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[F1專欄]從下一代F1引擎看民用車引擎趨勢 |
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| 記者/Hunter Hsu |
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隨著2013年賽季的開始，F1車迷們將迎來V8引擎的最後一個賽季，並準備重新回到「渦輪增壓」的年代。在石油資源可能逐漸枯竭的議題發酵下，節能、環保成為近年來發燒的話題，這股浪潮除了在各車廠間延燒之外，也蔓延到了賽車運動之上。不論是方程式賽車的頂級賽事Formula 1 (一級方程式賽事) 還是WRC (世界越野拉力錦標賽) 、或是耐久賽事的年度盛會Le Mans 24小時耐久賽。
下一代F1引擎揭開面紗
幾大F1引擎供應商在近期逐漸開始釋出V6渦輪引擎的相關訊息，身為最近幾個賽季表現最出色的引擎供應商之一，Mercedes-Benz於日前發表了將於2014年賽季正式上場的1.6升的單渦輪增壓V6引擎，也讓外界能一窺未來F1賽車的動力心臟細節。
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賽車活動起源於1894年，但是一直到1900年為止，對所有參賽的車輛是沒有任限制的。這表示你只要「開著一台車來比賽」就行了!(唯一的分類是使用汽油或蒸氣引擎)。一直到1904年現今FIA的前身組織在法國成立，為了車輛製造商的方便、車手及觀眾的安全種種理由，他們開始試著對參賽車輛加以限制及分類，而引擎排氣量與形式(汽缸排列方式、強制吸氣與否等)一直是「方程式」規定的核心。
引擎一向有「賽車的心臟」這樣的稱號，在最頂級的F1賽事自然更加重要。2002年賽季各車隊F1賽車使用的引擎出力大約在800-840匹馬力上下、最高轉速則是在18,000-19,000轉之間，一具引擎的重量大約在95到110公斤。耗油則根據比賽狀況與場地有所不同，過去F1引擎內的曲軸每分鐘旋轉超過1萬8000次，8具汽缸內活塞每秒鐘的位移超過25公尺！產生如此高馬力及扭力的動力心臟還需要優秀的變速系統配合。相較之下，市售車如搭載上一代直6引擎的BMW M3車型極限轉速為8,000轉、與F1賽車仍有10,000轉的轉速差距。
F1賽事被稱為汽車運動的代表，高耗油量(每100公里耗油將近50公升)卻一直遭到環保人士的抨擊。FIA不但是全球賽車運動的主管團體，也積極參與民用汽車工業的相關計畫(例如車輛碰撞安全測試等等)。最近幾年為適應節能環保的社會大趨勢，前後兩任FIA主席持續推動F1賽車引擎的節能化腳步。從2006年賽季開始，F1賽車的動力心臟從過去的3.0升排量V10引擎改為今日的2.4升V8引擎，就在多數F1車隊仍在替2010年賽車進行第一次升級的時刻，F1車隊科技總監就開始討論2014年的F1比賽用引擎規格。
而以1.6升V6渦輪增壓引擎來取代目前的2.4升自然進氣V8引擎、「排量縮小化、效率增大化」的走向也符合整個汽車產業的發展趨勢。類似的發展方向同屬FIA管轄的WRC賽事中出現，該賽事在2011年賽季同樣出現了近年來最大幅度的賽例更動，其中最主要的更動在於WRC賽事中最頂級的組別WRCar (World Rally Car) ：從2011年賽季開始，WRCar組別援引Super 2000 (S2000) 的引擎科技規則將引擎最大排氣量下修至1.6升，使得WRCar組別車輛所搭載的引擎由原先的2.0升渦輪增壓引擎縮減為1.6升渦輪增壓引擎。
下一代F1引擎同時兼顧性能與節能效果
面對近年來F1賽車動力心臟最大的變動，包括Mercedes、Renault、Ferrari等引擎供應商早已開始研發工作。V8引擎從2006年賽季開始取代先前的V10引擎，從明年開始將啟用汽缸數更少的V6引擎來取代V8引擎。但其實早在1980年代F1賽事就曾平行使用過V6引擎及渦輪增壓技術，而這一次再次採用V6引擎實際上是汽車工業的大勢所趨。V6渦輪引擎的轉速上限將從當前的18,000轉降至15,000轉，渦輪轉速則限制在125,000轉，下一代F1引擎將採用燃油直噴技術，最大噴射壓力為500 Bar。與目前的引擎類似，新引擎還會導入能量回收系統ERS，目前的動能回收系統KERS是通過一套發電機/電動機系統回收後軸的煞車能量，而2014年除了KERS系統之外、還增加了另一套發電機與渦輪和熱交換器相連以回收熱能！
 | | | 其實早在1980年代F1賽事就曾平行使用過V6引擎及渦輪增壓技術，當時Porsche車廠還提供V6渦輪增壓引擎供McLaren車隊使用。 |
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讓人興奮的是若當前的KERS系統，F1車手每圈只能獲得持續7秒約80匹馬力的額外動力輸出，而使用未來的ERS系統，F1車手每圈可以獲得持續長達33秒、功率高達161匹馬力的額外動力輸出。新ERS系統的輸出能量相當於當前KERS系統的10倍，通過後軸回收的能量是當前的5倍。整合1.6升的單渦輪增壓引擎與強大的ERS系統，2014年賽季F1引擎的總功率輸出將和目前的V8引擎相當 (保持在750匹馬力) 但扭力輸出會更大、這意味著賽車將擁有更好的出彎加速度，當然也同時意味著後輪面臨著更大的壓力 (也考驗車隊與車手的輪胎管理能力) 。
