终极特稿-1万字为您全面介绍2014F1涡轮增压引擎
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新浪体育讯 2006年，当V8引擎取代V10进入F1时，我曾写过一篇名为“F1心战前传”的文章(点击这里)，介绍V8引擎带来的变化。如今一晃眼8年过去了，F1又步入了一个全新阶段。从今年开始，1.6升的V6涡轮增压引擎，将取代2.4升自然吸气V8。
这被认为是F1二十五年以来最大的一次技术变革。因为与8年前从V10到V8的转变相比，这次不只是又砍掉了两个气缸和缩减了0.8升的排量，首先引擎的进气方式从自然吸气改为涡轮增压，这意味着完全不同的引擎输出特性，特别是扭矩，更加重要的是，引入了可同时回收动能和热能的能量回收系统——ERS(Energy Recovery System)，而且也是因为它的引入，使得从今年起，我们习惯的引擎概念将被动力单元所取代。
FIA的目标是：让F1的燃油效率提高35%，用100kg燃油去完成原来需要消耗150kg，甚至更多燃油的每一分站！
一，动力单元概念
雷诺2014F1动力单元(点击查看高精度图)
如图，所谓动力单元，是指由1.6升V6涡轮增压引擎和ERS系统共同构成的动力系统总成，这是F1首次将内燃机外的动力源，划入动力系统。而在去年，当我们提到动力单元时，仅指2.4升的V8引擎，不包含KERS系统。
根据FIA发布的2014版F1技术规则，动力单元被细分为六个模块：内燃机(ICE)，涡轮增压器(TC)，动能电机(MGU-K)，热能电机(MGU-H)，能量存储单元(ES)和控制单元(CE)。
ERS系统实体部件展示(点击查看高精度图)
本文，我们将从介绍这6个模块入手，诠释这套全新动力单元带来的变化和技术挑战。首先看内燃机ICE从2.4升的自然吸气V8转变到1.6升的单涡轮增压V6发生了怎样的变化。
一，从V8到V6发生的变化
1，进气方式的不同
涡轮增压系统工作示意图(点击查看大图)
增压引擎，是相较自然吸气引擎的另一种发动机类型。区别在于它是将空气预先压缩后再供入汽缸。通过提高进入燃烧室的空气密度来增加进氧量，以燃烧更多的燃油、做更多的功。
增压引擎按照驱动压缩机的动力来源不同，一般分为涡轮增压引擎和机械增压引擎。涡轮增压引擎驱动压缩机的动力来自引擎废气，机械增压引擎则直接来自发动机的曲轴，今年的F1属于前者。
其工作原理见视频，从排气管排出的引擎废气，其惯性冲力推动涡轮旋转，涡轮接着带动同轴的压缩机工作压缩来自进气道的新鲜空气，使之增压后输入气缸。
涡轮增压引擎介绍(点击查看视频)
然而，空气在被压缩的过程中随着密度增加，温度也会随之升高。而温度越高空气密度就会越低，意味着燃烧室可利用的氧气量就会越低，最终影响发动机的进气效率。
所以对压缩后的空气进行冷却是必须的，这就是图示中所说的中冷器的作用。它位于压缩机和进气歧管之间。如果未经冷却的增压空气直接进入燃烧室，不仅会影响发动机的进气效率，还可能导致发动机敲缸或者爆震，这对引擎将是破坏性的。
所以不管涡轮增压引擎还是机械增压引擎，都需要中冷器对压缩后的空气进行降温。特别是前者，因为高温的涡轮辐射的热量也会导致进气温度升高。
相较于同排量的自然吸气引擎，涡轮增压引擎拥有更大的功率和扭矩输出，这可以通过后面发动机的平均有效缸内压力(BMEP)图直观的体现出来。但是涡轮增压引擎也有自己先天的技术缺陷，譬如涡轮迟滞，这个问题我们将在后面关于涡轮的篇章中讲到。
人类发明第一台涡轮增压引擎早在1905年。关于涡轮增压引擎在F1的历史，为了不影响大家对主体内容的阅读，我们将其放在了文末的附录部分。
2，燃油喷射方式不同
缸内直喷GDI模拟(点击查看视频)
2014年的F1引擎，在进气方式由自然吸气改为涡轮增压的同时，燃油喷射系统也发生了变化。
我们知道，内燃机按燃油喷射位置不同，可分为缸外喷射(PFI)和缸内直喷(GDI)。 缸外喷射是指进气歧管内喷射或进气门前喷射，喷油器被安装在进气歧管内或进气门附近，燃油是在进气路径中被喷射后与空气混合形成可燃混合气体再进入气缸的。
这种喷射方式燃油喷射压力低。去年的F1引擎便是缸外喷射，确切的讲是进气门前喷射，喷射压力为100bar。我们日常生活中所说的单点电喷以及多点电喷都属于缸外喷射。
而缸内直喷(GDI)顾名思义，是指喷油嘴将燃油直接喷射到汽缸燃烧室内，其主要技术优势是可有效提高燃油效率，增强发动机动力输出，但对技术要求也更高。
