F1混动时代引擎技术巡礼（一）可变进气系统篇，你了解多少？

本文深入探讨了F1混动时代引擎技术的发展历程，特别是可变进气系统的设计和应用。文章首先回顾了F1动力单元研发冻结期的背景，分析了红牛和梅奔车队在激烈竞争中展现出的技术优势和不足。接着，作者通过MotorFan特刊中的丰富资料，对本田F1引擎的进气技术进行了全面梳理。文章详细介绍了可变进气技术和进气增压仓的工作原理、发展历程以及在不同车队中的应用情况。从早期的短进气歧管到多段可变长度进气歧管，再到持续可变长度进气歧管，工程师们不断优化进气系统以提升引擎性能。本田F1引擎的进气系统经历了从简陋的第一代到创新的第四代的演变，展现了技术进步的轨迹。文章还分析了梅奔在混动PU研发中的成功经验，指出其在研发初期做出的关键决策和选择。同时，作者对梅奔2021赛季的进气增压仓设计进行了猜测和分析，探讨了其可能采用的超低温进气技术。总的来说，本文为读者提供了一份详尽的F1混动引擎技术巡礼，不仅回顾了技术发展的历史，还深入分析了各大车队的技术特点和创新思路，对于了解F1混动时代的引擎技术具有重要参考价值。F1混动时代引擎技术巡礼（一）可变进气系统篇，你了解多少？本文深入探讨了F1混动时代引擎技术的发展历程，特别是可变进气系统的设计和应用。文章首先回顾了F1动力单元研发冻结期的背景，分析了红牛和梅奔车队在激烈竞争中展现出的技术优势和不足。接着，作者通过MotorFan特刊中的丰富资料，对本田F1引擎的进气技术进行了全面梳理。文章详细介绍了可变进气技术和进气增压仓的工作原理、发展历程以及在不同车队中的应用情况。从早期的短进气歧管到多段可变长度进气歧管，再到持续可变长度进气歧管，工程师们不断优化进气系统以提升引擎性能。本田F1引擎的进气系统经历了从简陋的第一代到创新的第四代的演变，展现了技术进步的轨迹。文章还分析了梅奔在混动PU研发中的成功经验，指出其在研发初期做出的关键决策和选择。同时，作者对梅奔2021赛季的进气增压仓设计进行了猜测和分析，探讨了其可能采用的超低温进气技术。总的来说，本文为读者提供了一份详尽的F1混动引擎技术巡礼，不仅回顾了技术发展的历史，还深入分析了各大车队的技术特点和创新思路，对于了解F1混动时代的引擎技术具有重要参考价值。

本文写于2022年的4月下旬，此时F1赛季已经进行了4场大奖赛的角逐。之所以选在这个时间点，写关于这个主题的文章，首先是因为F1进入混动时代这么多年后，第一次开始了动力单元研发的冻结期。自3月1日起，所有制造商将冻结包括V6内燃机(ICE)，涡轮，MGU-H，排气系统，燃油与润滑油配方等的技术规格。今年9月1日之前，制造商只有一次升级电子控制系统，电池和MGU-K的机会。此后，动力单元的研发冻结期将从2023赛季，持续到2025赛季结束。现在写以总结为主的分析文章，不用担心被最新的研发成果打脸。如果我的资料收集与整理没有重大纰漏的话，那么这几篇文章内的干货至少有三年的保质期。

其次，上个赛季，红牛车队与梅奔车队联合贡献了近几年来最激烈的争冠角逐。激烈的竞争让双方别无选择，只得毫无保留地把最新的研发成果投入实战。这个过程中还伴随着互相的揭底，撕逼，甚至是“官司”。于是，红牛与梅奔各自PU的强项与弱点，因为“竞争”变得愈发明晰。

