破解 F1 V8引擎的全部秘密(图)

KANON

一，V8和V10到底有何不同？
　　从3.0升V10到2.4升V8，从字面上看只是减少了0.6升的排量和砍掉了两个气缸而已。但事实上，这是两个完全不同的概念。
　　1，曲柄夹角不同
　　曲柄夹角是指引擎曲轴上相邻两个曲柄之间的交叉角度，单缸的引擎不存在曲柄夹角，因为它只有一个曲柄，推动曲轴旋转一周由一个曲柄单独完成，但是V型引擎却不一样，它有多个曲柄。那么当如何协调这些曲柄顺畅的工作呢？这时便需要定义曲柄之间的角度——曲柄夹角。
　　从理论上讲，要实现扭矩波动的最小化，即保证动力输出平稳，平分曲柄夹角是最理想的方案，这就是我们所常说的等间隔燃烧角。因此V10引擎的等间隔燃烧角应为72度＝360度/5，而V8引擎的等间隔燃烧角则是90度＝360度/4。但非常特殊的是，V8引擎的等间隔燃烧角并不是唯一的，它还可以为180度，也被称为平角——FLAT。
　　那么面对两种等间隔燃烧角该如何来选择呢？一般来讲，民用汽车多采用前者，因为这样能够保证动力输出的平顺行。但是对于追求高性能的赛车引擎而言，后者才是最理想的方案。
　　2，点火顺序不一样

                               
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　　引擎的点火顺序和等间隔燃烧角是直接相关的，在这里分为两点是为了便于理解。V10引擎的点火顺序为：1-4-3-6-2-5-8-9-7-10。而V8引擎由于有两个等间隔燃烧角，因此点火顺序也有两种，分别是1-8-4-3-6-5-7-2和1-2-7-3-4-5-6-8。前者为夹角为90度时的点火顺序，后者为180度时的点火顺序。
　　需要特别提醒的是，点火顺序的不同，将直接决定引擎的振动临界转速区域的不一样。这不仅意味着V8和V10的振动临界转速区域不同，而且即便同样是V8引擎，当选择不同的等间隔燃烧角时，引擎也将面临不同的振动特性(请看下文)。
　　3， 振动临界转速区域不同
　　宝马引擎总监马里奥-泰森在去年年末曾透露：V10引擎进入振动的关键区域是12000转/分到14000转/分，但这并不是引擎工作的主要区域(V10引擎的主要工作区域大约在17000转/分～19000转/分)，而当车手加大油门让转速继续攀升后，引擎便会马上恢复平稳，因此根本没必要担心振动问题。
　　但是V8引擎则完全不同，它进入振动的关键区域比V10要晚，大约从16000转/分开始，而且随着转速的上升会继续加剧，如果不采取措施，这将威胁到引擎的寿命，而且会增加底盘上其他部件承受的负荷，特别是与引擎相连的部件。
　　为了解决这个问题，必须精确计算和分析引擎的每一个部件在工作中承受的负荷，确保完全可靠。然而分析个体部件仅仅是整个工作的一部分。了解在整个系统中，它们之间是怎样协同工作，同时又相互影响相互制约的才是最主要的作，马里奥-泰森如是说。
　　二，V8引擎到底会带来怎样的变化

                               
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　　1，机体长度减少10厘米，车身布局发生微调
　　砍掉两个气缸后，V8引擎的机体长度将减少大约10厘米。此时工程师必须设法合理的利用腾出的这段空间。但不论是增加前部的长度还是后部的长度，都将影响到车身的重量分配，如果使用更长的变速箱，重量分配将向前移，反之如果加长单体壳，将得到相反的结果。在这点上，普里司通和米其林用户采用了截然不同的方案。
　　由于普利司通的前胎胎面宽度比米其林窄，因此他们的用户大多数将单体壳加长，以实现重量分配靠后。而米其林用户则反其道而行之，普遍使用加长的变速箱。如果单纯考虑V8引擎振动更大这一因素，米其林用户的选择似乎更合理，因为加强的变速箱有利于提高强度，而且可以让后悬挂远离振动源。【注：在这里我们只提到引擎的尺寸而没有谈引擎的重量，是因为在后面将对重量做专门的分析】
　　2，动力输出降低20%，散热要求降低

