为什么汽车直线加速赛比圈速赛危险?

为什么汽车直线加速赛比圈速赛危险?

补充一下@视界 的回答,关于Top Fuel直线加速赛车的恐怖之处:

怎么说呢,这台引擎的寿命只有……

Top Fuel引擎的平均转速其实不高,并且赛会安装了点火限制器,将峰值转速限制在8,000rpm。总的来说,一场比赛中的平均转速约3,800rpm,只需要转3-4秒,所以大概需要转240-250转。赛会强制规定发动机在全速下的寿命不低于500转,而包括怠速热车的低转速在内,发动机的总寿命大约是900转。就算不考虑赛会限制,估计这些引擎在自我爆炸之前也很难全速运转超过10秒。说寿命只有4秒、第5秒就炸是有点夸张,但寿命只有10秒和只有5秒可以说也没什么区别……

和任何赛事一样,NHRA(国家高速汽车协会,National Hot Rod Association)也对Top Fuel组别的引擎规格进行了限制(很明显,如果不限制的话情况可能会更哈人)。满足规格的发动机基于第二代克莱斯勒RB Hemi V8发动机,采用半球形燃烧室(故得此名),规则限制最大排量500立方英寸(8.2升)、压缩比6.5-6.8、凸轮轴最大尺寸不得超过 54 毫米,其他指标则限制较少,但在长期的竞赛过程中大多数引擎的规格已经趋同。典型的气缸尺寸为缸距 4.8 英寸(121.92 毫米),缸径4.1875 英寸(106.36 毫米),冲程 4.5 英寸(114.30 毫米)。有些车队可能更喜欢稍大的缸径来增加性能,但过大的缸径会导致气缸强度不足,因此规格一般变化很小。

某种程度上非常符合你美赛车的特性,被规则限定的排量和压缩比意味着要榨取出1万马力的恐怖峰值功率,Top Fuel引擎能够做的只有一件事——多烧油,烧很TMD多的油。在一次比赛中,一台直线加速赛车要烧掉15美制加仑(56升)的硝基甲烷燃料。这听着好像不是很多,但你一想这引擎在全功率下只转了4秒,就烧掉了你家车整整一油箱的油……

如此过分的燃油流量导致Top Fuel引擎的燃油管路足足有3英寸(76毫米)粗,最大流量每分钟100加仑(378升),合每秒6.3升。由于过于巨大的燃油流量,为了确保足够的喷油量,在增压器进口就有6个喷油嘴,出口又有4个喷油嘴,此外进气和排气歧管中也可能有喷油嘴,一般来说整个发动机会有40多个喷油嘴。

当然,这导致了一个很要命的问题——由于喷油嘴装在增压器进口,巨量的油气混合物会直接通过增压器,这样一来一旦在运转过程中有什么东西不对,油气混合物就会在不该被点燃的地方被点燃,造成增压器爆炸……因此规则强制要求增压器周围必须包裹一层凯夫拉防护罩。Top Fuel直线加速赛车使用罗茨式18-71机械增压器,这是有历史缘由的——这一增压器原本是当年将军摩托用在柴油机上的,并由于易于获取而成为早期改装车赛事广泛采用的增压器型号。在起步时。增压器会被加速到12,000转,提供大概45psi的进气压力,仅此就需要消耗700-1,000马力的功率。

用这种简单粗暴的方式注入硝基甲烷燃料同时还有另一重原因——作为如此狂暴且短寿命的发动机,Top Fuel发动机是没有冷却水的。整个发动机缸体、气缸缸体和缸盖里面都没有设计任何水道,发动机在其短暂工作期间的冷却完全依赖硝基甲烷燃料本身在雾化时的高汽化潜热(0.56 兆焦每千克),以及燃烧后生成的大量水蒸气。因此,会从增压器进口就开始喷入燃料,以确保对发动机的充分冷却。这种冷却效果非常好,以至于一次直线加速赛后,增压器往往能够保持室温。实际上,如果没有足够的硝基甲烷流量,正在工作的发动机会字面意义上把自己的气缸熔化掉(这也是在比赛后半段会发生的事,也是发动机寿命只有10秒的直接原因)……

