主宰戰場或任人宰割！F1動力科技大觀～多汽缸架構 - 一級方程式賽車 Formula One

AutoNet 汽車日報
記者：Vincent

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Renault R27 Engine


話說近十年來，F1賽車引擎最高轉速可達18000～20000rpm！這的確是一個驚人的數據，
箇中關鍵之前已經討論過了，但是讀者有沒有想過，為何要使用3.0L V10及2.4L V8設計
？區區2.4升的排氣量，有必要使用八汽缸？體積龐大且結構複雜，不符合競技精神。目
前市售車2.4L引擎多半使用直四設計，F1引擎採用四缸設計豈不是更小更輕？但答案是：
除非採用增壓設計，否則最大馬力將達不到現行規範的一半！關鍵為何？
答案就在於活塞衝程與引擎壓縮比的設計。


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在2.4L V8引擎之前，F1動力規範為3.0L引擎，可採用V10或V12架構，
兩種規格任選，但基於體積與重量，各車隊不約而同選擇了V10引擎。


為了讓讀者更瞭解衝程設計的關鍵，首先來談談「活塞速度」，先從超級跑車看起。
FERRARI 458 Italia堪稱目前市售車自然進氣引擎的極致，可於9000rpm爆發出570hp最大
馬力，換算引擎排氣量每公升可輸出126.6匹馬力，遠超越其他市售車引擎的水準。結構
設計上，458 Italia的活塞缸徑與衝程分別為94mm與81mm，在9000rpm高轉速下，活塞速
度為每秒24.3m，每秒移動24.3公尺看似不是一個很誇張的數字，因為音速高達每秒333公
尺，子彈高達900m/sec以上。

然而活塞的作動乃是來回式的「折返跑」，對活塞座、插銷與連桿的應力承受是一大考驗
。事實上，考慮摩擦力、耐用度、散熱、潤滑、材料與結構強度等諸多因素，引擎活塞每
秒移動25m大概就是引擎結構設計的上限，雖然還可以再快，但是耐用度將急遽下滑。

就算是F1引擎，採用重量最輕、結構最強的活塞，搭配鈦合金連桿，活塞速度也難以突破
27m/sec的門檻，這是一個物理上的限制，接著來探討一下，如果F1引擎採用市售車的結
構設計，結果會如何？以Honda Accord為例，缸徑與衝程為87mm與99mm，引擎轉速想要拉
到一萬轉，活塞速度高達每秒33m，轉速達兩萬轉時，活塞速度則是66m！遠超乎當今機械
結構的極限，更別說「上看二萬轉」！

從基本看起，馬力計算方式為「馬力＝扭力×轉速」，相同排氣量的引擎，除非藉由增壓
結構，否則以自然進氣設計而言，扭力輸出僅能靠壓縮比等細微設計來小幅提升，很難大
幅躍進，增進馬力的唯一方式就是高轉速化。因此沒有18000rpm的加持，就不可能以2.4L
引擎壓榨750hp以上的馬力。此時唯一方式就是採用極短的衝程設計，搭配八汽缸架構，
這關係到容積計算問題，相信數學或機械頭腦好的讀者應該很快就能體會。

目前F1引擎的活塞尺碼大約在95～100mm之間，衝程約為40mm，活塞結構極其輕薄，整體
設計概念完全不同於一般的市售引擎。因此FIA制訂規範時，並非刻意要用V8引擎刁難各
個車隊，而是非得採用8汽缸以上的設計，才能達到今日的動力水準。


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目前F1賽車的缸徑約為97mm，衝程大約在40mm左右，在18000rpm時，
活塞速度約為24m/sec。


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既然買得到F1引擎的鈦合金汽門，鋁合金活塞當然也有出售，
活塞直徑雖大，但造型設計極為輕薄。







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