                               
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　　动力输出降低20%，是根据排量减少20%估算而来，这意味着新赛季F1引擎的最大功率将是720——750匹，而不是900——950匹。虽然丰田和考斯沃斯认为他们的输出功率降不了20%，但这恐怕是因为他们不曾考虑，如果新赛季继续使用V10引擎的话，1000HP才是大家奋斗的目标。
　　随着排量降低后，引擎的散热要求也将降低大约20%，这意味着V8引擎节约的空间不只是纵向的10厘米。现在大家可以把散热器的尺寸减小20%，这反映在外观上，则是所有赛车的测箱都压缩了(STR01除外)。
　　3，扭矩输出降低
　　将排量缩小后降低的不只是功率，还有扭矩。虽然扭矩在F1引擎的参数指标中几乎不被提起，但是在起步和出弯时，扭矩高将带来巨大的优势。正是因为这个原因才使不少车队担心：使用老V10的红牛二队会在起步时，冲在前面。
　　关于影响V8扭矩输出的另外一个极为重要的因素——禁止使用可变进气歧管，我们也将放在后面的新规则分析中做详细的阐述。

                               
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　　4，全油门时间加长，油耗大约降低15%
　　由于V8引擎的动力和扭矩输出都降低了，因此车手在同一条赛道与使用老V10相比，全油门的时间将延长。据雷诺估算，现在引擎在一条赛道的平均转速，将比过去提高300到400转。
　　与此同时，由于引擎平均转速提高和全油门时间加长，因此油耗并不能同排量一样成相同比例的降低，V8引擎的油耗只比V10减少了大约15%，不过这仍将意味着赛车在维修站呆的时间会大幅缩短。
　　5，允许车手犯错的空间减小，驾驶风格顺滑的车手将从中受益
　　车手犯错的空间减小了，同样是因为V8引擎的动力和扭矩输出都降低了。在过去，车手在弯道上的小失误，可以通过引擎强大的功率和扭矩迅速摆脱困境，但是现在驾驶的是动力输出降低了200马力的赛车，车手细微的失误都可能带来巨大时间损失，也就是说新引擎将把车手的失误“放大”。
　　在功率和扭矩两个指标都降低的情况下，将对那些驾驶风格流畅顺滑，能够在同一时间完成减速和转向的车手有利，因为只有这样才能保证最高的出弯速度，这在中高速弯道表现的尤为明显。相信这点玩过赛车游戏的车迷都很清楚，而这也正是巴顿自诩他的驾驶风格将在新引擎规则下受益的理论依据。
　　三，新引擎规则核心修改内容。

