生活處處有F1

百科知識2018-09-14 21:17:42

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以高科技著稱、位居運動金字塔尖的F1(Formula1,世界一級方程式汽車大獎賽)是當今世界最昂貴、最能點燃人類激情的賽事之一。不用說組建一支車隊、研發一輛尖端的需要花多少錢,光是一個分站賽所需的物流、燃油、商業推廣、車隊食宿等費用就是個天文數字。可想而知,這是一項多麼燒錢的運動。


從另一方面來看,F1運動在大量消耗金錢的同時,其尖端的研發更代表了一個時期內汽車技術領域的極致,F1賽車不僅是征戰賽道的工具,而且為我們的日常生活提供一個技術標杆,讓我們能一睹未來汽車工業發展的方向。


  

渦輪增壓

現在我們去4S店買車,銷售人員一般會問,是要帶“T”的還是不帶“T”的汽車?什麼是“T”呢?所謂“T”,就是Turbocharger(即渦輪增壓)。不帶“T”,就是發動機在做功時通過活塞的移動自然吸氣。汽車帶“T”,就是發動機中配備了渦輪增壓系統,這種汽車的發動機油耗與同款的自然吸氣發動機相當,但馬力要比後者高出25%~30%。因此,帶“T”的汽車逐漸成為汽車銷售市場的新寵。那麼,這項技術是怎麼來的呢?

 


最早的汽車都是使用自然吸氣的發動機。在1977年的F1賽場上,來自英國的泰瑞爾車隊憑藉著新款3.0升自然吸氣發動機所向披靡,驚人的戰績令對手膽寒。法拉利、託萊曼車隊紛紛研發新技術,力圖追趕對手,但效果並不明顯。倒是法國的另闢蹊徑,拿出了一項“黑科技”,才扭轉了不利局面。

 

這到底是一項什麼樣的“黑科技”呢?原來,雷諾車隊一名年輕的工程師去東南亞度假時發現,廚師在炒牛肉時,為了使灶頭的火旺一些,順手打開了鼓風機開關。鼓風機嗚嗚地轟鳴起來,將四周的空氣迅速送進爐灶,霎時,火苗冒得老高。廚師三兩下就把一盤炒得香噴噴的牛肉送到顧客面前……工程師看得入了神,突然靈光一現——能不能把這個“鼓風機”搬到賽車上去?回到車隊,他把自己的想法和同事們溝通後,大家一起動手設計出一套特別的“鼓風機”,其形狀類似一個田螺殼,裡面安裝有一個可以旋轉的葉輪。


 


“鼓風機”一頭連於發動機的排氣口,另一頭連於發動機的進氣口。當發動機運轉時,排出的廢氣本身具有較高的溫度和壓力,這些廢氣進入“鼓風機”後推動葉輪飛速旋轉,將外部空氣鼓入,再通過另一出口將其推入發動機的氣缸,這樣氣缸內氧氣的密度和壓強升高,燃料燃燒得更為充分,進而可以產生更大的功率。這個田螺狀的“鼓風機”就是後來人們所熟知的渦輪增壓器。 


團隊的努力使雷諾車隊在短時間內設計出一款最新的1.5升6缸渦輪增壓引擎,它不僅馬力大而且非常輕巧,這一祕密武器的投入使得原本叱吒風雲的泰瑞爾車隊頓時黯然失色。後來,其他車隊也發現了渦輪增壓的好處,紛紛放棄原先的自然吸氣引擎,開始設計自己的渦輪增壓系統。


 

最早搭載渦輪增壓引擎的雷諾賽車(1977年)


在眾多的製造商中,本田車隊對渦輪增壓的解讀最為深刻,他們設計的RA168E型渦輪增壓引擎創紀錄地達到1050匹馬力,在1988年,“車王”塞納和另一位車手普羅斯特駕駛著搭載這款引擎的賽車拿下了全年16站比賽的15場分站冠軍……

“車王”塞納駕駛搭載了本田渦輪增壓引擎的邁凱倫MP4-4型賽車


在我們的生活中,渦輪增壓系統最早裝備在一些中高檔汽車上,車主發現排量為1.5升的渦輪增壓發動機所產生的動力與原先老款1.8、2.0升的自然吸氣發動機相當,但是排量越小的發動機油耗越小,尾氣排放量也越少,因此渦輪增壓技術不僅在民用汽車領域廣受歡迎,現今也相繼出現在內燃機火車頭、坦克、大型發動機組的動力系統中。


 

 

前段時間,有媒體報道稱,2018年3月14日,一位河南車主駕駛奔馳C級轎車行駛在高速公路上,由於打開的定速巡航系統失靈,導致車子以120千米的時速在公路上狂奔而無法停下來。雖然該事件後來被證實為車主的謊言,但這條消息還是讓定速巡航這個概念成為人們茶餘飯後的談資。

