主宰戰場或任人宰割！F1動力科技大觀～氣門系統 - 一級方程式賽車 Formula One

AutoNet 汽車日報
記者：Vincent

http://ppt.cc/Plm!
BMW F1 Engine

根據FIA的2012年F1賽制，引擎排氣量限制為2400c.c.，結構方面為單一V8規格，採用NA
自然進氣設計，不能加裝渦輪或機械增壓器，允許使用KERS動能回收機構，但不強迫使用
。然而在這些規格背後，F1引擎最可怕的部分，還是在於「超高轉速」設計。以2012年
RENAULT F1 RS27引擎為例，可於18000rpm輸出750hp以上的馬力，換算排氣量單位容積的
功率輸出，高達312.5hp/L以上！目前市售車NA引擎突破100hp/L關卡，已經可以用跑車動
力形容，頂尖超級跑車大約是120hp/L的水準，比起F1引擎還差遠了！


http://ppt.cc/BLHj
為了讓氣門於高轉速運作下，能以最短時間關閉，避免被高速移動的活塞擊中，
因此許多高性能引擎採用雙彈簧設計加速汽門回彈作動。


為何市售車引擎不能和F1動力一樣，來個瘋狂的18000rpm超高轉速，就算未能達到
312.5hp/L的水準，突破200hp/L大關也很驚人！跑車玩家都將趨之若鶩，如此一來，增壓
引擎就沒有那麼大的優勢，但事實上沒有這麼簡單，首先來談談氣門機構。目前市售車引
擎的氣門結構，幾乎都採用DOHC設計，每汽缸擁有四只氣門，氣門上方有彈簧、氣門帽與
凸輪軸，某些引擎還具備複雜的連桿設計。


姑且不論活塞能不能達到18000rpm高轉速（事實上要破萬轉都不是一件容易的事，此點之
後再來探討），基本上氣門結構要突破萬轉就是一個很大的門檻。傳統的氣門結構採用鋼
材打造，氣門彈簧也是以鋼條捲成，具有剛性佳、耐高溫、抗磨損等優點，而且金屬疲乏
問題輕微，耐用度佳，不過在慣性方面相對吃虧，當轉速高達萬轉時，氣門與彈簧的慣性
過高，當活塞移到到上死點前夕，氣門往往還來不及關閉，於是活塞就這樣撞上氣門，進
氣系統就此報銷，這就是所謂的「出怪手」！


此外氣門彈簧也是高轉速的障礙，因轉速愈高，彈簧所需要的回彈力道就要更強，簧線直
徑必須加粗，然而粗彈簧在擠壓過程容易被擠扁，影響氣門揚程表現，加上彈簧本身的慣
性，一般彈簧很難設計出理想的彈性表現，於是需要不同簧距與捲度的特殊彈簧，或是大
、小雙彈簧設計來解決此問題。


在超級跑車名門中，因為牽扯到低轉速扭力輸出等匹配問題，再加上耐用度與成本考量，
廠商並無意願推出破萬轉的市售引擎，因此目前還未有「F1氣門系統移植到市售引擎」的
案例；不過在摩托車引擎中，破萬轉的引擎並不稀奇，然而箇中關鍵在於鈦合金氣門、曲
軸與特殊彈簧的應用。鈦合金的剛性表現與鋼材相當，但是質量少了一半以上，具備耐高
溫、抗腐蝕、低慣性等優點，應用在氣門系統上，搭配彈簧設計，最高可承受約14000rpm
的轉速，沒錯！目前F1引擎的氣門系統，就是以鈦合金材質打造，某些車隊如Ferrari，
甚至將使用過的鈦合金氣門拿出來拍賣，讓車迷們更貼近F1科技！


http://ppt.cc/W~FC、http://ppt.cc/9Ajd
許多高轉速摩托車引擎採用特殊的不等距彈簧，搭配鈦合金氣門，
達到「破萬」的高轉速境界。


http://ppt.cc/Qb7S
FERRARI昔日F1賽車V10引擎解剖圖


之前所提到的鈦合金汽門、凸輪軸與特殊彈簧的應用，可將引擎最高轉速提升至14000rpm
的境界，不過光靠鈦合金材質就能克服F1引擎轉速上的限制？答案是否定的！


http://ppt.cc/isZQ
FERRARI的氣壓彈簧汽門系統，具備凸輪軸，但是沒有傳統機械彈簧設計。


無庸置疑，F1引擎的汽門系統一定要用鈦合金打造，然而單單如此並無法承受18000rpm的
高轉速，在F1過去V10引擎的年代，最高轉速甚至達到19000rpm，而且還有20000rpm的謠
傳，顯然光靠鈦合金材質的應用，並無法滿足F1動力設計的要求。於是工程師改採氣壓彈
簧系統，汽門開啟仍由凸輪軸帶動，但是在回彈時，採用氣壓帶動，加速汽門歸位，避免
被高速移動的活塞擊中。

因此F1引擎要正常運轉，周邊除了潤滑系統、水冷系統、進氣冷卻系統、轉向液壓系統必
須正常之外，氣壓系統也是關鍵，如果故障就會立即出現「爆引擎」的慘狀！因此在許多
F1比賽中看到賽車後方噴白煙，有可能是縮缸，或是汽缸頭墊片熔毀，但許多案例都是氣
壓系統掛點，造成活塞撞擊汽門的「引擎內部鬥毆」事件導致退賽！

RENAULT目前已經發展出無凸輪軸汽門系統，凸輪軸作動以電磁閥加上液壓帶動，然而實
際表現並沒有比較強悍與可靠，於是在F1科技世界中並未普及。此外其他車隊還有研發出
凸輪軸系統，汽門的回彈同樣由凸輪軸帶動，然而精確度也沒有比較優異，所以其他車隊
並沒有跟進。

鈦合金的硬度不及高碳鋼，因此必須進行局部強化處理，加上鈦金屬價格昂貴、加工困難
，而一具汽車的DOHC V8引擎必須使用32支汽門，如果採用鈦合金打造成本極高，因此目
前僅有高性能摩托車樂於使用（如DUCATI 1199 Panigale）。為何不使用價格較便宜的鋁
材質？基本上鋁合金的剛性不佳，沒有彈性可言，不適合打造彈簧，加上硬度與耐高溫等
問題，不適合用於汽門系統。


http://ppt.cc/e@ZV
FERRARI將部分使用過的F1零件出售，F1車迷可說是趨之若鶩爭相收藏！







http://ppt.cc/dX;n
http://ppt.cc/CpgH


--