Двигатель внутреннего сгорания.
Поршневым двигателем внутреннего сгорания называют такую тепловую машину, в которой превращение химической энергии топлива в тепловую, а затем в механическую энергию, происходит внутри рабочего цилиндра. Превращение теплоты сгорания в работу в таких двигателях - процесс однозначный, но развитие технологий и современная инженерия произвели большое количество видов моторов с различными рабочими циклами, видами впрыска и конструктивными исполнениями.
Исходным признаком классификации принят род топлива, на котором работает двигатель:
Двигатели внутреннего сгорания классифицируют также по следующим признакам:
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания.
Преобразование химической энергии топлива, сжигаемого в цилиндре двигателя, в механическую работу совершается с помощью газообразного тела - продуктов сгорания жидкого или газообразного топлива. Под действием давления газов поршень совершает возвратно-поступательное движение, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала с помощью кривошипно-шатунного механизма ДВС.
Прежде чем рассматривать рабочие процессы, остановимся на основных понятиях и определениях, принятых для двигателей внутреннего сгорания.
За один оборот коленчатого вала поршень дважды будет находиться в крайних положениях, где изменяется направление его движения.
Эти положения поршня принято называть мертвыми точками, так как усилие, приложенное к поршню в этот момент, не может вызвать вращательного движения коленчатого вала. Положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала двигателя достигает максимума, называется верхней мертвой точкой (ВМТ). Нижней мертвой точкой (НМТ) называют такое положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала двигателя достигает минимума.
Расстояние по оси цилиндра между мертвыми точками называют ходом поршня. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на 180°.
Перемещение поршня в цилиндре вызывает изменение объема надпоршневого пространства. Объем внутренней полости цилиндра при положении поршня в ВМТ называют объемом камеры сгорания.
Объем цилиндра, образуемый поршнем при его перемещении между мертвыми точками, называется рабочим объемом цилиндра. Рабочий объем двигателя представляет собой произведение рабочего объема цилиндра на число цилиндров.
Рабочим циклом называют совокупность последовательных процессов, осуществляемых с целью превращения тепловой энергии топлива в механическую.
Достижение периодичности рабочих циклов обеспечивается с помощью специальных механизмов и систем двигателя. Рабочий цикл любого поршневого двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлен по одной из двух схем.
Топливо и воздух в определенных соотношениях перемешиваются вне цилиндра двигателя и образуют горючую смесь. Полученная смесь поступает в цилиндр (впуск), после чего она подвергается сжатию. Сжатие смеси, необходимо для увеличения работы за цикл, так как при этом расширяются температурные пределы, в которых протекает рабочий процесс. Предварительное сжатие создает также лучшие условия для сгорания смеси воздуха с топливом.
Во время впуска и сжатия смеси в цилиндре происходит дополнительное перемешивание топлива с воздухом. Подготовленная горючая смесь воспламеняется в цилиндре при помощи электрической искры. Вследствие сгорания смеси в цилиндре резко повышается температура и, следовательно, давление, под воздействием которого происходит перемещение поршня от ВМТ к НМТ. В процессе расширения, нагретые до высокой температуры газы, совершают полезную работу. Давление, а вместе с ним и температура газов в цилиндре при этом понижаются. После расширения следует очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск), и рабочий цикл повторяется.
В рассмотренной схеме подготовка смеси воздуха с топливом, т. е. процесс смесеобразования, происходит в основном вне цилиндра, и наполнение цилиндра производится готовой горючей смесью, поэтому двигатели, работающие по этой схеме, называются двигателями с внешним смесеобразованием. К числу таких двигателей относятся карбюраторные двигатели, работающие на бензине, газовые двигатели, а также двигатели с впрыском топлива во впускной трубопровод, т. е. двигатели, в которых применяется топливо, легко испаряющееся и хорошо перемешивающееся с воздухом при обычных условиях.
Сжатие смеси в цилиндре у двигателей с внешним смесеобразованием должно быть таким, чтобы давление и температура в конце сжатия не достигали значений, при которых могли бы произойти преждевременная вспышка или слишком быстрое (детонационное) сгорание. В зависимости от применяемого топлива, состава смеси, условий теплопередачи в стенки цилиндра и т. д. давление конца сжатия у двигателей с внешним смесеобразованием находится в пределах 1.0-2.0 МПа.
Если рабочий цикл двигателя происходит по схеме, описанной выше, то обеспечивается хорошее смесеобразование и использование рабочего объема цилиндра. Однако ограниченность степени сжатия смеси не позволяет улучшить экономичность двигателя, а необходимость в принудительном зажигании усложняет его конструкцию.
В случае осуществления рабочего цикла по другой схеме, процесс смесеобразования происходит только внутри цилиндра. Рабочий цилиндр в данном случае заполняется не смесью, а воздухом (впуск), который и подвергается сжатию. В конце процесса сжатия в цилиндр через форсунку под большим давлением впрыскивается топливо. При впрыскивании оно мелко распыляется и перемешивается с воздухом в цилиндре. Частицы топлива, соприкасаясь с горячим воздухом, испаряются, образуя топливовоздушную смесь. Воспламенение смеси при работе двигателя по этой схеме происходит в результате разогрева воздуха до температур, превышающих самовоспламенение топлива вследствие сжатия. Впрыск топлива во избежание преждевременной вспышки начинается только в конце такта сжатия.
К моменту воспламенения обычно впрыск топлива еще не заканчивается. Топливовоздушная смесь, образующаяся в процессе впрыска, получается неоднородной, вследствие чего полное сгорание топлива возможно лишь при значительном избытке воздуха. В результате более высокой степени сжатия, допустимой при работе двигателя по данной схеме, обеспечивается и более высокий КПД. После сгорания топлива следует процесс расширения и очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск). Таким образом, в двигателях, работающих по второй схеме, весь процесс смесеобразования и подготовка горючей смеси к сгоранию происходят внутри цилиндра. Такие двигатели называются двигателями с внутренним смесеобразованием. Двигатели, в которых воспламенение топлива происходит в результате высокого сжатия, называются двигателями с воспламенением от сжатия, или дизелями.
В огромном мире двигателей внутреннего сгорания бесспорное лидерство принадлежит четырехтактникам, которые массово вовлечены в нашу повседневную деятельность. Основные особенности рабочих циклов ДВС, мы опишем именно на примере четырехтактника.
Схема устройства поршневого двигателя внутреннего сгорания:а) продольный вид, б) поперечный вид; 1-головка цилиндра, 2-кольцо, 3-палец,4-поршень,5 - цилиндр,6 - картер,7 - маховик, 8 - коленчатый вал,9 - поддон,10 - щека,11 - шатунная шейка,12 - кореннойподшипник,13 - коренная шейка,14 - шатун,15,17- клапаны,16 - форсунка.
Рабочий цикл четырехтактного ДВС
Двигатель, рабочий цикл которого осуществляется за четыре такта, или за два оборота коленчатого вала, называется четырехтактным. Рабочий цикл в таком двигателе происходит следующим образом.
Первый такт - впуск.
В начале первого такта поршень находится в положении, близком к ВМТ. Впуск начинается с момента открытия впускного отверстия, за 10-30° до ВМТ.
