2014F1涡轮增压引擎详细解读一

       从今年开始，1.6升的V6涡轮增压引擎，将取代2.4升自然吸气V8。这被认为是F1二十五年以来最大的一次技术变革。因为与8年前从V10到V8的转变相比，这次不只是又砍掉了两个气缸和缩减了0.8升的排量，首先引擎的进气方式从自然吸气改为涡轮增压，这意味着完全不同的引擎输出特性，特别是扭矩，更加重要的是，引入了可同时回收动能和热能的能量回收系统——ERS(Energy Recovery System)，而且也是因为它的引入，使得从今年起，我们习惯的引擎概念将被动力单元所取代。

      FIA的目标是：让F1的燃油效率提高35%，用100kg燃油去完成原来需要消耗150kg，甚至更多燃油的每一分站！

      一，动力单元概念

雷诺2014动力单元

      如图，所谓动力单元，是指由1.6升V6涡轮增压引擎和ERS系统共同构成的动力系统总成，这是F1首次将内燃机外的动力源，划入动力系统。而在去年，当我们提到动力单元时，仅指2.4升的V8引擎，不包含KERS系统。

      根据FIA发布的2014版F1技术规则，动力单元被细分为六个模块：内燃机(ICE)，涡轮增压器(TC)，动能电机(MGU-K)，热能电机(MGU-H)，能量存储单元(ES)和控制单元(CE)。

ERS系统实体部件展示

      本文，我们将从介绍这6个模块入手，诠释这套全新动力单元带来的变化和技术挑战。首先看内燃机ICE从2.4升的自然吸气V8转变到1.6升的单涡轮增压V6发生了怎样的变化。

      一，从V8到V6发生的变化

      1，进气方式的不同

涡轮增压系统工作示意图

      增压引擎，是相较自然吸气引擎的另一种发动机类型。区别在于它是将空气预先压缩后再供入汽缸。通过提高进入燃烧室的空气密度来增加进氧量，以燃烧更多的燃油、做更多的功。

      增压引擎按照驱动压缩机的动力来源不同，一般分为涡轮增压引擎和机械增压引擎。涡轮增压引擎驱动压缩机的动力来自引擎废气，机械增压引擎则直接来自发动机的曲轴，今年的F1属于前者。

      其工作原理见视频，从排气管排出的引擎废气，其惯性冲力推动涡轮旋转，涡轮接着带动同轴的压缩机工作压缩来自进气道的新鲜空气，使之增压后输入气缸。

      然而，空气在被压缩的过程中随着密度增加，温度也会随之升高。而温度越高空气密度就会越低，意味着燃烧室可利用的氧气量就会越低，最终影响发动机的进气效率。

      所以对压缩后的空气进行冷却是必须的，这就是图示中所说的中冷器的作用。它位于压缩机和进气歧管之间。如果未经冷却的增压空气直接进入燃烧室，不仅会影响发动机的进气效率，还可能导致发动机敲缸或者爆震，这对引擎将是破坏性的。

      所以不管涡轮增压引擎还是机械增压引擎，都需要中冷器对压缩后的空气进行降温。特别是前者，因为高温的涡轮辐射的热量也会导致进气温度升高。

      相较于同排量的自然吸气引擎，涡轮增压引擎拥有更大的功率和扭矩输出，这可以通过后面发动机的平均有效缸内压力(BMEP)图直观的体现出来。但是涡轮增压引擎也有自己先天的技术缺陷，譬如涡轮迟滞，这个问题我们将在后面关于涡轮的篇章中讲到。

      人类发明第一台涡轮增压引擎早在1905年。关于涡轮增压引擎在F1的历史，为了不影响大家对主体内容的阅读，我们将其放在了文末的附录部分。

      2，燃油喷射方式不同

      2014年的F1引擎，在进气方式由自然吸气改为涡轮增压的同时，燃油喷射系统也发生了变化。

      我们知道，内燃机按燃油喷射位置不同，可分为缸外喷射(PFI)和缸内直喷(GDI)。 缸外喷射是指进气歧管内喷射或进气门前喷射，喷油器被安装在进气歧管内或进气门附近，燃油是在进气路径中被喷射后与空气混合形成可燃混合气体再进入气缸的。