需要特别提到的是：GDI并不是什么最近才有的新技术，事实上它早在1903年就出现了，比增压引擎还早两年。由V8引擎的发明者——法国发明家Léon Levavasseur率先将其应用到飞机引擎上。汽车发动机首次使用缸内直喷技术是上世纪50年代。与缸外喷射相比，缸内直喷的燃油喷射压力更高，特别是柴油直喷发动机，喷射压力可以达到2000bar。
汽油直喷发动机的喷射压力则要低很多，目前市面上乘用车的汽油直喷发动机的最大喷射压力在200bar左右。而明年F1的最大喷射压力将达到500bar，是乘用车的2倍多。所以看起来F1这次走在民用车之后，但是技术难度不可同日而语。
2014年F1的缸内直喷系统，最关键部位是喷油嘴的设计，因为现在喷油嘴不再是在进气门前工作，而是高温高压的气缸里，喷射压力高达原来的5倍。法拉利和雷诺的电子系统供应商Magneti Marelli透露，他们的喷油嘴采用了某种形式的磁性材料。
根据2014版F1规则5.10条的描述，新规则对燃油喷射系统的规定包括：每缸只许使用一个喷油嘴，禁止在进气阀的上游或者排气阀的下游喷油。与喷油嘴相邻，点火系统的规则和去年一样，要求每缸只准有一个火花塞，禁止使用等离子、激光和其他任何高频点火技术。
3，燃烧室拉长，运行温度升高
上面我们了解了新引擎在工作方式上发生的两大变化，下面我们再看一些参数指标上的不同。
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见表，这是两代F1技术规则中关于V8和V6引擎的参数指标，从上往下，首先在已知气缸排量和缸径的情况下，通过简单的计算我们可以得到新引擎燃烧室被拉长的信息。
因为2.4升的8缸变为1.6升的6缸，意味着引擎单缸容积从300cc降低到266.6cc。V8的缸径是98mm,V6为80mm。利用容积计算公式可得出
V8引擎的活塞行程=300000mm3÷(π×49mm2)≈40mm
V6引擎的活塞行程=266666mm3÷(π×40mm2)≈53mm
缸径缩小(18mm)，行程更长(13mm)，因此燃烧室的形状从扁平状被拉长了。考虑到新引擎转速从18000rpm降至15000rpm，这是个合乎逻辑的变化，因为我们知道高转速的发动机通常会采用短行程设计，反之亦然。
此外，通过计算我们还能发现，新引擎虽然转速降低了，但是由于气缸行程变长。使得活塞的速度反而有所增加。
2013款V8F1发动机在转速18000rpm时的活塞速度=0.040m × 2 × 18000rpm/60s=24m/s
2014款V6F1发动机在转速15000rpm时的活塞速度=0.053m × 2 × 15000rpm/60s=26.5m/s
关于燃烧室，还有一点需要提及，涡轮增压引擎由于能效更高，每次燃烧所产生的热量比同规格的自然吸气发动机要大很多，加上气缸内部压力更大，这意味着速度不降反增的活塞将面临更加严酷的工作环境。
4，曲轴位置大幅升高
看表，继续对比参数，V8时代，FIA要求引擎曲轴的中心线不能低于参考面以上58mm，新的V6机器，这项指标变为90mm。多达32mm的增量，这无论是对于控制机体的重心高度，还是抑制引擎自身的振动，都是大敌。
同时，这也迫使F1车队必须重新设计变速箱的动力输入端，包括离合器的安装位置会升高。对于追求极致性能的F1赛车而言，显然不是“正能量”。
5，关于90度夹角以及外观的变化
在对比两代内燃机参数时，还有一个数字值得提及，那就是气缸的夹角，新引擎要求必须和老V8一样为90度。这个看似没有变化的数据中，其实也隐藏着信息。因为我们知道不论是从结构紧凑度还是控制震动考虑，60度都是V6引擎的最优夹角，FIA将其限定为90度，我暂且能够想到的原因是，F1主管团体是在为节约研发成本考量？因为根据民用引擎领域的经验，把V6设计成90度，通常都是为了便于共用V8的生产线“拼机”。
此外，如果将一台13款的V8和一台全新的V6放在一起，可以直观的看到新机器更短了——缩短了约15%。原因很简单，因为砍掉了两个气缸。
但这一变化可能影响到新赛车变速箱外壳的设计。我们知道F1赛车是模块化的拼接，引擎和变速箱本身也是车架。现在引擎的长度缩短了15%，加上今年油箱的容积也要缩小30%左右。意味着如果车队希望维持原有的轴距且不动其他环节的话，需要对变速箱外壳进行加长——即便是今年的变速箱本身需要增加了一个档位齿组。
高度方面，6缸新机则比老V8要高一些，原因主要有二，更长的活塞行程，更高的曲轴中心，这两点我们均在前文提及。