Камера сгорания заполнена продуктами сгорания от предыдущего процесса, давление которых несколько больше атмосферного. На индикаторной диаграмме начальному положению поршня соответствует точка r. При вращении коленчатого вала (в направлении стрелки) шатун перемещает поршень к НМТ, а распределительный механизм полностью открывает впускной клапан и соединяет надпоршневое пространство цилиндра двигателя с впускным трубопроводом. В начальный момент впуска клапан только начинает подниматься и впускное отверстие представляет собой круглую узкую щель высотой в несколько десятых долей миллиметра. Поэтому в этот момент впуска горючая смесь (или воздух) в цилиндр почти не проходит. Однако опережение открытия впускного отверстия необходимо для того, чтобы к моменту начала опускания поршня после прохода им ВМТ оно было бы открыто как можно больше и не затрудняло бы поступления воздуха или смеси в цилиндр. В результате движения поршня к НМТ цилиндр заполняется свежим зарядом (воздухом или горючей смесью).
При этом вследствие сопротивления впускной системы и впускных клапанов давление в цилиндре становится на 0.01-0.03 МПа меньше давления во впускном трубопроводе. На индикаторной диаграмме такту впуска соответствует линия rа.
Такт впуска состоит из впуска газов, происходящего при ускорении движения опускающегося поршня, и впуска при замедлении его движения.
Впуск при ускорении движения поршня начинается в момент начала опускания поршня и заканчивается в момент достижения поршнем максимальной скорости приблизительно при 80° поворота вала после ВМТ. В начале опускания поршня вследствие малого открытия впускного отверстия в цилиндр проходит мало воздуха или смеси, а поэтому остаточные газы, оставшиеся в камере сгорания от предшествующего цикла, расширяются и давление в цилиндре падает. При опускании поршня горючая смесь или воздух, находившаяся в покое во впускном трубопроводе или двигавшаяся в нем с небольшой скоростью, начинает проходить в цилиндр с постепенно увеличивающейся скоростью, заполняя объем, освобождаемый поршнем. По мере опускания поршня его скорость постепенно увеличивается и достигает максимума при повороте коленчатого вала примерно на 80°. При этом впускное отверстие открывается все больше и больше и горючая смесь (или воздух) в цилиндр проходит в больших количествах.
Впуск при замедленном движении поршня начинается с момента достижения поршнем наибольшей скорости и оканчивается НМТ, когда скорость его равна нулю. По мере уменьшения скорости поршня скорость смеси (или воздуха), проходящей в цилиндр, несколько уменьшается, однако в НМТ она не равна нулю. При замедленном движении поршня горючая смесь (или воздух) поступает в цилиндр за счет увеличения объема цилиндра, освобождаемого поршнем, а также за счет своей силы инерции. При этом давление в цилиндре постепенно повышается и в НМТ может даже превышать давление во впускном трубопроводе.
Давление во впускном трубопроводе может быть близким к атмосферному в двигателях без наддува или выше него в зависимости от степени наддува (0.13-0.45 МПа) в двигателях с наддувом.
Впуск окончится в момент закрытия впускного отверстия (40-60°) после НМТ. Задержка закрытия впускного клапана происходит при постепенно поднимающемся поршне, т.е. уменьшающемся объеме газов в цилиндре. Следовательно, смесь (или воздух) поступает в цилиндр за счет ранее созданного разрежения или инерции потока газа, накопленной в процессе течения струи в цилиндр.
При малых числах оборотов вала, например при пуске двигателя, сила инерции газов во впускном трубопроводе почти полностью отсутствует, поэтому во время задержки впуска будет идти обратный выброс смеси (или воздуха), поступившей в цилиндр ранее во время основного впуска.
При средних числах оборотов инерция газов больше, поэтому в самом начале подъема поршня происходит дозарядка. Однако по мере подъема поршня давление газов в цилиндре увеличится и начавшаяся дозарядка может перейти в обратный выброс.
При больших числах оборотов сила инерции газов во впускном трубопроводе близка к максимуму, поэтому происходит интенсивная дозарядка цилиндра, а обратный выброс не наступает.
Второй такт - сжатие.
При движении поршня от НМТ к ВМТ производится сжатие поступившего в цилиндр заряда.
Давление и температура газов при этом повышаются, и при некотором перемещении поршня от НМТ давление в цилиндре становится одинаковым с давлением впуска (точка т на индикаторной диаграмме). После закрытия клапана при дальнейшем перемещении поршня давление и температура в цилиндре продолжают повышаться. Значение давления в конце сжатия (точка с) будет зависеть от степени сжатия, герметичности рабочей полости, теплоотдачи в стенки, а также от величины начального давления сжатия.
На воспламенение и процесс сгорания топлива как при внешнем, так и при внутреннем смесеобразовании требуется некоторое время, хотя и очень незначительное. Для наилучшего использования теплоты, выделяющейся при сгорании, необходимо, чтобы сгорание топлива заканчивалось при положении поршня, возможно близком к ВМТ. Поэтому воспламенение рабочей смеси от электрической искры в двигателях с внешним смесеобразованием и впрыск топлива в цилиндр двигателей с внутренним смесеобразованием обычно производятся до прихода поршня в ВМТ.
Таким образом, во время второго такта в цилиндре в основном производится сжатие заряда. Кроме того, в начале такта продолжается зарядка цилиндра, а в конце начинается сгорание топлива. На индикаторной диаграмме второму такту соответствует линия ас.
Третий такт - сгорание и расширение.
Третий такт происходит при ходе поршня от ВМТ к НМТ. В начале такта интенсивно сгорает топливо, поступившее в цилиндр и подготовленное к этому в конце второго такта.
Вследствие выделения большого количества теплоты температура и давление в цилиндре резко повышаются, несмотря на некоторое увеличение внутри цилиндрового объема (участок сz на индикаторной диаграмме).
Под действием давления происходит дальнейшее перемещение поршня к НМТ и расширение газов. Во время расширения газы совершают полезную работу, поэтому третий такт называют также рабочим ходом. На индикаторной диаграмме третьему такту соответствует линия сzb.
Четвертый такт - выпуск.
Во время четвертого такта происходит очистка цилиндра от выпускных газов. Поршень, перемещаясь от НМТ к ВМТ, вытесняет газы из цилиндра через открытый выпускной клапан. В четырехтактных двигателях открывают выпускное отверстие на 40-80° до прихода поршня в НМТ (точка b) и закрывают его через 20-40° после прохода поршнем ВМТ. Таким образом, продолжительность очистки цилиндра от отработавших газов составляет в разных двигателях от 240 до 300° угла поворота коленчатого вала.
Процесс выпуска можно разделить на предварение выпуска, происходящее при опускающемся поршне от момента открытия выпускного отверстия (точка b) до НМТ, т. е. в течение 40-80°, и основной выпуск, происходящий при перемещении поршня от НМТ до закрытия выпускного отверстия, т. е. в течение 200-220° поворота коленчатого вала.
Схема рабочего процесса четырехтактного дизеля: а) впуск; б) сжатие; в) рабочий ход; г) выпуск.
Во время предварения выпуска поршень опускается, и удалять из цилиндра отработавшие газы не может.
Однако в начале предварения выпуска давление в цилиндре значительно выше, чем в выпускном коллекторе. Поэтому отработавшие газы за счет собственного избыточного давления с критическими скоростями выбрасываются из цилиндра. Истечение газов с такими большими скоростями сопровождается звуковым эффектом, для поглощения которого устанавливают глушители. Критическая скорость истечения отработавших газов при температурах 800 -1200 К составляет 500-600 м/сек.