      这种喷射方式燃油喷射压力低。去年的F1引擎便是缸外喷射，确切的讲是进气门前喷射，喷射压力为100bar。我们日常生活中所说的单点电喷以及多点电喷都属于缸外喷射。

      而缸内直喷(GDI)顾名思义，是指喷油嘴将燃油直接喷射到汽缸燃烧室内，其主要技术优势是可有效提高燃油效率，增强发动机动力输出，但对技术要求也更高。

      需要特别提到的是：GDI并不是什么最近才有的新技术，事实上它早在1903年就出现了，比增压引擎还早两年。由V8引擎的发明者——法国发明家Léon Levavasseur率先将其应用到飞机引擎上。汽车发动机首次使用缸内直喷技术是上世纪50年代。与缸外喷射相比，缸内直喷的燃油喷射压力更高，特别是柴油直喷发动机，喷射压力可以达到2000bar。

      汽油直喷发动机的喷射压力则要低很多，目前市面上乘用车的汽油直喷发动机的最大喷射压力在200bar左右。而明年F1的最大喷射压力将达到500bar，是乘用车的2倍多。所以看起来F1这次走在民用车之后，但是技术难度不可同日而语。

      2014年F1的缸内直喷系统，最关键部位是喷油嘴的设计，因为现在喷油嘴不再是在进气门前工作，而是高温高压的气缸里，喷射压力高达原来的5倍。法拉利和雷诺的电子系统供应商Magneti Marelli透露，他们的喷油嘴采用了某种形式的磁性材料。

      根据2014版F1规则5.10条的描述，新规则对燃油喷射系统的规定包括：每缸只许使用一个喷油嘴，禁止在进气阀的上游或者排气阀的下游喷油。与喷油嘴相邻，点火系统的规则和去年一样，要求每缸只准有一个火花塞，禁止使用等离子、激光和其他任何高频点火技术。

      3，燃烧室拉长，运行温度升高

      上面我们了解了新引擎在工作方式上发生的两大变化，下面我们再看一些参数指标上的不同。

      见表，这是两代F1技术规则中关于V8和V6引擎的参数指标，从上往下，首先在已知气缸排量和缸径的情况下，通过简单的计算我们可以得到新引擎燃烧室被拉长的信息。

      因为2.4升的8缸变为1.6升的6缸，意味着引擎单缸容积从300cc降低到266.6cc。V8的缸径是98mm,V6为80mm。利用容积计算公式可得出

      V8引擎的活塞行程=300000mm3÷(π×49mm2)≈40mm

      V6引擎的活塞行程=266666mm3÷(π×40mm2)≈53mm

       缸径缩小(18mm)，行程更长(13mm)，因此燃烧室的形状从扁平状被拉长了。考虑到新引擎转速从18000rpm降至15000rpm，这是个合乎逻辑的变化，因为我们知道高转速的发动机通常会采用短行程设计，反之亦然。

      此外，通过计算我们还能发现，新引擎虽然转速降低了，但是由于气缸行程变长。使得活塞的速度反而有所增加。

      2013款V8F1发动机在转速18000rpm时的活塞速度=0.040m × 2 × 18000rpm/60s=24m/s

      2014款V6F1发动机在转速15000rpm时的活塞速度=0.053m × 2 × 15000rpm/60s=26.5m/s

      关于燃烧室，还有一点需要提及，涡轮增压引擎由于能效更高，每次燃烧所产生的热量比同规格的自然吸气发动机要大很多，加上气缸内部压力更大，这意味着速度不降反增的活塞将面临更加严酷的工作环境。

      4，曲轴位置大幅升高

      看表，继续对比参数，V8时代，FIA要求引擎曲轴的中心线不能低于参考面以上58mm，新的V6机器，这项指标变为90mm。多达32mm的增量，这无论是对于控制机体的重心高度，还是抑制引擎自身的振动，都是大敌。