                               
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　　1，必须统一采用夹角为90度的V型结构；
　　2，缸径不得超过98毫米，缸距必须保持在106.5mm (+/- 0.2mm)之间；
　　3，禁止使用可变进气歧管；
　　4，曲轴中心到车底参考面的距离应在58毫米以上；
　　5，引擎质量不得低于95公斤；
　　6，引擎重心距车底参考面的距离不得低于165毫米；
　　四，新引擎规则分析
　　以上的条款看似简单，但事实上它可能是F1史上最苛刻的引擎的规则了。它给F1引擎工程师设置的障碍几乎密不透风，到底密到什么程度。下面我们将对其做逐一分析。
　　1，必须统一采用夹角为90度的V型结构；
　　将引擎夹角统一使用90度，这是F1史上，国际汽联首次对夹角做硬性规定。从技术上讲，这不会给制造商带来多大障碍，不过可以猜想到的一点是，此举无疑更便于FIA考评后面的限制指标，比如引擎重心高度。
　　夹角对引擎的的影响主要包括机体强度、机体重心高度、机体体积和机体系统布置。在上赛季，只有雷诺的RS25引擎夹角不为90度，而是采用更小的72度。雷诺引擎主管罗伯-怀特认为，小夹角的机体强度更高，这非常符合两赛一引擎的新规则。不过从本赛季开始，V10将成为历史，而雷诺要完成从72度到90的转变不会有任何困难。
　　在这里需要特别提醒的是，不要把气缸夹角和上面提到的等间隔燃烧角混为一谈。
　　2，缸径不得超过98毫米，缸距必须在106.5mm (＋/-0.2毫米)之间；
　　事实上新规则最要命的限制，是从这条开始的，原因请看下文：
　　大家知道，高功率是F1引擎追求的第一目标。而要提高引擎功率，最直接的办法便是提高转速。但引擎的转速并不是一个可以无限增加的量，它受到的第一个约束是活塞的磨损。
　　常识告诉我们，引擎转速越高，意味着活塞在单位时间内的运行距离越长，磨损也就越严重，那如何克服这个问题呢？这时可能大家第一个想到的是利用更高级的耐磨材料，但是不巧，国际汽联如今出台了更加严厉的材料限制条款(详情请见文章末尾的新引擎规则译文)。在这种情况下，我们必须将思维向另外一个方向转变，缩短活塞行程。
　　原因是缩短活塞行程，就意味着活塞在相同转速下的运行距离缩短了，这当然可以降低磨损，没错！但是排量必须保持不变；因此必须将气缸压扁，结果是缸径增加了。眼看目标即将实现，但国际汽联现在将这条路也堵死了：缸径不得超过98毫米，这就是新规则的要命之处。
　　再看后半段限制：缸距必须在106.5毫米 (＋/-0.2毫米)之间；这又意味着什么呢？解答这个疑问，我们需要做点数学运算。
　　缸距是106.5毫米，是指引擎单测并排的四个气缸，其间的任何两个的轴心距离不得超过106.5毫米。在这个要求下我们我们通过计算的会发现，现在的气缸间距＝106.5毫米-98毫米x2＝8.5毫米，这个值明显大于目前V10引擎的4＋-1毫米。也就是说在新规则下，不仅气缸的缸径自由度被进一步缩小，而且要想缩短引擎的尺寸都不可能，这将直接缩小大家在引擎尺寸上的差异。

                               
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　　3，禁止使用可变进气歧管；
　　可变进气歧管是一项调节引擎扭矩输出表现的技术，目前已经非常成熟，被民用车广泛使用。其技术原理是，通过改变进气歧管的长度(有的甚至在进气歧管中增加了特殊的阀门)来调节进入气缸的可燃气流量，进而达到调节引擎扭矩输出曲线的目的。
　　使用该项技术的好处是，引擎在转速两端区域的扭矩得到加强(尤其是低转速)，整个引擎的扭矩曲线更加平滑。具体表现为赛车在低转速的加速性能更强，出弯速度更高，车手失误对圈速的影响被弱化，由于曲线平滑，赛车也更易于驾驶，但是从明年开始，该项技术将被禁止，这将是引擎遭遇新规则的又一次重创。
　　不过禁止使用可变进气歧管，并不是指全年只能使用一种规格的进气歧管，工程师根据每站比赛的特性，选择特定长度的进气歧管是允许的。宝马引擎主管马里奥-泰森表示，如今，赛道布局和天气将成为决定进气歧管长度的主要因素，像蒙扎和印地安纳波利斯这样的赛道，工程师必将偏向使用同种长度的进气歧管，而在摩纳哥和匈牙利，又将是另外一种。
　　4，a)引擎质量不得低于95公斤；b)引擎重心距车底参考面的距离不得低于165毫米；c)曲轴中心到车底参考面的距离应在58毫米以上。
　　之所以要将这三项因素并在一起分析，是因为它们最终都牵涉到同一个问题：引擎的质量和重量分配。下面让我们先来了解一组数据：

引擎代号 055-V10 RA005E-V10 RS25-V10 P84/5-V10 FO110R-V10 054-V10 TG-90-V10 RVX-05-V10 引擎质量(kg) 94 88 105 92 92 94 95 91