При подходе поршня к НМТ давление и температура газа в цилиндре понижаются и скорость истечения отработавших газов падает. Когда поршень подойдет к НМТ, давление в цилиндре понизится. При этом критическое истечение окончится и начнется основной выпуск. Истечение газов во время основного выпуска происходит с меньшими скоростями, достигающими в конце выпуска 60-160 м/сек. Таким образом, предварение выпуска менее продолжительно, скорости газов очень велики, а основной выпуск примерно в три раза продолжительнее, но газы в это время выводят из цилиндра с меньшими скоростями. Поэтому количества газов, выходящих из цилиндра во время предварения выпуска и основного выпуска, примерно одинаковы.
По мере уменьшения частоты вращения двигателя уменьшаются все давления цикла, а следовательно, и давления в момент открытия выпускного отверстия. Поэтому при средних частотах вращения сокращается, а при некоторых режимах (при малых оборотах) совершенно пропадает истечение газов с критическими скоростями, характерными для предварения выпуска.
Температура газов в трубопроводе по углу поворота кривошипа меняется от максимальной в начале выпуска до минимальной в конце. Предварение открытия выпускного отверстия несколько уменьшает полезную площадь индикаторной диаграммы. Однако более позднее открытие этого отверстия вызовет задержку газов с высоким давлением в цилиндре и на их удаление при перемещении поршня придется затратить дополнительную работу.
Небольшая задержка закрытия выпускного отверстия создает возможность использования инерции выпускных газов, ранее вышедших из цилиндра, для лучшей очистки цилиндра от сгоревших газов. Несмотря на это, часть продуктов сгорания неизбежно остается в головке цилиндра, переходя от каждого данного цикла к последующему в виде остаточных газов. На индикаторной диаграмме четвертому такту соответствует линия zb.
Четвертым тактом заканчивается рабочий цикл. При дальнейшем движении поршня в той же последовательности повторяются все процессы цикла. Только такт сгорания и расширения является рабочим, остальные три такта осуществляются за счет кинетической энергии вращающегося коленчатого вала с маховиком и работы других цилиндров. Чем полнее будет очищен цилиндр от выпускных газов и чем больше поступит в него свежего заряда, тем больше, следовательно, можно будет получить полезной работы за цикл.
Для улучшения очистки и наполнения цилиндра выпускной клапан закрывается не в конце такта выпуска (ВМТ), а несколько позднее (при повороте коленчатого вала на 5-30° после ВМТ), т. е. в начале первого такта. По этой же причине и впускной клапан открывается с некоторым опережением (за 10-30° до ВМТ, т. е. в конце четвертого такта). Таким образом, в конце четвертого такта в течение некоторого периода могут быть открыты оба клапана. Такое положение клапанов называется перекрытием клапанов. Оно способствует улучшению наполнения в результате эжектирующего действия потока газов в выпускном трубопроводе.
Схема работы четырехтактного двигателя, цикл Отто: 1. Впуск; 2. Сжатие; 3. Рабочий ход; 4. выпуск.
Из рассмотрения четырехтактного цикла работы следует, что четырехтактный двигатель только половину времени, затраченного на цикл, работает как тепловой двигатель (такты сжатия и расширения). Вторую половину времени (такты впуска и выпуска) двигатель работает как воздушный насос.
В нынешнее время может показаться, что ДВС уходят понемногу в прошлое, их все больше затемняет электродвигатель со своими «зелеными» технологиями. Электрическая розетка стала символом прогресса. Стенды большинства автокомпаний на прошедшем в январе Детройтском автосалоне буквально били током, а любое упоминание о старом добром ДВС звучало дурным тоном. Так что же - двигатель внутреннего сгорания вскоре прекратит свое существование? По-крайней мере там же, в Детройте, представитель Toyota Коеи Сага на вопрос репортеров о том, когда ДВС, наконец, выйдет из игры, простодушно ответил: «Никогда! Когда кончится нефть, человечество будет заправлять его водородом».
Один из самых сложных составных блоков болида Формулы 1 - это двигатель. В силовой установке приблизительно насчитывается до 5000 деталей, из которых около 1500 - это движущиеся элементы. Сборка двигателя занимает около двух недель. Мотор формулы 1 может развивать мощность более 750 лошадиных сил и свыше 20 000 оборотов в минуту. При максимальном темпе гонки двигатель V8 потребляет около 60 литров топлива на 100 километров.
Прежде чем перейти непосредственно к его особенностям давайте определимся с некоторыми основными терминами:
В современном понимании двигатель Формулы 1 это поистине великое произведение искусства. Над созданием одного агрегата перед чемпионатом мира трудится огромный штат инженеров и не одна техническая лаборатория. И это не просто так, в «гонке вооружений» между командами технические эксперты вынуждены решать возникающие перед ними проблемы быстро и оперативно. А проблем более чем достаточно…
Одна из основных задач, которую решают конструкторы, это победить резонансные частоты в моторе. Каждый из элементов в силовом агрегате имеет свою собственную резонансную частоту, и на очень высоких оборотах, они в какой-то момент накладываются, и мотор может взорваться от собственного резонанса. Сегодня инженеры добились такой конструкции, при которой собственный резонанс не разрывает двигатель на куски.
При проектировании конструкторам необходимо отрабатывать и учитывать огромное количество характеристик и параметров: сейчас двигатель Формулы 1 проектируется не в статической среде, как это было раньше, а в динамической. Проектирование происходит с учётом всех процессов происходящих в моторе. Например, при очень высоких оборотах, что бы понять как будет вести себя клапан при открытии, важно знать не только механические характеристики пружины, распредвала, но и просчитать гидродинамикой, какое влияние окажут воздушные потоки на открытие клапана.
Современный силовой агрегат Формулы 1 не сможет проработать и треть дистанции, если многие из его компонентов не будут покрыты специальными антифрикционными покрытиями (никель, кобальт, титан и др.). Эти покрытия необходимы потому, что при очень высоких оборотах (порядка 20000 об./мин.), нагрузки которые приходятся на отдельные компоненты, столь высоки, что детали без специальных покрытий не смогут выдержать и начнут быстро разрушаться. Стоит отметить, что даже эти покрытия не надолго предохраняют двигатель от износа - сейчас силовой установки хватает на четыре, максимум шесть часов работы в гоночном режиме (от одного до трех этапов).
Ещё один важнейший компонент для современного двигателя, который должны правильно учесть инженеры - смазочные материалы. Моторное масло обеспечивает работу силовой установки и предохраняет трущиеся поверхности от преждевременного износа. Сегодня в моторах применяют масла с низкой вязкостью. Нефтяные компании специально разрабатывают эти моторные масла для болидов Формулы 1. Разработка масел для каждой отдельной трассы очень дорогое удовольствие и несмотря на то, что для скоростных трасс, и трасс типа Монако, Венгрии применение различного моторного масла может дать свой результат, но затраты будут огромны, и команды используют одинаковое моторное масло по ходу сезона на различных трасах. Точно неизвестно, какое количество масла вмещается в двигатель Формулы 1. В то время как 70% его находится в моторе, остальные 30% - в маслосборнике. Масло в маслосборнике меняется в пределах трех или четырех раз в минуту.
На завершительной стадии перед технологами предстает две важные задачи:
Проблемы и задачи, которые решают конструкторы, накладывает прямой отпечаток и на основные технические отличия двигателя формулы 1 от дорожного.
Технические отличия от дорожных двигателей:
Что касается главных характеристик, которыми должен обладать высокотехнологический агрегат - здесь история наложила свой отпечаток, сместив чашу весов немного в сторону. Мощность сама по себе осталась важным фактором, но не только один этот параметр важен. Нельзя сказать, что для мотористов, достижение максимальной мощности является главной задачей. Очень важен расход топлива. Сейчас в связи с запретом дозаправок, важно иметь оптимальное количество топлива в баке необходимое для прохождения гоночной программы. Имея на финише меньший вес всего болида за счёт выигрыша в виде веса остаточного топлива можно получить дополнительное преимущество. А прибавка в мощности на 10-20 л/сил. даст плюс в весе болида за счёт дополнительного запаса топлива.
