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F1的涡轮增压发动机

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2014年,F1迎来了近25年内最大的技术变革。与之前相比,这次改革不仅进一步限制了空气动力学的应用,还涉及到了赛车的核心装置——发动机。从今年起,F1将使用1.6T V6涡增压引擎代替之前的2.4L V8自然吸气引擎。历史上,F1上次使用涡轮增压技术还要追朔到30年前,因此,新的发动机对于现役的车队来说无疑是一个陌生而又充满挑战性的领域。一方面,自然吸气和涡轮增压两种发动机在工作原理上存在着巨大的差异;另一方面,由于新发动机的工作特点与之前截然不同,因此在整车层面,底盘和空气动力学设置,甚至是车手的驾驶方式都需要及时做出调整。在本次赛前技术分析中,我们就以发动机为核心,看一看新的技术改革究竟带来了怎样的变化。
如果说2009年F1使用动能回收系统是“投石问路”,那么在2014年,FIA的改革就可谓是“大刀阔斧”了。时下,能源与环保问题已经成为了世界的主流话题,而作为世界汽车工业先锋角色的一级方程式赛车如果不能顺应这一趋势,就会逐渐与以节能环保为主题的现实社会脱节,最终难逃衰亡的厄运。因此,为了能使这项运动依旧保持活力,为了这项运动依然可以成为世界汽车工业的先驱,F1就必须要从已经固化了的圈子里跳出来,走出一条节能环保的道路来。
国际汽联改革的首要目标就是降低油耗。在2013年以前,每场大奖赛V8引擎要消耗的燃油要达到150kg,而现在,随着1.6T涡轮增压发动机的引入,每场比赛的油耗被 限制在了100kg。用三分之二的燃油跑完整场比赛,很明显,新的涡轮增压发动机具有更高的效率,这与涡轮增压这项技术有着密不可分的关系。
概述
所谓增压就是将空气在供入汽缸之前预先压缩,以提高空气密度、增加进气量的一项技术,由于进气量的增加,可以相应地循环增加供油量,从而增加发动机的升功率。因此,增压不仅可以改善燃油经济性,还因为其能有效控制排放而被广泛应用。
目前最常见的增压方式有两种:机械增压和涡轮增压,机械增压是通过发动机曲轴直接驱动压缩机的一种装置,能有效地提高发动机功率,但由于驱动增压器需消耗发动机功率,因此燃油消耗率比非增压发动机略高。
涡轮增压是将发动机排出的废气引入涡轮机,利用废气能量推动涡轮机旋转,驱动与涡轮同轴的压缩机实现加压。废气涡轮与发动机无机械联系。这种方式,能有效地利用排气的能量进行增压,所以经济性比机械增压和非增压发动机都好。但由于涡轮机是流体机械,而发动机是动力机械装置,因此二者在协调时存在缺点和不足。这点我们在之后的工作特点中重点分析。


IP属地:浙江1楼2014-02-04 19:06回复

    涡轮增压器的结构和工作原理
    涡轮增压器通常由离心式压缩机、径流式涡轮机及中间体三部分组成。中间体内有润滑和冷却轴承的油道,还有防止机油漏入压气机或涡轮机中的密封装置。
    离心式压缩机由进气道、压气机叶轮、无叶式扩压管及压缩机蜗壳组成。叶轮包括叶片和轮毂,由增压器轴带动旋转。
    当压缩机旋转时,空气经过进气道进入压气机叶轮,并在离心力的作用下沿叶片之间的流道从叶轮中心流向叶轮的周边。空气从旋转的叶轮获得能量,其流速、温度都有较大的增高。随后进入叶片式扩压管。扩压管为渐扩形流道——空气流过扩压管时,减速增压(即将动能转化为压力能),温度也有所升高。
    由于气体温度升高会导致密度减小,损失一部分增压效率,因此,需要在压缩机和发动机之间加设中冷器,对空气进行冷却,确保其能具有更高的压力。
    涡轮机是将发动机排气的能量转变为机械功的装置,其结构包括蜗壳、喷管叶轮和出气道。工作时,发动机排出的废气将由蜗壳引导进入喷管,喷管是相邻叶片组成的渐缩性流道。排气流过进在喷管内降压、降温、增速,膨胀,使排气的压力能转变为动能,由喷管流出的高速气流冲击叶轮,并在叶轮中继续膨胀作功,推动叶轮旋转。


