探秘F1引擎

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Inside an F1 Engine

独家：Cosworth将向我们彻底展示其Grand Prix引擎

文/Sam Collins


可以猜得出，世上最强劲的引擎当然属于那些预算最高的家伙，同样可以猜到的是，那些家伙肯定是玩儿F1的。这帮家伙研发出那些F1引擎升功率远超300bhp/L，同时在20000rpm时拥有引以为豪的125%充气效率，这些F1引擎的动力冠绝世上任何一具4冲程自然吸气引擎。
目前的F1引擎是FIA从2006赛季初开始对规则进行彻底修改的产物。F1管理机构决定以降低引擎规格的方式来降低F1赛车的动力。同时为了避免众车队为新引擎背负巨额的研发费用，在引擎形式上FIA规定所有引擎必须统一使用当时主流的V型90o夹角，并将10缸转为8缸。简单推理可知引擎制造商可沿用已有的引擎结构，然后在末端削掉两个气缸，这样可以节省引擎关键部件重新设计的费用。但这一切是如何实现的呢？为了寻找答案，我们将详尽剖析2006年赛道上最棒的引擎之一——Cosworth CA。

Cosworth的最后一具V10引擎是2003年供给Jaguar车队的TJ。TJ取代了供应Jordan车队并成为Giancarlo Fisichella在巴西获胜功臣的LK。经大力改进后，TJ(本体为90o夹角V10)自身已具备了很多可简化为V8引擎的要素。然而FIA又颁布了其他规定，包括曲轴中线和整机重心的最低高度。基于这些规则外加自身在燃烧及活塞设计方面的进步，Cosworth决定抓住这次规则修改的契机放手一搏，打造一具全新引擎。TJ并未充分利用规则限定的最大缸径尺寸，仅95mm的缸径完全低于规则限定的最大值。所以在新引擎的研发过程中，Cosworth试验了多种不同的缸径尺寸，但由于缸径的增大导致燃烧室长径比的改变，燃烧过程因此受到影响。随后Cosworth在单缸试验机上投入了更多的精力，用以改进混合气的制备和燃烧室/喷油嘴的设计，以此来充分利用增大的缸径尺寸。
事实上即便在转速上使用了更长的冲程以及更为传统的进气方式，初期V10引擎遇到的凸轮扭转问题仍使Cosworth团队在引擎寿命上备受困扰，这最终导致在其他部分中，Cosworth需要为凸轮轴增加额外的"解耦(De-Coupling)"装置以减小其振动幅度。

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Cosworth TJ V10

以此为基础，再加上其他更为先进的研发成果，胸有成竹的Cosworth为其全新CA V8引擎设定了一个最高转速为20000rpm的首要目标。使用尽可能大的缸径就意味着更短的活塞行程，短行程将有助于达到此转速值，但同时也意味着将增加活塞的体积和重量。而这恰恰是Cosworth前些年来着力钻研的领域。
Cosworth的项目经理Chris Jilbert解释道："我们在有限元分析(FEA，全称Finite Element Analysis)上的经验是个不断积累的过程，你需要在往复运动间理解活塞的工作循环并对各部件进行评估。确保你收集到所有数据都是极为重要的。从引擎中取出的活塞通常都会有裂缝，而问题在于裂缝是否会大到引发问题的程度。常规的着色探伤法(Dye Penetrant Inspection)一般无法检测出这样的裂缝，尤其是裂缝大小在显微级别的话，譬如材料在入孔时已经被打磨过，就像活塞销入孔时。然后你才能对活塞逐段进行分析或是在显微镜下寻找证据。"