除了冷却之外,选择硝基甲烷作为燃料还有一重原因:由于硝基甲烷本身就含氧和氮,它是一种某种程度上自带氧化剂的燃料(实际上确实有采用硝基甲烷单组元推进剂的火箭发动机,CDE玩家应该很熟悉),因此在像这样规则对排量严格限制的情况下,选用硝基甲烷可以尽可能确保用有限的进气量获得最大的功率。甲醇也有类似的分子构成,这也是这两种燃料在类似的竞赛应用中受到欢迎的原因。尽管高含氧量导致单看比热值硝基甲烷并不优秀(每千克11兆焦,相比之下汽油是40兆焦左右),但也由于自带氧化剂,每千克硝基甲烷完全燃烧只需要1.7千克空气,几乎是汽油(14.3千克)的十分之一。换句话说,硝基甲烷所需要的空燃比要比汽油小得多。因此,在相同的进气量下,使用硝基甲烷产生的能量是汽油的2.3倍。

与其他发动机不同,Top Fuel引擎每个气缸有两个火花塞,点火电流高达44安,且在启动时的点火提前角非常早(56度)。这是因为为了冷却发动机,即便硝基甲烷所需要的空燃比已经非常之低,但Top Fuel引擎仍然往往会采用富油燃烧,让硝基甲烷过量,因此在发动机开始工作时,燃烧室内的绝大多数(约80%)燃料依然是液相,相对更难点燃,燃速也较慢,故此需要大电流的双火花塞并更早点火,以确保燃料能够被引燃并有时间充分燃烧。如果未能正确点火,大量硝基甲烷爆炸的威力足以将汽缸盖整个炸飞、缸体炸裂。在发动机开始运转起来后,由于已经有了足够的温度和雾化油气混合物,在起跑时,点火提前角通常会降低到27度,以获得更大的起步牵引力。赛车可以使用在起步前调整好的正时变化图来获得最佳的扭矩曲线,但赛会规则限制正时调节程序必须在起跑后2.7秒内结束,每秒变化率不超过25度。

Top Fuel引擎使用钢制十字曲轴、凸轮轴和铝制活塞。尽管在历史上曾出现过平面曲轴,且平面曲轴比十字曲轴更轻,但平面曲轴运转时震动更大,因此大多数赛车最后还是回到了十字曲轴。由于恐怖的峰值扭矩和马力,这些组件都是用一整块钢锭/铝锭加工而成,其强度高得可怕,曾出现过发动机爆缸、整个缸体开裂爆炸之后,曲轴和活塞依然在原地连在车体上的事故。发动机缸体则是锻造铝。

发动机使用钛合金制造的湿式油底壳,共携带大约16美制夸脱(15升)的SAE 70 矿物油或合成赛车油。如果机油漏到车底并污染赛道,车队会被罚款并扣分,因此所有车队都会在发动机下方放置吸油毯。如你大概能猜到的,与其他极限工况下使用的发动机一样,这种机油在低温下也是粘稠得要命,所以发动机启动后大约要花80秒来暖车。这同时也是因为过于恐怖的硝基甲烷燃料流量会大幅稀释机油,所以需要采用密度和粘性较大的机油。这也导致在一次比赛后,所有机油都会被放干并更换。

由于规格相当接近,在Top Fuel直线加速赛中,大多数情况下,赛车的性能取决于调校。实际上,为了获得最佳性能,技师可能会逐缸调校发动机,一台车上有三四种不同型号活塞和连杆以分别适配不同气缸最优工况的情况并不罕见。有工程师说这不是一台V8发动机,而是八台焊在一起的单缸发动机。

实际上,也因为机械上的趋同性,以及直线加速赛中和圈速赛一样按毫秒计的误差,直线加速赛车的调校同样非常精细且极限,同样需要借助计算机完成,且往往持续到发车前的最后一刻。正时控制、离合器接合速度、接合点、燃油输送等都可以通过计算机在起跑前进行设置,并要考虑到胎温、引擎状况和赛道温度等时刻进行微调。