С момента возникновения, в 1947 году в Формуле 1 применялись различные двигатели. Огромные возможности со стороны конструкторских новинок, хорошее финансирование и безостановочная «гонка вооружений» среди команд участников способствовала постоянному и все нарастающему прогрессу в развитии технических характеристик двигателей. А вместе с тем со все увеличивающимися скоростями и мощностями болидов Формулы 1- увеличилось количество смертей среди гонщиков… Поэтому FIA в 70-х годах вводит различные ограничения на двигатели болидов, которые с каждым годом становятся все более жесткими. И наконец, в сезоне 2010 года ограничения достигли таких узких рамок, что почти все существующие двигатели обладают схожими характеристиками и отличаются лишь небольшими преимуществами. В основном конструкторы работают над повышением надёжности и совершенствуют мелочи, которые не ограничили в доработках.
Согласно техническому регламенту Формулы 1, в 2010 году на двигатели болидов накладываются следующие ограничения:
В настоящее время также налагаются ограничения на смену моторов каждым гонщиком на своём болиде, эти ограничения называются: «Штраф за вторую замену мотора»: если кто-то превышает лимит в восемь моторов, отпущенных на сезон, то за каждый новый двигатель пилот получит штраф в 10 позиций на стартовом поле. Если вышло так, что сразу два дополнительных мотора использованы по ходу одного гран-при - то за второй из них придется "расплачиваться" на следующем этапе.
Но так было не всегда… В основном к ситуации которую мы имеем на данный момент можно выделить две оценки:
Чтобы для себя ответить на этот вопрос, необходимо пройтись вместе с редакцией Engine-Market по увлекательной и богатой событиями истории развития двигателей Формулы 1 и составить свое собственное впечатление: о самых легендарных и титулованых мотористах всех времен в Формуле 1 и об откровенных неудачниках; об огромном технологическом прыжке вперед и большоми количестве мелких шагов назад; о триумфах и катастрофах; о покорении человеком скорости и покорении человека скоростью.
Ни один механизм не аккумулирует в таком ограниченном пространстве столь высокую мощность, как болид Формулы 1. Силовой агрегат Формулы 1 можно назвать воплощением эталона для любого двигателя внутреннего сгорания (ДВС)- «вершиной айсберга» автомобильной инженерии. Примером того, сколь непростые задачи решают разработчики гоночной техники может послужить следующий факт: 2.4-литровый мотор развивает около 750 л.с. - более 300 л.с. на литр. Даже лучшие легковые автомобили развивают не более 100 л.с. на литр.
Двигатель крепится к монококу и работает как часть несущей конструкции болида. Соединенный в один блок с трансмиссией и задней подвеской, двигатель должен обладать большой прочностью, но не слишком увеличивать вес и габариты гоночной машины. Также очень важно, чтобы его центр масс находился как можно ближе к земле - благодаря этому центр тяжести автомобиля будет расположен ниже, а задняя часть получится предельно компактной.
Возможно, как мы выяснили в первой части, из-за действующих ограничений регламента, новые V8 не столь мощны, как их предшественники, но силенок и у них предостаточно. На то чтобы разогнаться до 250 км/ч, а потом остановиться, гоночному болиду требуется меньше времени (порядка 4 секунд), чем дорожному автомобилю для того, чтобы достичь вышеуказанной скорости. В такие моменты пилота вжимает в сиденье с перегрузкой в 1.4g - и эти нагрузки обеспечивает именно ДВС.
Но у всего вышесказанного есть обратная сторона медали, история двигателестроения во все времена существования Формулы 1 явно свидетельствует о том, что для побед одной мощности мало. Чтобы финишировать первым, сначала надо финишировать, а для этого главным образом нужна надежность. Моторы должны выдерживать более одного гоночного уикенда, и это заставляет инженеров искать компромисс между мощностью и надежностью, а сейчас это особенно актуально из-за вступления в регламент ограничения на ДВС - пилоту разрешается использовать за весь сезон не более 8 моторов, иначе штрафы.
Двигатель Формулы 1 раскручиваются до 17000 об/мин - что в три раза больше, чем моторы легковых машин, при этом поршни совершают около 300 движений в секунду.
При взгляде на современный гоночный болид сравнение приходит само собой. Настоящий хищный зверь, стремительный и могучий. Воображение сразу же выдает ассоциации: монокок - мускулистое и красивое тело, рама, как легкий, но прочный скелет, подвеска - это скорее всего лапы - пружинистые, сильные и выносливые. И, разумеется, сердце - неутомимый и мощный мотор.
Естественно, что в первые же десятилетия существования автогонок конструкторы спортивной техники именно двигателю уделяли первостепенное внимание. Так что еще до первой мировой войны все основные компоненты современного мотора были уже опробованы на практике. И если за полвека существования Формулы 1 понятия об аэродинамике, конструкции монокока или представление о роли подвески менялись кардинально, то двигатель изменился не так уж и значительно.
Главным образом сейчас упор идет на применение легких и сверхпрочных материалов в его конструкции. Правда, на протяжении всей истории формульных гонок конструкторы спорили, какими должны быть число и расположение цилиндров. Но разногласия носили скорее локальный характер между отдельными производителями ДВС, а провоцировали их в первую очередь довольно часто изменявшиеся технические требования.
В недалеком 2006 году по настоянию FIA место моторов V10 заняли V8. Логика этого решения проста: снижение мощности, повышение надежности, сокращение затрат - но инженерам пришлось поломать голову. С изменением конфигурации рабочий объем уменьшился с 3 л до 2.4 л, что означало снижение мощности примерно на 200 л.с. - и потерю 1-3 секунд на круге на большинстве трасс. А как мы знаем 1-3 секунды с круга для Формулы 1 считается почти целой вечностью.
Но так было не всегда, дорогие читатели, редакция ENGINE-MARKET, предлагает вам обратится к истории двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в Формуле 1.
За всю историю гонок традиционно применялись три различных типа ДВС, отличающихся своей конструкцией. Главное отличие между ними заключалось в расположении цилиндров относительно друг друга.
Типы двигателей в формуле 1.
Рядный двигатель. Это двигатель, в котором все цилиндры располагаются друг за другом в ряд. Но он не применяется в Формуле 1 с 60-х годов. При своих небольших размерах и компактности они были длинными, поэтому нуждались в тяжелом коленчатом вале, что, естественно, влияло на скоростные и аэродинамические свойства гоночного болида и давало меньше возможностей для «конструкторского» творчества инженеров.
ДВС Ф1 Maserati. Двигатели из Болоньи принесли своим пилотам одиннадцать побед. Девять из них пришлись на середину 50-х, когда за рулем славной 250F блистали Хуан-Мануэль Фанхио и Стирлинг Мосс. Рядная 2.5-литровая «шестерка», установленная на этой машине, выдавала 220 л.с. (1957 год).
Оппозитный двигатель. Его конструкция по праву считается лучшей в двигателестроении, и все внешние факторы говорят в его пользу. Два ряда цилиндров располагаются напротив друг друга. Эти двигатели стали популярны в Формуле 1 благодаря своему низкому центру тяжести и невысокой стоимости производства. Но в конечном итоге и от него отказались, так как он не удовлетворял оптимальным условиям перегрузок, действующих на болид во время поворотов.