有了这些认识，设计团队对达到规则允许的98mm的最大缸径信心满满，转速进一步提升后还可将缸径上的优势最大化。由于没有大型引擎制造商那般充裕的预算，Cosworth没有采用铍铝合金制造活塞，而是经常以2618A取而代之，这种材料基本上和应用于Rolls-Royce Merlin航空引擎活塞上的RR58铝合金相同。F1引擎活塞首先须经过锻造，然后95%的表面再进行机加工。成品令人印象深刻，活塞冠下剩余的金属形成了一个复杂而精细的部分，此处将左右活塞的整体强度。至于压缩环的厚度则已被削减到0.7mm以下。此举收效显著，2005年年末Cosworth成为首个向公众展示20000rpm V8的F1引擎制造商。整个2006赛季中Cosworth都不需要为活塞操心。
CA引擎的动力从一开始就令Cosworth心生优越感，同时也令对手好生羡慕，最新的第6系列引擎输出已经超过755bhp(升功率315bhp/L)。2005赛季供给Red Bull车队的末期规格TJ V10引擎输出大概在915bhp(升功率305bhp/L)，2006赛季Toro Rosso使用的限制版TJ引擎的输出功率则被降至735bhp。当然达到这些数字并非没有挑战，转向V8引擎带来了一系列独有的问题。
目前所有的F1 V8引擎都使用180o的曲柄夹角(Flat-Plane Crankshaft)，这将带来其独有的振动特性，与V10相比这对引擎各部件提出了更高的要求。如此一来Cosworth便对整具引擎的刚度给予了特别关注，其中缸盖的设计影响最大。
自1999年起Cosworth便在其F1引擎上启用了"梁式缸盖(Beam Head)"。这种设计是将金属集中在贯穿于缸盖整体长度上的扁形梁上。即以最少的材料为引擎提供最大的结构强度，就像汽车中的底盘一样。此项设计成为了在保持刚度条件下降低引擎整体重心和重量的有效方法。最初引入这项技术时，Cosworth可以傲然的在引擎总重量上削掉整整30kg，Cosworth可能是当时最轻的F1引擎。梁式结构决定了缸盖其余大部分部件的设计，凸轮轴使用螺栓紧固于梁式结构两端，外包碳纤维气门室盖。

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然而2006年新规则限定了重心高度和引擎重量的最低数值，碳纤维凸轮轴盖亦被一并禁掉，所有这些都迫使缸盖设计进入了一个与此前完全不同的方向。没有了降低引擎重量的诉求，梁式缸盖功效不在，再加上V8引擎的剧烈振动，所有轴承的刚度成为Cosworth需要优先考虑的问题。
有了这些目标后，Cosworth转向了一个相对传统的缸盖设计，他们在凸轮轴承和凸轮轮毂四周填充了大量金属，充分利用额外的材料将引擎重量等参数提升至规则限定的最低数值。设计师需要搞定额外的金属，但整个引擎的工作循环仍然相当艰难，以至于2005赛季缸盖/缸体的设计全都需要推倒重来。接近2005年年末时Cosworth才对新设计的衰减速率有了充足的了解，之前的缸盖得以重新启用。
如何在一个已确定的重心高度范围内设计引擎成为了一个新的挑战。幸运的是，尽管在最终完成版的引擎上控制重心显得更为困难，但在计算机辅助设计的帮助下，整套设计程序仍可在全部设计阶段通过相关密度持续计算引擎重心的位置。"我们需要发展自己的技术使引擎在不同平面上取得精密的平衡，就像你在学校做过的物理实验一样，但终成品的附加值要高得多！"Jilbert解释道。
缸盖和缸体使用Cosworth研发的铝合金材料以及著名的Cosworth浇铸工艺(Cosworth Casting Process)制造，并在Grainger & Worrall公司的专用浇铸间内进行浇注。为了尽可能的降低重量，Cosworth早已摒弃了钢制缸套，现在使用的是覆盖于铁基内表面的铝制涂层技术。
F1引擎缸体内冷却液的空间是需要重点考量的，正如Jilbert所说："我们的热力分析工具允许我们高效设计引擎的水套。当然冷却液容积越小，我们负担的重量就越小且更易于封装。"目前V8引擎包括散热器在内的整个冷却系统大概需要4L冷却液。整个循环系统的流量为270L/min，皆由一小型高转速叶轮驱动，叶轮亦可将125℃的冷却液从引擎中泵出。水仍是最佳冷却剂，只需额外添加抗腐蚀剂即可。
如何在巨大的缸压下将缸盖和缸体结合并保证其气密性一直都是个挑战。"缸盖使用一片很薄的钢质气缸垫密封，"Jilbert解释道。"缸体上端面经过精加工，缸盖上的火力面亦打磨光滑。因为沿着缸盖方向上的刚度都在不断变化，缸体内部亦是如此，你需要找到一个可将缸盖用螺栓紧固于缸体，并确保夹紧这一小块垫片区域的方法。钢制垫片基本上只对燃烧气体进行密封，水套和油道则使用O型圈加以密封。"
引擎进气道内表面经过精加工，尽管面临引擎冻结，但规则仍允许引擎制造商自由改动此处，不过只局限于认证铸件之外的部分。所以在缸盖内移动其他部件或改变铸件形状都是违规的。为此Cosworth选择了一条颇具代表性的创新路线，就像Jilbert指出的一样："唯一可改动的部分只有缸盖进气道内的一小段区域，这是我们进行CA项目时需要适应的改变之一。但我们仍然可以在进气道上进行很多研发工作，尤其是在引擎冻结的情况下，虽然你只有缸盖内的一小段区域，但进气道和进气歧管部分都是自由的，你可以合法的改动这些部分。"