(注：从V10到V8的转变告诉我们，气缸数量的变化，意味着引擎的曲柄夹角和气缸点火顺序都会随之发生改变。但由于篇幅的原因，这部分纯理论的东西我们将其舍弃了)
三，规则关于涡轮的规定
上面的篇幅了解了新引擎的主体结构——V6内燃机发生的几个变化，下面再来看架设在V6引擎上的涡轮。
文首提到，涡轮增压引擎早在1905年就出现了，至今已有超过百年的历史，在这百年的发展历程中，为克服本身存在的先天缺陷，特别是涡轮迟滞(turbo lag)，人类发明了很多解决方案。但是FIA为了避免车队陷入新领域的军备竞赛，对技术应用进行了严格限制。
【涡轮迟滞，英文turbo lag，是指发动机在低转速时，由于产生的废气量低，不足以带动涡轮的运转。所以，需要等到发动机转速提高之后，废气动力较大时，涡轮才能启动。这个时间差就是涡轮迟滞。涡轮迟滞受很多因素影响，包括涡轮的尺寸，涡轮轴旋转惯性等等】
下面是2014版F1技术规则对涡轮最主要的两个规定
1，只允许使用一个涡轮，涡轮最高转速125000rpm
2，禁止使用可变涡轮叶片技术VTG(Variable Turbine Geometry)
第一条关于只允许使用一个涡轮对于F1工程师解决涡轮迟滞的问题少了一个选择。因为一般来讲，针对turbo lag现象，追求高表现的V6以上的机型通常会采用双涡轮的结构——包括平行涡轮增压或两级涡轮增压，利用小涡轮的设计来提高涡轮的灵敏度，但是现在FIA将这条路封了。
欧宝双涡轮解决迟滞模拟(点击查看视频)
不过尽管规则禁止采用双涡轮结构，但允许使用双涡管技术。所谓双涡管是指将引擎排出的废气，平分收集到两跟涡管后输送到涡轮叶片上。如图，根据雷诺公布的新发动机照片，他们便是采用的这种设计(每侧三个气缸一组)。
这种设计虽然不具备双涡轮结构的优点，但相较于将6个气缸的废气汇聚到一根管道送向涡轮的好处是，可有效减少排气脉冲的相互影响，因为每个气缸的排气脉冲节奏不同，进而提高系统效率。比如现在宝马MINI使用的1.6T便是双涡管单涡轮增压引擎。
说到宝马，可能熟悉其引擎的车迷朋友会想到慕尼黑巨擎的N54的换代机型N55从双涡轮改为了双涡管单涡轮结构。这似乎和我们这部分的理论是相悖，但是要知道民用和竞赛是完全不同的设计取向。
第二条，禁止可变涡轮叶片技术
可变涡轮(VNT)模拟工作模拟(点击查看视频)
可变涡轮叶片技术，是一种优化涡轮在整个转速区间表现的技术，说到底，也与涡轮迟滞的问题分不开。
比如像公众熟知的保时捷的VTG。它将引擎排出的气体通过电子调整的可旋转导引叶片导送至涡轮上，当引擎转速低时，废气压力较低，导流叶片呈小角度打开，增大到达涡轮的气压压强，推动涡轮敏锐的转动；当引擎转速上升，废气压力逐渐变大，导流叶片的角度也随之变大，当达到全负载的情况下，导流叶片全开，与主体的涡轮叶片形成一个更大型的叶片，将最大的废气量接收，达到一般大涡轮的高输出效果。
所以，通过变更叶片的角度，系统可随时改变涡轮的A:R值，从而复制不同大小尺寸涡轮的几何效应，保证增压器在全转速范围内的高表现。
这种技术在不同的厂商有着不同的叫法，比如在沃尔沃被称为VNT，是目前涡轮增压引擎非常主流的技术应用。不过尽管FIA禁止使用该技术，包括第一条提到的双涡轮结构，但并不意味着新F1引擎技术会落后于民用引擎，因为今年F1还有另外一项技术用来解决涡轮的迟滞问题——MGU-H电机。
“采用单独的大涡轮是比较少见的引擎结构。如果我们没有MGU-H电机相助，涡轮的迟滞问题绝对是灾难性的。”雷诺F1引擎部副总经理罗伯-怀特(Rob White)说道，“上世纪80年代，单独的大涡轮已经被证明是不合理的解决方案，涡轮迟滞大概会持续数秒。现在我们增加了一个大涡轮是因为我们需要，但是如果没有MGU-H，涡轮迟滞将会有好几个点几秒，这是绝对不可行的。”
关于MGU-H解决涡轮迟滞的问题，我们将在后面讲解ERS的部分做详细介绍。为了方便大家理解VNT技术的工作原理，请查看来自丰田的VNT工作演示视频。
除了以上两点，FIA还对涡轮的安装位置也做了规定。要求涡轮的轴心，必须和引擎曲轴平行，且不得超出赛车中心线25毫米。而关于涡轮的增压值，国际汽联则没有做任何限制。但是雷诺官方称，根据最大燃油流速不得大于100kg/h测算，相当于将涡轮增压器的最大数值限制在3.5bar左右。
四，ERS系统
