Turbo技術(shù)回歸 析2014年F1賽車動力系統(tǒng)

　　【太平洋汽車網(wǎng) 技術(shù)頻道】2014年注定是不平凡的一年，F(xiàn)1賽車將換用全新規(guī)格的動力系統(tǒng)。其中最引人注目的便是之前采用的2.4L V8自然進(jìn)氣發(fā)動機(jī)將全面更新為1.6L V6渦輪增壓發(fā)動機(jī)。這是F1賽車歷史上的又一次重大變革，也標(biāo)志著渦輪增壓技術(shù)重回F1賽場。本文將詳細(xì)解析一下2014年F1賽車的新發(fā)動機(jī)以及改進(jìn)的能量回收系統(tǒng)。

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● 2014年F1賽車動力系統(tǒng)主要變化

　　2014年，F(xiàn)1賽車上的整套動力系統(tǒng)較以往增加了約50kg的質(zhì)量。質(zhì)量的增加主要是ERS系統(tǒng)在2014年歸入動力系統(tǒng)中，且在動能回收單元（MGU-K）的基礎(chǔ)上增加了熱能回收單元（MGU-H）。

　　2014年將采用1.6L V6渦輪增壓發(fā)動機(jī)取代2.4L V8自然進(jìn)氣發(fā)動機(jī)。新款發(fā)動機(jī)的動力被限制在475Kw（通過限制燃油流速不得超過100kg/h），加上ERS系統(tǒng)（KERS系統(tǒng)進(jìn)化版，后面我們會詳細(xì)介紹）提供的120KW的功率補償，系統(tǒng)輸出總功率接近600Kw，與老款V8動力總成持平。扭矩輸出上，新款發(fā)動機(jī)當(dāng)目標(biāo)功率為475kW時，扭矩輸出可達(dá)375Nm左右，加上ERS系統(tǒng)的200Nm扭矩，峰值扭矩接近600Nm，幾乎比不帶KERS的老款動力總成翻了一番。

　　小排量V6發(fā)動機(jī)在F1賽車歷史上也曾被運用過，那是將近30年前的事情了。那時候舒馬赫還沒晉身F1賽事。1986年，也是采用1.5L V6T發(fā)動機(jī)的最后一年。當(dāng)年的世界冠軍是法國人阿蘭·普羅斯特（Alain Prost）。這位被尊稱為“教授”的F1車手以總積分兩分的優(yōu)勢贏得了1986年F1賽事的總冠軍。

　　新款的V6發(fā)動機(jī)與過去的V8發(fā)動機(jī)相比缸徑更小、行程更長，同樣采用了90度夾角的設(shè)計。通過計算可知，新款的V6發(fā)動機(jī)的活塞平均速度是有所提高的。這導(dǎo)致活塞和氣缸將面臨更嚴(yán)酷的工作環(huán)境。

　　對于渦輪，F(xiàn)1技術(shù)規(guī)定只能使用一個渦輪，最高轉(zhuǎn)速不得超過125000轉(zhuǎn)；不得采用可變渦輪葉片技術(shù)VTG。對于渦輪遲滯，由于規(guī)則的限制不能通過采用大小雙渦輪的方法來解決，而需要另辟蹊徑。但對于單渦輪雙渦管技術(shù)，F(xiàn)1技術(shù)則是允許的。

　　ERS系統(tǒng)作為KERS系統(tǒng)的進(jìn)化版，增加了能夠回收熱能的電機(jī)。動能電機(jī)和熱能電機(jī)共同組成了ERS動能回收系統(tǒng)。和KERS（2009-2013年）相比，ERS系統(tǒng)的動能電機(jī)由60kW增加到120kW，新增的熱能電機(jī)能達(dá)到90kW的功率。

　　由于ERS系統(tǒng)的輸出功率倍增，儲能單元每圈的釋放時間由原來的6.6秒增加到33.3秒。相應(yīng)的能量存儲也提高到4MJ，為原來的十倍。

● 動力系統(tǒng)構(gòu)成及ERS系統(tǒng)解析

　　前面簡要講述了一下新老動力系統(tǒng)的變化。這里系統(tǒng)說說動力系統(tǒng)的構(gòu)成與新的ERS系統(tǒng)的細(xì)節(jié)。

　　2014年的F1動力系統(tǒng)被稱作是PowerUnit。動力系統(tǒng)包括以下部分：內(nèi)燃機(jī)(ICE)，渦輪增壓器(TC)，動能電機(jī)單元(MGU-K)，熱能電機(jī)單元(MGU-H)，儲能單元(ES)和控制單元(CE)。新的ERS系統(tǒng)包括動能電機(jī)單元、熱能電機(jī)單元、儲能單元和控制單元。其中熱能電機(jī)單元是新增部件。我們將重點講解這四部分的結(jié)構(gòu)。

1）動能電機(jī)單元(MGU-K)

