年的經驗,KERS假如故障,平均每圈大約就會慢0.3秒;而新的ERS按照規則,最多可額外輸出120kW(160hp)的功率,是過去KERS的2倍。換句話說,現在一旦ERS故障,賽車將只剩下內燃機可用,恐怕將立即失去競爭力,而且油耗可能無法讓它順利完賽。最殘酷的事實是,新的引擎結構註定這套回收系統必須面對比V8引擎還高三倍的熱能,潛在故障的危險比以往更高。