F1从2009年开始，引入动能回收系统KERS用于回收制动能量，至今已有4年历史(2010停用过一年)。而从2014年起，F1将新增另一套能量回收系统——热能回收系统。见图，通过一个与涡轮相连的电机，来回收废气中的能量。FIA将这两套系统并称为能量回收系统——ERS。它由4个部件组成：动能电机(MGU-K)、热能电机(MGU-H)、能量存储单元(ES)和控制单元(CE)，下面让我们来认识一下这套升级版的能量回收系统。
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1，功率翻倍的动能回收电机(MGU-K)
关于KERS系统的技术原理，2009年在引入时，我曾写过一篇文章做过介绍(点击这里)，本文将不再赘述。现在配合ERS术语，它有了新的名称“ERS-K”，系统电机则叫“MGU-K”。
今年这套系统的主要变化是FIA加大了它的“角色”。见下表，新版KERS的功率从原来的60KW提高到了120kw，翻了一番。能量存储是原来的10倍，为4MJ。单圈释放时间从去年的6.6秒，延长到33.3秒。同时由于更大的能量回收，为了保证赛车在回收能量时的制动稳定性，今年FIA允许使用电子控制的后刹车回路。
此外，FIA还规定ERS-K的电机必须与引擎曲轴采用机械连接，保持固定的齿比。转速不得超过50000rpm，扭矩输出不得超过200Nm。根据雷诺公布的信息，去年他们KERS的电机转速为38000rpm。
2，热能回收电机(MGU-H)
热能回收系统解剖图(点击查看高精度图)
与动能回收系统对应，热能回收系统叫ERS-H。如图，它是一个与涡轮相连的同轴电机(MGU-H)，既可以扮演发电机的角色，吸收来自涡轮转轴的能量，将废气中的热能转化为电能存入与ERS-K共享的ES中。与此同时，它也可以根据引擎的进气需求对涡轮的转速进行控制(包括扮演泄压阀(wastegate)的角色，降低涡轮的旋转速度，或者加速涡轮克服涡轮迟滞现象turbo lag)
涡轮泄压阀工作模拟(点击查看视频)
然而这个电机将给F1车队带来巨大的技术挑战，因为其转速将超过10万转。
“ERS-H是一个非常大的挑战，因为电机运行的速度几乎要达到当前KERS的3倍。”Magneti Marelli公司的竞赛主管达拉(Roberto Dalla)说道，Magneti Marelli目前同时为法拉利和雷诺提供ERS系统。
按照2014版F1技术规则，热能电机和涡轮之间也必须采用固定齿比的机械连接。转速不能超过涡轮的转速——125000rpm。
虽然转速超过10万的电机在工业领域并非前所未有，但是热能电机需要面对恶劣的工作环境高温。“我们正在调查两种不同的方案，一种是把电机安装在压缩机的一侧，这样温度会低一些，另一种把电机安装在涡轮和压缩机中间。现在正同步进行发展，两种很显然拥有不同的特征。特别是把电机安装在中间的后一种，在温度和强度方面都面临着巨大的挑战。”达拉说。
根据目前雷诺和梅赛德斯AMG发布的照片来看，法国车厂的是前者，三叉星的则是后一种方案。
奔驰的热能回收系统(点击查看高精度图)
如果F1能够让转速超过10万转的电机与涡轮协同工作，经受住考验，那对于汽车工业将是一大贡献。因为很久以来，汽车工业就开始尝试电子涡轮技术，其技术设想是由废气驱动涡轮带动发电机发电，再由电动机去驱动压缩机，而不是使用涡轮驱动压缩机，这样几乎可以克服当前的涡轮发动机的一切弊病，但是一直面临电机这道技术屏障缺乏大的“建树”，譬如奥迪的电动助力双涡轮增压柴油发动机，其电子涡轮只是增强低转速进气而已，并未成为“主力”。
达拉说，他相信F1能够做到！关于MGU-H的电机功率，FIA未做任何规定。但是按照Magneti Marelli的数据，大约在90kw左右。
3，能储单元(ES)
由于动能电机的功率翻倍，单圈释放时间从原来的6.6秒，延长到33.3秒，相应的能量存储也提高到4MJ，为原来的十倍。这对于能量存储单元意味着两方面的挑战，1，更大的充放电要求，2，更大的储能空间。
鉴于此，预计2014年F1车队可能将充放电更强的超级电容纳入储能选择，比如丰田的勒芒赛车TS030 Hybrid便使用超级电容作为KERS的储能设备。另外目前的锂离子电池可能会升级为能量密度更高的聚合物锂离子电池，同时不排除将两种存储方案搭配使用的可能。此前，Saft公司为法拉利和雷诺的KERS提供电池，而梅赛德斯系的电池则采购自A123。
