【賽車報導】從Renault Energy F1-2014看2014年F1動力單元如何運作

2014年F1的動力規則走向不將只是改搭1.6升渦輪增壓引擎,而是一套近似於混合動力系統的概念,在賽季開始前,先透過Renault的動力單元來預覽這究竟是如何運作的。

 

從2006年換裝2.4升V8引擎、2009年引進KERS動能回收系統,到如今改採1.6升V6渦輪增壓引擎與能量回收系統搭配、稱為動力單元的動力系統,F1的動力規則不但朝著縮減排氣量的方向前進,同時也步步走往油電混合的途徑。與先前單純僅是回收煞車動能,並讓車手在擁有超車機會時使用的KERS動能回收系統不同,2014年的動力單元在能量回收系統的運作更為複雜,同時也更趨近於油電混合動力的概念。

 

引擎形式的改變,是2014年賽季F1車輛規則中最受人矚目的部分。

 

擔任動力單元核心的,仍舊是傳統的內燃機引擎。在2014年的動力規則中,被限制必須是排氣量1.6升的90度夾角V6單渦輪增壓引擎、每缸4汽門、導入缸內直噴技術,最高轉速則是被限制在15000rpm,同時排氣管也被限制必須使用單一尾段,並只能安裝在車身中軸線的位置,不若過去幾年常見的車側雙出設計,也不再能直接吹向車尾分流氣以增加下壓力。在Renault原廠釋放的訊息中,Renault為2014年所開發的1.6升V6渦輪增壓引擎,將可以輸出600hp左右的馬力輸出,單論輸出其實並未距離2.4升V8自然進氣引擎太遠。

 

單純以輸出動力而言,1.6升V6渦輪增壓引擎能夠輸出600hp左右的最大馬力。

 

圍繞在1.6升V6自然進氣引擎周圍的,是被稱為ERS的能量回收裝置,包括安裝在引擎後方排氣管位置的渦輪增壓器、集氣箱下方的MGU-H熱能回收系統、與曲軸連接的MGU-K動能回收系統,與引擎前方的電能儲存裝置,共同組成2014年F1動力規則所指的動力單元,並提供約760hp的綜效輸出,已經與2013年使用的2.4升V8引擎擁有相同水準的輸出。而根據2014年的動力規則,一輛賽車在賽季中僅能使用5套動力單元,一旦超出規定,將會面臨嚴厲的懲罰。

 

2014年F1賽車的動力來源將不僅是過去慣稱的引擎,而是結合內燃機引擎與ERS能源回收系統、近似於市售車油電混合動力系統的動力單元。

 

同時,2014年動力規則在燃油使用上也有相對嚴格的規定,週日正賽起跑最多只允許搭載100公斤的燃油,較2013年減少35%之多,同時燃油流量也被限制在每小時100公斤以下,也就是說必須以更少的油料進行同樣約300公里、超過1.5小時的比賽。這使得單純倚靠引擎進行比賽成為幾乎不可能的任務,同時使用引擎的動力輸出與電力驅動,將會是最佳的解決方案,同時也能達成FIA期望讓F1邁向更環保的目標。

 

而這一切在賽道上究竟該如何運作?透過Renault對於 Energy F1-2014動力單元的解析,我們將能窺探究竟。

 

將範圍縮小至一個單圈來看,在大直路時,引擎與渦輪增壓器將會全速運作,渦輪增壓器也會以其最高轉速100000rpm運轉,同時MGU-H會作為發電機之用,將排氣過程中散逸的熱能回收並轉化為電能傳予MGU-K視情況扮演電動馬達的角色,若電池的容量不足,也會轉化為電能進行儲存。另外,當車手踩下煞車踏板時,MGU-K將會搖身一變成為發電機,將多餘的動能轉換為電力儲存在電池之中,也將會是比賽中最主要的充電來源。

 

MGU-H與MGU-K皆兼具發電機與電動馬達的功能,能在不同的狀態下扮演不同的角色。

 

由於僅能使用一具渦輪增壓器,又不允許採用可變幾何葉片的關係,為了讓小排氣量引擎輸出大馬力,必須將增壓值調高,而在一般的狀況下也將伴隨著明顯的渦輪遲滯現象。為了減少這樣的現象,鬆開油門踏板時,原先扮演熱能回收裝置的MGU-H將會轉變為小型的電動馬達,用以驅動渦輪扇葉,維持住渦輪的轉速,避免出彎加速時產生渦輪遲滯的現象,而影響賽車的動態表現。

 

與1980年代的渦輪增壓引擎相比,2014年的F1引擎只允許採用單渦輪增壓設計。

 

而整套ERS能量回收裝置最主要的幫助,還是類似於過去KERS動能回收系統的效果,當車手希望超車、需要額外動力時,不僅引擎與渦輪器全速運轉,電池中儲存的電力也會傳送至扮演電動馬達角色、擁有160hp馬力輸出的MGU-K,並且依靠與曲軸連結的MGU-K提供額外的輸出,讓整套動力單元的760hp最大動力輸出盡數湧現。

 

由於渦輪增壓與ERS能源回收系統所帶來的高壓與高溫環境,散熱在2014年賽車的設計上將會是一個重要的課題。

 

表現在賽道上,對於觀眾而言,其時一切就如同往常,減速、入彎、出彎加速,然後伴隨著震懾的聲浪通過大直線,雖然背後的運作遠比過去只是V8引擎與KERS系統的組合複雜。由於改搭渦輪增壓器後為引擎帶來的負擔,以及ERS能源回收系統伴隨著的高熱,動力單元的可靠性將會成為影響比賽或是冠軍積分的關鍵因素。如何透過賽車的設計,讓散熱系統有效運作,妥善運用僅有5套的動力單元配額,對車隊與車手而言將會是最重要的一環。

 

文=陳奕宏

 

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陳奕宏

伴著嘶吼呼嘯而過的身影,點燃了對動力的熱情,熱愛賽車也喜歡汽車,因此先後於U-CAR汽車網站以及J-Fly Racing捷飛國際分別擔任汽車網站記者與賽車部主任等職。繞了一圈後,再度回到汽車媒體產業,現於CarStuff人車事汽車網站,以編輯的身分同時擁抱心頭的兩大喜好。