Dlaczego samochody Formuły 1 używają silników z wieloma objętościowo małymi cylindrami?

Jakie są korzyści z Formuły 1 z silnikami takimi jak 3.0L V8 lub 2.4L V8?

Przeczytałem tę dyskusję na Reddit, dlaczego nie jest praktyczne umieszczanie małych, wielocylindrowych silników w produkowanych samochodach. Koszt głównie ze względu na wiele dodatkowych i wyższej jakości komponentów, które muszą się w nim znaleźć.

Tylko dlatego, że zespoły wyścigowe mogą sobie pozwolić na produkcję takich silników, jaka jest korzyść ze stosowania tych silników zamiast silników 6- lub 8-cylindrowych o większej pojemności?

Odpowiedź na pytanie, dlaczego zespoły F1 używają określonej pojemności silnika i liczby cylindrów, nie jest kwestią techniczną; rządzą nim zasady tego sportu.

Można zobaczyć historię silników F1 tutaj . Z tego samego źródła na 2014/2015:

Sześciocylindrowe jednocylindrowe turbosprężarki o pojemności 1,6 litra z odzyskiem energii i ograniczeniami zużycia paliwa w celu zastąpienia 2,8-litrowych normalnie wolnossących silników V8, Wydajność paliwowa wzrośnie o 35%, Moc systemów odzyskiwania energii podwoi się, Ogólna moc pozostanie na poziomie około 750 KM. ).

Wyścigi i wysokowydajne silniki samochodów drogowych często mają większą liczbę cylindrów w stosunku do ogólnej pojemności, w porównaniu do silników zaprojektowanych w celu optymalizacji kosztów i niezawodności w porównaniu z najwyższymi osiągami.

Powody, dla których silniki wielocylindrowe wytwarzają więcej mocy przy tej samej pojemności skokowej, to:

1. Mniejszy otwór x skok = mniejsze tłoki + mniejsze korbowody + lżejszy wał korbowy = mniejsza masa do przyspieszenia przy każdym skoku = szybsze obroty / wyższe maksymalne obroty = większa moc = wyższa prędkość maksymalna + większe przyspieszenie.
2. Więcej cylindrów = więcej zaworów = większa szybkość przerobu paliwa = większa moc wyjściowa.

Wadami silników wielocylindrowych są:

1. Większa złożoność produkcji.
2. Większy koszt.
3. Zwiększona trudność serwisowania i krótsze przerwy między usługami.
4. Większa złożoność i trudność konfiguracji i dostrajania silnika w celu optymalizacji wydajności.
5. Obniżona niezawodność i wytrzymałość.

Obecnie w Formule 1 obowiązują dość rygorystyczne przepisy dotyczące niezawodności, a zespoły muszą wymieniać zbyt wiele silników w jednym sezonie, aby kontrolować koszty, ale generalnie idealny silnik samochodu wyścigowego rozpada się natychmiast po przekroczeniu linia mety!

Oczywiście niemożliwe jest zaprojektowanie silnika tak precyzyjnie, ale historycznie przekonasz się, że silniki wyścigowe są wyjątkowo mocne, gdy są używane w zamierzonej kopercie projektowej (np. Pełna przebudowa co kilkadziesiąt mil, złomowana po kilku tysiącach mil), ale mają tendencję do dmuchania spektakularnie, jeśli przekroczą nawet kopertę nawet o niewielką ilość. (np. jeśli nie jest serwisowany, przerobiony itp.)

Powodem tego jest kombinacja oszczędności masy + próba uzyskania absolutnej maksymalnej mocy wyjściowej, a także wynik kompromisu między tymi dwoma celami i niezawodnością. Sukces samochodów wyścigowych może zależeć od najmniejszych marż. Jeśli twój samochód jest konsekwentnie o 0,1 sekundy szybszy niż jego najbliższy rywal na konkretnym torze, oznacza to 5-sekundową przewagę na końcu wyścigu na 50 okrążeń. Dlatego projektanci samochodów wyścigowych podejmą próbę użycia wszelkich dostępnych środków, aby ich samochody były odrobinę szybsze.