　　上表是上赛季七支引擎供应商的8款引擎质量列表，从中我们发现，除了雷诺RS25-V10以外(实际上到赛季末，已经控制在90公斤以内)，全部都低于95公斤。呈现这个表格是为了告诉大家，以为使用V8引擎会让引擎减肥的思想是完全错误的。因为即使是“大块头”的V10引擎，其质量都已全部低于95公斤，而现在国际汽联却要求砍掉两个气缸后的V8不得低于95公斤。而且不只是以上的观点错误，认为新引擎能让赛车配重自由度提高的思想同样是个误区。
　　本田主管引擎发展的头目木内健雄表示：即使使用去年的技术，正常情况下一台V8引擎也不会超过80公斤，但是国际汽联现在却要求质量必须达到95公斤，这意味着工程师不得不给引擎增加额外的配重。从技术角度讲，这是在倒退。因为现在的工作不再是怎样设法将其做的更轻，而是要人为的让其背上一个包袱，而且这个包袱还不能随便背。
　　大家知道，要实现低重心，最直接的方法便是将配重加在引擎的底部，但是莫斯利告诉你，现在不能这么干，引擎重心距离车底参考面的距离不得低于165毫米。而且更残酷的是后面一条，引擎曲轴中心距离车底参考面的高度应在58毫米以上。
　　众所周知，要减轻引擎的振动，一方面需要将引擎的安装位置降低，而另一个方面便需要将引擎的振动源降低，而这其中最核心的部件便是曲轴。为了达到这个目的，人们发明了干式机油底技术。但是现在，国际汽联却要求限制曲轴的高度，这一切都与F1赛车要求的高性能背道而驰。
　　通过对以上三项的分析我们能够得出一个简单的结论：，新规则将大大缩小各引擎制造商原本在技术上差距。比如本田在引擎质量控制上的优势将荡然无存。不过这正是FIA想要的。因为他们的哲学是：实力均衡，才有更激励的比赛。
　　5，更加苛刻的材料限制
　　“禁止使用镁合金，MMC以及铍、铱和铼等含有量超过50%的合金”。我们在分析新规则的第二条时曾提到过材料问题，当时没有展开，是为了在这里并在一起分析。
　　事实上，国际汽联对材料的限制，并不是从今年才开始的，但是却从来没有像现在这样严格过。几乎除了钢、铁和铝之外，其他的任何材料都不允许使用，这再次成为V8引擎发展的绊脚石。大家知道，材料是技术进步的基石，没有不断发现的新材料，技术进步的速度是非常有限的。
　　一个简单的例子，为了提高引擎转速，工程师必须使用质量更轻、更加耐磨和耐高温的新材料，但是现在这条路被堵死了。要实现发展目标，必须另寻他路，速度减缓是不言而喻的。
　　在这里，我们想顺便提一下节约这个话题。现在限制材料应用必然会导致车队原有的材料研发部门停工关门，其直接经济损失自不必说。工程师为了提高性能，必须会将投入转移到其他方面，那么，国际汽联节约的目的得到了吗？
　　一点总结
　　以上长篇的分析只是笔者的一点拙见，其中大部分以陈述事实为主，希望能对大家了解V8引擎和欣赏比赛带来帮助。
　　记得在V8定案后的很长一段时间内，大家都担心F1是否会沦为一辆高成本的GP2战车。但是当戴维森上周在瓦伦西亚驾驶RA106打破赛道纪录后，一切的顾虑都灰飞烟灭。虽然这不全是引擎的功劳(使用更软配方的轮胎和不断升级的空气动力学设计)，但是这却向车迷传递了一个事实：改用V8引擎的F1，速度将绝不逊于以往，而且还会有更多的惊喜，等待我们在比赛中去发现！F1工程师的天职永远都是：在规则的限制中，不断超越！
　　附1：2006赛季F1引擎规则核心修改内容(章节编号按照规则原文)
　　第五章: 引擎
　　5.1 引擎规格
　　5.1.1 只允许使用四冲程往复式活塞引擎
　　5.1.2 引擎排量不能大于2.4升
　　5.1.3 禁止使用增压器(废气增压和涡轮增压)
　　5.1.4 必须采用90度V型夹角的8缸引擎，每个气缸必须是常规的圆形。
　　5.1.5 每个气缸必须使用两个进气阀和两个排气阀，只允许使用往复式的阀门。
