Perché le auto di Formula 1 usano motori con molti cilindri volumetricamente piccoli?

Qual è il vantaggio della Formula 1 che utilizza motori come un V8 da 3.0L o un V8 da 2.4L?

Ho letto questa discussione di Reddit sul perché non è pratico mettere piccoli motori a molti cilindri nelle auto di produzione. Costano principalmente, a causa dei numerosi componenti aggiuntivi e di qualità superiore che devono essere inclusi.

Solo perché i team di gara possono permettersi di produrre motori del genere, quali sono i vantaggi dell'utilizzo di questi motori invece dei motori a 6 o 8 cilindri con cilindrata maggiore?

La risposta al motivo per cui i team di F1 utilizzano una determinata cilindrata del motore e il conteggio dei cilindri non è tecnica; è governato dalle regole di questo sport.

Puoi vedere la storia dei motori F1 qui . Dalla stessa fonte, per il 2014/2015:

1.6 litri, turbocompressori monocilindrici a sei cilindri con recupero di energia e restrizioni di carburante per sostituire i V8 normalmente aspirati da 2,4 litri, efficienza del carburante per aumentare del 35%, potenza dei sistemi di recupero di energia per raddoppiare, potenza complessiva per rimanere a circa 750 CV. ).

I motori per auto da corsa e ad alte prestazioni hanno spesso un numero maggiore di cilindri in relazione alla capacità complessiva, rispetto ai motori progettati per ottimizzare i costi e l'affidabilità rispetto alle prestazioni massime.

Le ragioni per cui i motori a più cilindri producono più potenza a parità di cilindrata sono:

1. Alesaggio più piccolo x corsa = pistoni più piccoli + bielle più piccole + albero a gomiti più leggero = meno massa per accelerare ad ogni corsa = velocità di avanzamento più alta / RPM max maggiore = più potenza = velocità massima più alta + accelerazione più veloce.
2. Più cilindri = più valvole = maggiore velocità di produzione del carburante = maggiore potenza.

Gli aspetti negativi dei motori multicilindrici includono:

1. Maggiore complessità di fabbricazione.
2. Maggiore spesa.
3. Maggiore difficoltà di manutenzione e intervalli più brevi tra i servizi.
4. Maggiore complessità e difficoltà di impostazione e messa a punto del motore per ottimizzare le prestazioni.
5. Affidabilità e robustezza ridotte.

Al giorno d'oggi ci sono regole di affidabilità abbastanza rigorose in Formula 1 e ci sono penalità per i team che devono sostituire troppi motori in una stagione per controllare i costi, ma come principio generale il motore di auto da corsa ideale è uno che si disintegra subito dopo aver attraversato il traguardo!

Ovviamente è impossibile progettare un motore che precisamente, ma storicamente scoprirai che i motori da corsa sono estremamente potenti se usati all'interno del loro involucro progettuale previsto (ad es. Ricostruzione completa ogni poche decine di miglia, demolita dopo alcune migliaia di miglia) ma tendono a soffiare in modo spettacolare se superano la busta anche di una piccola quantità. (es. se sottoposto a manutenzione insufficiente, sovralimentazione ecc.)

La ragione di ciò è una combinazione di risparmio di peso + che cerca di estrarre la massima potenza in assoluto e anche il risultato del compromesso tra questi due obiettivi e l'affidabilità. Il successo delle auto da corsa può dipendere dal più piccolo dei margini. Se la tua auto è costantemente 0,1 secondi più veloce del suo rivale più vicino su una determinata pista, allora equivale a un vantaggio di 5 secondi alla fine di una corsa di 50 giri. Questo è il motivo per cui i progettisti di auto da corsa cercheranno di utilizzare qualsiasi mezzo possibile a loro disposizione per rendere le loro auto un po 'più piccole.

Il peso è anche incredibilmente importante su un'auto da corsa. Potresti pensare che risparmiare 1 grammo di peso su un componente non farebbe alcuna differenza, ma se puoi risparmiare 1 grammo su ciascuno dei 1000 componenti di un'auto, allora hai risparmiato un totale di 1 chilogrammo, che su una corsa leggera auto, può fare un aumento delle prestazioni misurabile. Su un'auto da corsa, un motore V16, potrebbe essere più costoso, più complicato e meno affidabile della stessa capacità V8, ma a parità di altre condizioni, se pesa il 2% in meno e produce il 2% in più di potenza ed è ancora abbastanza affidabile per finire le gare e il team ha il budget per costruirlo ed eseguirlo, quindi (regolamento permettendo) lo useranno.

Il motore non è l'unico componente di un'auto da corsa, ma è uno dei più importanti per determinare le prestazioni finali dell'auto. In Formula 1, il costo aggiuntivo e la complessità dei motori a più cilindri sono ampiamente compensati dal loro vantaggio in termini di prestazioni rispetto alla stessa capacità 4, ad esempio.

Nella moderna Formula 1 ci sono molte normative complesse, che governano la progettazione del motore, l'affidabilità, il recupero di energia, il consumo di carburante, il peso complessivo delle auto, ecc. Ecc. E il numero di cilindri e layout consentiti può essere talvolta definito dalla regolamentazione piuttosto che dalle prestazioni, ma in in generale, un motore a molti cilindri ben progettato e costruito funzionerà con la stessa capacità, ma con un minor numero di cilindri.

Oltre alla risposta di @Andrew Kerr: per una determinata cilindrata, l'aggiunta di più cilindri aumenta la potenza di picco.
Ma aumenta anche le perdite in diverse aree:

• più parti mobili significano più attrito.
• cilindri più piccoli indicano che il rapporto tra volume e area della parete diminuisce, aumentando così le perdite di calore.
• c'è una potenziale perdita di affidabilità per le parti mobili in più
• più cilindri spesso significano anche un blocco motore più lungo, il che rende difficile costruire un blocco che non si flette quando viene utilizzato come parte strutturale (come al solito in Formula 1).
• con più di 12 cilindri, diventa difficile costruire un albero motore abbastanza forte. Alcuni motori a motore dritto 8 utilizzavano un ingranaggio nel mezzo dell'albero motore per trasmettere potenza alla frizione e al cambio.

Ciò significa che esiste un numero ottimale di cilindri per una determinata capacità. Nel 1989, la Formula 1 vietò i motori turbocompressi e impose un motore aspirato da 3,5 litri. Il numero di cilindri era limitato a 12.
Diversi produttori utilizzavano i computer per trovare il numero ottimale di cilindri e costruivano motori V10. Si scopre che a quella capacità un V12 sarebbe meno potente di un V10.

Oh, e il motivo numero 1 per non usare motori a molti cilindri in piccole auto: il consumo di carburante aumenta con il numero di cilindri.

E in particolare all'ultima parte della domanda:

Solo perché i team di gara possono permettersi di produrre motori del genere, quali sono i vantaggi dell'utilizzo di questi motori invece dei motori a 6 o 8 cilindri con cilindrata maggiore ?

La Formula 1 e le altre classi di gara hanno un limite duro allo spostamento. Questo viene fatto per limitare la potenza del motore, il che viene fatto per mantenere le prestazioni al di sotto dei limiti di progettazione dei circuiti che usano (più veloce è un'auto da corsa, più grande è necessario per rendere le aree di deflusso).