Mengapa mobil Formula 1 menggunakan mesin dengan banyak silinder volumetrik kecil?

Apa manfaat Formula 1 menggunakan mesin seperti 3.0L V8 atau 2.4L V8?

Saya membaca diskusi Reddit ini tentang mengapa tidak praktis untuk menempatkan mesin kecil banyak silinder ke mobil produksi. Sebagian besar biaya, karena banyak komponen tambahan dan berkualitas lebih tinggi yang harus masuk ke dalamnya.

Hanya karena tim balap bisa mampu untuk memproduksi mesin seperti itu, apa manfaat menggunakan mesin ini bukan 6 atau mesin 8-silinder dengan perpindahan yang lebih tinggi?

Jawaban mengapa tim F1 menggunakan perpindahan mesin dan jumlah silinder tertentu bukan jawaban teknis; itu diatur oleh aturan olahraga.

Anda dapat melihat sejarah mesin F1 di sini . Dari sumber yang sama, untuk 2014/2015:

1,6 liter, enam silinder tunggal-turbo dengan pemulihan energi dan pembatasan bahan bakar untuk menggantikan 2.4-liter aspirasi V8s, efisiensi bahan bakar meningkat 35%, Kekuatan sistem pemulihan energi berlipat ganda, daya keseluruhan tetap sekitar 750bhp. ).

Balap dan mesin mobil jalan kinerja tinggi sering memiliki jumlah silinder yang lebih tinggi dalam kaitannya dengan kapasitas keseluruhan, dibandingkan dengan mesin yang dirancang untuk mengoptimalkan biaya dan keandalan dibandingkan kinerja tertinggi.

Alasan beberapa mesin silinder menghasilkan lebih banyak daya untuk kapasitas kubik yang sama adalah:

1. Bore x stroke yang lebih kecil = piston yang lebih kecil + batang penghubung yang lebih kecil + crankshaft yang lebih ringan = lebih sedikit massa untuk berakselerasi pada setiap stroke = revving yang lebih cepat / RPM maks yang lebih tinggi = lebih banyak daya = kecepatan tinggi lebih tinggi + akselerasi lebih cepat.
2. Lebih banyak silinder = lebih banyak katup = laju keluaran bahan bakar yang lebih tinggi = keluaran daya yang lebih besar.

Kerugian untuk mesin multi-silinder meliputi:

1. Kompleksitas manufaktur yang lebih besar.
2. Biaya lebih besar.
3. Meningkatnya kesulitan servis dan interval antar layanan yang lebih pendek.
4. Kompleksitas yang lebih besar dan kesulitan pengaturan dan penyetelan mesin untuk mengoptimalkan kinerja.
5. Mengurangi keandalan dan ketahanan.

Saat ini ada peraturan keandalan yang cukup ketat di Formula 1 dan ada penalti untuk tim yang harus mengganti terlalu banyak mesin dalam satu musim untuk mengendalikan biaya, tetapi sebagai prinsip umum, mesin mobil balap yang ideal adalah yang hancur segera setelah melintasi garis akhir!

Tentu saja tidak mungkin untuk merancang mesin yang tepat, tetapi secara historis Anda akan menemukan bahwa mesin balap sangat kuat ketika digunakan di dalam amplop desain yang dimaksudkan (misalnya membangun kembali penuh setiap beberapa lusin mil, dihilangkan setelah beberapa ribu mil) tetapi cenderung meledak naik secara spektakuler jika mereka melampaui amplop bahkan dalam jumlah kecil. (misalnya jika sedang diservis, diperbaiki berlebihan, dll.)

Alasan untuk ini adalah kombinasi dari penghematan berat + mencoba untuk mengekstrak output daya maksimum absolut dan juga hasil dari kompromi antara dua tujuan dan keandalan. Keberhasilan mobil balap dapat bergantung pada margin terkecil. Jika mobil Anda secara konsisten 0,1 detik lebih cepat dari rival terdekatnya di trek tertentu, maka itu sama dengan memimpin 5 detik pada akhir balapan 50 putaran. Itulah sebabnya perancang mobil balap akan berusaha menggunakan segala cara yang tersedia untuk membuat mobil mereka sedikit lebih cepat.

