博客日记

[F1专栏]燃油配方将成为2010年F1胜负关键

「从2010年开始,F1将禁止车辆在比赛中加油」在多数人看来、这或许只是今年新规则中的一行字。但对各队科技总监与工程团队来说,这象徵着车辆设计方向上的大幅改变。新规则也将影响各队比赛战术拟定,鲜为人知的是,由于引擎冻结研发规定,车内燃油配方对今年赛车性能、甚至车队胜败的影响程度将比以往更为显着。

「历史反覆、循环不息」这句话看来也适用在F1系列赛上。80年代的F1系列赛是没有「进Pit加油」这项规定的,当时所有的F1赛车都是在赛前加满油一路驶向终点。自从2003年以来,F1比赛规则与排位赛规则频繁更动。2005年赛季曾经一度禁止F1赛车在比赛过程中换胎 (爆胎意外发生时除外) 、但允许车辆在比赛过程中进站加油。由于「禁止比赛中途加油」规则已将近20年没有实施,规则的改变对于新赛车的设计是一大挑战。

[F1专栏]燃油配方将成为2010年F1胜负关键禁止比赛中加油也提升了安全性。
燃油对F1比赛的重要性不难了解,如果没有燃油、F1赛车连1公尺都前进不了。截至2009年赛季为止,一站比赛所需的油料通常分为2至4次添加,因此车内油箱不需太大。21世纪初的F1赛车油箱容量大约是130到140公升上下,随着长寿引擎与汽缸减少到8缸,F1赛车的耗油量也显着降低、油箱重量容量也因此缩小至80到100公升左右。

从今年开始,由于车内必须装载能够跑完整场比赛全程的燃料,预估油箱容量将大幅上升至240至260公升!一般市售车的油箱在50至80公升左右,F1赛车仅600-700公斤,车内油箱容量却是市售车的3倍以上,可想而知比赛中油料重量的改变对车辆操控将有不小的影响。

[F1专栏]燃油配方将成为2010年F1胜负关键   
引擎研发规定对F1运动的竞争性与参赛预算相关度非常大,在过去没有限制的年代、引擎供应商甚至提供只在週六使用的「排位赛版本」引擎。在21世纪的前几年,引擎研发费用成为各队年度预算内不小的开支,每年支出3,000-4,000万美元在此领域相当常见。为了降低参赛开支并提升中小型队伍的竞争力,FIA宣布从2008年开始,完全冻结引擎发展的时期为10年。2013年后可能讨论做出改变,但只能是在所有车队的一致同意下,并保留未来两年的观察期。

完全冻结意味着对引擎特定零件的发展也没有例外,与当前的规则要求一样,FIA的远程目标是鼓励未来F1科技发展将朝着低成本并与民用车相关的方向前进,同时保留比赛刺激程度。由于引擎构造与零件无法改良,改良油料配方就成为提升引擎性能 (最大出力、可靠度及节油能力) 的关键要素。

[F1专栏]燃油配方将成为2010年F1胜负关键由于引擎构造与零件无法改良,改良油料配方就成为提升引擎性能 (最大出力、可靠度及节油能力) 的关键要素。
相较于其他空力套件,隐身在油箱之内的F1燃油配方对多数读者来说比较陌生,就让我们多着墨一些。早期 (1950年代) FIA对于参赛车辆所使用的燃料没有严格的限制,一直到1957年之前,F1车队可以在油箱内添加任何他们想使用的燃料。因此参赛队伍多选择在汽油内添加乙醇的成分以增加散热效果。这里有一份Mercedes车队当时使用的燃料成分:45%的苯 (benzene) 、25%的甲醇 (methyl alcohol) 、23%的航空用轻油 (aviation fuel) 、3%的丙酮 (acetone) 与2%的硝基苯 (nitrobenzene) ,细心的读者可能会发现有2%的成分没有列出、原因是直到今日Mercedes车厂仍将它视为最高机密!这种燃料配方因为具有强烈腐蚀性而对引擎本体有很大的伤害力,当时F1车队在练习或是比赛结束后必须立刻将燃料抽出并将引擎内部零件以普通汽油清洗。这种状况一直到了1960年燃料赞助商Shell建议FIA规定F1赛车必须使用普通汽油、以便让该厂方便宣传商用产品后才开始逐渐改变。目前FIA对于F1赛车使用油料的规定是必须完全与市售车相同、也必须符合EEC环保标準。FIA相信这可以鼓励油料供应商将他们的开发成果应用在市售产品上。每支车队在赛前都必须提供使用油料的样本以供FIA进行检验。

[F1专栏]燃油配方将成为2010年F1胜负关键即便是如此严格的规定下,ExxonMobil与Shell的竞技部门仍能找出规则漏洞以提升赛车性能。
2010年F1科技规则第19章中详列了关于燃油配方的各种规定,多达三页的内容主要目的有两个:(a)确保F1赛车用燃油与民用车燃油两者之间并无太大差异 (b)禁止一切可提高引擎动力输出化学配方。19章第三条指出F1赛车燃油内的辛莞值与氧、氮、苯、铅含量都必须符合欧盟的民用车燃料规定。19章第四条则对碳氢化合物含量有所规定。但即便是如此严格的规定下,ExxonMobil与Shell的竞技部门仍能找出规则漏洞以提升赛车性能,前提是要对引擎工作状况 (Engine Mapping) 有充分的掌握。

对2010年来说,研发重点在于如何提高节油能力?因为10公斤的燃油重量将增加单圈速度0.3秒之多,这是一个不小的差距,倘若能减少燃油的搭载量、赛车性能即可有效提升。新版科技规则19章第四条第四项规定今年的F1燃料必须含有5.75%的「生物燃料」成份,但究竟该含有何类成份目前并无清楚规定,预料未来这将成为各燃料供应商的研发重点。

[F1专栏]燃油配方将成为2010年F1胜负关键新版科技规则19章第四条第四项规定今年的F1燃料必须含有5.75%的「生物燃料」成份。
除了改良燃油配方之外,降低燃油温度是另一个努力方向。降低燃料温度的优势在哪里?F1赛坛人士表示降低燃油温度能够改善引擎室燃烧效率,这能够带来5至10马力的动力优势。我们以HCCI引擎来作为说明範例,HCGI的名称来自于Homogeneous Charge Compression Ignition的缩写,中文意思为「均质充量压缩点燃」技术。

从技术角度来看,HCCI引擎混合了传统汽油与柴油引擎的部分特色、但有都与它们不同。与传统汽油引擎相同的是它们是向汽缸内注入比例均匀的空气和燃料混合气体 (柴油引擎採用燃油直接注入汽缸内) ,但另一方面HCCI引擎採用油气在高压下自燃 (与柴油引擎相同) 、而非传统汽油引擎使用的火星塞点火方式。从热力学效率的观点,HCCI引擎极具潜力:第一个优点是显着降低的热损耗率,由于无火星塞自燃方式的燃烧温度较低,震爆对燃烧室壁的传热也跟着降低。另一个优点是燃烧週期短 (因为燃烧过程主要是受化学反应而不是受混合过程所主导) 。研究结果显示HCCI引擎的热利用效率可接近50%,燃烧后废气中的微粒物与Nox含量也大幅降低。虽然FIA不允许使用HCCI引擎结构设计,但降低燃烧温度的优点不难从此发现。