2014F1涡轮增压引擎详细解读二

五：新动力单元带来的整体变化

      之前的内容，我们只是完成了对新动力单元六个模块“流水帐”式的介绍。现在，我们将从整体的出发，来看新动力单元带来的两大变化。

      1，重量50kg的增加

      与老款V8相比，新动力单元的质量增加了多达5Okg。这主要是ERS系统带来的质量增加，因为去年动能回收系统不属于引擎的范畴。

      F1刚引入KERS时，整套系统(电机、电池和控制单元)质量大约在30kg左右，发展到后期质量缩减了一半，只有17kg上下。而2014款的ERS系统，单独电池就被FIA限制在20～25kg之间，这还不包括新增的热能电机，此前，Magneti Marelli的汽车运动总监达拉(Roberto Dalla)曾预计整套ERS只有28kg重，显然太过乐观。

      新动力单元50kg的质量增加，首先冲击的是压舱物的量。虽然国际汽联将今年的赛车质量下限，从去年的642kg，提高到690kg(增加了48kg)，但仍有车队反映面对身材高大车手，难以将赛车的整备质量控制在690kg以内。

      包括红牛的纽维，一度呼吁将2014年的车重下限再增加10kg，直接改为700kg，但是没能获得一致通过。不过F1车队之间已同意从2015年开始，将车重下限提高到700kg。这至少透露出一个信息，新赛季配重的量的确减少了。

      配重规则方面，2014年和上赛季一样 ，依旧维持前后45:55的分配比例。要求前轴不能低于314kg，后轴不能低369kg，但是现在50kg的质量增加，都集中在驾驶舱后方，特别是今年起FIA强行要求ERS的电池必须安装在油箱下方，而动能和热能回收电机的位置更是几乎固定，所以这也在一定程度上加大了车队实现理想配重的难度。

      不过需要强调的是，尽管新动力单元带来了高达50kg的增重，但今年的赛车和去年的车在比赛状态下的质量是非常接近的，因为现在油箱载油轻了50kg(注：按照雷诺的数据，事实上有的赛道载油会比去年少到6Okg)。

      除了重量，2014版新规还要求整个动力单元的重心高度必须高于参考面200mm，去年这个参数是165mm，提高了35mm。原因和引擎的曲轴提高了32mm直接相关，目的和限制ES的质量一样，防止车队挖空心思搞“减肥”。但是这对赛车的性能显然是不利因素。

      2，新动力单元在输出指标上的变化

2014F1引擎的扭矩和动力输出

      自FIA发布新引擎规则起，我们听了太多诸如涡轮增压引擎的扭矩输出将大幅增加的言论，但是始终缺乏形象的认识，这是本文希望解决的其中一个问题。

      见图表，这是一份来自皇家墨尔本理工大学的学术论文材料。展示了上世纪80年代的1.5升涡轮增压引擎、2012年的2.4升自然V8F1引擎，以及2014款的1.6升V6涡轮增压不同的扭矩和动力输出曲线。

      对比我们可以看到，追求高转的2012款2.4升自然吸气V8引擎，扭矩输出只有300N.m左右，而2014年的1.6升V6单涡轮增压引擎，当目标功率为475KW时，最大扭矩输出可以达到375N.m左右，加上KERS系统200N.m，峰值扭矩接近600N.m，几乎比不带KERS的自吸V8引擎翻了一番。这正是业界一直强调，新款的涡轮增压引擎将给2014款的轮胎带来巨大挑战的原因。

      大家一定还记得，倍耐力一度建议2014年实行强制两停的事。当时因为按照协议，在2014年的季前试车之前，没有任何的集体测试，这使得倍耐力严重缺乏研发新胎的数据支持，而新引擎输出指标变化如此之大。所以意大利公司担心轮胎再现安全问题，才提出了强制两停的想法。当时他们的建议是：一套硬胎的使用距离不能超过赛程的50%，软胎不能超过30%。

      虽然提议最终被否决，但FIA也做出了妥协，特批了车队进行一次为期3天的轮胎专项测试帮助倍耐力发展新胎——尽管这次测试被认为是鸡肋，因为依旧是使用2013款的赛车测试，导致多支车队放弃参加。

      言归正传，扭矩的成倍增加使得动力输出很容易突破轮胎的抓地力极限，这除了是倍耐力需要考虑的技术问题，也是新赛季每个车手需要去面对的。从今年开始，起步、出弯时的油门掌控将变得非常关键，特别是F1目前禁止使用TC，而雨天的难度将更大。