ДВС Ф1: 16-цилиндровый H-образный от BRM (1966 год), представлял собой две оппозитные «восьмерки», расположенные друг над другом и работающие на один коленвал. Благодаря легкой цилиндро-поршневой группе и 64 клапанам двигатель раскручивался до немыслимых тогда 10500 об/мин, выдавая при этом рекордные 600 л.с
В настоящее время в болидах Формулы 1 используется V-образный двигатель. Название и внешний вид этого мотора говорят сами за себя: угол разделяет блок цилиндров надвое, в результате чего принято считать, что коленчатый вал является вершиной угла.
Все вышесказанные особенности конструкции моторов Формулы 1 прошли развитие с 1947 по настоящий 2010 год. Для удобства, мы разобьем этот период на этапы, выделяемые по техническим особенностям и требованиям регламента, к используемым в те времена двигателям на гоночных болидах.
Период 1947-1953 годов «Турбинники против атмосферников».
В это время на арене Формулы 1 сражались за чемпионство следующие ДВС:
Когда в 1947 г. первые правила Формулы 1 ограничили рабочий объем мотора 4500 куб.см или 1500 куб.см с компрессором, последний вариант казался более подходящей альтернативой. Наддув, то есть подача топливной смеси в камеру сгорания под давлением больше атмосферного, позволял заметно увеличить мощность. И действительно, лучшим двигателем Формулы 1 стал 8-цилиндровый Alfa Romeo с компрессором типа Rootes.
При рабочем объеме 1479 куб.см он развивал мощность до 370 (в 1950 г.) и даже 425 л.с. (в 1951 г.) и выиграл 10 из 13 этапов чемпионата мира, в которых участвовал.
Однако «итальянец» не был самым мощным. Англичане Раймонд Мэйс и Питер Бертон из фирмы BRM (British Racing Motors), подняв давление наддува, получили на то время прямо-таки устрашающую мощность - 525 л.с. Но конструкция требовала кропотливой доводки, на которую у небольшой мастерской не хватило ни времени, ни опыта. Поэтому BRM P15 Мk1 лишь однажды появился на старте гран-при Формулы 1.
В исторический день 14 июля 1951 г. в Сильверстоуне у компрессорных Alfa Romeo выиграл, наконец, безнаддувный мотор объемом 4.5 л. Его создатель, итальянский инженер Аурелио Лампреди сумел убедить Энцо Феррари, что доводочный потенциал безнаддувных моторов объемом 4500 куб.см гораздо выше. И как показала история, будущее покорилось атмосферникам.
Разработанный им 12-цилиндровый V-образный Ferrari 375 объемом 4494 куб.см впервые «показал зубы» на гран при Италии 1950 г. А через 10 месяцев, когда мотор Alfa Romeo, сконструированный еще в 1937 г., достиг в своем развитии максимума, что обернулось гигантским расходом топлива и низкой надежностью, опередил-таки Alfa Romeo. И все же после трех побед подряд, на последнем этапе сезона Ferrari проиграли. И кто знает, как складывалась бы борьба наддувных и атмосферных двигателей, если бы Международная автофедерация (FIA) не изменила технические требования. Так что следующей победы наддувного мотора пришлось ждать почти 30 лет.
В 1952-1953 гг. Формула 1 стала… Формулой 2. Рабочий объем ограничили до 2 л. или 500 куб.см с компрессором, объявив, что с 1 января 1954 г. входит в действие новая Формула 1 - соответственно 2500 и 750 куб.см. Разумеется, никому и в голову не приходило вкладывать большие деньги в производство двигателя, срок жизни которого ограничен всего лишь двумя сезонами. А потому на трассах чемпионата мира сражались в основном проверенные 2-литровые конструкции, до сих пор участвовавшие в гонках Формулы 2.
У Ferrari такой двигатель - 12-цилиндровый, V-образный, модели 166 - был разработан еще в 1948 г. Однако Лампреди вновь решил поспорить с Феррари, предложив простой и легкий 4-цилиндровый мотор. А ведь теория утверждала, что больший ход поршня «четверки» должен снизить число оборотов, а меньшая по сравнению с V12 площадь клапанов должна ухудшить наполнение цилиндров горючей смесью. Но Лампреди здраво рассудил, что простой 4-цилиндровый блок будет легче, количество же движущихся деталей сократится на 65%.
А значит - можно снизить механические потери. И точно - первый экземпляр этого двигателя превзошел своего 12-цилиндрового собрата - 170 против 155-160 л.с., а весил на 42 кг легче. Простой, легкий, надежный, относительно дешевый, с хорошей кривой крутящего момента на низких оборотах. Этот мотор дебютировал в сентябре 1951 г. А в 1952-1953 гг. проиграл лишь один из 15 этапов чемпионата мира!
Впрочем, успехи «пятисотки» можно объяснить не только чутьем Лампреди, но и слабостью конкурентов. Английские Alta, HWM, Connaught, Bristol, AJB, разработанные зачастую на базе серийных моделей, оказались маломощными и тихоходными. Единственным, по сути, соперником Ferrari 500 остался Maserati A6GC. Судьба распорядилась так, что этому мотору суждено было отличиться лишь однажды - на последнем этапе сезона 1953 года. Но вот что интересно: первые два гран-при «новой» 2.5-литровой Формулы 1 выиграл Maserati 250F, двигатель которого был дальнейшим развитием A6GC.
Период 1954-1960 годов «Эпоха Mercedes-Benz и британской экспансии».
В этот период присутствовали такие двигатели:
Джулио Альфиери довел рабочий объем до 2493 куб.см, а мощность до 240 л.с. Так же поступили и в Ferrari, «раздув» чемпионскую «пятисотку» до 2.5 л - от добра добра не ищут. И прогадали: лидерство в новой Формуле 1 захватили специально разработанные конструкции. И прежде всего Mercedes-Benz M196.
Немцы выбрали схему с 8 расположенными в ряд цилиндрами - даже по тем временам отнюдь не самую передовую. Длинный блок увеличивает базу машины, что может отрицательно сказаться на управляемости. Зато они оснастили свое детище впрыском топлива вместо карбюраторов и специальным клапанным механизмом. Первый призван был повысить мощность, увеличить степень сжатия, сделать мотор более «эластичным» и даже более компактным.
С тех пор впрыск топлива получил повсеместное распространение, а вот вторая новинка - принудительное движение клапанов в обе стороны - хотя и позволяла добиться хорошего наполнения цилиндров, из-за своей сложности так и не прижилась в Формуле 1.
Еще одной отличительной особенностью немецкого мотора было его расположение. Наклонив двигатель на 53° вправо, удалось не только снизить высоту, но и сместить карданный вал на 205 мм влево от продольной оси автомобиля. Это дало возможность опустить сиденье гонщика и понизить центр тяжести.
За два сезона Mercedes-Benz W196 выиграл 9 из 12 этапов чемпионата мира. Восхищение этой машиной было столь велико, что другая новинка тех лет несколько ушла в тень. Витторио Яно спроектировал для фирмы Lancia V-образную «восьмерку», служившую силовым элементом шасси: задним концом двигатель крепился к раме, а передний конец нес подвеску. Конструкция требовала необычайной точности при сборке, величайшей тщательности обработки, зато давала существенную экономию в весе. Увы, финансовые неурядицы вынудили Джанни Лянчу продать свою «конюшню» Энцо Феррари. И после ухода со сцены Mercedes-Benz творение Яно выиграло чемпионат мира. Но уже под чужим именем.
