Почему в автомобилях «Формулы-1» используются двигатели с большим количеством цилиндров малого объёма?

В дополнение к ответу @Andrew Kerr: при заданном объёме двигателя увеличение количества цилиндров повышает пиковую мощность.

Но это также увеличивает потери в нескольких областях:

• Чем больше движущихся частей, тем сильнее трение.


• Чем меньше цилиндры, тем меньше соотношение объёма к площади стенок, а значит, увеличиваются теплопотери.


• существует потенциальная угроза снижения надёжности из-за дополнительных движущихся частей


• Увеличение количества цилиндров часто приводит к удлинению блока цилиндров, что затрудняет создание блока, который не будет деформироваться при использовании в качестве конструктивной части (как это обычно бывает в «Формуле-1»).


• Если цилиндров больше 12, становится сложно изготовить достаточно прочный коленчатый вал. В некоторых рядных восьмицилиндровых двигателях для передачи мощности на сцепление и коробку передач использовалась шестерня в центре коленчатого вала.

Это означает, что существует оптимальное количество цилиндров для двигателя определённой мощности. В 1989 году Формула-1 запретила двигатели с турбонаддувом и ввела требование использовать атмосферные двигатели объёмом 3,5 литра. Количество цилиндров было ограничено 12.

Несколько производителей использовали компьютеры для определения оптимального количества цилиндров и создали двигатели V10. Оказалось, что при такой мощности двигатель V12 будет менее мощным, чем V10.

О, и причина № 1, по которой не стоит использовать многоцилиндровые двигатели в малолитражных автомобилях: расход топлива увеличивается с ростом количества цилиндров.

И конкретно по поводу последней части вопроса:

Если гоночные команды могут позволить себе производить такие двигатели, то в чём преимущество использования этих двигателей вместо 6- или 8-цилиндровых с большим рабочим объёмом?

В «Формуле-1» и других гоночных классах существует жёсткое ограничение на рабочий объём двигателя. Это сделано для того, чтобы ограничить мощность двигателя и не допустить превышения допустимых характеристик используемых гоночных трасс (чем быстрее гоночный автомобиль, тем больше должны быть зоны вылета).

Ответ на вопрос, почему команды «Формулы-1» используют двигатели определённого объёма и с определённым количеством цилиндров, не связан с техническими аспектами. Он определяется правилами этого вида спорта.

Историю двигателей Формулы-1 можно посмотреть здесь. Из того же источника, за 2014/2015 годы:

1,6-литровые шестицилиндровые двигатели с турбонаддувом, рекуперацией энергии и ограничением подачи топлива заменят 2,4-литровые атмосферные двигатели V8. Топливная экономичность повысится на 35 %, мощность систем рекуперации энергии удвоится, а общая мощность останется на уровне около 750 л. с.).

Двигатели гоночных и высокопроизводительных дорожных автомобилей часто имеют большее количество цилиндров по отношению к общему объёму, чем двигатели, разработанные для оптимизации стоимости и надёжности в ущерб максимальной производительности.

Многоцилиндровые двигатели вырабатывают больше энергии при том же объёме двигателя по следующим причинам:

1. Меньший диаметр цилиндра x ход поршня = меньшие поршни + меньшие шатуны + более лёгкий коленчатый вал = меньшая масса, которую нужно разогнать за каждый такт = более высокие обороты/максимальное число оборотов в минуту = большая мощность = более высокая максимальная скорость + более быстрое ускорение.


2. Больше цилиндров = больше клапанов = более высокая скорость подачи топлива = большая выходная мощность.

К недостаткам многоцилиндровых двигателей относятся:

1. Большая сложность изготовления.


2. Большие расходы.


3. Повышенная сложность обслуживания и сокращение интервалов между обслуживанием.


4. Повышенная сложность и трудоёмкость настройки двигателя для оптимизации производительности.


5. Снижение надёжности и прочности.

В наши дни в «Формуле-1» действуют довольно строгие правила в отношении надёжности, и команды, которым приходится менять слишком много двигателей за сезон, чтобы контролировать расходы, подвергаются штрафам. Но в целом идеальный двигатель для гоночного автомобиля — это тот, который разваливается сразу после пересечения финишной черты!

Конечно, невозможно спроектировать двигатель с идеальной точностью, но исторически сложилось так, что гоночные двигатели чрезвычайно надёжны, если используются в соответствии с их назначением (например, полная замена каждые несколько десятков километров, утилизация после нескольких тысяч километров), но имеют тенденцию к взрыву, если даже незначительно выходят за рамки допустимого. (например, при недостаточном обслуживании, превышении оборотов и т. д.)

Причина этого — сочетание таких факторов, как снижение веса и стремление получить абсолютную максимальную выходную мощность, а также результат компромисса между этими двумя целями и надёжностью. Успех гоночного автомобиля может зависеть от мельчайших деталей. Если ваша машина стабильно на 0,1 секунды быстрее ближайшего соперника на конкретной трассе, то это означает преимущество в 5 секунд в конце гонки на 50 кругов. Вот почему конструкторы гоночных автомобилей будут пытаться использовать все доступные им средства, чтобы сделать свои машины хоть немного быстрее.

Вес гоночного автомобиля также невероятно важен. Вы можете подумать, что экономия 1 грамма на одном компоненте ничего не изменит, но если вы сможете сэкономить 1 грамм на каждом из 1000 компонентов автомобиля, то в общей сложности сэкономите 1 килограмм, что для лёгкого гоночного автомобиля может привести к заметному повышению производительности. Двигатель V16 в гоночном автомобиле может быть дороже, сложнее и менее надёжным, чем двигатель V8 той же мощности, но при прочих равных условиях, если он весит на 2 % меньше, выдаёт на 2 % больше мощности и при этом достаточно надёжен, чтобы участвовать в гонках, а у команды есть бюджет на его создание и эксплуатацию, то (если позволяют правила) они будут его использовать.

Двигатель — не единственный компонент гоночного автомобиля, но он один из самых важных для определения его максимальной производительности. В «Формуле-1» дополнительные расходы и сложность многоцилиндровых двигателей с лихвой компенсируются их преимуществом в производительности по сравнению, например, с рядным четырёхцилиндровым двигателем той же мощности.

В современной «Формуле-1» действует множество сложных правил, регулирующих конструкцию двигателя, его надёжность, рекуперацию энергии, расход топлива, общий вес автомобилей и т. д. и т. п. Количество цилиндров и их расположение иногда определяются правилами, а не характеристиками, но в целом хорошо спроектированный и изготовленный многоцилиндровый двигатель будет работать лучше, чем двигатель той же мощности, но с меньшим количеством цилиндров.