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[F1專欄]「鬆油廢氣Rear Diffuser」禁用影響大 |
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| 記者/Hunter Hsu |
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加拿大站結束後，德國車王Sebastian Vettel在本季前7站比賽拿下5站冠軍加上2站亞軍，並以60分的差距遙遙領先暫居第2位的Jenson Button。本季還剩下12站比賽，以如此局勢發展下去，再過兩站之後Sebastian Vettel若能繼續保持如此領先幅度、之後的10站他僅需緊追在排名第2位的車手身後完賽、即可穩穩坐上2011年世界冠軍寶座。不過影響Red Bull車隊奪冠大業的變數在日前浮現，McLaren與Ferrari車手挑戰本季世界冠軍的希望是否能夠延續？取決於FIA科技工作小組 (Technical Working Group，TWG) 能否強制執行F1車隊禁用透過先進引擎控制系統而作動的「鬆油廢氣Rear Diffuser」 (off-throttle blown diffusers) 、並禁止未來以各種形式透過廢氣強化Rear Diffuser的性能，這可能是最近18個月以來最重要的F1賽車科技轉折點！
 | | | McLaren與Ferrari車手挑戰本季世界冠軍的希望是否能夠延續？取決於FIA科技工作小組 (Technical Working Group，TWG) 能否強制執行F1車隊禁用透過先進引擎控制系統而作動的「鬆油廢氣Rear Diffuser」。 |
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與前翼、尾翼相比，黑嘛嘛的Rear Diffuser很少吸引眾人的目光。它是裝置於賽車尾翼的下方、F1賽車底盤尾部採用逐漸向上傾斜的設計，能夠產生「抽離底盤空氣」並造成真空效果。不要小看Rear Diffuser、它製造的下壓力佔了F1賽車總下壓力超過三分之一以上，甚至遠遠超過了最容易被車迷識別的前翼。Rear Diffuser逐漸向上延伸的結構所應用的原理則是流體力學的基本定律：白弩利定理。當車身下方的空氣流過Diffuser時、因為通過的截面積增大而使流速變慢，此時會造成壓力增大的情形 (白弩利定理是一個能量守恆定理，意即流速增大則壓力變小、流速變小則壓力稱大) 。這種現象可以加快車身下方的空氣造成「暫時真空」效果 (其實也就是也就是另一種形式的Ground Effect) 。此空力套件的尺寸大小對其空力效率有決定性的影響。在Rear Diffuser發展的全盛時期時它甚至負責製造F1賽車70％以上的下壓力！一直到1994年FIA政策急轉彎，強制縮短Rear Diffuser的長度之後它的重要性才「稍微降低」，但目前透過此空力裝置產生的下壓力仍佔F1賽車總下壓力的近三分之一。
為什麼過去30年來F1賽車設計師始終繞著Rear Diffuser的設計打轉？參加過賽車活動的人都知道在一場比賽中、勝利的關鍵取決於「過彎的速度」，因為通常在直線道的表現大家都差不了多少 (如果真的連直線道都輸別人、那也別玩了) 、而提升車輛過彎速度的不二法門是增加車輛的抓地力 (Grip Force) 。增加抓地力最完美的情況是加大下壓力 (Downforce)卻不會增加車輛的阻力 (Drag Force) ，所以拼命加大尾翼的面積是無效的、因為這樣也會增大阻力，因此最佳的解決方式仍是提升Rear Diffuser的性能。Rear Diffuser是提供F1賽車所需下壓力的無名英雄，這項裝置的設計經常被車隊視為是最高機密 (新車發表會時經常用布幔覆蓋此處) 。車隊會利用垂直的隔板將Diffuser分成許多小部分，這可以增加Rear Diffuser真空吸引的效率！