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需要注意的一点是Cosworth不受FIA禁用可变长度进气歧管的影响，因为Cosworth根本就没用过那东西。2000年时Cosworth初试过一套那种装置，但随后这个计划便终止了，之后再未启动过："这套系统太过复杂，如果继续的话我们可能还会犯更多的错误。我们在这套系统上遇到了很多问题，最终我们在没有可变进气歧管的条件下依然得到了一条合适的动力曲线。的确在扭矩曲线上会有点轻微的损失，但我们的固定式进气歧管肯定不会出问题。"
引擎的竞争力体现在曲轴处的输出功率上。Jilbert又说道："引擎技术非常先进，驱动性能非常棒，这些都得到了车手的高度肯定。某个特殊的发卡弯处引擎转速可能会掉到7000-8000rpm，但在大直道上降挡时你可能只会用到2000-3000rpm(不同挡位传动比间)，车手将在不同时段用尽全数转速区间。"
TJ与CA间最大的改变就是加入了可变气门正时系统，气门彼此在纵/横向上都有一定的夹角，这样可优化燃烧室的形状。Cosworth预计这将增加整个机构的复杂程度，但事实上最终的结果却相当明了。更大的挑战在于摇臂表面的磨损。更高的转速需要气动气门回复装置内的更高的压力，这将导致低速时凸轮机构从动件表面很高的接触载荷，2006年初的冬季测试Cosworth花了很多时间来解决这个问题。尽管提升了回复压力(可加快气门动作)，但极小的间隙仍使得正常情况下气门会在活塞表面留下痕迹，这需要气门正时中0.25o或其他等效的调整以确保运转部件间彼此不发生干涉。
由于钛铝合金遭禁，Cosworth在气门材料上改用了更为常规的钛合金，辅以实心杆式进气门，同时考虑到额外的散热问题，排气门采用钠中空填充。
在追求如此之高的转速时面临的另一个挑战是连杆和大头轴承，2006年马来西亚站Nico Rosberg的壮烈退赛进一步凸显出这两处弱点。和其他引擎制造商不同，连杆材料为钛金属，并保留了分离式轴瓦。最初极限转速被削低以保证引擎寿命，这个问题随后在工厂得到解决。问题在于需要保证连杆大头(与曲轴连接端)在载荷下依然能够维持正确的形状，以实现持续油膜润滑下轴承支承面上平稳的表面压力。Cosworth在连杆设计，轴承规格以及机油选择上进行了大量工作，这样在赛季进行和自信增长之余，CA引擎全部20000rpm的转速进一步得到提升。这确是一项了不起的成就，尤其是考虑到20000rpm时活塞相当于承受2.5t的压力。而燃烧时气体的最大作用力超过65kN，最大惯性载荷接近60kN，单次工作循环中连杆可以伸长0.6mm，这些都不足为奇。