Waga jest również niezwykle ważna w samochodzie wyścigowym. Możesz pomyśleć, że oszczędność 1 grama wagi na jednym elemencie nie zrobiłaby żadnej różnicy, ale jeśli możesz zaoszczędzić 1 gram na każdym z 1000 elementów samochodu, to zaoszczędziłeś w sumie 1 Kilogram, co w przypadku lekkich wyścigów samochód, może spowodować wymierny wzrost wydajności. W samochodzie wyścigowym silnik V16 może być droższy, bardziej skomplikowany i mniej niezawodny niż V8 o tej samej pojemności, ale wszystkie inne rzeczy są równe, jeśli waży 2% mniej i wytwarza 2% więcej mocy i nadal jest wystarczająco niezawodny aby ukończyć wyścigi, a zespół ma budżet na zbudowanie i prowadzenie go, a następnie (jeśli pozwalają na to przepisy) będą go używać.

Silnik nie jest jedynym elementem samochodu wyścigowego, ale jest jednym z najważniejszych czynników decydujących o osiągach samochodu. W Formule 1 dodatkowy koszt i złożoność silników wielocylindrowych znacznie przewyższa ich przewaga wydajności nad, na przykład, taką samą pojemnością 4.

We współczesnej Formule 1 istnieje wiele skomplikowanych przepisów, które dotyczą konstrukcji silnika, niezawodności, odzysku energii, zużycia paliwa, całkowitej masy samochodów itp. Itp., A dopuszczalną liczbę cylindrów i układ można czasem określić raczej na podstawie regulacji niż osiągów, ale w ogólnie rzecz biorąc, dobrze zaprojektowany i zbudowany silnik wielocylindrowy będzie miał taką samą pojemność, ale przy mniejszej liczbie cylindrów.

Oprócz odpowiedzi @Andrew Kerr: dla danej pojemności silnika dodanie większej liczby cylindrów zwiększa moc szczytową.
Ale zwiększa także straty w kilku obszarach:

• więcej ruchomych części oznacza większe tarcie.
• mniejsze cylindry oznaczają zmniejszenie stosunku objętości do powierzchni ściany, co powoduje wzrost strat ciepła.
• dodatkowe części ruchome mogą potencjalnie utracić niezawodność
• więcej cylindrów często oznacza również dłuższy blok silnika, co utrudnia zbudowanie bloku, który nie będzie się wyginał, gdy zostanie użyty jako element konstrukcyjny (jak to zwykle ma miejsce w Formule 1).
• z ponad 12 cylindrami trudno jest zbudować wał korbowy, który jest wystarczająco mocny. Niektóre silniki z prostymi ośmioma silnikami wykorzystywały bieg pośrodku wału korbowego do przekazywania mocy do sprzęgła i skrzyni biegów.

Oznacza to, że istnieje optymalna liczba cylindrów dla danej pojemności. W 1989 r. Formuła 1 wprowadziła zakaz stosowania silników z turbodoładowaniem i wprowadziła na rynek silnik 3,5 wolnossący. Liczba cylindrów została ograniczona do 12.
Kilku producentów wykorzystało komputery do znalezienia optymalnej liczby cylindrów i zbudowało silniki V10. Okazuje się, że przy tej pojemności V12 byłby mniej potężny niż V10.

Aha, i najważniejszy powód, aby nie używać silników wielocylindrowych w małych samochodach: zużycie paliwa rośnie wraz z liczbą cylindrów.

A konkretnie do ostatniej części pytania:

Tylko dlatego, że zespoły wyścigowe mogą sobie pozwolić na produkcję takich silników, jaka jest korzyść ze stosowania tych silników zamiast silników 6- lub 8-cylindrowych o większej pojemności ?

Formuła 1 i inne klasy wyścigowe mają twarde ograniczenie przemieszczeń. Odbywa się to w celu ograniczenia mocy silnika, co ma na celu utrzymanie wydajności poniżej limitów projektowych stosowanych obwodów (im szybszy samochód wyścigowy, tym większe trzeba zrobić obszary spływu).