F1引擎你可能不知道的秘密

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Ten things you may not know about Formula 1 engines

打造一台一流的大奖赛引擎是一种诡异的艺术——一如Jonathan Noble在Brixworth的Mercedes F1引擎总部参观时所见。在那里他发现了一些F1引擎不为人知的细节

文/Jonathan Noble   原文来自autosport

曾经有过这样一段日子——F1引擎制造商之间的博弈就如同赛车设计师之间的角力一般激动人心。在底盘处于弱势的情况下，骇人的动力输出真的能够帮助制造商傲视群雄吗？
想想看2000年初力拔千斤的BMW V10引擎是如何帮助Williams阻击Ferrari的？还有20多年前Williams和McLaren是如何在Honda的帮助下统治整个F1帝国的？
开销方面无法逾越的鸿沟最终促使F1走向引擎冻结——上代V8引擎引入伊始便旋即启动的举措宣告了F1动力装置研发竞赛的终结。但事实却有些许不同。
本周Mercedes-Benz为一小撮经过特别筛选的媒体敞开了其位于Brixworth的高性能引擎(HPE，Mercedes-Benz HighPerformanceEngine)工厂的大门，autosport将通过引人入胜的深度观察为您揭示——现代动力装置依旧称得上是F1运动决定性因素的原因。
以下是一些F1引擎罕为人知的细节...

Mercedes-Benz FO 108系列2.4L V8引擎, 90°夹角, 每缸4气门, 缸径98mm, 总重95kg(按照FIA规定), 按照现行规则最高转速18000rpm

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1. 如果为引擎设立世界冠军，那么2011年的冠军头衔将毫无争议的属于Mercedes-Benz

    If there was a world championship for engines, Mercedes would have won the title in 2011

在Red Bull卫冕的号角中，大部分的聚光灯都集中在了搭载于RB7尾部的Renault引擎的效率，驱动性能以及紧凑的设计上。
但基于2011赛季统计数据的分析却得出了这样一个不争的事实——如果为引擎设立世界冠军，那么Mercedes将毫无争议的连续三年蝉联此项殊荣。
今年Mercedes-Benz支持的三支车队——MGP，McLaren和Force India总计收获了731个积分。相比之下Renault，Red Bull和Lotus只为Renault阵营贡献了723个积分。
除了性能之外，Benz引擎的稳定性也是旗下3支车队稳定拿分的有力保障。2011年Mercedes引擎完成了全部比赛里程的92%——只有Schumacher在摩纳哥遭遇了唯一一例故障。
无疑Mercedes运动部负责人Norbert Haug表现得非常兴奋："作为引擎制造商，连续3年总积分第1令我们的引擎专业人员非常满意，我们的稳定性同样值得一提，明年的目标是在目前的水平上，尝试做得更好。"

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2. KERS在比赛中的作用比预想中的大

    KERS played a bigger part in races than anybody realised

今年井喷式的超车数量很大程度上要归功于新引入的倍耐力轮胎和DRS。
而作为2010年"被消失"后的回归，KERS亦对2011年比赛贡献良多。
KERS每圈能够带来0.45s的圈速贡献，聪明的使用KERS能够对比赛产生决定性的影响。
以印度大奖赛为例：第11位发车的Schumacher深知若要摆脱一个噩梦般的周末，自己必须在比赛初段努力向前推进，否则就会被一票慢车堵在后面。
可能很多车手都盘算着起步之后就马上用掉总计6.7s的KERS，以便在1号弯前多上升几个位置。
但Schumacher的策略却有所不同。起步后他没有使用KERS，并将其一直留到最长的那条大直路上。这意味着在4号弯前的直道上，面对KERS及非KERS赛车，Schumacher分别拥有7.4mhp和11.2mph的速度优势。这就是他能够闪电般的提升4个位置的原因所在...
其他一些情况下KERS的作用也是决定性的——即便车迷们当时并未觉察。
当Lewis Hamilton在上海干净利落的超掉Vettel夺得领先时，不明真相的群众们都将其简单的归吝于状态较新的轮胎在上个弯角提供了更强的牵引力。
但数据分析显示他在一个通常不会使用KERS的弯角——6号弯的出弯点处激活了KERS，瞬间5.6mph的速度提升助其一举超越Vettel夺得领先。
Mercedes高性能引擎分部运营总监Thomas Fuhr说："非常遗憾诸多群众不明的真相其实都是KERS介入的结果。只有事后查看数据后才会知道KERS的介入。"