最后，就是我碰巧入手了MotorFan在3月底发行的“HondaF1”特刊。其中的干货满满，甚至让我坚信：如果本田没有在2021赛季结束后退出F1，那么这本书是绝对不会出版的。我关注F1技术类的内容多年，我们车迷和那些专业媒体人就如同“盲人摸象”故事中的瞎子，只能靠厂家们让“摸”的信息，去猜测“大象”究竟是啥。本田这次把“大象”牵出来了，不仅帮我补完了很多重要的信息，也解答了不少我心中多年的疑问。

作为系列文章的第一篇，我选择的是我认为最有意思的“引擎进气技术”。F1混动引擎的进气技术主要由“可变进气技术”与“进气增压仓”两个主要部件组成。我将首先简要地解释两者的作用，工作原理和应用历史；之后，再以本田混动PU的研发历史为主线(他们踩过的坑最多)，讲解一下两项技术的研发过程与不同设计思路的优劣；再以本田PU为参照物，聊一聊竞争对手们采用的类似技术。

汽车发展的初期，工程师认为短的进气歧管(IntakeManifold)能让内燃机更“畅通无阻”地呼吸。直到1950年代初，梅奔的工程师率先发现：更长的进气歧管能提升引擎在特定转速区间的扭矩，即”进气增压效应“。1954年，梅奔的300SL“海鸥翼”赛车的发动机第一次应用了协调进气歧管(TunedIntakeManifold)与进气增压仓(IntakePlenum)。

早期的调谐进气歧管，只能作用于非常窄的引擎转速区间。于是，工程师搞出了“多段可变长度进气歧管(Multi-stageVariableLengthIntakeManifold)”，这样就可以获得更宽广转速区间内比较理想的扭矩曲线。如下图所示的”3阶可变进气歧管“，工程师使用阀门将进气歧管分成三段不同的长度。ECU会根据引擎转速，切换三个不同长度的进气歧管模式。

赛车引擎对性能的要求更高，所以工程师会使用更加复杂(主要是占地方)的”持续可变长度进气歧管(ContinuesVariableLengthIntakeManifold)“。下图是著名的马自达787B勒芒原型车的转子引擎，马自达工程师用长度非常夸张的进气歧管，弥补转子引擎中低转速扭矩不足的性能劣势。

进气增压仓多出现在涡轮增压引擎的进气系统，它的工作原理如下：

F1进入V6混动时代之后，本田PU的发展过程可谓是一波三折。从最初的被寄予厚望，到连续多个赛季的“GP2引擎“噩梦，一度沦为笑柄；再到更换合作伙伴后的触底反弹，并最终成就了比肩业界标杆梅奔的冠军PU。

V6混动引擎的进气系统最显著的外观特征，就是顶在内燃机缸体上方的那个”鼓包“，即进气增压仓。本田在设计第一代混动PU的时候，由于后面会提到的原因，大幅地低估了涡轮增压引擎所需要的最大增压值(MaximumBoostPressure)，这也导致了本田没有第一时间意识到进气系统设计的重要性。

本田于2016赛季初实装了第一代的可变进气系统(VIS)。用F1的标准来看，第一代VIS的设计实在是”简陋“：

2016赛季的中后期，本田带来了以“追求理想的空气流动”的第二代VIS设计。

相较第一代VIS，其最明显的变化就是进气歧管(不可变长度部分与可变长度部分)的走向变得更加更顺畅，气流的阻碍变小。此外，进气歧管的可变长度部分的最大长度更长，使得VIS适用的引擎转速范围更宽；长度可变部分改由液压系统驱动，效率和可靠性都远超上一代的齿轮驱动系统。

总结一下，第一代与第二代的VIS的改进，主要集中在进气歧管；两代VIS均采用了单体增压仓的设计，且内燃机的节气门被布置在增压仓的进气口处(后续设计将节气门移至进气涡轮入口)。

第三代VIS几乎看不到前两代的影子。本田采用了类似梅奔的分体式增压仓，引擎一侧的气缸(3个)对应了一个增压仓；进气歧管的不可变部分以一种类似”蜗牛壳螺旋“的方式被绕到后方，并与进气增压仓对接；进气增压仓内只有可变部分的进气歧管；进气歧管的朝向与增压仓的进气口对齐；内燃机的节气门被移到进气涡轮的入口处。