　　動能電機(jī)單元(MGU-K)采用的是電動機(jī)/發(fā)電機(jī)裝置，把制動的動能回收到儲能電池中去，在需要時再次釋放出來。在2014賽季，F(xiàn)IA允許使用功率更大的電機(jī)，從原來的60kW提高到了120kW，翻了一倍。能量存儲總量達(dá)到4MJ，是老系統(tǒng)的10倍。由于存儲能量的增加，ERS單圈釋放時間從去年的6.6秒，延長到33.3秒。由于發(fā)電機(jī)的功率增大導(dǎo)致制動能量回收效果增強(qiáng)，為保持制動的穩(wěn)定性，F(xiàn)IA允許使用后輪電子制動控制系統(tǒng)。

2）熱能電機(jī)單元(MGU-H)

　　熱能電機(jī)單元(MGU-H)是一個與渦輪同軸轉(zhuǎn)動的電動機(jī)/發(fā)電機(jī)。一般情況下，這個發(fā)電機(jī)被渦輪帶動回收廢氣中的熱能，把熱能轉(zhuǎn)化為電能存儲到電池中。除此以外，熱能電機(jī)單元還可以反向控制渦輪的轉(zhuǎn)速（加速/減速），實現(xiàn)排氣泄壓閥（wastegate）的功能以及減低渦輪遲滯（Turbo-Lag）現(xiàn)象。

　　F1技術(shù)規(guī)定熱能電機(jī)和渦輪之間也必須采用固定齒比的機(jī)械連接，轉(zhuǎn)速不能超過渦輪的轉(zhuǎn)速——125000轉(zhuǎn)。關(guān)于熱能電機(jī)功率，F(xiàn)IA未做任何規(guī)定。但是按照Magneti Marelli的數(shù)據(jù)，大約在90kw左右。

　　民用汽油發(fā)動機(jī)的熱效率在30%左右，70%作為熱損耗而浪費了。熱能回收對于提高發(fā)動機(jī)熱效率，提升燃油使用率絕對是一個非常不錯而且行之有效的措施。

3）儲能單元(ES) & 控制單元(CE)

　　儲能單元(ES)是用于存儲回收能量的電池。FIA要求其質(zhì)量在20-25kg之間。除此以外，F(xiàn)IA還要求電池必須安裝在油箱下方。由于動能電機(jī)的功率輸出翻了一番，而且ERS釋放時間也延長至33.3秒，所以對儲能電池的能量密度和放電功率的要求更高了?？刂茊卧?CE)主要負(fù)責(zé)控制動能電機(jī)單元(MGU-K)和熱能電機(jī)單元(MGU-H)，并管理這兩個單元與儲能單元(ES)三者之間的能量轉(zhuǎn)換。

● 燃油使用量被嚴(yán)格限制

　　在2014賽季，賽車的燃油使用量被嚴(yán)格限制了。FIA規(guī)定2014賽季的F1賽車的油箱必須為100L（2014賽季油箱為160L）。從2010年開始，F(xiàn)1比賽中就禁止在比賽中對車輛加油?？s小的油箱對賽車能效是一個嚴(yán)峻的考驗。除此以外，新的技術(shù)規(guī)范還規(guī)定了發(fā)動機(jī)的燃油消耗率不得超過100kg/h。這兩項規(guī)定對于平均比賽時間為1.5小時的F1比賽來說已經(jīng)是相當(dāng)嚴(yán)苛了。對于像新加坡站這種需要跑2小時的比賽來說，油料控制和管理變得極為重要。

● 新動力系統(tǒng)對變速箱和輪胎帶來的挑戰(zhàn)

　　2014賽季F1賽車的新動力系統(tǒng)對變速箱和輪胎帶來了新的挑戰(zhàn)。2013賽季的7速變速箱升級為2014賽季的8速變速箱，更多的檔位自然能更好發(fā)揮新動力系統(tǒng)的性能，但也增加了駕駛員的操控難度。

　　新的V6渦輪增壓發(fā)動機(jī)功率不變，但是扭矩輸出比老款V8翻了一番。更大的扭矩將極大考驗輪胎的抓地力極限。由于F1賽事不允許車輛搭載循跡控制（TC）系統(tǒng)，這就使得駕駛員必須利用精準(zhǔn)的油門控制去避免賽車起步、出彎時的打滑了。

　　在2014賽季的季前試車前并沒有進(jìn)行集體測試，因而倍耐力對新賽車的實際特性參數(shù)可以說是一片空白，這對于新賽季的輪胎研發(fā)并不是一個好消息。在賽季初段，輪胎的因素將是比賽致勝的一個相當(dāng)大的懸念。

　　總結(jié)：2014賽季的F1賽車規(guī)格的變化，其實是朝著一個增效減排的方向發(fā)展的。通俗地說，就是“又要馬兒跑，又要馬兒不吃草”。新動力總成的穩(wěn)定性、輪胎與新賽車的匹配、燃油使用量的限制、燃油使用策略都是懸念，這也是2014賽季F1賽事引人入勝的地方。2014年P(guān)Cauto技術(shù)頻道將跟進(jìn)F1技術(shù)變化，為大家?guī)砀鼮榫实腇1賽車技術(shù)解析。

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