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3. 现在KERS电池的寿命比引擎长

    KERS batteries now last longer than engines

KERS最初引入时，怀疑论者已经摩拳擦掌的准备控诉F1这种"洗绿(Greenwash)"行径。当时人们都在热议某些车队每场比赛都会报废电池组，显然这并不环保。
然而现在事实却并非如此，根据Mercedes的测算，2011规格的电池组现在的寿命约为6200英里——大约是引擎的5倍。
电池技术取得了飞跃，自2009年起KERS的重量一直在不断降低(现在的重量约为24kg)，同时效率由75%增加至80%。这意味着每回收500KJ的能量，KERS系统每圈的输出极限可以达到400KJ。
KERS效率的提升不单意味着更长的电池寿命，同时发热量也有所降低，这意味着对于冷却的要求也会相应降低。赛车的其他部分因此受益。
Mercedes工程总监Andy Cowell："事实上我们电池组的寿命超过10000km(6200英里)。"
"我们这套系统的研发思路就是高效率，确保收集到的能量不会白白浪费在往返电池组的传输过程中。整套系统发热量便可由此降低，降低电池组内部发热量也就意味着延长了电池组的寿命。"
"然后，通过进一步的理解电池组理想的工作温度，便可进一步保护电池组。理论上讲一套电池组可以坚持一整个赛季，但我们更倾向于像分配引擎一样使用电池组，并根据不同分站的性能需求和物流情况穿插使用。"

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4. 安全车离场比赛重新开始阶段，需要留心的不仅是轮胎

    Tyres are not the only thing that need nursing at a safety car restart

当安全车出场领跑时，可能你会觉得负责引擎的伙计们可以小憩一下。毕竟此时引擎的压力与比赛状态相比已经大为降低。
但事实远非如此——车手需要小心控制赛车的引擎温度，如同他们管理轮胎一般。
Cowell解释道："在安全车的压制下随着引擎负荷的降低，引擎温度开始下降。赛车平均时速降低的情况下这的确有所帮助，但整体的冷却容量减小了，最终水温和油温依然会不可避免的升高。"
"活塞温度下降，间隙增大，最终将导致活塞和气缸壁的相对运动幅度的增加。"
"安全车离场后如果引擎温度不能马上达到所需的运行温度，那么在安全车进场/离场初始阶段就很容易损伤活塞。"
"还有压力问题，温度下降时，冷却液黏度的增加将导致其压力增大，你需要特别留心这一点。引擎内部所有水道的壁厚均已降至极限，一旦稍有闪失，水道将会爆裂。"
Cowell透露，如果跟在安全车后面时车手未能正确使引擎升温，车队很可能会通知其不要在比赛重新开始阶段将引擎推至极限。
"最糟的情况是要求车手控制转速，"他说。"但我们从未经历过这种情况，因为我们通常都能驾驭自如。"
"车手需要提升引擎转速，因为在引擎内部，产生能量的最佳方式就是摩擦。"
跟在安全车后面时KERS也需特别留意，这不仅仅是精明的通过不断刹车为系统充电然后等待比赛恢复那么简单。"KERS的某些部件需要在高温下才能达到最佳工作状态，因此这也需要相应的操作。"Cowell解释道。

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Mercedes-Benz FO 108系列演变里程:FO 108S/2006,FO 108T/2007,FO 108V/2008,FO 108W/2009,FO 108X/2010,FO 108Y/2011,不断通过细节的调整挖掘马力,提升可靠性;其中FO 108V和搭载KERS的FO 108W分别获得《Race Engine Technology》杂志的年度引擎大奖(Race Engine of the Year)

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5. VettelQ3的惊人表现与赛车无关

    Vettel's Q3 brilliance could only be down to driving

关于今年Vettel在Q3的惊人表现存在无数种猜测。
传说中仅供1圈，通过改善流经吹气式扩散器的尾气气提升赛车操控性并增强下压力的"特殊"引擎模式真的存在吗？亦或是对于吹气式扩散器的精密性和操控性，Vettel拥有更强的驾驭能力？
Cowell认为二者皆非。综合全年引擎模式的不断收紧(在Valencia围场风波之后)，以及引擎制造商在吹气领域的发展程度，唯一的结论便是Vettel在排位赛最后一节的速度完全来自其自身。
"在直道尾端，引擎转速逼近18000rpm时，燃烧产生的大量尾气气流产生很强的气动推力，"他说。
"但此时的下压力毫无用处，车手在刹车，通过弯心，以及出弯逼近牵引力极限的位置才是真正需要压力的地方。"
"吹气式效应不起作用时，节气门关闭后尾气气流产生的气动推力水平很低，只有当节气门回到100%打开的状态时气动推力才会重新涌现。当节气门保持94%的开启幅度时(整个2011年Mercedes都是这么运作的)，就可大幅度提升尾气的气动推力。我们使用的引擎模式会将引擎和排气管中的尾气温度提升200°C左右。"
这意味着吹气式赛车的尾气温度将接近960°C——防止车体组件烧焦无疑变得异常困难。
至于车手自身的能力能否帮助吹气式扩散器在弯中更好的工作，Cowell无法确定。
"比赛中我们有多种引擎模式可供调整，有些可以改变引擎制动的感觉，有些会使油耗上升。所以车手可以在下压力和节省燃油之间做出选择。"
"Valencia开始大家在引擎模式上动作的空间都不大，我们认为，引擎模式从在排位赛从Q1到Q3没有改变。"