Между тем, при отсутствии интереса со стороны крупных автомобильных фирм, центр гоночного моторостроения медленно, но верно перемещался на Британские острова. Гай Энтони Вандервелл, директор крупнейшего тогда в мире мотоциклетного завода Norton, поручил поляку Лео Кузмицки построить двигатель для новой машины Формулы 1. На картере из алюминиевого сплава тот разместил 4 «нортоновских» цилиндра, добавив мотоциклетному блоку рубашку водяного охлаждения.
20 июля 1957 г. Тони Брукс и Стирлинг Мосс за рулем Vanwall VW7/57 выиграли британский гран-при. А следующее слово в британской экспансии сказали инженеры фирмы Coventry Climax Уолтер Хассан и Харри Манди. Разработанный ими мотор FPF дважды - в 1959 и 1960 гг. - выигрывал чемпионат мира. Любопытно, что двигатель этот был гораздо менее мощным, нежели его немецкие и итальянские предшественники - 240 л.с. по сравнению с 290 л.с. Mercedes-Benz и 300 л.с. Ferrari.
Но - легкий (132 кг), надежный, компактный, он обладал замечательным крутящим моментом на средних оборотах и - главное - был специально сконструирован для Cooper и Lotus, которые к тому времени разработали легкие и юркие гоночные автомобили с двигателем, расположенным за спиной пилота, что обеспечивало им гораздо лучшую управляемость.
Однако в FIA победы англичан никакого особенного энтузиазма не вызвали. И несмотря на энергичные протесты со стороны британских команд рабочий объем двигателей Формулы 1 с 1 января 1961 г. был ограничен 1500 куб. см.
Период 1961-1965 годов «Жужащие пчелки».
В 1961 были вновь изменены требования к двигателям. Теперь можно было использовать только атмосферные двигатели объёмом 1.5 литра. Мощность колебалась от 150 до 225 л.с.
Атмосферные двигатели этого периода:
Критики такого решения говорили о низведении гонок гран-при до уровня Формулы 3, о том, что желающих смотреть соревнования маленьких и не слишком быстрых машин появится немного. Действительно, новые формулы, чьи моторы поражали зрителей высоким осиным жужжанием, выглядели поначалу несколько несерьезно. Зато сколько разных конструкций предложили моторостроители
Рядные «четверки» Climax, Maserati и OSCA; V-образная «шестерка» Ferrari с двумя разными углами развала цилиндров - 65 и 120°; V-образные «восьмерки» BRM, Climax, ATS, Ferrari и оппозитная De Tomaso; 12-цилиндровые V-образные Ferrari, Maserati, Honda и даже (впервые в истории Формулы 1) 4-цилиндровый горизонтально-оппозитный двигатель с воздушным охлаждением (как у «фольксвагеновского» «Жука») - разумеется, от Porsche.
Лучшим же двигателем 1.5-литровой Формулы 1 стал 8-цилиндровый V-образный Coventry Climax FWMV. Четырежды за пять лет конструкторы уменьшали ход поршня (с 57.4 до 45.4 мм) и увеличивали диаметр цилиндра (с 62.9 до 73.3 мм) этого мотора. Соответственно росли число оборотов - с 8500 до 10800 и мощность - со 183 до 213 л.с. Наконец, в 1965 г. FWMV получил 4 клапана на цилиндр и стал последним 1.5-литровым чемпионом мира.
Период 1966-1986 годов «Доминирование Cosworth и новая турбоэра».
Двигатели этих лет в Формуле 1:
Новые технические требования, вступившие в силу с 1 января 1966 г. (максимальный рабочий объем двигателя 3000 куб.см или 1500 куб.см с наддувом), все встретили с энтузиазмом. Тем не менее, на старт первого этапа чемпионата вышли всего 7 машин с 3-литровыми моторами. И ни одна из них так и не сумела добраться до финиша! Пока команды использовали расточенные до 2 л прошлогодние моторы, инженеры вовсю трудились над доводкой новых агрегатов.
Фаворитом казался 12-цилиндровый V-образный Ferrari с рабочим объемом 2989 куб. см и мощностью 360 л.с. при 9800 об/мин. Ведь Honda и Харри Уэслейк, трудившийся для американца Дэна Гарни и его Eagle, провозились с новыми двигателями до сентября. В Maserati гений Альфиери по заказу Cooper всего лишь немного модифицировал 12-цилиндровый 2.5-литровый мотор 1957 г. Брюс Мак-Ларен никак не мог выбрать между маломощными и ненадежными «восьмерками» Ford и Serenissima. Так что единственным серьезным соперником Ferrari можно было считать BRM.
Его создатель Тони Радд решил, не мудрствуя лукаво, просто соединил вместе два имевшихся 1.5-литровых мотора. Для этого блок V-образной «восьмерки» BRM переделали в горизонтально-оппозитный, а потом один такой мотор положили на другой, соединив коленчатые валы шестернями. Но с самого начала H16 отличался большой массой и огромным числом движущихся деталей. BRM P83, который весил на 190 кг больше разрешенной правилами полутонны, в 1966-1968 гг. 33 раза выходил на старт гран-при и лишь 9 из них завершил.
Правда, Lotus 43 с таким мотором однажды все-таки выиграл (гран-при США 1966), принеся тем самым 16-цилиндровому мотору единственную победу в Формуле 1.
Подлинной же примой первых двух сезонов 3-литровой Формулы стала малоизвестная австралийская компания Repco. А ведь на фоне специальных конструкций опытных моторостроительных фирм подготовленный ею мотор казался каким-то суррогатом. Фрэнк Халлам и Фил Эрвинг решили сэкономить время, оснастив алюминиевый блок серийного американского мотора Oldsmobile F85 новыми головками цилиндров с верхними распределительными валами и впрыском топлива Lucas; 315-сильный Repco 620 (годом позже мощность довели до 360 л.с., а с введением в 1968 г. четырех клапанов на цилиндр - до 400 л.с.) дважды подряд выигрывал чемпионское звание, наглядно продемонстрировав преимущества простой, легкой и надежной конструкции.
А 4 июня 1967 г. на старте гран-при Нидерландов появился легендарный Ford Cosworth DFV, который, пожалуй, можно назвать духовным наследником австралийского мотора. Построенный из двух серийных «фордовских» моторов, он, по сути, уже имел все черты современного мотора Формулы 1: V-образное расположение цилиндров, 4-клапанные головки, шестеренчатый привод 4 распредвалов, а также, разумеется, впрыск топлива и систему смазки с сухим картером. Он был специально сконструирован, чтобы служить несущим элементом шасси, соединяя монокок кузова с задней подвеской.
Поначалу двигатель Cosworth не произвел большого впечатления на специалистов своими характеристиками. Ход поршня 64.8 мм и диаметр цилиндра 85.7 мм давали рабочий объем 2993 куб. см и позволяли развить 400 л.с. при 9000 об/мин. Немного, учитывая 410 л.с. Ferrari и 420-сильную Honda. Специалисты уверенно предсказывали скорую победу 12-цилиндровых моторов над «фордовской» «восьмеркой», в который уже раз вспоминая о лучших возможностях форсировки таких агрегатов.
Но сезон шел за сезоном, Фрэнк Костин и Кейт Дакуорт (из их фамилий составлено название Cosworth), не теряя надежности, жесткости и хорошей характеристики крутящего момента на средних оборотах, наращивали мощность своего детища (425 л.с. в 1969 г., 450 - в 1970 г., 480 - в 1977 г.). Между тем, соперники не спешили оправдывать возложенных на них надежд. Скажем, 12-цилиндровые Ferrari, Matra и BRM в 1970 г. располагали мощностью в 450-458 л.с., заметно превосходя Cosworth лишь в числе оборотов - 11500 против 10000. При этом DFV был легче, надежней и значительно дешевле. Нечего удивляться, что конкуренты один за другим выходили из игры, а Cosworth выиграл 7 чемпионатов мира подряд!