      此外，大扭矩也意味着F1车队需要同时对变速箱和离合器进行强化。

      除了扭矩，新动力单元在功率输出上也发生了明显变化。见图，由于限制燃油流速不得超过100kg/h，使得内燃机的最大功率将止步475KW左右，但是加上ERS系统提供的120KW的功率补偿。将保证新动力单元与去年的引擎持平，即750马力左右，或者更多一些。

      但这是理想状态，一般来讲，涡轮增压引擎在涡轮进入工作转速之前，动力输出会受到限制，这取决于F1工程师对涡轮迟滞现象的解决情况。另外ERS系统每圈33.3秒、120KW的功率输出，也需要保证每圈充满电能这一前提。

      观察图示可以看到，涡轮增压引擎的动力来的比自吸高转引擎要早，涡轮介入的初段功率输出非常陡峭，随后增幅放缓。自吸V8引擎在10000rpm以下的动力是非常有限的，但此后随着转速攀升呈非常线性的递增，到18000rpm达到峰值。

      图三是平均有效缸内压力——BMEP图，反映了5台引擎的单位气缸工作容积发出的有效功的数据。(BMEP=有效功/气缸工作容积)

      六，全新动力单元带来的几大挑战

      在前面的内容中，实际上已经对新动力单元带来的技术挑战有所提及，譬如如何确保转速达到12万转的电机与涡轮协作经受住考验、燃油喷射压力高达500bar的汽油喷射系统的设计等，而下面我们要提及的是更加宏观的挑战。

      1，可靠性

      任何新技术的引入，在初期都会面临可靠性问题，而在下赛季的F1这个问题会变得更加突出。原因有二，首先是引擎的寿命要求翻了一倍，2013年一位车手一个赛季允许使用8台引擎，而2014年压缩到5台。这意味着原来一台引擎跑2000km，现在需要跑4000公里以上，直逼勒芒的引擎寿命。

      其二是动力单元被拆分了，加大了车队受罚的可能。我们知道按照去年的引擎使用规则，非常简单，一位车手一个赛季只能使用8台引擎，超出8台，每次更换就罚退10位一次。

      而从2014年开始。FIA将新的动力单元拆分为了六个模块。每位车手一年只能使用5台动力单元总成，也就是5套这样的6个模块。如果超出这个限制，就会受罚；具体处罚机制如下：

      更换整台动力单元(把6个模块一起换)，直接处罚从维修站起步。

首次用到第六个动力单元六个模块中的其中一块，罚退10位，之后更换余下的5个模块，罚退5位。

      首次用到第七个动力单元六个模块中的其中一块，罚退10位，之后更换余下的5个模块，罚退5位，以此类推。

      这套复杂的新规大大增加了车队受罚的风险，特别是涡轮和极高转速的MGU-H电机上，车队是非常容易“中招”的。而在去年，KERS的三个部件——电机、电池、和控制单元更换不受任何限制。

      遭遇可靠性问题付出的代价增加还不只于此，我们知道，去年KERS只有60马力的功率，每圈只能使用6.6秒。这意味着即便是KERS损坏，车手依旧可以坚持比赛不受大的影响，包括在排位赛中，即便是KERS罢工，车手依旧可以做出不错的排位成绩，去年这样的事情便经常发生在红牛身上。

      而今年，ERS系统的功率翻了一倍，单圈释放时间增至33.3秒，这意味着它已经不再是可有可无的设备，而是动力系统的重要组成部分，在排位赛中，ERS出现问题，损失将是毁灭性的，而正赛中，也可能导致直接放弃比赛。

      此外，新赛季大幕在墨尔本拉开之前，车队只有三轮季前测试的机会，也进一步加大了可靠性的挑战。红牛领队霍纳预计，面对这样一套陌生又复杂的动力系统，揭幕站有一半的车退赛都有可能。

      2，散热

      这个问题已被法拉利和迈凯轮的技术高层同时提及。

2014F1动力单元的散热

      沃金的技术总监提姆-高斯在做客Peter Windsor的赛车节目时是这样说的：“散热将是2014年的一大挑战。因为中冷器的尺寸很大，几乎与去年的散热器相当，这将占掉很大的散热器布置空间，导致车队要再将传统的散热器整合进赛车会非常困难。为了追了空气动力学效率，解决方案有两个，要么缩小传统散热器的尺寸，要么提高系统运行温度。”

      法拉利底盘总监帕特-弗莱则把这个方面可能暴露的问题阐述的更加生动，他认为一旦车队一开始设计出错，后面解决起来会非常麻烦，损失极大。

      “根据2014年赛车的冷却要求，散热将是一个巨大的挑战。”帕特-弗莱说道，“年初的时候，如果你在散热上出了差错，就得把大量的资源投入到解决散热器、车身以及相关环节上。”，