      同时，这也迫使F1车队必须重新设计变速箱的动力输入端，包括离合器的安装位置会升高。对于追求极致性能的F1赛车而言，显然不是“正能量”。

      5，关于90度夹角以及外观的变化

      在对比两代内燃机参数时，还有一个数字值得提及，那就是气缸的夹角，新引擎要求必须和老V8一样为90度。这个看似没有变化的数据中，其实也隐藏着信息。因为我们知道不论是从结构紧凑度还是控制震动考虑，60度都是V6引擎的最优夹角，FIA将其限定为90度，我暂且能够想到的原因是，F1主管团体是在为节约研发成本考量？因为根据民用引擎领域的经验，把V6设计成90度，通常都是为了便于共用V8的生产线“拼机”。

      此外，如果将一台13款的V8和一台全新的V6放在一起，可以直观的看到新机器更短了——缩短了约15%。原因很简单，因为砍掉了两个气缸。

      但这一变化可能影响到新赛车变速箱外壳的设计。我们知道F1赛车是模块化的拼接，引擎和变速箱本身也是车架。现在引擎的长度缩短了15%，加上今年油箱的容积也要缩小30%左右。意味着如果车队希望维持原有的轴距且不动其他环节的话，需要对变速箱外壳进行加长——即便是今年的变速箱本身需要增加了一个档位齿组。

      高度方面，6缸新机则比老V8要高一些，原因主要有二，更长的活塞行程，更高的曲轴中心，这两点我们均在前文提及。

      (注：从V10到V8的转变告诉我们，气缸数量的变化，意味着引擎的曲柄夹角和气缸点火顺序都会随之发生改变。但由于篇幅的原因，这部分纯理论的东西我们将其舍弃了)

      三，规则关于涡轮的规定

      上面的篇幅了解了新引擎的主体结构——V6内燃机发生的几个变化，下面再来看架设在V6引擎上的涡轮。

      文首提到，涡轮增压引擎早在1905年就出现了，至今已有超过百年的历史，在这百年的发展历程中，为克服本身存在的先天缺陷，特别是涡轮迟滞(turbo lag)，人类发明了很多解决方案。但是FIA为了避免车队陷入新领域的军备竞赛，对技术应用进行了严格限制。

      【涡轮迟滞，英文turbo lag，是指发动机在低转速时，由于产生的废气量低，不足以带动涡轮的运转。所以，需要等到发动机转速提高之后，废气动力较大时，涡轮才能启动。这个时间差就是涡轮迟滞。涡轮迟滞受很多因素影响，包括涡轮的尺寸，涡轮轴旋转惯性等等】

      下面是2014版F1技术规则对涡轮最主要的两个规定

      1，只允许使用一个涡轮，涡轮最高转速125000rpm

      2，禁止使用可变涡轮叶片技术VTG(Variable Turbine Geometry)

      第一条关于只允许使用一个涡轮对于F1工程师解决涡轮迟滞的问题少了一个选择。因为一般来讲，针对turbo lag现象，追求高表现的V6以上的机型通常会采用双涡轮的结构——包括平行涡轮增压或两级涡轮增压，利用小涡轮的设计来提高涡轮的灵敏度，但是现在FIA将这条路封了。

      不过尽管规则禁止采用双涡轮结构，但允许使用双涡管技术。所谓双涡管是指将引擎排出的废气，平分收集到两跟涡管后输送到涡轮叶片上。如图，根据雷诺公布的新发动机照片，他们便是采用的这种设计(每侧三个气缸一组)。

      这种设计虽然不具备双涡轮结构的优点，但相较于将6个气缸的废气汇聚到一根管道送向涡轮的好处是，可有效减少排气脉冲的相互影响，因为每个气缸的排气脉冲节奏不同，进而提高系统效率。比如现在宝马MINI使用的1.6T便是双涡管单涡轮增压引擎。

      说到宝马，可能熟悉其引擎的车迷朋友会想到慕尼黑巨擎的N54的换代机型N55从双涡轮改为了双涡管单涡轮结构。这似乎和我们这部分的理论是相悖，但是要知道民用和竞赛是完全不同的设计取向。

      第二条，禁止可变涡轮叶片技术

      可变涡轮叶片技术，是一种优化涡轮在整个转速区间表现的技术，说到底，也与涡轮迟滞的问题分不开。

      比如像公众熟知的保时捷的VTG。它将引擎排出的气体通过电子调整的可旋转导引叶片导送至涡轮上，当引擎转速低时，废气压力较低，导流叶片呈小角度打开，增大到达涡轮的气压压强，推动涡轮敏锐的转动；当引擎转速上升，废气压力逐渐变大，导流叶片的角度也随之变大，当达到全负载的情况下，导流叶片全开，与主体的涡轮叶片形成一个更大型的叶片，将最大的废气量接收，达到一般大涡轮的高输出效果。