Теоретики вздохнули было облегченно в 1975 г., когда появившийся еще шестью годами раньше горизонтально-оппозитный двигатель Ferrari наконец серьезно (510 против 470 л.с.) обошел Cosworth в мощности. Но даже после чемпионских титулов в 1975, 1977 и 1979 гг. Ferrari так и не победила английскую «восьмерку». Больше того, именно в 1977 г. у итальянцев появился неожиданный и очень грозный «давний» соперник - турбонаддув.
Турбоэра.
14 июля 1977 г. зрителей британского гран-при в Сильверстоуне немало позабавил желтый автомобиль под номером 15 - несколько неуклюжий, с курьезным раструбом воздухозаборника и время от времени курящимся дымком из-под капота постоянно ломающегося мотора. Ни дать, ни взять - желтый чайник!
С гораздо большим интересом отнеслись к машине специалисты. Ведь Renault - первый за последнюю четверть века автомобиль Формулы 1, оснащенный двигателем с наддувом. На смену механическим компрессорам теперь пришел турбонаддув - смесь подавалась в цилиндры при помощи турбины, раскручиваемой выхлопными газами мотора. Отсюда, кстати, и первый минус таких агрегатов - запаздывание турбины и невозможность получить максимальную мощность на старте и при разгоне на выходе из медленных поворотов. Турбомоторы были к тому же тяжелее, сложнее, более громоздкими (несмотря на вдвое меньший рабочий объем) и гораздо менее надежными.
Зрители потешались над «желтыми чайниками», пока 1 июля 1979 г. Жан-Пьер Жабуй на Renault RS10 не выиграл гран-при Франции. А в начале следующего сезона он и его товарищ по команде Рене Арну уже считались главными фаворитами первенства мира. Но, как ни странно, еще 3 чемпионата подряд выиграл «старый добрый» DFV, преподнеся конструкторам очередной урок на тему: «Мощность мотора - обстоятельство важное, но отнюдь не решающее».
V-образные «турбошестерки» Ferrari 126C и Renault E располагали в 1981 г. 550 л.с. по сравнению с 490 л.с. Cosworth. Но Ferrari сошли 16, а Renault 15 раз в 30 стартах. Мало того, когда в 1983 г. турбомоторы положили-таки своих «атмосферных» собратьев на лопатки, успех праздновали не итальянцы или французы, а немцы.
Первым «турбо-чемпионом» стал 4-цилиндровый двигатель BMW M12/13, развивавший от 557 л.с. в 1981 г. до 640 л.с. при 10500 об/мин в 1984 г. Подобно многим своим добившимся успеха предшественникам, таким, как Repco и DFV, баварский мотор, разработанный под руководством ветерана BMW Пауля Роше, базировался на серийном блоке.
Еще одной любопытной тенденцией тех лет стало стремление моторостроительных заводов работать со специализированными фирмами, производящими шасси. «Я уверен, - говорил шеф BMW Motorsport Дитер Стапперт, - что Brabham-BMW, McLaren-Porsche и Williams-Honda всегда будут работать эффективнее, чем завод, который все хочет делать сам, как Renault или Ferrari».
Именно в порядке, предсказанном Стаппертом, завоевали чемпионские титулы немецкие и японская команды. Практически все недостатки турбомоторов удалось устранить. С запаздыванием турбины справились введением второго агрегата наддува, надежность заметно улучшилась, повышенный расход топлива компенсировался просто чудовищной мощностью. В 1986 г. она составляла 850-920 л.с., а для квалификационных заездов использовались специальные версии с увеличенным давлением наддува, развивавшие до 1200 л.с.! Подумать только!
Такой рост мощности обеспокоил руководство FIA. Сначала его пытались сдерживать, урезая количество топлива или при помощи клапанов ограничения давления наддува. Но вскоре 1 января 1989 г. запретили наддув. А чтобы машины Формулы 1 поначалу не казались зрителям медлительными, объем «атмосферных» двигателей увеличили до 3500 куб. см.
Одной из причин запрета турбонаддува называли стремление снизить стоимость силовых агрегатов. Но, как оказалось, новые двигатели стали еще дороже. Так Honda затратила на проектирование 10-цилиндрового RA109E в полтора раза больше средств, нежели на его турбопредшественника.
Поэтому на рубеже 80-90-х годов небольшие фирмы, на свой страх и риск решившие строить агрегаты для Формулы 1, не могли уже рассчитывать на успех, даже если получали определенную плату от автозаводов в качестве спонсорской поддержки.
Переход Формулы 1 на "экологичные" турбодвигатели V6 станет ключевым элементом глобального технического перевооружения спорта в 2014-м году. Крэг Скарборо углубляется в особенности вопроса
Формула 1 подошла к переломному моменту. Новации затронут каждую область машины, но ничто не претерпит таких глобальных изменений, как двигатели.
На протяжении последних десятилетий новации в области моторов никогда ещё не требовали столь глобальных перемен, которые, вдобавок, требовалось бы осуществить одним махом. Стремление FIA к относительно экономичным, но одновременно мощным двигателям вылилось в переход Формулы 1 на турбированные агрегаты объёмом 1,6 литра.
Можно не сомневаться, что в сезоне-2014, самым важным – и почти наверняка даже определяющим – фактором станут именно технологии двигателестроения.
На протяжении десятилетий регламент на моторы оставался практически неизменным. Появившись в 1960-х, трёхлитровые двигатели Формулы 1 сначала уступили турбомоторам, затем чемпионат вернулся к "атмосферникам" – сначала объёмом 3,5 литра, после вновь трёхлитровым, а затем уже к современным 2.4. несмотря на "турбофлирт", а также движение последних лет в сторону фиксированных комбинаций, базовая структура моторов ни разу не претерпевала качественным изменений.
Турбины в Ф1 появились с лёгкой руки Renault в 1977 годуФото: LAT
Благодаря относительной стабильности регламента, частота вращения коленвала атмосферных двигателей достигла отметки 20000 в минуту, а мощность – 1000 л.с. Когда в 2006-м чемпионат оказался перед лицом финансовых проблем, было решено "заморозить" спецификацию моторов.
Прошлый год Формула 1 закончила с 2,4-литровыми V8, способными раскручиваться до 18000 оборотов в минуту и выдавать на-гора до 780 л.с. Благодаря запрету на доработку двигатели стали чрезвычайно надёжными.
В результате затраты поставщиков значительно снизились – у них больше не было необходимости развивать технологии и строить большое количество моторов на сезон. Несмотря на потерю Honda, BMW и Toyota, Формуле 1 удалось подойти к концу сезона-2013 с четырьмя поставщиками.
На протяжении какого-то времени в FIA оценивали несколько вариантов конфигурации двигателей. К выбору именно такой спецификации привел ряд соображений, однако решающий вес в принятии окончательного решения сыграла пресловутая "экологичность". В итоге мы увидим более компактные и эффективные моторы, способные обеспечивать ту же мощность, что и их предшественники в 2013 году.