这种设计思路由梅奔最先使用，后来逐步被其他引擎制造商模仿，最终成为了公认的进气系统设计的”最优解“，其优点主要有以下几点：

本田在第三代VIS的基础上不断做出改进与创新，其中最值得一提的是，于2021赛季实装的“四重进气管线(QuadPipe)“。如下图所示，本田将涡轮中冷(Intercooler或ChargedAirCooler)与增压仓之间的导气管线做成下面这样的内部结构。导气管内部包含了4个独立的导气通道，其中的三个(颜色标注)对应了增压仓内的进气歧管。当可变长度进气歧管处于最长长度：进气歧管与导气管对接，于是便形成了”超长进气歧管“；更长的进气歧管进一步提升了引擎低转速的扭矩输出。中间的第四根导气管，会在松油门的状态下持续往增压仓内注入气流，为引擎中高转速(短进气歧管)提供短暂的额外增压。

正如之前提到的，梅奔定义了F1混动时代进气系统设计的行业标杆。类似本田第三代VIS的架构，梅奔早在2015赛季就开始使用了。这种单项系统的“代差”，也反映在了赛车的竞争力上。小车队如威廉姆斯，那几年因为使用了梅奔的PU，也能跟在梅奔身后吃香喝辣；反观老牌强队迈凯伦，却被“GP2引擎”拖累，陷入困境。

那么，为什么梅奔在研发混动PU的时候，好像就没有怎么走弯路呢？

我不认同将梅奔的成功都归结为“偷跑”的说法。同时，我也不认为这几个引擎制造商在硬件条件，研发经验和人员智力上存在什么巨大的差距。

梅奔在研发初期做出了几个决定性的判断与选择，根据AndyCowell在专访中的说法：

我又找来了十年前梅奔用于推广F1混动PU时展示的CG样机：这台发动机采用了传统的涡轮布局(废气与进气两个涡轮挨着)，所以它就顶着一个”普通的“进气增压仓。我还找来了15-17期间，雷诺PU和法拉利PU的图片与照片。雷诺和法拉利均选择了传统的涡轮布局，所以它们各自的增压仓设计也都跟梅奔CG样机差不多。

我们再回过头去看本田PU的进化过程

在我看来，V6混动引擎的研发过程有点类似F1赛车的气动设计。工程师们在决定了各自的气动设计思路与几项重要的技术指标后，他们所追求的目标是相似的，他们基于逻辑的决策方式也是相似的，最终的结果却可能有着天差地别的性能差距。

时间来到2020，“类梅奔”的进气系统设计已经是公认的“最优解”。除了上文提到的几个因素外，2018年左右出现的高速燃烧技术，则让苦苦追赶的雷诺和法拉利下定决心，放弃挣扎，选择加入。简而言之，高速燃烧技术需要及时将气缸内的废气排出，特别是在引擎低转速区间，以保证高速燃烧的稳定性。引擎的正时系统会在气缸排气冲程的初期，同时短暂地打开进气门；利用进气气压与排气背压的压力差帮助废气排出气缸。进气气压越高，则排气的效率越高。

于是，Alpine从两年前着手为新规则筹划的新PU，是一个推倒重来的设计，新PU采用了分体涡轮的布局；法拉利F1-75的PU终于也用上了梅奔/本田同款的进气增压仓。

等等，还没完！

2021赛季，梅奔再一次更新了进气增压仓的设计，而这一次的升级特别引人注目。

首先，新的增压仓使得梅奔系赛车的引擎罩上，多出了一对儿显眼的鼓包。其次，在测试期间，人们察觉到了新增压仓看起来好像与之前的设计都不一样。比如，新增压仓的形状更像是半圆柱体的罩子，直接扣在内燃机的缸体上，而不是人们熟悉的桶形增压仓；另外，进气歧管不可变部分貌似没有呈螺旋状，绕到引擎靠后的位置。