F1車迷如果記性不差，應該對2009年Brawn GP車隊依靠備受爭議的「雙層Rear Diffuser」設計而拿下世界冠軍仍有深刻印象。2009年賽季由Brawn GP、Williams和Toyota三支車隊推出的雙層Rear Diffuser套件在F1車壇掀起波瀾，被其他車隊視為「鑽規則漏洞」而設計明顯提高了車輛的空氣下壓力。由於FIA最終判決此設計合法，到了2009年後半賽季，所有F1賽車都搭載了雙層Rear Diffuser套件。F1車隊使用了兩種設計：一種是通過在車輛底板上增加氣流流通口以將車底的氣流導入車尾的Diffuser，這種設計的代表車型是Williams FW31賽車。第二種是將車側的氣流導入Diffuser，這類設計的代表車型是BGP001賽車。根據空力設計師的估計，2009年配備雙層Diffuser的賽車下壓力其實已經超過了2008年的水準。但此設計的出現導致FIA苦心移除的車輛附加小翼，減小尾翼面積等措施以讓賽車空氣下壓力減少30%的規則設計實際上沒有效果，最終「雙層Rear Diffuser」在2010年賽季結束後遭到禁用，F1賽車工程師只能保腦筋動到其他方向，「exhaust-blown diffuser」排氣系統 (又被稱為「hot blown diffuser」熱吹擴散器) 被視為前述問題的答案。
 | | | 從2012年賽季開始，FIA計畫通過修改排氣管使用規則徹底禁止車隊使用「exhaust-blown diffuser」排氣系統，未來可能透過規定強制F1車隊再次使用「潛望鏡式」的排氣管設計。 |
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事實上類似Red Bull RB6賽車上搭載的「exhaust-blown diffuser」排氣系統，利用引擎廢氣提升Rear Diffuser工作效率的設計過去也曾在F1歷史上出現，但也有技術上的使用限制。此部分設計最頭疼的地方在於此處也是後懸吊及排氣管配置的部分。如果設計失當、排氣管產生的高熱廢氣會嚴重影響Rear Diffuser的效果 (車手會發現踩油門及收油的時候車輛操控會不平衡) ，過去多數F1車隊都使用「潛望鏡式」的排氣管、將高溫廢氣從Diffuser的上方排出就是為了減少高溫引擎廢氣對Rear Diffuser空力效率的影響。但隨著F1賽車引擎從3.0公升排量V10引擎縮小至2.4公升排量V8引擎，引擎廢氣溫度對Rear Diffuser性能的影響也大幅降低，這是Adrian Newey全力研發「exhaust-blown diffuser」排氣系統的背後原因，由於RB6賽車的性能非常優異，其他F1競爭對手也從去年中開始仿效、並在2011年賽車研發過程中將這項設計視為重點。
為了更進一步提升「exhaust-blown diffuser」排氣系統的性能，Red Bull車隊又推出了透過先進引擎控制系統而作動的「鬆油廢氣Rear Diffuser」 (off-throttle blown diffusers) 。這項裝置透過改寫引擎控制ECU的功能，在車手在鬆開油門踏板的極短時間內讓油門控制閥依舊處於開啟狀態繼續供油並延遲點火。這可讓F1賽車在進彎前、也就是車手在鬆開油門踏板的同時確保排氣管向Rear Diffuser吹入足夠的廢氣，進而保證在彎道內的下壓力亦處於峰值，過去車手發現踩油門及收油的時候車輛操控會不平衡的問題因此獲得解決。這項設計終於觸發了FIA的底線：FIA科技工作小組 (Technical Working Group、TWG) 認為「鬆油廢氣Rear Diffuser」大量使用電腦控制功能，讓油門踏板已不再只是扮演著控制動力和扭力輸出的角色、而變成了空氣動力裝置的一部分 (而且不是由車手手動控制) 。