 | | | 下一代F1引擎更強調其燃油效率的提升！新ERS系統的導入意味著將提高引擎的燃燒效率：F1引擎當前的燃燒效率約為30% (與道路民用車相當)、而2014年的目標是提高到40%。 |
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除了功率輸出之外，下一代F1引擎更強調其燃油效率的提升！新ERS系統的導入意味著將提高引擎的燃燒效率：F1引擎當前的燃燒效率約為30% (與道路民用車相當) 、而2014年的目標是提高到40%。關於2014年賽季的引擎效率FIA有強制性規定：包括要求引擎在極限狀況下每小時的燃油流量不得超過100公斤；當轉速低於8,500轉時每小時的燃油流量不能超過73公斤。現行規則下F1賽車在比賽開始時，其油箱內的燃油為150公斤、而前述數字在2014年將下降至約100K公斤。這代表F1工程師必須讓新一代F1引擎的燃油效率比目前的引擎提高30%並保持相同的動力輸出。而引擎壽命也必須提升：從2014年賽季開始，每位F1車手每個賽季只能使用5具引擎 (目前是8具)，引擎使用壽命要求將從目前的2,000公里增加到4,000公里，這對引擎可靠度來說是更加嚴峻的挑戰。
 | | | 2014年賽季F1引擎的總功率輸出將和目前的V8引擎相當 (保持在750匹馬力) 但扭力輸出會更大、這意味著賽車將擁有更好的出彎加速度，當然也同時意味著後輪面臨著更大的壓力 (也考驗車隊與車手的輪胎管理能力) 。 |
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Mercedes高性能引擎部常務董事Andy Cowell對下一代F1引擎的評價很高「下一代引擎將讓F1賽事進入另一層次，尤其能幫助有頭腦的車手更有競爭優勢、還能大幅節約燃料。另外下一代引擎能提供更大的扭力，這意味著車手出彎時的車輛控制力更高，這點特色讓我們很欣喜。而讓F1賽事回到科技研發的平台，我相信這也是許多車迷所樂意見到的」。而對於外界擔心下一代V6渦輪增壓引擎的聲浪明顯不如V8引擎，Andy Cowell透露從他在引擎測試平台的經驗，新引擎的聲浪還是非常美妙：「新引擎的聲音將會很大，但是我認為那是一種美妙的音樂。頻率將會很高，加上渦輪的轉速達到125,000轉，所以其分貝相當高，在引擎測試平台旁邊你必須得戴上耳塞」。
F1引擎發展方向與民用車引擎趨向一致
超過100美元/桶的燃料價格顛覆了汽車產業，引擎小型化的需求刻不容緩。全球車廠雖然投入大量資源在新能源動力系統，但同時也同意內燃式引擎在未來20年都不會消失。在渦輪增壓與整合進氣系統的持續進步下，當今1.4-1.6升的小排量渦輪引擎可提供過去1.8升引擎不相上下的動力，但能源使用效率卻更高，看來汽車引擎「迷你化」的大方向勢不可改。
 | | | 從2014年賽季開始，每位F1車手每個賽季只能使用5具引擎 (目前是8具)，引擎使用壽命要求將從目前的2,000公里增加到4,000公里，這對引擎可靠度來說是更加嚴峻的挑戰。 |
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引擎增壓的主要目的從過去的「提升性能與駕駛樂趣」轉變為「滿足日常駕駛所需」，其使用模式也大幅改變。與機械式增壓器相比較，渦輪增壓器僅在需要增壓時才開始工作，因此渦輪增壓引擎的節能表現較佳。而機械式增壓器始終處於工作狀態 (不論轉速高低)，因此也始終在消耗能源。透過最新的電子控制渦輪增壓技術，渦輪增壓引擎的油門反應與帶機械增壓引擎幾乎沒有差異。在雙渦輪直六引擎取得非凡成功後，BMW車廠正在全力研發直列四缸、1.6升排量的渦輪增壓汽油引擎，未來BMW DTM賽車的動力心臟有望以這具引擎作為基礎進行改良。渦輪增壓器取代機械增壓器、成為汽車製造商的新寵，其背後原因並不是增壓技術的優劣所致、而是渦輪增壓技術更適合銷量更高的小排量四缸引擎在城市的用車需求。
 | | | 隨著F1引擎發展方向與民用車引擎趨向一致，未來消費者將有更大的機會享受到F1引擎工程師們的研發成果！ |
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我們以過去在Mercedes C200及E200車型使用的機械增壓引擎和目前全面更換的渦輪增壓引擎來對比。過去Mercedes C200K車型內的1.8升機械增壓引擎輸出最大扭力的轉速區間在2,800至5,000轉，反觀換用了1.8升渦輪增壓引擎之後，輸出最大扭力轉速區間下降至1,800至4,600轉，這明顯增加了城市用車最需要的低轉速扭力加速性能。從上面的對比我們可以發現：渦輪增壓器取代機械增壓器、成為汽車製造商的新寵，其背後原因並不是增壓技術的優劣所致、而是渦輪增壓技術更適合銷量更高的小排量四缸引擎在城市的用車需求。機械增壓在某些場合下仍有其不可取代性：如大排量、大扭力的性能車款。隨著F1引擎發展方向與民用車引擎趨向一致，未來消費者將有更大的機會享受到F1引擎工程師們的研發成果！
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