关于电池FIA今年还有一项特殊的规定，要求质量位于20～25kg之间，这主要是为了节约，防止车队不惜代价搞电池“减肥”。此外还要求电池必须安装在油箱下方。之前，纽维设计的红牛赛车把电池安放在引擎侧面，现在将不再允许。
4，控制单元
ERS控制单元CE就如同ERS系统的大脑，它的作用是负责能量的管理，包括MGU-K与ES之间的能量输入与输出，MGU-H与ES之间的能量输入与输出，以及MGU-K和MGU-H之间的直接能量传输。这部分详细的参数规定，请参见FIA给出的动力单元能量流表。
5，ERS系统工作原理演示
ERS系统是今年F1动力系统的一个技术难点，系统运行是非常复杂的。不过根据雷诺和法拉利都发布了2014款F1动力单元的模拟视频，我们可以先简单的将其拆分为4个工作状态。
ERS系统的四种基本工作状态(点击查看高精度图)
见视频，1，热能回收系统的充电过程，这个状态发生在当涡轮增压值超过进气需求时，涡轮会驱动MGU-H的电机发电，将电能存储入能储单元(ES)，2，热能回收系统放电过程，该状态发生在涡轮启动阶段，MGU-H的电机利用ES中的电能，担任辅助动力，驱动涡轮加速达到工作转速。3，动能回收的充电过程，4，动能回收系统的放电过程。
然而ERS实际的工作过程并不是这么简单的，因为两套系统在多数时间将同时运行。譬如ES的电能，可能在同一时间分配给动能和热能系统的电机，另外参见动力单元能量流图还可以发现：热能电机和动能电机之间是可以直接链接的，不需要经过ES。这些问题，我们将后面讲解新动力单元挑战的时候进行展开分析。
五：新动力单元带来的整体变化
之前的内容，我们只是完成了对新动力单元六个模块“流水帐”式的介绍。现在，我们将从整体的出发，来看新动力单元带来的两大变化。
1，重量50kg的增加
与老款V8相比，新动力单元的质量增加了多达5Okg。这主要是ERS系统带来的质量增加，因为去年动能回收系统不属于引擎的范畴。
F1刚引入KERS时，整套系统(电机、电池和控制单元)质量大约在30kg左右，发展到后期质量缩减了一半，只有17kg上下。而2014款的ERS系统，单独电池就被FIA限制在20～25kg之间，这还不包括新增的热能电机，此前，Magneti Marelli的汽车运动总监达拉(Roberto Dalla)曾预计整套ERS只有28kg重，显然太过乐观。
新动力单元50kg的质量增加，首先冲击的是压舱物的量。虽然国际汽联将今年的赛车质量下限，从去年的642kg，提高到690kg(增加了48kg)，但仍有车队反映面对身材高大车手，难以将赛车的整备质量控制在690kg以内。
包括红牛的纽维，一度呼吁将2014年的车重下限再增加10kg，直接改为700kg，但是没能获得一致通过。不过F1车队之间已同意从2015年开始，将车重下限提高到700kg。这至少透露出一个信息，新赛季配重的量的确减少了。
配重规则方面，2014年和上赛季一样 ，依旧维持前后45:55的分配比例。要求前轴不能低于314kg，后轴不能低369kg，但是现在50kg的质量增加，都集中在驾驶舱后方，特别是今年起FIA强行要求ERS的电池必须安装在油箱下方，而动能和热能回收电机的位置更是几乎固定，所以这也在一定程度上加大了车队实现理想配重的难度。
不过需要强调的是，尽管新动力单元带来了高达50kg的增重，但今年的赛车和去年的车在比赛状态下的质量是非常接近的，因为现在油箱载油轻了50kg(注：按照雷诺的数据，事实上有的赛道载油会比去年少到6Okg)。
除了重量，2014版新规还要求整个动力单元的重心高度必须高于参考面200mm，去年这个参数是165mm，提高了35mm。原因和引擎的曲轴提高了32mm直接相关，目的和限制ES的质量一样，防止车队挖空心思搞“减肥”。但是这对赛车的性能显然是不利因素。
2，新动力单元在输出指标上的变化
2014F1引擎的扭矩和动力输出(点击查看高精度图)
自FIA发布新引擎规则起，我们听了太多诸如涡轮增压引擎的扭矩输出将大幅增加的言论，但是始终缺乏形象的认识，这是本文希望解决的其中一个问题。
见图表，这是一份来自皇家墨尔本理工大学的学术论文材料。展示了上世纪80年代的1.5升涡轮增压引擎、2012年的2.4升自然V8F1引擎，以及2014款的1.6升V6涡轮增压不同的扭矩和动力输出曲线。
对比我们可以看到，追求高转的2012款2.4升自然吸气V8引擎，扭矩输出只有300N.m左右，而2014年的1.6升V6单涡轮增压引擎，当目标功率为475KW时，最大扭矩输出可以达到375N.m左右，加上KERS系统200N.m，峰值扭矩接近600N.m，几乎比不带KERS的自吸V8引擎翻了一番。这正是业界一直强调，新款的涡轮增压引擎将给2014款的轮胎带来巨大挑战的原因。