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连杆位置完全取决于其小头(与活塞销连接端)和活塞。"如果你试图沿曲柄销移动连杆的话，这个数字将会是相当惊人的，"Jilbert提示道。"如此之类的细节都是设计中的关键之处。"
曲轴在单独的曲轴箱内旋转，曲轴箱内部0.3-0.5bar的低压可以有效降低气动阻力带来的损耗。为了在20000rpm时保持曲轴平衡，曲轴使用了一种名为Densamet材料的平衡块，这种钨合金经常可以在导弹尾部见到。
整个2006赛季中Cosworth需要管理大量的引擎规格，并需确保其经过高效处理。由于缺乏精确的部件追踪和组装程序，Cosworth引擎的可靠性直线下降。Cosworth在此投入大量精力，开发出专用软件协助管理引擎的规格控制，并为引擎制造制定了大量的制造流程。

从TJ到CA项目的转换中Cosworth在新引擎点火运行前对其已有的认识得到了很大提升。新的引擎项目通常都会带来很多未知因素，与此同时一切都被近乎于推向极限。"第一年里我们曾一度挣扎于让TJ通过耐久性测试，"Jilbert回忆道。"这是具新引擎，有一些轴承和扭转问题。"为处解决这些问题，在技术研发的同时Cosworth亦改进了自身的流程/规格控制体系，包括机械加工，引擎制造和测试环节。由于规则一再要求延长引擎寿命，因此这对与引擎寿命有关的部件提出了更高的要求。既便如此，Cosworth还是在TJ 3年的比赛生涯中将其升功率从280bhp/L提升至305bhp/L，并将引擎寿命从350km提升到1550km。"细致的审视所有部件是非常必要的，"Jilbert解释道，"这是你了解引擎如何运转的唯一方式。"在可靠性测试的同时保持高速研发是一种花费高昂的方式，所以Cosworth通常只能有节制的使用。仅仅是这些部件就要花掉135000英镑，所以你需要找到一个高性价比的动力提升方式，而不仅仅是提升一丁点儿部件的使用寿命。

和TJ不同的是，CA首次开机点火便通过了耐久性测试，Northampton的工程师对此感到非常高兴但并不意外，其中的自信来自于他们所使用的设计工具。TJ立项以来的3年里，Cosworth进行了大量工作以提升其模拟能力。"我们在进行CA项目时信心十足，配气机构的设计从一开始就非常成功，因为我们从模拟分析，台架试验，当然还有TJ项目的经验中学到了很多很多，"Jilbert说道。"我们已经拥有了对整个系统进行精确建模的能力，这样便可对整个系统的扭转振动特性进行预测，再将其与台架测试相结合，进一步改进整个设计过程，这些在引擎运行至20000rpm时非常之重要。"
Cosworth CA是2006赛季F1动力最强劲的引擎吗？Chris Jilbert当然是这么认为的，这亦是对Cosworth Northampton基地内整个团队能力及创造性的一种肯定。Cosworth只用了大车队的一小部分的资源和经费便做到了这一切，真的非同凡响。

leland

还是很值得一看的！

KANON

哇塞～太棒了

fissa

这种文章~~要多看几遍~~

KANON

这种文章~~要多看几遍~~
fissa 发表于 2009-5-8 02:09

                               
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我先顶，过后慢慢看

KANON

要是装在FK上
京城老五 发表于 2009-5-9 17:57

                               
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那FK都散架啦，哈哈