梅奔方面承认，新的增压仓采用了全新的设计，并且是W12性能提升的主要来源，但是他们不愿意透露更多的细节。

赛季开始后，梅奔并没有在动力方面占到多少便宜。甚至当本田在法国站更换了红牛车手的PU之后，梅奔赛车连续多站比赛处于明显的性能劣势。再加上梅奔被2021赛季的气动规则搞得焦头烂额，于是，人们的注意力短暂地从M12E的增压仓上移开。

直到赛季上半程结束前的英国大奖赛，竞争对手和媒体察觉到了梅奔PU的“觉醒”。在分析了赛后的遥测数据(TelemetryData)与老汉的车载录像，人们发现：老汉在英国大奖赛追赶乐扣期间，和匈牙利大奖赛的三个关键的窗口期中，使用了之前很少采用的“Strat4，HPP7”的高输出模式。而此模式下的梅奔W12赛车的动力表现，堪称无可匹敌。

几个月后，围绕梅奔引擎的一系列疑问，突然变得清晰起来。九月初，红牛车队正式致函FIA，要求官方就“梅奔进气增压仓内的温度传感器”做出澄清。所谓的澄清，其实就是指控梅奔存在作弊的嫌疑。比如，2019赛季美国大奖赛前，红牛也是致函FIA，要求官方就“燃油流量传感器的使用”与“润滑油的可控渗漏”澄清规则，并最终导致了法拉利开挂引擎被揭穿。红牛车队分析了过去几站比赛的遥测数据后，他们发现梅奔赛车在出弯加速的最初几秒内的动力优势明显。已知，MGU-K的功率是核定的120kw，所以这种“异常”的性能优势只可能是来自于内燃机。

红牛的猜测是：梅奔将入弯/过弯期间(松油门)储存在进气增压仓内的空气进一步冷却，使得梅奔引擎在接下来的几秒内，可以使用密度更大的空气进行燃烧，从而获得动力优势。

FIA对于引擎进气温度的规定是，“必须比室温高10摄氏度”。我以Alpine为例，根据他们透露的参数，空气离开进气涡轮时的温度大约是220摄氏度；经过涡轮中冷的冷却后，这个温度被降到55摄氏度。FIA一般将温度传感器置于涡轮中冷的出口处，而不是进气增压仓内。此外，FIA仅仅要求引擎进气温度在一圈内的平均值不低于规定的最低值。也就是说，短暂地将进气温度冷却到低于最低值并不违规。

提升内燃机的功率和效率的方式多种多样，归根结底，在于让更多的空气参与燃烧。上文提到的本田VIS等类似的进气系统，是通过提升进气压力的方式，让更多空气进入燃烧室。而降低进气温度，进而提升气体密度，也能提升空气与燃料的比值，达到类似的效果。梅奔大概是认为，可变进气系统的性能潜力已经被开发得差不多了，继续追求更高的进气气压已经不再现实，于是便尝试从另一个思路(温度)追求性能提升。

如果我们默认了梅奔采用”超低温进气“这个事实，那么很多现象就能得到符合逻辑的解释，比如：

至于梅奔具体是怎么做到这些的，或者说，梅奔的进气增压仓内到底是怎样的，现在仍然是个迷。不过，我们可以做出一些合理的猜测。下图是梅奔公布的涡轮中冷器，采用了航空航天领域的最新工程成果，其被梅奔称为是他们实现紧凑散热布局的”秘密武器“。我猜，M12/13EPerformance的进气增压仓内，大概也密布着类似的冷却叶片吧。

当然，2021赛季早已尘埃落定，现在大家最关心的是，为什么梅奔PU在新赛季就拉胯了呢？

我的判断是，梅奔PU表现出的”动力劣势“，一定程度上是因为他们的内燃机太强势了。

我为什么会得出这个看似“自相矛盾”的观点，我会在本系列的第二篇文章里细说。下一篇文章的主题是“从能量的角度评估混动PU的性能”，主要从MGU-H切入，聊一聊关于”能量管理策略(EnergyManagement/Deployment)“的一些门道。

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