      “我相信在这里(指法拉利)过去是经历过的，包括我的前任车队(指迈凯轮)我们也遇到过，赛季的头几个月都被浪费了。伴随着2014年巨大的规则改变，这种出错的几率会很大。但愿我们能把一切做对，但是有很多人会在1月份的时候摸不着头脑的。”

      根据Magneti Marelli发布的三维模拟图。2014年的F1赛车将拥有5个左右的散热器。见图：首先是巨大的中冷器，它将占掉左侧侧箱，然后是内燃机的水道和油道的冷却系统，占掉了另外一测侧箱，以及ERS动能电机(MGU-K)的冷却系统，ERS系统能储单元(ES)的冷却系统、液压系统的冷却系统。

      5个的算法是假设油道和水道的散热器整合在一起，而一般来讲，高温下工作的涡轮也需要冷却系统进行降温，因此实际的散热器数量可能达到7个，这对于空气动力学部分绝对不是一个好消息。

      3，效率

      效率，是除可靠性外，新动力单元的另一个关键词，同时也是今年最大的技术课题，说到底是如何用好规则限定的100公斤燃油。问题牵涉到内燃机本身的效率，ERS系统的整合与优化，以及车手的驾驶操作这三大方面。

      其中内燃机的效率主要涉及机器本身的设计，特别是新的GDI技术的应用以及系统润滑，这方面的知识，法拉利已在其2014款F1引擎的官方短片中进行了详细阐述，我们在此就不再赘述。至于内燃机上的涡轮，如同KERS一样，也是通过向专业制造商采购，无需自产，法拉利已确认他们将使用全球最大的涡轮增压器制造商盖瑞特的产品。

      盖瑞特目前归于博格华纳旗下，曾为奥迪的勒芒赛车以及雪铁龙的WRC赛车提供过涡轮，技术实力不容置疑。

      第二个方面——ERS的整合和优化，对于新动力单元的效率将是至关重要的。因为它不仅直接关系到能量的回收和利用效果，其MGU-H电机，还是解决涡轮迟滞的核心工具，直接影响到内燃机的动力输出。这当中最主要的工作是如何把系统内的两套能量回收系统协调好。

      比如如何分配ES中的电能，才能让整个动力单元的输出达到最优值，是将50%的电能用于MGU-K驱动后轮，另一半用于MGU-H解决涡轮迟滞，还是7:3开，这牵涉到复杂的计算机运算。

      即便是将ES中4MJ的电能全部用于动能电机推动后轮也是值得研究的。因为今年ERS-K的能量释放不再是简单的一键式。现在，车手既可以选择让MGU-K电机处于峰值功率状态推进33.3秒，也可以选择半功率设定推进66秒，还可以以40马力输出132秒。

      而且这些设定并非一层不变，从基本的赛道到轮胎等都会成为影响因素。

      此外关于ERS系统还需要强调的一点是，FIA允许MGU-H的MGU-K的电机进行直接连接，也就是说MGU-H回收的电能，可以不通过电池直接供应给MGU-K的电机，反之亦然，FIA未对能量传输数值做任何限制(见FIA提供的动力单元能量流图)。法拉利和雷诺的ERS系统供应商Magneti Marelli认为这里将是今年F1车队重点发展的一个区域，因为它有巨大的潜力可挖。

      动力单元的能量流

      对ERS系统进行优化的过程的，其实就是挖掘系统潜力的过程的，这个课题不仅局限于ERS，而是涵盖了整个动力单元。这也是为什么雷诺说软件将成为新动力单元性能的关键因素的原因。

      “软件将成为性能的关键因素。今年你可以以任一方式运行引擎，但不一定有效。”雷诺引擎赛道运营主管Remi Taffin说道。 按照规则，车队需要在下月28日将新动力单元的规格提交给FIA，次日起(3月1日) 不得再对硬件进行改进(可靠性问题除外)，但是软件是放开的。

      “软件将是我们进入赛季后保持发展的一个方面，季中可能有60%的性能提升都来自软件。”Remi Taffin说道。

      关于车手的驾驶操作。这主要包含两个细分方面，一个是车手对人机界面的操作，比如面对新的动力单元，车手可能需要在比赛中实时调整ERS的模式，控制动能电机MGU-H输出功率等等，第二个，同时也是最重要的方面是，驾驶方式。法拉利技术总监詹姆斯-埃里森(James Allison)说，这是现在车手需要去学习的，没有现成的经验可以借鉴。