大家一定还记得，倍耐力一度建议2014年实行强制两停的事。当时因为按照协议，在2014年的季前试车之前，没有任何的集体测试，这使得倍耐力严重缺乏研发新胎的数据支持，而新引擎输出指标变化如此之大。所以意大利公司担心轮胎再现安全问题，才提出了强制两停的想法。当时他们的建议是：一套硬胎的使用距离不能超过赛程的50%，软胎不能超过30%。
虽然提议最终被否决，但FIA也做出了妥协，特批了车队进行一次为期3天的轮胎专项测试帮助倍耐力发展新胎——尽管这次测试被认为是鸡肋，因为依旧是使用2013款的赛车测试，导致多支车队放弃参加。
言归正传，扭矩的成倍增加使得动力输出很容易突破轮胎的抓地力极限，这除了是倍耐力需要考虑的技术问题，也是新赛季每个车手需要去面对的。从今年开始，起步、出弯时的油门掌控将变得非常关键，特别是F1目前禁止使用TC，而雨天的难度将更大。
此外，大扭矩也意味着F1车队需要同时对变速箱和离合器进行强化。
除了扭矩，新动力单元在功率输出上也发生了明显变化。见图，由于限制燃油流速不得超过100kg/h，使得内燃机的最大功率将止步475KW左右，但是加上ERS系统提供的120KW的功率补偿。将保证新动力单元与去年的引擎持平，即750马力左右，或者更多一些。
但这是理想状态，一般来讲，涡轮增压引擎在涡轮进入工作转速之前，动力输出会受到限制，这取决于F1工程师对涡轮迟滞现象的解决情况。另外ERS系统每圈33.3秒、120KW的功率输出，也需要保证每圈充满电能这一前提。
观察图示可以看到，涡轮增压引擎的动力来的比自吸高转引擎要早，涡轮介入的初段功率输出非常陡峭，随后增幅放缓。自吸V8引擎在10000rpm以下的动力是非常有限的，但此后随着转速攀升呈非常线性的递增，到18000rpm达到峰值。
图三是平均有效缸内压力——BMEP图，反映了5台引擎的单位气缸工作容积发出的有效功的数据。(BMEP=有效功/气缸工作容积)
六，全新动力单元带来的几大挑战
在前面的内容中，实际上已经对新动力单元带来的技术挑战有所提及，譬如如何确保转速达到12万转的电机与涡轮协作经受住考验、燃油喷射压力高达500bar的汽油喷射系统的设计等，而下面我们要提及的是更加宏观的挑战。
1，可靠性
任何新技术的引入，在初期都会面临可靠性问题，而在下赛季的F1这个问题会变得更加突出。原因有二，首先是引擎的寿命要求翻了一倍，2013年一位车手一个赛季允许使用8台引擎，而2014年压缩到5台。这意味着原来一台引擎跑2000km，现在需要跑4000公里以上，直逼勒芒的引擎寿命。
其二是动力单元被拆分了，加大了车队受罚的可能。我们知道按照去年的引擎使用规则，非常简单，一位车手一个赛季只能使用8台引擎，超出8台，每次更换就罚退10位一次。
而从2014年开始。FIA将新的动力单元拆分为了六个模块。每位车手一年只能使用5台动力单元总成，也就是5套这样的6个模块。如果超出这个限制，就会受罚；具体处罚机制如下：
更换整台动力单元(把6个模块一起换)，直接处罚从维修站起步。
首次用到第六个动力单元六个模块中的其中一块，罚退10位，之后更换余下的5个模块，罚退5位。
首次用到第七个动力单元六个模块中的其中一块，罚退10位，之后更换余下的5个模块，罚退5位，以此类推。
这套复杂的新规大大增加了车队受罚的风险，特别是涡轮和极高转速的MGU-H电机上，车队是非常容易“中招”的。而在去年，KERS的三个部件——电机、电池、和控制单元更换不受任何限制。
遭遇可靠性问题付出的代价增加还不只于此，我们知道，去年KERS只有60马力的功率，每圈只能使用6.6秒。这意味着即便是KERS损坏，车手依旧可以坚持比赛不受大的影响，包括在排位赛中，即便是KERS罢工，车手依旧可以做出不错的排位成绩，去年这样的事情便经常发生在红牛身上。
而今年，ERS系统的功率翻了一倍，单圈释放时间增至33.3秒，这意味着它已经不再是可有可无的设备，而是动力系统的重要组成部分，在排位赛中，ERS出现问题，损失将是毁灭性的，而正赛中，也可能导致直接放弃比赛。
此外，新赛季大幕在墨尔本拉开之前，车队只有三轮季前测试的机会，也进一步加大了可靠性的挑战。红牛领队霍纳预计，面对这样一套陌生又复杂的动力系统，揭幕站有一半的车退赛都有可能。
2，散热
这个问题已被法拉利和迈凯轮的技术高层同时提及。