　　5.2 引擎二选其一:
　　该规则只适用于2006年和2007年，国际汽联保留任何车队使用2005款引擎的权利，但必须接受国际汽联的最高转速限制。
　　5.4 引擎尺寸:
　　5.4.1 气缸内径不得超过98mm
　　5.4.2 气缸间距必须保持在106.5mm (+/- 0.2mm)
　　5.4.3 曲轴中心线不得低于参考面58毫米
　　5.5 质量和重心:
　　5.5.1 引擎的最小质量不得低于95kg
　　5.5.2 引擎的重心不得低于参考面165mm
　　5.5.3 引擎的重心位置不得超过以引擎几何中心为圆心，半径为50毫米的圆周区域。
　　5.5.4 在满足规则的5.5条时，引擎需包含：进气系统、空虑、燃油油路、喷射系统、点火系统、发动机传感器、配线、发电机、冷却液泵和油泵。
　　5.5.5 在满足规则的5.5条时，引擎不得包含燃油、排气歧管、隔热板、油箱、蓄水系统、散热器和液压系统(比如：泵、蓄压罐、伺服阀、螺线管等)。除了用于引擎节流阀控制的伺服阀和激活装置，燃油泵和其他任何的部件不得在检测赛车时装配在引擎上。
　　5.6 可变几何系统:
　　5.6.1 禁止使用可变进气歧管；
　　5.6.2 禁止使用可变排气系统；
　　5.6.3 禁止使用可变气门正时和可变气门升程系统。
　　5.7 燃油系统
　　5.7.1 燃油喷射压力不得大于100巴，必须装备直接测试燃油喷射压力的传感器，这些数字必须向国际汽联数据自动测定提供。
　　5.7.2 每个气缸只允许使用一个燃油喷射器，必须直接喷入气缸顶部或者侧面
　　5.13 材料和制造(摘要):
　　5.13.1 除非在有特定说明，下列材料不允许在引擎的任何位置使用：
　　a) 镁合金
　　b) MMC(金属模板合成材料)
　　c) 金属复合材料
　　d) 铍、铱和铼等含有量超过50%的合金
　　5.13.2，如果覆盖材料的厚度不超过下层基础材料整个轴向切面厚度的25%，覆盖材料可自由使用。在所有的区域，覆盖材料的厚度不能超过0.8毫米。
　　5.14 材料和制造(细则):
　　5.14.1 活塞必须由铝合金制造，铝合金包括：硅铝合金、铜铝合金、锌铝合金和镁铝合金；
　　5.14.2 活塞销必须由基于铁的合金制造，并且必须由单片材料加工。
　　5.14.3 连杆必须用基于铁或者钛的合金制造，并且必须采用单片材料加工，不允许使用焊接和加入装配工序(不包括连杆头帽和末端衬套)
　　5.14.4 曲轴必须用基于铁的合金制造。前后主支撑轴之间，不允许使用焊接，材料密度不得超过19,000kg/m3。
　　5.14.5 凸轮轴必须用基于铁的合金制造。每一个凸轮轴和凸轮必须使用单片材料加工，前后主支撑轴之间，不允许使用焊接。
　　5.14.6 阀门必须用基于铁、镍、钴和钛的合金制成，气门杆中空冷却可使用钠、锂和类似材料。
　　5.14.7 往复运动和旋转部件:
　　a)任何往复和旋转部件，不得使用石墨、金属合成材料和陶瓷材料制造。注：该限制不适用于离合器和任何密封机构。
　　b) 轴承的滚动元件必须采用基于铁的合金制造。
　　c) 曲轴和凸轮轴之间的正时齿轮必须使用基于铁的合金制造。
　　5.14.8 静态部件:
　　a) 引擎曲轴箱和气缸盖必须采用铝合金浇铸或者锻造。整个部件或者部分区域，不允许使用合成材料或者金属模板复合材料。
　　b)任何位于引擎内部，主要功能或者次要功能旨在润滑或者冷却的金属机构，必须用基于铁的合金或者铝合金制造，铝合金包括：硅铝合金、铜铝合金、锌铝合金和镁铝合金。
　　c)所有的扣件必须用基于钴、铁和镍的合金制造。不允许使用合成材料。
　　d)阀座嵌入机构、阀门导轨和任何其他的轴承部件，可以采用金属渗透的预制成型技术与其他方法混合制造，但不能用于强化。
　　附2：7支引擎供应商V8引擎技术参数列表：