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6. 赛历对于引擎制造商而言同样重要

    Calendar concerns matter for engine makers too

似乎车队和车迷们对于赛历中比赛的增减抱有更大的兴趣，每个赛季的比赛数量对于引擎制造商同样异常关键。
由于每个车手单赛季只允许使用8台引擎，那么总的比赛场数究竟是19场还是20场就变得相当关键——相比单纯的将增加的里程计入全年的总里程中，然后重新计算每台引擎的平均里程要复杂得多。
"我们在比赛场次不确定的情况下就进入了新赛季，"Cowell解释道。"我们最初将比赛场次设定为20，但随后因为巴林的缺席降至19。"
"按照20场比赛准备则意味着每台引擎需要增加100km(60英里)的里程数，听起来似乎很容易，但操作起来却要复杂得多。因为最初启用的几台引擎已经承担了太多的里程。所以第1台引擎需要额外承担800km(500英里)，这样我们之后的日子才会好过些。"

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7. 引擎分配——在3600000种组合中寻找答案

    Engine allocation means finding the answer from 36 billion combinations

也许你会认为，为每部赛车分配全年使用的8台引擎相当轻松。问题不过是少数引擎每台坚持2站比赛，其余的负担的里程稍微长一些。
但事实并非如此：据Cowell透露，整个赛季备选的引擎分配组合有3600000种之多！所以工程师需要将各种参数输入电脑以寻求最佳方案。
以下为2011赛季Mercedes的引擎分配方案：

场次 分站 星期五 星期六+星期日
1 巴林 -  -  
1 澳大利亚 #1 #1
2 马来西亚 #1 #1
3 中国 #1 #2
4 土耳其 #1 #3
5 西班牙 #1 #2
6 摩纳哥 #1 #3
7 加拿大 #1 #3
8 欧洲 #3 #4
9 英国 #3 #5
10 德国 #3 #4
11 匈牙利 #3 #5
12 比利时 #3 #6
13 意大利 #3 #7
14 新加坡 #4 #5
15 日本 #4 #8
16 韩国 #4 #8
17 印度 #4 #6
18 阿布扎比 #7 #7
19 巴西 #5 #8


引擎分配优先考虑的是那些需要新引擎的赛道：Sepang，Monza，Spa和Istanbul对动力的要求格外高。而像新加坡和摩纳哥那样对动力要求不高的赛道就可以让旧引擎发挥余热。
环境因素也要考虑在内。海拔较高的巴西气压较低；巴林和印度属于高温低湿气候，对点火延迟不利。
引擎制造商还要在最初规划时留出一些余量——事故和机械故障都可能瞬间打乱全盘计划。
Mercedes本赛季里程数最高的一台引擎一共完成了3037km(1887英里)。

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8. 引擎制造商通过引擎冻结理解技术

    F1's engine freeze has helped manufacturers understand tecnology

2007年引入引擎冻结伊始便争议四起，有人认为这将扼杀创新，同时使F1引擎工程师丢掉饭碗。
相反，Cowell认为在引擎冻结的几年Mercedes对引擎的理解大为增强了。
"在此之前你可以随意变更设计。"他解释道。"引擎冻结后，遇到问题首先需要找到原因，因为你再也无法通过改变设计回避问题的实质了。"
"如果在一堆部件中，一些寿命能够达到3000km(1880英里)，而某一个部件在1000km(620英里)就挂了，这时你就需要仔细分析——1000km时那里究竟发生了什么。由此你会进一步发掘细节。无法改变引擎设计会迫使你寻找真正的原因。"
"之前你也许会说，我们改变下设计，把这个部件造得更结实，然后忘掉那个故障吧。"当前的现实迫使我们改良分析手段，加强引擎制造环节的监控以及优化内部机械结构。"