Turbo技術回歸 析2014年F1賽車動力系統

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

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● 2014年F1賽車動力系統主要變化

　　2014年，F1賽車上的整套動力系統較以往增加了約50kg的質量。質量的增加主要是ERS系統在2014年歸入動力系統中，且在動能回收單元（MGU-K）的基礎上增加了熱能回收單元（MGU-H）。

　　2014年將采用1.6L V6渦輪增壓發動機取代2.4L V8自然進氣發動機。新款發動機的動力被限制在475Kw（通過限制燃油流速不得超過100kg/h），加上ERS系統（KERS系統進化版，后面我們會詳細介紹）提供的120KW的功率補償，系統輸出總功率接近600Kw，與老款V8動力總成持平。扭矩輸出上，新款發動機當目標功率為475kW時，扭矩輸出可達375Nm左右，加上ERS系統的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發動機在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發動機的最后一年。當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勢贏得了1986年F1賽事的總冠軍。

　　新款的V6發動機與過去的V8發動機相比缸徑更小、行程更長，同樣采用了90度夾角的設計。通過計算可知，新款的V6發動機的活塞平均速度是有所提高的。這導致活塞和氣缸將面臨更嚴酷的工作環境。

　　對于渦輪，F1技術規定只能使用一個渦輪，最高轉速不得超過125000轉；不得采用可變渦輪葉片技術VTG。對于渦輪遲滯，由于規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，F1技術則是允許的。

　　ERS系統作為KERS系統的進化版，增加了能夠回收熱能的電機。動能電機和熱能電機共同組成了ERS動能回收系統。和KERS（2009-2013年）相比，ERS系統的動能電機由60kW增加到120kW，新增的熱能電機能達到90kW的功率。

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

● 動力系統構成及ERS系統解析

　　前面簡要講述了一下新老動力系統的變化。這里系統說說動力系統的構成與新的ERS系統的細節。

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

1）動能電機單元(MGU-K)

　　動能電機單元(MGU-K)采用的是電動機/發電機裝置，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，FIA允許使用功率更大的電機，從原來的60kW提高到了120kW，翻了一倍。能量存儲總量達到4MJ，是老系統的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。由于發電機的功率增大導致制動能量回收效果增強，為保持制動的穩定性，FIA允許使用后輪電子制動控制系統。

2）熱能電機單元(MGU-H)

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

　　F1技術規定熱能電機和渦輪之間也必須采用固定齒比的機械連接，轉速不能超過渦輪的轉速——125000轉。關于熱能電機功率，FIA未做任何規定。但是按照Magneti Marelli的數據，大約在90kw左右。

　　民用汽油發動機的熱效率在30%左右，70%作為熱損耗而浪費了。熱能回收對于提高發動機熱效率，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要求其質量在20-25kg之間。除此以外，FIA還要求電池必須安裝在油箱下方。由于動能電機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。控制單元(CE)主要負責控制動能電機單元(MGU-K)和熱能電機單元(MGU-H)，并管理這兩個單元與儲能單元(ES)三者之間的能量轉換。

● 燃油使用量被嚴格限制

　　在2014賽季，賽車的燃油使用量被嚴格限制了。FIA規定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，F1比賽中就禁止在比賽中對車輛加油。縮小的油箱對賽車能效是一個嚴峻的考驗。除此以外，新的技術規范還規定了發動機的燃油消耗率不得超過100kg/h。這兩項規定對于平均比賽時間為1.5小時的F1比賽來說已經是相當嚴苛了。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。

● 新動力系統對變速箱和輪胎帶來的挑戰

　　2014賽季F1賽車的新動力系統對變速箱和輪胎帶來了新的挑戰。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揮新動力系統的性能，但也增加了駕駛員的操控難度。

　　新的V6渦輪增壓發動機功率不變，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，這就使得駕駛員必須利用精準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行集體測試，因而倍耐力對新賽車的實際特性參數可以說是一片空白，這對于新賽季的輪胎研發并不是一個好消息。在賽季初段，輪胎的因素將是比賽致勝的一個相當大的懸念。

　　總結：2014賽季的F1賽車規格的變化，其實是朝著一個增效減排的方向發展的。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PCauto技術頻道將跟進F1技術變化，為大家帶來更為精彩的F1賽車技術解析。

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