      “今年赛车拥有更多的电机动力可用，发动机的燃油流速被限制了(最大100kg/h)。比赛将会出现不同的情况，在有些赛道，100kg燃油可能绰绰有余，但在其他一些赛道就需要你仔细的管理每一圈的燃油使用了。这种不同的驾驶方式是需要练习的，学习何种开法既能保证速度快又不至于消耗太多的燃油。”埃里森说道。

      毫无疑问，在每站比赛之前，车队都会对比赛进行模拟，在赛前向车手给出建议。赛中，每一圈，每次发动机点火消耗的燃油，车队也都掌握有实时数据，但车手的角色依旧是非常重要的，为适应新规，去摸索最优的比赛方式，甚至改变自己的驾驶风格，对于车手来讲是最难的。

      总而言之，今年的比赛对于车手将不再是传统的全程油门到底的push，除了车技，还需要用脑去比拼，所以2014年也被称为是考验车手智慧的比赛，或许我们应该叫它“高智商方程式”。

      结语：

      FIA这次对动力系统的改革，让已经和道路民用引擎技术脱节多年的F1，重新回到技术先锋的角色。同时也打通了与另一大车赛WEC之间的关联，F1今年使用的动能和热能回收系统在奥迪发布的2014款R18上都有配备，技术上增加了两边的厂商互相“串门”的可能性。

      总体上，这套新动力单元维持了和老V8持平的功率输出，但是扭矩大幅增加。虽然质量增加了50KG，但是由于新赛季的载油量减少了50KG，使得两代F1赛车保持了几乎一样的车重，圈速方面不会有太大的波动，即便是今年赛车的下压力有降低。

      至于声浪，低沉的涡轮相较于高亢的自吸，我们唯一能讲的是那是另一种不同的风格，是否喜欢完全在你。

      (注：关于新引擎的“尾巴”——排气管发生的变化，因为更多的牵涉到的是空气动力学层面的东西，所以我们并未在本文提及。如果需要，那就等待再来一篇空气动力学的特稿吧)

      附一：涡轮增压引擎在F1的历史

      F1从赛事成立起，曾实行过增压和自吸引擎并行的规则，但当时是机械增压引擎。比如法拉利的第一辆F1赛车125便是搭载的1.5升V12机械增压引擎。而涡轮增压引擎，直到1977年才出现在F1。当时雷诺使用1.5升的涡轮增压引擎首次进入F1，也是V6结构。但是就像一切新生事物在其初期都很弱小一样。由于技术不成熟遭遇频繁的可靠性问题，加上车队无暇顾及空气动力学的发展，RS01赛车被对手戏称为“小黄茶壶(Little Yellow Teapot)”。

      唯一参加F1历年赛事的法拉利最早在F1使用涡轮增压引擎是1981年(法拉利F126C)，当时雷诺的涡轮增压引擎已经开始展现出优势。126C赛车使用的是一台由著名的Dino V6派生而来的1.5升引擎，为了追求低重心，一开始沿用了原来的120度夹角。126C测试的结果显示的确比老旧的312T快，但是由于严重的涡轮迟滞现象、动力爆发非常唐突，加上轮胎无法承受巨大的扭矩快速退化，让赛车极其难以驾驶，吉尔-维伦纽夫给当时的法拉利取了个绰号：“红色的大凯迪拉克”。

      不过一年之后，技术就取得了突破性的发展。法拉利在1982年赢得车队冠军，成为F1历史上第一支使用涡轮增压引擎取得制造商冠军的车队。随着涡轮增压引擎的日趋成熟，到了1983年，不使用涡轮增压引擎已经不可能在F1中赢得比赛。

      在F1中第一台赢得车手世界冠军的涡轮增压引擎则是宝马的直4(引擎代号M12)，发生在一年之后。这台魔鬼机器发展到后来的型号(M12/13)，在高增压值设定下，迸发出高达1400马力的动力，被认为是F1历史上迄今为止动力最强劲的引擎。

      而在F1中，最成功的涡轮增压引擎则是后来由保时捷设计的 TAG V6，以及本田的V6。特别是本田和迈凯轮合作的1988年，日本车厂提供的RA168-E引擎，与传奇设计师Gordon Murray设计的MP4-4底盘实现了完美的匹配，全年16站比赛拿了15个杆位、15场分站冠军，成为F1历史上迄今为止最成功的赛车之一。

      退出历史舞台的F1V8引擎

      但也就是在那年之后，涡轮增压引擎被FIA禁掉至今。当初FIA给出的理由是，涡轮增压引擎让F1变得太危险、太昂贵。而现在，F1主管团体决定让其回归，则是为了顺应环保节能潮流，提高路-赛的技术关联，让处于汽车运动金子塔尖的F1，重新成为汽车工业的技术先锋。