Por que os carros de Fórmula 1 usam motores com muitos cilindros volumétricos pequenos?

Qual é o benefício da Fórmula 1 usando motores como um 3.0L V8 ou um 2.4L V8?

Li essa discussão do Reddit sobre por que não é prático colocar pequenos motores de muitos cilindros em carros de produção. Custo principalmente, devido aos muitos componentes adicionais e de maior qualidade que devem ser utilizados.

Só porque as equipes de corrida podem se dar ao luxo de produzir motores como esse, qual é o benefício de usar esses motores em vez de motores de 6 ou 8 cilindros com maior cilindrada?

A resposta para o motivo pelo qual as equipes de F1 usam um determinado deslocamento do motor e a contagem de cilindros não é técnica; é governado pelas regras do esporte.

Você pode ver a história dos motores de F1 aqui . Da mesma fonte, para 2014/2015:

Turbos simples de 1,6 litros e seis cilindros com recuperação de energia e restrições de combustível para substituir V8s normalmente aspirados de 2,4 litros, Eficiência de combustível para aumentar em 35%, Potência dos sistemas de recuperação de energia para dobrar, Potência total para aproximadamente 750 cv. )

Os motores de carros de corrida e de alto desempenho geralmente têm um número maior de cilindros em relação à capacidade geral, em comparação com os motores projetados para otimizar o custo e a confiabilidade em relação ao desempenho final.

Os motivos pelos quais vários motores de cilindro produzem mais potência para a mesma capacidade cúbica são:

1. Diâmetro menor x curso = pistões menores + bielas menores + virabrequim mais leve = menos massa para acelerar em cada curso = rotação mais rápida / RPM máxima mais alta = mais potência = velocidade máxima mais alta + aceleração mais rápida.
2. Mais cilindros = mais válvulas = maior taxa de produção de combustível = maior potência.

As desvantagens dos motores de vários cilindros incluem:

1. Maior complexidade de fabricação.
2. Maior despesa.
3. Maior dificuldade de manutenção e intervalos mais curtos entre os serviços.
4. Maior complexidade e dificuldade de configurar e ajustar o mecanismo para otimizar o desempenho.
5. Fiabilidade e robustez reduzidas.

Atualmente, existem regulamentações de confiabilidade bastante rigorosas na Fórmula 1 e há penalidades para as equipes que precisam substituir muitos motores em uma temporada para controlar os custos, mas, como princípio geral, o motor ideal para carros de corrida é aquele que se desintegra imediatamente após cruzar a pista. linha de chegada!

É claro que é impossível projetar um motor com precisão, mas historicamente você descobrirá que os motores de corrida são extremamente fortes quando usados ​​dentro do envelope de projeto pretendido (por exemplo, reconstrução total a cada dúzia de quilômetros, destruídos após alguns milhares de quilômetros), mas tendem a explodir espetacularmente se excederem o envelope em uma pequena quantidade. (por exemplo, em caso de manutenção, excesso de velocidade, etc.)

A razão para isso é uma combinação de economia de peso + tentando extrair a potência máxima absoluta e também o resultado do compromisso entre esses dois objetivos e a confiabilidade. O sucesso dos carros de corrida pode depender das menores margens. Se o seu carro é consistentemente 0,1 segundos mais rápido que o seu rival mais próximo em uma pista específica, isso equivale a uma vantagem de 5 segundos no final de uma corrida de 50 voltas. É por isso que os projetistas de carros de corrida tentarão usar todos os meios possíveis disponíveis para tornar seus carros um pouco mais rápidos.

O peso também é incrivelmente importante em um carro de corrida. Você pode pensar que economizar 1 grama de peso em um componente não faria diferença, mas se você pode economizar 1 grama em cada um dos 1000 componentes de um carro, economizou um total de 1 kg, o que em uma corrida leve carro, pode fazer um aumento de desempenho mensurável. Em um carro de corrida, um motor V16, pode muito bem ser mais caro, mais complicado e menos confiável que a mesma capacidade V8, mas todas as outras coisas são iguais, se pesar 2% menos e produzir 2% mais potência e ainda for confiável o suficiente para terminar as corridas, e a equipe tem o orçamento para construí-la e executá-la, então (os regulamentos permitem) eles a usarão.

O motor não é o único componente em um carro de corrida, mas é um dos mais importantes para determinar o desempenho final do carro. Na Fórmula 1, o custo e a complexidade adicionais de vários motores de cilindros são superados por sua vantagem de desempenho sobre uma mesma capacidade reta 4, por exemplo.

Na Fórmula 1 moderna, existem muitas regulamentações complexas, que governam o design do motor, a confiabilidade, a recuperação de energia, o consumo de combustível, o peso geral dos carros, etc. etc. Em geral, um motor de muitos cilindros bem projetado e construído terá a mesma capacidade, mas com menos cilindros.

Além da resposta de @Andrew Kerr: para uma determinada capacidade do motor, adicionar mais cilindros aumenta a potência de pico.
Mas também aumenta as perdas em várias áreas:

• mais peças móveis significa mais atrito.
• cilindros menores significa que a relação volume / área da parede diminui, aumentando as perdas de calor.
• há uma perda potencial de confiabilidade devido às peças móveis extras
• mais cilindros geralmente também significam um bloco do motor mais longo, o que dificulta a construção de um bloco que não flexiona quando é usado como peça estrutural (como é habitual na Fórmula 1).
• com mais de 12 cilindros, torna-se difícil construir um eixo de manivela suficientemente forte. Alguns motores diretos 8 usavam uma engrenagem no meio do eixo de manivela para transmitir energia à embreagem e à caixa de engrenagens.

Isso significa que há um número ideal de cilindros para uma determinada capacidade. Em 1989, a Fórmula 1 proibiu os motores turbo e mandatou um motor de 3,5 litros naturalmente aspirado. O número de cilindros era limitado a 12.
Vários fabricantes usaram computadores para encontrar o número ideal de cilindros e construíram motores V10. Acontece que, nessa capacidade, um V12 seria menos poderoso que um V10.

Ah, e a razão número 1 para não usar motores de muitos cilindros em carros pequenos: o consumo de combustível aumenta com o número de cilindros.

E especificamente para a última parte da pergunta:

Só porque as equipes de corrida podem se dar ao luxo de produzir motores como esse, qual é o benefício de usar esses motores em vez de motores de 6 ou 8 cilindros com maior cilindrada ?

A Fórmula 1 e outras classes de corrida têm um limite rígido de deslocamento. Isso é feito para limitar a potência do motor, o que é feito para manter o desempenho abaixo dos limites de design dos circuitos que eles usam (quanto mais rápido for um carro de corrida, maior será a área de escoamento).