除了引擎之外,一台Top Fuel直线加速赛车的其他部分也非常极限。通过变形来作为迫真变速箱的光头胎在原回答中已经提到过(当然,并不是说真的就没有变速箱那么夸张,固定减速比的终传动还是存在的,传动比大概在3.5左右),而这样一套胎的寿命大概是四次起跑——说实话比我想的命长不少。赛车的底盘由铝合金、不锈钢或铬钼合金管制成,由于承受的极端扭矩和弯矩,底盘结构经常出现开裂,因此通常是不上漆的,以方便检查、维修和更换。自这项赛事诞生以来,底盘结构的变化甚微。

此外,还有离合器。Top Fuel直线加速赛车的离合器并没有离谱到跑一次就被焊死的程度,这可能是一个误译,因为同样工作在极限工况下的离合器普遍采用钢或钛烧结离合器盘。实际上,车队往往会利用使用过后不同程度磨损的离合器盘来调校离合器——与发动机一样,直线加速赛车的离合器也需要非常精细的调校来控制其接合曲线,以确保能够以最佳的方式传递并释放超过一万牛米的恐怖扭矩,既不会在起步时因扭矩过大而打滑,也不会由于调得过于保守而浪费发动机功率。离合器的调校几乎与发动机的调校同等重要。

对于许多人来说,直线加速赛车的标志性特征可能是向上扬起且会喷出硝基甲烷燃烧产生的熊熊尾焰的四对排气管。在全功率下,尾焰往往可以有两米长。排气管被刻意设计,以最大化利用排气推力来产生下压力。实际上,这些引擎是如此恐怖,以至于光靠排气管的排气推力就能获得400-500千克的下压力……

除此之外,还有大约5吨(极速下)的下压力由鼻翼和尾翼产生。也就是说,排气管的排气推力就占据了全车下压力的近十分之一。

对于Top Fuel直线加速赛来说,一台发动机的总重约225千克,能够产生1.1万马力,即功重比48.9马力/千克。整车的最低重量限制为2,330磅(1,057千克),即整车推重比为10.4马力/千克。

在一次直线加速赛中,随着赛车以接近5G的加速度起步——比舰载机弹射起飞加速度(2-3G)还大——由于前面提到的种种原因,当冲过500英尺(150米)距离时,这台狂暴的引擎就已经开始接近自我毁灭。大概一半的火花塞会熔化,气缸本身内部也会持续自燃,排气温度高达740℃。发动机大概会在1/8英里(200米)处达到8,000转的转速限制,然后开始回落。这时赛车已经达到了高达近300英里/时(480千米/时)的速度,并在冲过1/4英里(400米)终点线时达到大约340英里/时(547千米/时)的极速。再次提醒,这一切都发生在4秒之内。然后,赛车会打开减速伞并开始刹车。由于大量的硝基甲烷残留和极端高温,即便在油路切断后,发动机往往仍然可能在2,500rpm左右的转速下继续自行运转10秒左右,直到温度降低到无法再引发硝基甲烷自燃为止。

随着车体一阵颤动,一切变得索然无味。仅仅四秒的高潮过后,留下的就是一台几乎自我毁灭、需要拆解翻修的发动机。在每次加速赛之后,发动机都会被彻底拆开重建,更换许多基本上是一次性、跑完一次就要换的零部件,比如轴承、火花塞、活塞环、气门簧等等。此外,硝基甲烷燃料和机油也会被全部放掉换新。整个维护工作大概需要40分钟。这样的一次翻修大概需要5,000美元,前提是发动机没有真的把自己炸掉。一台全新发动机的成本则大约为5.8万美元。听起来似乎不是很贵,但如果一个赛季中一台赛车总是能晋级决赛,那么即便一切不出意外,这台赛车也将经历184次起步和184次发动机重建。

总之,看完所有资料,我的脑中只剩下一个问题——