    IP属地:浙江2楼2014-02-04 19:11
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      工作特点与技术缺陷
      前面已经提到过,涡轮机是流体机械,而机械装置在与流体发生相互作用时难免存在技术缺陷。
      叶轮在旋转的过程中不可避免地存在惯性,当车速较低时,发动机排出的废气量少,少量的废气推动叶轮旋转存在较大困难,因此在低速状态下,涡轮提供的加速性能不明显,表现为低速时加速后滞,而当车速较高时,涡轮旋转速度又可能过快,导致进气压力过高,因此涡轮增压发动机有待进一步解决的问题是:1.如何提高发动机的低转速转矩;2.低速时应避免增压器工作线接近喘振线;3.防止高速进气压力过高或增压器超速;4.降低高速时的泵气损失;5.防止缸内产生过高压力及热负荷增加。
      目前在民用车领域,已经采用了多种针对涡轮增压器的解决方案,通过对材料和结构的优化,逐步提升了涡轮增压器的工作性能,比如,用质量轻并且耐热的陶瓷材料可使涡轮的质量大约减轻2/3,这样大大地减小了涡轮叶轮的惯性,剥弱了迟滞现象;通过改良工艺,保证蜗壳内表面光洁,减少气体流动中伴随的损失;通过优化结构,将涡轮设计成可变结构,通过控制流道的的大小 来实现低速时的高加速性和调整时的压力稳定。
      但是,民用车目前使用的大部分技术在F1的动力规则中是禁止的。例如可变涡轮就是禁止使用的,但这并不意味着F1的发动机技术会落后于民用领域,因为新的动力装置还包含一个重要角色——能量回收系统。


      IP属地:浙江3楼2014-02-04 19:12
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        严格地讲,2014年的F1动力系统不能被称作“引擎”,而是要称为“动力单元”,引擎仅仅是该系统中的一部分,该动力单元由引擎(ICE)、涡轮增压器(TC)、动能电机(MGU-K),热能电机(MGU-H)和能储单元(ES)、控制单元(CE)六部分组成。在这六部分中,动能和热能回收装置同样起了重要的作用。早在2009年,F1就已经使用了能量回收系统,但当时使用的仅仅是动能回收系统(KERS),2014年的能量回收系统中,为了划分更明确的功能,该系统被命名为MGU-K,而新引入的热能回收系统则被命名为MGU-H能储单元称为ES,整套能量回收系统被称为ERS。
        新的ERS在性能、功能和使用方法上都与之前存在着巨大的不同。
        以动能回收系统为例,该系统在09年时仅仅能带来6秒的辅助加速,然而在2014年,这一时间被延长到至了33秒,新的动能回收系统具有更大的功率(4MJ,为原来的10倍),同时也伴随更多的能量输出,此外,操作方法也不再像09年那样将按钮一按到底,而是允许存在不同的设置,例如,车手可以选择利用一半的功率跑上66秒,也可以利用四分之一的功率跑上132秒,这些,都可以通过实际情况的需求进行设定和选择。
        另外一套能量回收装置,即MGU-H,则与涡轮增压器相结合扮演了重要的角色。它类似于一台发电机,能够将废气中的能量转化为电能存入与ERS-K的共享能储单元中,此外,它还可以发挥出“泄压阀”的作用,这也就使得该装置在涡轮高转速时能名有效吸收过剩的能量,保护涡轮;又能在低速状态下放电加快叶轮的旋转避免其迟滞性。因此,热能回收装置决定着一台发动机的性能,如果没有MGU-H,比赛将会异常艰难。


        IP属地:浙江4楼2014-02-04 19:18
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          我来顶了 因为没有wifi为了流量不看图片表情也不看了


          IP属地:天津来自手机贴吧6楼2014-02-04 20:36
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            如果用v6是为了环保 那也没有fe环保


            IP属地:天津来自手机贴吧7楼2014-02-04 20:48
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              看看今年谁先爆缸


              IP属地:天津来自手机贴吧8楼2014-02-04 20:49
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                技术贴必须顶!


                来自Android客户端9楼2014-02-04 20:58
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                  动力参数呢?


                  IP属地:加拿大来自Android客户端10楼2014-02-04 20:59
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                    好贴 !


                    来自iPhone客户端11楼2014-02-04 23:10
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                      科普贴,必顶


                      IP属地:日本来自手机贴吧14楼2014-02-06 09:58
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                        IP属地:浙江17楼2014-02-06 17:09
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                          不错!   --最强的东西不是太阳,是活着的心脏。


                          来自iPhone客户端18楼2014-02-06 18:55
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