Berat juga sangat penting pada mobil balap. Anda mungkin berpikir bahwa menghemat 1 gram berat pada satu komponen tidak akan ada bedanya, tetapi jika Anda dapat menghemat 1 gram pada masing-masing 1.000 komponen mobil, maka Anda telah menghemat total 1 Kilogram, yang pada balap ringan mobil, dapat membuat peningkatan kinerja yang terukur. Pada mobil balap, mesin V16, mungkin lebih mahal, lebih rumit dan kurang dapat diandalkan daripada V8 kapasitas yang sama, tetapi semua hal lain dianggap sama, jika beratnya 2% lebih sedikit dan menghasilkan daya 2% lebih banyak dan masih cukup andal untuk menyelesaikan balapan, dan tim memiliki anggaran untuk membangun dan menjalankannya, maka (peraturan mengizinkan) mereka akan menggunakannya.

Mesin itu bukan satu-satunya komponen pada mobil balap, tetapi itu salah satu yang paling penting untuk menentukan performa tertinggi mobil. Di Formula 1, biaya tambahan dan kompleksitas beberapa mesin silinder jauh melebihi keunggulan kinerjanya dibandingkan dengan kapasitas lurus 4 misalnya.

Di Formula 1 modern ada banyak peraturan yang rumit, desain mesin yang mengatur, keandalan, pemulihan energi, konsumsi bahan bakar, berat keseluruhan mobil, dll. Dan jumlah silinder dan tata letak yang diperbolehkan kadang-kadang dapat ditentukan oleh regulasi daripada kinerja, tetapi dalam umum, mesin banyak silinder yang dirancang dan dibangun dengan baik akan melakukan salah satu dari kapasitas yang sama, tetapi dengan silinder yang lebih sedikit.

Selain jawaban @Andrew Kerr: untuk kapasitas mesin yang diberikan, menambahkan lebih banyak silinder meningkatkan tenaga puncak.
Tetapi juga meningkatkan kerugian di beberapa bidang:

• lebih banyak bagian yang bergerak berarti lebih banyak gesekan.
• silinder yang lebih kecil berarti rasio volume terhadap luas dinding turun, sehingga kehilangan panas meningkat.
• ada potensi hilangnya keandalan mati ke bagian yang bergerak ekstra
• lebih banyak silinder sering juga berarti blok mesin yang lebih panjang, yang membuatnya sulit untuk membangun blok yang tidak lentur ketika digunakan sebagai bagian struktural (seperti biasa di Formula 1).
• dengan lebih dari 12 silinder, menjadi sulit untuk membangun poros engkol yang cukup kuat. Beberapa mesin straight-8 menggunakan gigi di tengah crankshaft untuk mengirimkan daya ke kopling dan gearbox.

Ini berarti ada jumlah silinder optimal untuk kapasitas yang diberikan. Pada tahun 1989, Formula 1 melarang mesin turbocharged dan mengamanatkan mesin 3.5 liter yang disedot secara alami. Jumlah silinder dibatasi hingga 12.
Beberapa produsen menggunakan komputer untuk menemukan jumlah silinder optimal, dan membuat mesin V10. Ternyata, pada kapasitas itu V12 akan menjadi kurang kuat daripada V10.

Oh, dan alasan # 1 untuk tidak menggunakan mesin banyak silinder di mobil kecil: konsumsi bahan bakar naik dengan jumlah silinder.

Dan secara khusus pada bagian terakhir dari pertanyaan:

Hanya karena tim balap mampu menghasilkan mesin seperti itu, apa manfaat menggunakan mesin ini daripada mesin 6- atau 8 silinder dengan perpindahan yang lebih tinggi ?

Formula Satu dan kelas balapan lainnya memiliki batas yang sulit untuk pemindahan. Ini dilakukan untuk membatasi tenaga engine, yang dilakukan untuk menjaga kinerja di bawah batas desain sirkuit yang mereka gunakan (semakin cepat sebuah mobil balap, semakin besar Anda perlu membuat daerah limpasan).