2014F1动力单元的散热(点击查看高精度图)
沃金的技术总监提姆-高斯在做客Peter Windsor的赛车节目时是这样说的：“散热将是2014年的一大挑战。因为中冷器的尺寸很大，几乎与去年的散热器相当，这将占掉很大的散热器布置空间，导致车队要再将传统的散热器整合进赛车会非常困难。为了追了空气动力学效率，解决方案有两个，要么缩小传统散热器的尺寸，要么提高系统运行温度。”
法拉利底盘总监帕特-弗莱则把这个方面可能暴露的问题阐述的更加生动，他认为一旦车队一开始设计出错，后面解决起来会非常麻烦，损失极大。
“根据2014年赛车的冷却要求，散热将是一个巨大的挑战。”帕特-弗莱说道，“年初的时候，如果你在散热上出了差错，就得把大量的资源投入到解决散热器、车身以及相关环节上。”，
“我相信在这里(指法拉利)过去是经历过的，包括我的前任车队(指迈凯轮)我们也遇到过，赛季的头几个月都被浪费了。伴随着2014年巨大的规则改变，这种出错的几率会很大。但愿我们能把一切做对，但是有很多人会在1月份的时候摸不着头脑的。”
根据Magneti Marelli发布的三维模拟图。2014年的F1赛车将拥有5个左右的散热器。见图：首先是巨大的中冷器，它将占掉左侧侧箱，然后是内燃机的水道和油道的冷却系统，占掉了另外一测侧箱，以及ERS动能电机(MGU-K)的冷却系统，ERS系统能储单元(ES)的冷却系统、液压系统的冷却系统。
5个的算法是假设油道和水道的散热器整合在一起，而一般来讲，高温下工作的涡轮也需要冷却系统进行降温，因此实际的散热器数量可能达到7个，这对于空气动力学部分绝对不是一个好消息。
3，效率
效率，是除可靠性外，新动力单元的另一个关键词，同时也是今年最大的技术课题，说到底是如何用好规则限定的100公斤燃油。问题牵涉到内燃机本身的效率，ERS系统的整合与优化，以及车手的驾驶操作这三大方面。
其中内燃机的效率主要涉及机器本身的设计，特别是新的GDI技术的应用以及系统润滑，这方面的知识，法拉利已在其2014款F1引擎的官方短片中进行了详细阐述(点击这里)，我们在此就不再赘述。至于内燃机上的涡轮，如同KERS一样，也是通过向专业制造商采购，无需自产，法拉利已确认他们将使用全球最大的涡轮增压器制造商盖瑞特的产品。
盖瑞特目前归于博格华纳旗下，曾为奥迪的勒芒赛车以及雪铁龙的WRC赛车提供过涡轮，技术实力不容置疑。
第二个方面——ERS的整合和优化，对于新动力单元的效率将是至关重要的。因为它不仅直接关系到能量的回收和利用效果，其MGU-H电机，还是解决涡轮迟滞的核心工具，直接影响到内燃机的动力输出。这当中最主要的工作是如何把系统内的两套能量回收系统协调好。
比如如何分配ES中的电能，才能让整个动力单元的输出达到最优值，是将50%的电能用于MGU-K驱动后轮，另一半用于MGU-H解决涡轮迟滞，还是7:3开，这牵涉到复杂的计算机运算。
即便是将ES中4MJ的电能全部用于动能电机推动后轮也是值得研究的。因为今年ERS-K的能量释放不再是简单的一键式。现在，车手既可以选择让MGU-K电机处于峰值功率状态推进33.3秒，也可以选择半功率设定推进66秒，还可以以40马力输出132秒。
而且这些设定并非一层不变，从基本的赛道到轮胎等都会成为影响因素。
此外关于ERS系统还需要强调的一点是，FIA允许MGU-H的MGU-K的电机进行直接连接，也就是说MGU-H回收的电能，可以不通过电池直接供应给MGU-K的电机，反之亦然，FIA未对能量传输数值做任何限制(见FIA提供的动力单元能量流图)。法拉利和雷诺的ERS系统供应商Magneti Marelli认为这里将是今年F1车队重点发展的一个区域，因为它有巨大的潜力可挖。
动力单元的能量流(点击查看高精度图)
对ERS系统进行优化的过程的，其实就是挖掘系统潜力的过程的，这个课题不仅局限于ERS，而是涵盖了整个动力单元。这也是为什么雷诺说软件将成为新动力单元性能的关键因素的原因。
“软件将成为性能的关键因素。今年你可以以任一方式运行引擎，但不一定有效。”雷诺引擎赛道运营主管Remi Taffin说道。 按照规则，车队需要在下月28日将新动力单元的规格提交给FIA，次日起(3月1日) 不得再对硬件进行改进(可靠性问题除外)，但是软件是放开的。
“软件将是我们进入赛季后保持发展的一个方面，季中可能有60%的性能提升都来自软件。”Remi Taffin说道。
