Tại sao xe công thức 1 sử dụng động cơ với nhiều xi-lanh nhỏ thể tích?

Công thức 1 có lợi gì khi sử dụng các động cơ như V8 3.0L hoặc V8 2.4L?

Tôi đã đọc cuộc thảo luận Reddit này về lý do tại sao việc đưa các động cơ nhiều xi-lanh nhỏ vào xe sản xuất là không thực tế. Chi phí chủ yếu, do nhiều thành phần bổ sung và chất lượng cao hơn phải đi vào nó.

Chỉ vì các đội đua có thể đủ khả năng để sản xuất động cơ như vậy, lợi ích của việc sử dụng các động cơ này thay vì động cơ 6 hoặc 8 xi-lanh có dung tích cao hơn là gì?

Câu trả lời cho lý do tại sao các đội F1 sử dụng một động cơ và số xy lanh nhất định không phải là kỹ thuật; nó bị chi phối bởi các quy tắc của thể thao.

Bạn có thể xem lịch sử của động cơ F1 tại đây . Từ cùng một nguồn, cho 2014/2015:

Tua-bin đơn 1.6 lít, sáu xi-lanh với khả năng thu hồi năng lượng và hạn chế nhiên liệu để thay thế động cơ V8 hút khí thông thường 2,4 lít, Hiệu suất nhiên liệu tăng 35%, Công suất của các hệ thống phục hồi năng lượng tăng gấp đôi, Công suất tổng thể duy trì ở mức xấp xỉ 750bhp. ).

Động cơ xe đua và hiệu suất cao thường có số lượng xi-lanh cao hơn so với công suất tổng thể, so với động cơ được thiết kế để tối ưu hóa chi phí và độ tin cậy so với hiệu suất cao nhất.

Những lý do khiến nhiều động cơ xi lanh tạo ra nhiều năng lượng hơn cho cùng một công suất là:

1. Lỗ khoan nhỏ hơn x hành trình = pít-tông nhỏ hơn + thanh kết nối nhỏ hơn + trục khuỷu nhẹ hơn = khối lượng nhỏ hơn để tăng tốc trên mỗi hành trình = vòng quay nhanh hơn / RPM tối đa cao hơn = nhiều sức mạnh hơn = tốc độ tối đa cao hơn + tăng tốc nhanh hơn.
2. Nhiều xi lanh hơn = nhiều van hơn = tốc độ thông lượng nhiên liệu cao hơn = sản lượng điện lớn hơn.

Nhược điểm của động cơ nhiều xi lanh bao gồm:

1. Độ phức tạp lớn hơn của sản xuất.
2. Chi phí lớn hơn.
3. Tăng độ khó của dịch vụ và khoảng thời gian ngắn hơn giữa các dịch vụ.
4. Độ phức tạp và khó khăn hơn trong việc thiết lập và điều chỉnh động cơ để tối ưu hóa hiệu suất.
5. Giảm độ tin cậy và mạnh mẽ.

Ngày nay, có những quy định về độ tin cậy khá nghiêm ngặt trong Công thức 1 và có những hình phạt cho những đội phải thay thế quá nhiều động cơ trong một mùa để kiểm soát chi phí, nhưng theo nguyên tắc chung, động cơ xe đua lý tưởng là một động cơ tan rã ngay sau khi vượt qua về đích!

Tất nhiên nó không thể thiết kế một động cơ mà chính xác, nhưng về mặt lịch sử, bạn sẽ thấy rằng động cơ đua là cực kỳ mạnh mẽ khi được sử dụng trong phong bì thiết kế dự định của họ (ví dụ đầy đủ xây dựng lại mỗi vài chục dặm, loại bỏ sau một vài nghìn dặm) nhưng có xu hướng đòn lên một cách ngoạn mục nếu họ vượt quá phong bì dù chỉ một lượng nhỏ. (ví dụ: nếu được bảo dưỡng, tăng quá mức, v.v.)

Lý do cho điều này là sự kết hợp giữa tiết kiệm trọng lượng + cố gắng trích xuất công suất tối đa tuyệt đối và cũng là kết quả của sự thỏa hiệp giữa hai mục tiêu và độ tin cậy. Thành công xe đua có thể phụ thuộc vào lợi nhuận nhỏ nhất. Nếu chiếc xe của bạn luôn nhanh hơn 0,1 giây so với đối thủ gần nhất trên một đường đua cụ thể, thì điều đó tương đương với việc dẫn trước 5 giây khi kết thúc cuộc đua 50 vòng. Đó là lý do tại sao các nhà thiết kế xe đua sẽ cố gắng sử dụng bất kỳ phương tiện có thể có sẵn cho họ để làm cho chiếc xe của họ nhanh hơn một chút.