引擎制造商 引擎产品 技术参数                                 登录/注册后可看大图 本田                                 登录/注册后可看大图 本田RA806E 引擎代号 本田RA806E 引擎形式 90度V8 气缸排量 2.4升 气阀结构 每缸4气阀、气动 最大功率 大于700PS 最高转速 大于19000转/分 引擎质量 95KG 配备车型 RA106 变速搭配 7挡变速箱 引擎总监 Otmar Szafnauer                                 登录/注册后可看大图 宝马                                 登录/注册后可看大图 宝马P86V8 引擎代号 宝马P86V8 引擎形式 90度V8 气缸排量 2.4升 气阀结构 每缸4气阀、气动 最大功率 未公布 最高转速 未公布 引擎质量 95KG 配备车型 F1.06 变速搭配 7挡变速箱 引擎总监 Mario Theissen                                 登录/注册后可看大图 奔驰                                 登录/注册后可看大图 奔驰FO108S 引擎代号 奔驰FO108S 引擎形式 90度V8 气缸排量 2.4升 气阀结构 每缸4气阀、气动 最大功率 未公布 最高转速 未公布 引擎质量 95KG 配备车型 MP4-21 变速搭配 7挡变速箱 引擎总监 Mario Illien                                 登录/注册后可看大图 法拉利                                 登录/注册后可看大图 法拉利056 引擎代号 法拉利056 引擎形式 90度V8 气缸排量 2.4升 气阀结构 每缸4气阀、气动 最大功率 未公布 最高转速 未公布 引擎质量 95KG 配备车型 248F1 变速搭配 7挡变速箱 引擎总监 paolomartinelli                                 登录/注册后可看大图 考斯沃斯                                 登录/注册后可看大图 考斯沃斯CA2006-V8 引擎代号 CA2006-V8 引擎形式 90度V8 气缸排量 2.4升 气阀结构 每缸4气阀、气动 最大功率 未公布 最高转速 未公布 引擎质量 95KG 配备车型 FW28 变速搭配 7挡变速箱 引擎总监 Tim Routsis                                 登录/注册后可看大图 雷诺                                 登录/注册后可看大图 雷诺RS26 引擎代号 雷诺RS26 引擎形式 90度V8 气缸排量 2.4升 气阀结构 每缸4气阀、气动 最大功率 未公布 最高转速 未公布 引擎质量 95KG 配备车型 R26 变速搭配 7挡变速箱 引擎总监 Pat Symonds                                 登录/注册后可看大图 丰田                                 登录/注册后可看大图 丰田RVX-06 引擎代号 丰田RVX-06 引擎形式 90度V8 气缸排量 2.4升 气阀结构 每缸4气阀、气动 最大功率 约740HP 最高转速 19000转/分 引擎质量 95KG 配备车型 TF106 变速搭配 7挡变速箱 引擎总监 Luca Marmorini

稍加改改

这么经典的贴都没人顶，我顶一个

fissa

好长，，，待会儿认真看看

HEMI

高深……慢慢研究。。。

吃饱不饥

以前规则是为了约束法拉利车队，阻止其一家独大的局面
现在又是为了谁呢？难道是挽救丰田？

maxfree_gz

chensu198

很高深。。。。还是很不明白

鲜虾鱼板面

改来改去,结果红牛崛起了

diyunanjue

顶一个，慢慢研究

终极蛋散

不错。。。。。