 

定速巡航(Cruise Control System,簡稱CCS),顧名思義就是確保車輛以一個固定速度行駛的一種駕駛模式。這套技術也是從F1賽車移植過來的。

 


F1比賽中,由於輪胎磨損、燃油消耗等原因,比賽車輛需要在中途進入維修站加油、換胎。為了保證工作人員的安全,國際汽聯規定,凡是進站加油、換胎的賽車,在維修站內的時速不得超過80千米(早先的規定為60千米/小時),違者將會受罰。

 

這樣一來,車手進站時,如果賽車時速低於80千米,就會導致在維修站停留的時間過長,在賽道上好容易攢下的優勢很容易被對手反超;若狠踩一腳油門,時速可能超過80千米,結果又帶來賽會的懲罰,車手們在這樣的限速規定面前吃盡了苦頭。

 

後來,一個聰明的技術員想出了一個辦法:在賽車發動機的油門和進氣門上加裝一個電子傳感器。傳感器可以通過脈衝信號來控制油門與進氣門開放的角度,使進入引擎的燃油與空氣始終保持一個恆定的比例,從而使車手在不踩油門的情況下,發動機也能輸出一個固定的轉速。

 


今天的F1比賽中,車手在進站加油前只要按下一個定速巡航按鈕,賽車就會自動保持80千米的時速行駛在維修站工作區。

 

目前,一些民用車輛也移植了定速巡航模式。這樣一來,駕駛員尤其是從事跨省運輸的大貨車駕駛員,在高速公路上長時間開車時,可以不用一直把右腳放在油門踏板上,由此減輕了體力的消耗,緩解了長時間駕車的疲勞。


 

 

後視鏡電加熱

雨天,開車的人常會有這樣的困擾:在變道轉向時想看看後視鏡,卻發現鏡片上都是雨滴,淘氣的水珠“躺”在後視鏡上造成的漫反射,令司機無法看清後面的路況,很容易發生追尾和側碰。有些謹慎的司機會因此在變道時放慢車速;但這樣一來,往往造成路面擁堵,尤其是在大城市。

 


其實,同樣的難題在F1比賽中也出現過。因為F1的一個賽季通常是從每年的3月到當年的11月。這段時間,各車隊要從揭幕戰的大洋洲越過千山萬水到我國的上海,之後回到歐洲,輾轉北美,最後在中東的阿布扎比完成最後一站比賽。也就是說,各車隊全年幾乎要走遍世界各大洲。因此,在比賽中邂逅大雨在所難免,例如1993年的英國站、1996年的西班牙站以及1997年的摩納哥站都是在滂沱大雨中進行的。由於整個賽道都是車輪帶起的水花,致使車手頭盔上的護目鏡、駕駛艙兩邊的後視鏡上全是水霧,車手無法看清身後的車況,導致擦碰、追尾事故不斷,巨大的損失也令車隊老闆叫苦不迭……

 


如何解決雨天后視鏡積水的問題呢?技術人員的智慧是無盡的,他們嘗試著在後視鏡內安裝一個加熱電阻:一旦遇到雨水,電阻就會通電發熱,將鏡片上的水珠蒸發掉。小小的一個改進技術立刻緩解了在雨中比賽的困擾,提高了賽車的安全性。

 

如今,很多家用汽車都配備了後視鏡自動加熱裝置,一些高端汽車甚至進化出一套利用雨滴感應器和空調系統自動進行後視鏡加熱的裝置,這些對於雨雪天氣的出行都是非常實用的。

 

 

 

動能回收與混合動力

F1雷諾車隊的兩名工程師希爾頓與克羅斯早先提出Flybrid的構想(Fly,即Flywheel,意思是“飛輪”;brid,即Hybrid,意思是混合、雜交),這套系統就像兒童玩的回力玩具車,當孩子用力按住車身使車輪倒轉時,車內的發條就會拉緊,產生的勢能被儲存起來,而當孩子鬆開手時,發條的勢能瞬時轉化成動能釋放出來,推動小車飛馳。

 

希爾頓和克羅斯設計的Flybrid系統由一臺電機、蓄電池和一個標準控制單元(ECU)組成。當賽車需要制動減速時,除了4個車輪上的剎車片被燒得通紅外,變速箱裡的齒輪組也會產生一定阻力,從而在一定程度上起到降速的作用。

 


工程師創造性地將電機連在變速箱外,這樣在制動時變速箱帶動電機轉動發電,不僅增加了制動阻力,使剎車反應更靈敏,同時電機轉動產生的電能還能被蓄電池儲存起來;一旦F1賽車需要加速超車,車手不僅可以將油門踩到底,而且可以打開按鈕將蓄電池儲存的電能釋放出來,此時內燃機和連接在變速箱外的電機一起做功發力,瞬間迸發出比正常時高出10%的能量,讓賽車可以輕鬆超越前車……

