【科普】大热铄石流金,火弗为益其烈——F1赛车中活塞的奥秘

F1动力单元中应用最广泛的零件——活塞的秘密

活塞是一级方程式发动机的主要部件，因此制造活塞所用的材料必须是最高质量的。

在上个赛季这项运动的众多创新中，有一项是周四的“show and tell”节目。一级方程式赛车的工程师的工作许多人会说过于晦涩难懂。然而，有许多粉丝对赛车的技术方面非常感兴趣，并热切地关注着它们的发展。该节目要求各车队向国际汽联披露其对赛车所做的更改。车队必须在周五赛车进行比赛前，由一位工程师向记者展示赛车上的一些新技术。

上图为工程师向记者解释赛车中的新技术

当然，本赛季的大部分栏目都与空气动力学有关，这些改变通常是显而易见的。尽管每支车队都雇佣摄影师拍摄对手赛车的细节，但赛车底板的部件很难被拍到。当然，一些技术永远会被隐藏，而今天我们将向大家揭秘一项隐秘的技术——活塞。

活塞必须是赛车上使用最频繁的部件。它隐藏在引擎深处，常常处在在恶劣的工作状况下。虽然目前的发动机最高转速限制为15000转/分，但由于燃油流量的限制，它们很少超过13000转/分。即使在这种转速下，活塞也必须每秒往复运动200次。

在继续阅读之前，先想想这个数字。如果有人能看到发动机中正在工作的活塞，眼球只会看到一团乱糊。发动机每转一圈，它都会沿着气缸向下移动，从零加速到大约60英里/小时，然后在2毫秒内返回零，然后返回气缸。在快速运动的过程中，活塞经历了超过600G的加速度，给活塞施加了巨大的惯性载荷。因此，300克活塞的表观重量可以接近2吨。

鉴于活塞的残酷工作环境，或许上图这种现象在当今F1发生频率越来越低会让我们有点惊讶

最重要的是，活塞必须承受巨大的压力和燃烧温度。对于发动机来说，它能产生的扭矩与施加在活塞上的压力密切相关。因此，赛车发动机设计试图通过非常高的压缩比、高涡轮增压和积极的燃烧来最大化这一点。

所有这些都会导致正常使用时气缸压力达到甚至超过200bar（接近3000psi）的峰值。虽然发动机上的控制系统会尽量避免爆震，但偶尔也会发生爆震，从而使气缸压力更高。即使在200bar的压力下，活塞上的载荷也约为10000公斤，相当于12辆F1赛车的重量。

活塞中的峰值应力（发生在活塞中心和环槽周围）可以被控制，使其低于金属的疲劳极限，从而延长活塞的寿命。

除了这些负载，活塞也会经历非常高的温度。今年早些时候，我们探索了当前F1发动机上采用的惊人的预燃室燃烧系统。虽然它们对效率非常有利，允许非常稀薄的混合物燃烧，但当从预燃室发射的气流撞击活塞时，它们会对活塞施加更大的压力，温度也将超过2500摄氏度。

传统的金属材料不可能承受这种温度，因此活塞需要冷却。虽然一定量的热量通过活塞环传递到气缸壁，但大部分冷却是通过从专用喷嘴向活塞底面喷射机油来完成的。这些喷射器的位置和瞄准精确度对于将降低活塞故障的可能性至关重要，但即使如此，喷射器试图通过曲轴箱中存在的漩涡撞击活塞的正确部分也是极其复杂的。

汽油发动机的公路车活塞由相对传统的高硅铝制成。对于赛车发动机，活塞通常由优质铝合金锻造而成。多年来，选择的材料是2618铝，这是劳斯莱斯在第二次世界大战首次为航空发动机开发的。

多年来，材料发展迅速。铝铍合金最终被选中。然而由于加工铝铍合金对健康的危害，它在2000年被宣布为非法材料。由于成本原因，高锂含量的合金也被禁止使用，因此目前使用的是2219铝等相对常见的材料。

然而，2014年F1引入了混合涡轮发动机，更加突显了这些高性能材料的脆弱性。爆震和环槽磨损对活塞顶的损坏成为限制因素。这导致了更复杂的活塞布局：需要多个插入件和涂层，以使基础材料能够经受与艰苦条件相关的严酷环境。其中一种涂层是类金刚石碳，DLC，这是一种在一级方程式赛车中引入的外来材料。现在在许多道路汽车发动机中也被使用，这是为了寻求低摩擦并提高燃油效率。

尽管将活塞质量控制在规定的300克以内成为了挑战，但最终，钢制活塞成为了最合理的选择。这种材料的变化在很多方面都有帮助。活塞中的峰值应力（发生在活塞冠中心和环槽周围）可以被控制，使其低于疲劳极限，从而延长活塞的寿命。改善环槽的完整性对控制燃油的消耗也很重要。