В чём особенность двигателей Формулы-1, позволяющая им развивать скорость до 18 000 оборотов в минуту?

Чуть более простой ответ: чем больше воздуха и топлива вы можете сжечь (соотношение воздуха и топлива примерно 13:1), тем больше мощности вы можете получить. Вы можете увеличить рабочий объём (например, 3,7-литровый V6 по сравнению с 2,5-литровым четырёхцилиндровым двигателем) или частоту вращения двигателя. В «Формуле-1» всегда были ограничения по рабочему объёму, что требовало увеличения частоты вращения двигателя или повышения эффективности.

Двигатели «Формулы-1» постоянно ускоряются, что вызывает опасения по поводу инерции вращения. Чем меньше, тем лучше. Однако уменьшение массы также снижает прочность.

Ограничения на частоту вращения двигателя связаны с трением, которое увеличивается с ростом частоты вращения двигателя и прочности материала. Были уличные двигатели с относительно большим ходом поршня, которые могли развивать скорость до 9000 об/мин: Honda S2000, Ferrari 458. Ход поршня у обоих превышал 3 дюйма. Однако в «Формуле-1» переход на подшипники меньшего размера для снижения трения и уменьшения массы шатунов, коленчатых валов, поршневых пальцев и т. д. для снижения инерции может привести к поломке. Металлические клапанные пружины тоже могут выйти из строя; гонщики часто их меняют. В «Формуле-1» некоторое время назад перешли на пневматические клапанные пружины. У штоков клапанов могут быть проблемы с прочностью. Их размер уменьшен, чтобы снизить массу и уменьшить сопротивление воздушному потоку.

Двигатели «Формулы-1» развивали скорость более 19 000 оборотов в минуту и приближались к отметке в 20 000 оборотов в минуту несколько лет назад. Чтобы сократить расходы и повысить конкуренцию, правила были изменены: был установлен лимит скорости (19 000 в 2007 году, 18 000 в 2009 году), а количество двигателей, которые гонщик мог использовать в течение сезона, было ограничено восемью. Также существуют ограничения на диаметр цилиндра и используемые материалы.

В результате значительно повысилась надёжность двигателей, хотя из-за правила 8 случались сбои.

Примечание: если бы инерция вращения не была проблемой, было бы довольно просто создать двигатель с компонентами, способными выдерживать нагрузки в 18 000 фунтов. Однако, когда нужно свести к минимуму трение, инерцию и увеличить поток воздуха, возникают проблемы.

Они устроены совсем не так, как обычные двигатели, которые стоят в наших «обычных» машинах. Прямая цитата из http://en.wikipedia.org/wiki/Formula_One_engines :

Мощность, которую производит двигатель Формулы-1, достигается за счет работы с очень высокой частотой вращения, до 18 000 оборотов в минуту (об/мин).[1] Это контрастирует с двигателями дорожных автомобилей аналогичного размера, которые безопасно работают при обычно менее чем 7000 оборотах в минуту. Базовая конфигурация атмосферного двигателя Формулы-1 не претерпевала значительных изменений со времен Cosworth DFV 1967 года выпуска, а среднее эффективное давление осталось на уровне около 14 бар MEP.[2] До середины 1980-х годов двигатели «Формулы-1» могли развивать скорость не более 12 000 оборотов в минуту из-за традиционных металлических клапанных пружин, которые использовались внутри двигателя для закрытия клапанов. Скорость, необходимая для работы клапанов двигателя на более высоких оборотах, намного превышает возможности металлических клапанных пружин, поэтому их заменили пневматическими клапанами, разработанными компанией Renault.[нужна ссылка] С 1990-х годов все [нужна ссылка] производители двигателей для «Формулы-1» используют пневматические клапанные пружины, которые позволяют двигателям развивать скорость почти до 20 000 оборотов в минуту.

Диаметр цилиндра — это диаметр цилиндра в блоке двигателя, а ход поршня — это расстояние, которое поршень проходит от верхней мёртвой точки (ВМТ) до нижней мёртвой точки (НМТ) внутри цилиндра. Для работы на высоких оборотах двигателя ход поршня должен быть относительно небольшим, чтобы предотвратить катастрофические поломки, обычно связанные с выходом из строя шатунов, так как на таких оборотах они испытывают очень большие нагрузки. Из-за малого хода поршня для объёма 2,4 литра требуется относительно большой диаметр цилиндра. Это приводит к снижению эффективности рабочего хода, особенно на низких оборотах. [нужна ссылка] Ход поршня в двигателе «Формулы-1» составляет примерно 39,7 мм (1,56 дюйма), что меньше половины диаметра цилиндра (98,0 мм), что приводит к квадратной конфигурации.

Помимо использования пневматических клапанных пружин, высокая частота вращения двигателя «Формулы-1» стала возможной благодаря достижениям в области металлургии и проектирования, которые позволили использовать более лёгкие поршни и шатуны, способные выдерживать ускорения, необходимые для достижения таких высоких скоростей, а также за счёт сужения концов шатунов, что позволило использовать более узкие коренные подшипники. Это позволяет увеличить частоту вращения при меньшем нагреве подшипников, который может привести к их повреждению. При каждом такте поршень движется от нулевой скорости почти до двукратного превышения средней скорости (прим. 40 м/с), а затем снова до нуля. Это происходит 4 раза за каждый из 4 тактов цикла. Максимальное ускорение поршня происходит в середине такта и составляет около 95 000 м/с2, что примерно в 10 000 раз превышает стандартную силу тяжести или 10 000 g.