      所以，通过变更叶片的角度，系统可随时改变涡轮的A:R值，从而复制不同大小尺寸涡轮的几何效应，保证增压器在全转速范围内的高表现。

      这种技术在不同的厂商有着不同的叫法，比如在沃尔沃被称为VNT，是目前涡轮增压引擎非常主流的技术应用。不过尽管FIA禁止使用该技术，包括第一条提到的双涡轮结构，但并不意味着新F1引擎技术会落后于民用引擎，因为今年F1还有另外一项技术用来解决涡轮的迟滞问题——MGU-H电机。

      “采用单独的大涡轮是比较少见的引擎结构。如果我们没有MGU-H电机相助，涡轮的迟滞问题绝对是灾难性的。”雷诺F1引擎部副总经理罗伯-怀特(Rob White)说道，“上世纪80年代，单独的大涡轮已经被证明是不合理的解决方案，涡轮迟滞大概会持续数秒。现在我们增加了一个大涡轮是因为我们需要，但是如果没有MGU-H，涡轮迟滞将会有好几个点几秒，这是绝对不可行的。”

      关于MGU-H解决涡轮迟滞的问题，我们将在后面讲解ERS的部分做详细介绍。为了方便大家理解VNT技术的工作原理，请查看来自丰田的VNT工作演示视频。

      除了以上两点，FIA还对涡轮的安装位置也做了规定。要求涡轮的轴心，必须和引擎曲轴平行，且不得超出赛车中心线25毫米。而关于涡轮的增压值，国际汽联则没有做任何限制。但是雷诺官方称，根据最大燃油流速不得大于100kg/h测算，相当于将涡轮增压器的最大数值限制在3.5bar左右。

      四，ERS系统

      F1从2009年开始，引入动能回收系统KERS用于回收制动能量，至今已有4年历史(2010停用过一年)。而从2014年起，F1将新增另一套能量回收系统——热能回收系统。见图，通过一个与涡轮相连的电机，来回收废气中的能量。FIA将这两套系统并称为能量回收系统——ERS。它由4个部件组成：动能电机(MGU-K)、热能电机(MGU-H)、能量存储单元(ES)和控制单元(CE)，下面让我们来认识一下这套升级版的能量回收系统。

      1，功率翻倍的动能回收电机(MGU-K)

      关于KERS系统的技术原理，2009年在引入时，我曾写过一篇文章做过介绍，本文将不再赘述。现在配合ERS术语，它有了新的名称“ERS-K”，系统电机则叫“MGU-K”。

      今年这套系统的主要变化是FIA加大了它的“角色”。见下表，新版KERS的功率从原来的60KW提高到了120kw，翻了一番。能量存储是原来的10倍，为4MJ。单圈释放时间从去年的6.6秒，延长到33.3秒。同时由于更大的能量回收，为了保证赛车在回收能量时的制动稳定性，今年FIA允许使用电子控制的后刹车回路。

      此外，FIA还规定ERS-K的电机必须与引擎曲轴采用机械连接，保持固定的齿比。转速不得超过50000rpm，扭矩输出不得超过200Nm。根据雷诺公布的信息，去年他们KERS的电机转速为38000rpm。

      2，热能回收电机(MGU-H)

能量回收系统解析图

      与动能回收系统对应，热能回收系统叫ERS-H。如图，它是一个与涡轮相连的同轴电机(MGU-H)，既可以扮演发电机的角色，吸收来自涡轮转轴的能量，将废气中的热能转化为电能存入与ERS-K共享的ES中。与此同时，它也可以根据引擎的进气需求对涡轮的转速进行控制(包括扮演泄压阀(wastegate)的角色，降低涡轮的旋转速度，或者加速涡轮克服涡轮迟滞现象turbo lag)