Trọng lượng cũng cực kỳ quan trọng trên một chiếc xe đua. Bạn có thể nghĩ rằng tiết kiệm 1 gram trọng lượng cho một thành phần sẽ không tạo ra sự khác biệt nào, nhưng nếu bạn có thể tiết kiệm 1 gram trên mỗi 1000 thành phần của ô tô, thì bạn đã tiết kiệm được tổng cộng 1 Kilôgam, trên một cuộc đua nhẹ xe hơi, có thể làm tăng hiệu suất có thể đo được. Trên một chiếc xe đua, động cơ V16, có thể đắt hơn, phức tạp hơn và kém tin cậy hơn so với động cơ V8 cùng công suất, nhưng tất cả những thứ khác đều bằng nhau, nếu nó nặng hơn 2% và tạo ra công suất cao hơn 2% và vẫn đủ tin cậy để hoàn thành các cuộc đua và nhóm có ngân sách để xây dựng và điều hành nó, sau đó (quy định cho phép) họ sẽ sử dụng nó.

Động cơ không phải là thành phần duy nhất trên một chiếc xe đua, nhưng nó là một trong những điều quan trọng nhất để xác định hiệu suất cuối cùng của chiếc xe. Trong Công thức 1, chi phí tăng thêm và độ phức tạp của nhiều động cơ xi lanh vượt xa so với lợi thế hiệu suất của chúng so với cùng một công suất 4 chẳng hạn.

Trong Công thức 1 hiện đại, có nhiều quy định phức tạp, thiết kế động cơ chi phối, độ tin cậy, thu hồi năng lượng, tiêu thụ nhiên liệu, trọng lượng tổng thể của ô tô, v.v. và số lượng xi lanh và bố trí cho phép đôi khi có thể được xác định theo quy định thay vì hiệu suất, nhưng trong nói chung, một động cơ nhiều xi lanh được thiết kế và chế tạo tốt sẽ thực hiện một trong những công suất tương tự, nhưng với ít xi lanh hơn.

Ngoài câu trả lời của @Andrew Kerr: đối với công suất động cơ nhất định, việc thêm nhiều xi-lanh sẽ tăng công suất cực đại.
Nhưng nó cũng làm tăng tổn thất trong một số lĩnh vực:

• nhiều bộ phận chuyển động có nghĩa là ma sát nhiều hơn.
• xi lanh nhỏ hơn có nghĩa là tỷ lệ thể tích so với diện tích tường giảm, do đó tổn thất nhiệt tăng.
• có khả năng mất độ tin cậy chết đối với các bộ phận chuyển động thêm
• nhiều xi lanh hơn cũng có nghĩa là một khối động cơ dài hơn, điều này gây khó khăn cho việc xây dựng một khối không uốn cong khi nó được sử dụng như một phần cấu trúc (như thường thấy trong Công thức 1).
• với hơn 12 xi lanh, việc chế tạo một trục khuỷu đủ mạnh. Một số động cơ 8 số đã sử dụng một bánh răng ở giữa trục khuỷu để truyền sức mạnh tới bộ ly hợp và hộp số.

Điều này có nghĩa là có một số lượng xi lanh tối ưu cho một công suất nhất định. Năm 1989, Công thức 1 đã cấm động cơ tăng áp và bắt buộc động cơ hút khí tự nhiên 3,5 lít. Số lượng xi lanh được giới hạn là 12.
Một số nhà sản xuất đã sử dụng máy tính để tìm ra số lượng xi lanh tối ưu và động cơ V10 được chế tạo. Hóa ra, ở công suất đó, V12 sẽ kém mạnh hơn V10.

Ồ, và lý do số 1 không sử dụng động cơ nhiều xi-lanh trong xe nhỏ: mức tiêu thụ nhiên liệu tăng theo số lượng xi-lanh.

Và đặc biệt đến phần cuối của câu hỏi:

Chỉ vì các đội đua có thể đủ khả năng để sản xuất động cơ như vậy, lợi ích của việc sử dụng các động cơ này thay vì động cơ 6 hoặc 8 xi-lanh có dung tích cao hơn là gì?

Công thức một và các lớp đua khác có giới hạn cứng về dịch chuyển. Điều này được thực hiện để hạn chế công suất động cơ, được thực hiện để giữ hiệu suất dưới giới hạn thiết kế của các mạch họ sử dụng (trường đua càng nhanh, bạn càng cần phải tạo ra các khu vực chảy nước).