 

2010年,這套系統經過各車隊的檢測和完善後被裝在F1的發動機艙內,並統一命名為動能回收系統(KineticEnergyRecoverySystem,簡稱KERS)。KERS系統的應用使得比賽中前後車首尾相接時,後車只要開動這個電池按鈕,就能瞬間額外迸發出10%的動力,將近距離超車變得更容易,增加了比賽的觀賞性。

 


F1的這一革命性技術引起了布加迪、蘭博基尼等超跑製造商的興趣,他們試著把KERS系統移植到民用跑車上以增加賣點。不過,對這項技術轉化和應用最為透徹的還是像豐田這樣的緊湊型家用轎車生產商。日本工程師受到動能回收系統的啟發,在轎車上也安裝了電機和蓄電池,使得同一部汽車上同時有一臺汽油機和電機。當汽車行駛在路況較好的郊外時,就用汽油機來驅動車身,同時帶動電機旋轉發電,電能被儲存在蓄電池中;等到了人車較多、路況較為複雜的市區,系統在自動關閉汽油機的同時開動電機,電機的噪音小、扭矩大並且零排放,不僅能為汽車提供動力,還能有效減少城市的噪聲和空氣汙染。

 


由於該車具有汽油和電能兩套動力系統,所以它也被稱作混合動力汽車。最近的數據顯示,普通的豐田卡羅拉綜合油耗差不多是百千米六七升,而2017款卡羅拉混合動力車型百千米平均油耗只有4.3升,在油價節節攀升的時代,省油就是各大汽車製造商的大殺器,豐田也因此賺得盆滿鉢滿。

 

 

 

神奇賽車服

對於F1車手來說,每年最不喜歡的分站要數巴林、馬來西亞、新加坡和巴西了。為什麼呢?因為這些地方全部處於熱帶或者亞熱帶,氣候溼熱,加之狹窄的駕駛艙後部那臺功率奇大的渦輪增壓引擎不斷噴出滾滾熱浪,令車手苦不堪言。


即便是這樣,野心勃勃的國際汽聯還在不斷地籌備著F1擴張計劃——傳言東南亞的越南也要申辦F1大獎賽,由此引來眾多車手的吐槽與炮轟。即便在歐洲,一場比賽下來,車手往往也會脫水三四千克。如果是在炎熱地區,車手會脫水更多,甚至有車手在賽後出現虛脫乃至休克的情形。在1992年的摩納哥大獎賽上,因為疲憊和脫水,獲得亞軍的英國車手曼塞爾是靠著工作人員的攙扶才顫顫巍巍登上了頒獎臺……

 


然而,科技的進步極大地緩解了這一狀況。自20世紀七八十年代起,F1的一些車隊開始研發隔熱、防火的賽車服,其中最經典的當屬諾梅克斯賽車服,它是由5層納米纖維製成的,不僅不怕火燒,而且還可以保水、隔熱。在中東、南亞這樣的熱帶地區,即使賽車駕駛艙溫度達到六七十攝氏度,運動員也能不受影響,專注比賽。

 

2009年,紅牛車隊的車手維特爾在比賽前身穿的一件白色內衣引起了媒體關注。這件貼身內衣是由特殊的冰沙凝膠材料製成的,可以有效吸熱、吸汗,從而降低車手體溫。後來,杜邦公司專門為F1車手開發了一種內衣。這種內衣暗藏著多個柔軟纖細的冷凝導管,當車手坐進駕駛艙的時候,冷凝導管末端可以與駕駛艙內的一個微型製冷機相連;賽車啟動時,製冷機就開始製冷,並將冷氣送入導管,給車手身體降溫。因為降溫效果理想,這款內衣受到業內人士的一致點贊,並美其名曰“降溫背心”。目前,每一位F1車手在比賽時都會穿著這種貼身、暖心的降溫背心,外面再套上諾梅克斯賽車服。這樣一來,內衣降溫,外衣隔熱、耐火,從而確保運動員可以專心投入比賽。

 

身著2018款賽車服的法拉利車手萊科寧


如今,F1車手的這套裝備已經出現在我們生活的不同領域。例如諾梅克斯納米材料具有很好的防火、防輻射、耐高溫等優點,因此已經被飛行員、宇航員、鍊鋼工人和其他的賽車比賽所青睞。當然,歐美國家一些政府人員更為細心和人性化,他們想到了時常與火災搏鬥的消防員。畢竟,消防工作是這個世界上最危險、也是與我們關係最為密切的一種職業,所以在西方,部分城市已經讓當地消防員穿上了與諾梅克斯賽車服材質相同的消防服,使消防員在與死神搏鬥時可以多一重保護;因為降溫背心具有很好的降溫作用,所以在某些地區已成為戶外工作的交警、築路工人的盛夏標配。




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