      然而这个电机将给F1车队带来巨大的技术挑战，因为其转速将超过10万转。

      “ERS-H是一个非常大的挑战，因为电机运行的速度几乎要达到当前KERS的3倍。”Magneti Marelli公司的竞赛主管达拉(Roberto Dalla)说道，Magneti Marelli目前同时为法拉利和雷诺提供ERS系统。

按照2014版F1技术规则，热能电机和涡轮之间也必须采用固定齿比的机械连接。转速不能超过涡轮的转速——125000rpm。

      虽然转速超过10万的电机在工业领域并非前所未有，但是热能电机需要面对恶劣的工作环境高温。“我们正在调查两种不同的方案，一种是把电机安装在压缩机的一侧，这样温度会低一些，另一种把电机安装在涡轮和压缩机中间。现在正同步进行发展，两种很显然拥有不同的特征。特别是把电机安装在中间的后一种，在温度和强度方面都面临着巨大的挑战。”达拉说。

      根据目前雷诺和梅赛德斯AMG发布的照片来看，法国车厂的是前者，三叉星的则是后一种方案。

奔驰的热能回收系统

      如果F1能够让转速超过10万转的电机与涡轮协同工作，经受住考验，那对于汽车工业将是一大贡献。因为很久以来，汽车工业就开始尝试电子涡轮技术，其技术设想是由废气驱动涡轮带动发电机发电，再由电动机去驱动压缩机，而不是使用涡轮驱动压缩机，这样几乎可以克服当前的涡轮发动机的一切弊病，但是一直面临电机这道技术屏障缺乏大的“建树”，譬如奥迪的电动助力双涡轮增压柴油发动机，其电子涡轮只是增强低转速进气而已，并未成为“主力”。

      达拉说，他相信F1能够做到！关于MGU-H的电机功率，FIA未做任何规定。但是按照Magneti Marelli的数据，大约在90kw左右。

      3，能储单元(ES)

      由于动能电机的功率翻倍，单圈释放时间从原来的6.6秒，延长到33.3秒，相应的能量存储也提高到4MJ，为原来的十倍。这对于能量存储单元意味着两方面的挑战，1，更大的充放电要求，2，更大的储能空间。

      鉴于此，预计2014年F1车队可能将充放电更强的超级电容纳入储能选择，比如丰田的勒芒赛车TS030 Hybrid便使用超级电容作为KERS的储能设备。另外目前的锂离子电池可能会升级为能量密度更高的聚合物锂离子电池，同时不排除将两种存储方案搭配使用的可能。此前，Saft公司为法拉利和雷诺的KERS提供电池，而梅赛德斯系的电池则采购自A123。

      关于电池FIA今年还有一项特殊的规定，要求质量位于20～25kg之间，这主要是为了节约，防止车队不惜代价搞电池“减肥”。此外还要求电池必须安装在油箱下方。之前，纽维设计的红牛赛车把电池安放在引擎侧面，现在将不再允许。

      4，控制单元

      ERS控制单元CE就如同ERS系统的大脑，它的作用是负责能量的管理，包括MGU-K与ES之间的能量输入与输出，MGU-H与ES之间的能量输入与输出，以及MGU-K和MGU-H之间的直接能量传输。这部分详细的参数规定，请参见FIA给出的动力单元能量流表。

      5，ERS系统工作原理演示

      ERS系统是今年F1动力系统的一个技术难点，系统运行是非常复杂的。不过根据雷诺和法拉利都发布了2014款F1动力单元的模拟视频，我们可以先简单的将其拆分为4个工作状态。

ERS系统的四种基本工作状态

      1，热能回收系统的充电过程，这个状态发生在当涡轮增压值超过进气需求时，涡轮会驱动MGU-H的电机发电，将电能存储入能储单元(ES)，2，热能回收系统放电过程，该状态发生在涡轮启动阶段，MGU-H的电机利用ES中的电能，担任辅助动力，驱动涡轮加速达到工作转速。3，动能回收的充电过程，4，动能回收系统的放电过程。

      然而ERS实际的工作过程并不是这么简单的，因为两套系统在多数时间将同时运行。譬如ES的电能，可能在同一时间分配给动能和热能系统的电机，另外参见动力单元能量流图还可以发现：热能电机和动能电机之间是可以直接链接的，不需要经过ES。这些问题，我们将后面讲解新动力单元挑战的时候进行展开分析。