关于车手的驾驶操作。这主要包含两个细分方面，一个是车手对人机界面的操作，比如面对新的动力单元，车手可能需要在比赛中实时调整ERS的模式，控制动能电机MGU-H输出功率等等，第二个，同时也是最重要的方面是，驾驶方式。法拉利技术总监詹姆斯-埃里森(James Allison)说，这是现在车手需要去学习的，没有现成的经验可以借鉴。
“今年赛车拥有更多的电机动力可用，发动机的燃油流速被限制了(最大100kg/h)。比赛将会出现不同的情况，在有些赛道，100kg燃油可能绰绰有余，但在其他一些赛道就需要你仔细的管理每一圈的燃油使用了。这种不同的驾驶方式是需要练习的，学习何种开法既能保证速度快又不至于消耗太多的燃油。”埃里森说道。
毫无疑问，在每站比赛之前，车队都会对比赛进行模拟，在赛前向车手给出建议。赛中，每一圈，每次发动机点火消耗的燃油，车队也都掌握有实时数据，但车手的角色依旧是非常重要的，为适应新规，去摸索最优的比赛方式，甚至改变自己的驾驶风格，对于车手来讲是最难的。
总而言之，今年的比赛对于车手将不再是传统的全程油门到底的push，除了车技，还需要用脑去比拼，所以2014年也被称为是考验车手智慧的比赛，或许我们应该叫它“高智商方程式”。
结语：
FIA这次对动力系统的改革，让已经和道路民用引擎技术脱节多年的F1，重新回到技术先锋的角色。同时也打通了与另一大车赛WEC之间的关联，F1今年使用的动能和热能回收系统在奥迪发布的2014款R18上都有配备，技术上增加了两边的厂商互相“串门”的可能性。
总体上，这套新动力单元维持了和老V8持平的功率输出，但是扭矩大幅增加。虽然质量增加了50KG，但是由于新赛季的载油量减少了50KG，使得两代F1赛车保持了几乎一样的车重，圈速方面不会有太大的波动，即便是今年赛车的下压力有降低。
至于声浪，低沉的涡轮相较于高亢的自吸，我们唯一能讲的是那是另一种不同的风格，是否喜欢完全在你。
(注：关于新引擎的“尾巴”——排气管发生的变化，因为更多的牵涉到的是空气动力学层面的东西，所以我们并未在本文提及。如果需要，那就等待再来一篇空气动力学的特稿吧)
附一：涡轮增压引擎在F1的历史
F1从赛事成立起，曾实行过增压和自吸引擎并行的规则，但当时是机械增压引擎。比如法拉利的第一辆F1赛车125便是搭载的1.5升V12机械增压引擎。而涡轮增压引擎，直到1977年才出现在F1。当时雷诺使用1.5升的涡轮增压引擎首次进入F1，也是V6结构。但是就像一切新生事物在其初期都很弱小一样。由于技术不成熟遭遇频繁的可靠性问题，加上车队无暇顾及空气动力学的发展，RS01赛车被对手戏称为“小黄茶壶(Little Yellow Teapot)”。
唯一参加F1历年赛事的法拉利最早在F1使用涡轮增压引擎是1981年(法拉利F126C)，当时雷诺的涡轮增压引擎已经开始展现出优势。126C赛车使用的是一台由著名的Dino V6派生而来的1.5升引擎，为了追求低重心，一开始沿用了原来的120度夹角。126C测试的结果显示的确比老旧的312T快，但是由于严重的涡轮迟滞现象、动力爆发非常唐突，加上轮胎无法承受巨大的扭矩快速退化，让赛车极其难以驾驶，吉尔-维伦纽夫给当时的法拉利取了个绰号：“红色的大凯迪拉克”。
不过一年之后，技术就取得了突破性的发展。法拉利在1982年赢得车队冠军，成为F1历史上第一支使用涡轮增压引擎取得制造商冠军的车队。随着涡轮增压引擎的日趋成熟，到了1983年，不使用涡轮增压引擎已经不可能在F1中赢得比赛。
在F1中第一台赢得车手世界冠军的涡轮增压引擎则是宝马的直4(引擎代号M12)，发生在一年之后。这台魔鬼机器发展到后来的型号(M12/13)，在高增压值设定下，迸发出高达1400马力的动力，被认为是F1历史上迄今为止动力最强劲的引擎。
而在F1中，最成功的涡轮增压引擎则是后来由保时捷设计的 TAG V6，以及本田的V6。特别是本田和迈凯轮合作的1988年，日本车厂提供的RA168-E引擎，与传奇设计师Gordon Murray设计的MP4-4底盘实现了完美的匹配，全年16站比赛拿了15个杆位、15场分站冠军，成为F1历史上迄今为止最成功的赛车之一。
退出历史舞台的V8F1引擎(点击查看高精度图)
但也就是在那年之后，涡轮增压引擎被FIA禁掉至今。当初FIA给出的理由是，涡轮增压引擎让F1变得太危险、太昂贵。而现在，F1主管团体决定让其回归，则是为了顺应环保节能潮流，提高路-赛的技术关联，让处于汽车运动金子塔尖的F1，重新成为汽车工业的技术先锋。
(文/行云)