由電腦控制車輛駕駛、而非車手手動控制賽車關鍵功能一直以來都受到FIA的強力打壓。1980年代後期至90年代初期是各式各樣高科技進入F1比賽的高峰期，當時新上任的FIA主席Mosley一度曾鼓勵各車隊使用這些裝置。以1993年車手Alain Prost那輛替他拿下第四座世界冠軍的FW15賽車 (Williams車隊) 來作為範例，7年前 (80年代中期) 利用風洞進行車身的初期設計已經是所有車隊的基本程序、再加上利用高速電腦進行的Computational Fluid Dynamic運算，如此可以精確地預測出流經車身附近任何一處的空氣性質。車身內則裝置了ABS (防鎖死煞車系統，使煞車鎖死輪胎的機會降到最低) 、TCS (尋跡控制系統，防止後輪發生Spin的現象、使車輛能在彎道中展現100%的加速性能) 與Active Ride System (主動懸吊系統 ，讓車輛在任何時刻都可以保持與地面相同的高度、這可以發揮最佳的空力性能) 這三大系統，更不要提全自動的變速箱與可程式化的輔助煞車系統！此時一位車手與一位電腦操作員已經沒有太大的差別。從1994年開始、FIA規定各車隊必須在賽季開始前繳交ECU控制裝置的原始程式碼給FIA科技工作小組審核。過去FIA曾兩度禁用TCS循跡控制系統 (Traction Control) ，許多隊伍就暗地使用控制引擎與油門的Engine Mapping系統做出類似TCS的效果，例如只要前後輪速度不一樣的時候就自動斷油之類的功能就是處在違法與合法之間的灰色地帶，但此設計最終也遭到禁用。
2011年6月16日F1科技工作小組 (TWG) 針對「鬆油廢氣Rear Diffuser」議題召開專項會議，Red Bull車隊的態度是希望FIA能夠對相關實施細節作出澄清。這項應用的首創者Red Bull車隊被認為「鬆油廢氣Rear Diffuser」設計的最大受益者，不論是RB6或RB7賽車在賽道內的速度都遙遙領先其他對手，如果此設計被禁用、RB7賽車受到的影響也可能最大。根據FIA科技工作小組的規劃，從英國站開始，當車手鬆開油門踏板時，Engine Mapping系統控制的油門的加開量不能高於10%。而從2012年賽季開始，FIA計畫通過修改排氣管使用規則徹底禁止車隊使用「exhaust-blown diffuser」排氣系統，未來可能透過規定強制F1車隊再次使用「潛望鏡式」的排氣管設計。
 | | | 新規定從英國站開始實施後，紅軍能否大幅拉近與Red Bull車隊的性能差距？讓我們拭目以待。 |
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如果說Red Bull車隊是F1科技工作小組新規定的最大輸家，那Ferrari車隊可能是這項規定的最大贏家。Ferrari車隊領隊Stefano Domenicali甚至認為隨著「鬆油廢氣Rear Diffuser」頒佈使用上限，2011年世界冠軍的競爭格局有可能重新洗牌。2011年賽季7站比賽結束後，目前Ferrari車隊在車隊積分榜上排名第3位，但落後榜首的Red Bull車隊達到154分之多，不包含巴林站，今年F1賽季只剩下12站比賽。西班牙站正式比賽中F150°Italia賽車競爭力不足無法與Red Bull及McLaren賽車正面對抗，西班牙車王Fernando Alonso在苦撐20圈後名次一路下滑，最終僅以第5位完賽而且十分尷尬的被Sebastian Vettel套圈。F150°Italia賽車是以F10賽車的基礎進行改良，後懸吊系統則因為「雙層Rear Diffuser」與「exhaust-blown diffuser」排氣系統 (利用引擎廢氣提升Rear Diffuser工作效率的設計) 的禁用而重新設計，不過與先前外界預期Ferrari車隊可能沿用RB6賽車的「拉桿式」設計不同，新賽車仍使用「推桿式」設計，這也大幅影響了「鬆油廢氣Rear Diffuser」系統的性能。新規定從英國站開始實施後，紅軍能否大幅拉近與Red Bull車隊的性能差距？讓我們拭目以待。
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