В процессе обсуждения первоначальная идея о 1,6-литровых рядных "четвёрках" эволюционировала к варианту V6. Такое решение оказалось на руку Ferrari и Mercedes, которые боялись, что изначальная концепция негативно скажется на маркетинговых программах реализации дорожных автомобилей. Кроме того, в плане спецификации двигателей новая формула оказалась довольно близка к требованиям марафонского чемпионата мира WEC в классе LMP1.
Первая же редакция регламента 2014-го однозначно дала понять, что новые двигатели будут радикально отличаться от прежних "восьмёрок": объём 1,6 литра, турбонагнетатель с неограниченным давлением наддува, планка предельных оборотов на уровне 15 тысяч и жёстко лимитированный расход топлива.
Дальнейшая корректировка правил привела к тому, что все вышеуказанные параметры претерпели изменения, а также появился пункт об использовании лишь пяти моторов по ходу сезона. Эти далеко идущие изменения требуют разработки абсолютно нового двигателя – или "энергоблока", как его называют в регламенте за мощную систему рекуперации энергии.
Исторически у производителей двигателей для Формулы 1 была определённая свобода в плане выбора количества цилиндров, угла развала блоков и размеров поршня в пределах установленного максимального объема.
В начале 2000-х началась активная борьба моторостроителей – война технологий привела к тому, что силовые агрегаты становились всё меньше, легче, достигали более высоких оборотов. Однако в FIA начали одно за другим вводить ограничения, и с каждой последующей редакцией правил они становились всё более жёсткими.
Из-за того, что основные решения в архитектуре двигателей уже прописаны, командам придётся действовать в их рамках. Как уже упоминалось, мотор должен быть шестицилиндровым с V-образным размещением блоков при угле развала в 90 градусов. Диаметр цилиндров составляет 80 мм, ход поршня также фиксирован.
Двигатели V12 исчезли из Больших Призов после 1994 годаФото: LAT
Таким образом, производители моментально сталкиваются с трудными задачами. Предыдущий диаметр цилиндров в 98 мм достался Формуле 1 по наследству ещё от эры V10, эта норма осталась в силе и при переходе к восьмицилиндровым двигателям. Таким образом, уменьшение размера потребует ряда абсолютно новых разработок для всех тестовых стендов.
Меньшие поршни также потребуют, чтобы клапаны сильнее выступали в камеру сгорания, что, наряду с возросшей температурой в ней, приводит к необходимости использования более компактных свечей зажигания.
Проблемой могут стать более высокие температура и давление. Система масляного охлаждения поршней – та область, которой придётся уделить пристальное внимание. Вполне вероятно, что для повышения надёжности поршней их вновь будут изготавливать из стали, а не алюминия.
Правила также определяют геометрические размеры той области машины, куда должен быть установлен двигатель, вплоть до конкретных точек крепления блока – данный пункты в теории призваны предотвратить создание командами слишком компактных установок, а также облегчить процесс замены мотора.
Из этого следует, что теоретически возможны любые комбинации шасси и двигателей. Команды наверняка смогут смонтировать новый мотор на свою машину и прикрепить к нему коробку передач, однако всё же необходимо будет провести ряд доработок и изменений, чтобы подготовить машину к установке другого двигателя.
В правилах прописан максимальный вес мотора, он составляет 145 килограмм, что намного больше прошлогодней нормы в 95 кг, поскольку в эту величину входит и система рекуперации энергии. Именно поэтому команды так желают видеть в своём составе лёгких пилотов, чтобы иметь возможность "играть" развесовкой по осям в своих интересах.
Регламентом также определено положение центра тяжести двигателя – чтобы команды не тратили существенные суммы средств на поиск решений по его понижению с целью получения преимущества.
Центр тяжести выше на 35 мм по сравнению с прошлогодним показателем до 200 мм, но это объясняется более высокой осью вращения коленчатого вала – она расположена на 32 мм выше, чем прежде, что также сказалось на конструкции сцепления и коробки передач.
Возвращение турбокомпрессоров в Формулу 1 позволит новым "малолитражным" двигателям соответствовать по мощности своим атмосферным предшественникам.
Турбины формально разрешено было использовать еще с 1950 года, но фактически они появились в Формуле 1 благодаря Renault в 1977-м – и использовались множеством производителей вплоть до запрета в 1988-м году. В то время классические трёхлитровые Cosworth V8 и оппозитные 12-ти цилиндровые двигатели Ferrari проигрывали 1,5-литровым турбомоторам соперников.
Хороший двигатель Формулы 1 до начала "турбоэры" выдавал 550 лошадиных сил, но в период наддувных силовых агрегатов и свободы в использовании топлива этот показатель достигал 1500 лошадиных сил!
Возвращение Формулы 1 к использованию турбин не будет означать, что мы вновь увидим необузданную мощность и вырывающееся из выхлопных трубы пламя, как это было в 80-х. Вместо этого – в рамках озвученного тренда к использованию технологий для дорожных автомобилей – наддув станет меньшим, исчезнет "турбояма" [задержка отклика мотора], а уровень расхода топлива заметно сократится.
В 1980-е турбомоторы выдавали больше 1000 л.с.Фото: LAT
Параметры нагнетателя также строго регламентированы: допускается наличие одной турбины с изменяемой геометрией.
Система должна быть размещена параллельно продольной оси автомобиля и использовать энергию отработанных газов на выходе из блоков цилиндров.
Невозможно будет использовать выхлопные газы внутри V-образного блока – такой подход имеет место в суперкарах Audi в классе LMP, а также применялся командой Ferrari на заре турбоэры.
Хотя применение байпасных клапанов турбины и разрешено, абсолютно все выхлопные газы должны выходить через единую выхлопную трубу. В силу оговоренного расположения выхлопной трубы и количества энергии, которую будет получать турбина от отработанных газов, использование выхлопа в аэродинамических целях будет строго ограничено.
Не считая ранних турбомоторов Renault, в Формуле 1 так и не нашла применения идея с использованием одной турбины, размещённой по центральной оси – мы привыкли видеть, что воздух поступает через специальные "перископные" воздуховоды на боковых понтонах.
В спецификации 2014-го года турбина должна быть размещена прямо за двигателем, потому сверху осталось свободное пространство для воздуховода, начинающегося за головой пилота. Потому внешне машины будут выглядеть практически так же.
Однако забор воздуха никак не регулируется, так что команды могут найти другие места для размещения отверстий. Единственное условие – они не должны располагаться ближе 20 см от поверхности земли.
Благодаря отсутствию ограничений в этой сфере, перед командами открываются разнообразные аэродинамические возможности, чтобы избежать использования излишне большого воздухозаборника над головой пилота, а также использовать в аэродинамических целях негативное давление, возникающее сразу позади заборного отверстия.
Турбина потребует мощной системы охлаждения. В ней самой для этого используется масло, но также необходимо будет снизить температуру воздуха, проходящего через турбину перед подачей его в двигатель. Таким образом, большую часть пространства в одном из боковых понтонов займёт большой интеркулер (система промежуточного охлаждения).
Команды будут стремиться к минимизации длины воздуховодов, по которым поток направляется от турбины через интеркулер к мотору, чтобы снизить показатель задержки (турбо-лага). К счастью, общая теплоотдача не будет превышать прошлогодних показателей, так что традиционные масляный и водяной радиаторы получится разместить в одной боковине, освобождая место для интеркулера в другой.
Первоначальная идея возврата в Формулу 1 турбо-технологий без ограничения давления наддува звучала как начало очередной гонки технологических вооружений в стремлении производить моторы с высочайшей степенью наддува и огромной мощностью на выходе. Но озабоченность Формулы 1 "зелёным" имиджем перечеркнула такой вариант развития событий путём введения ограничения расхода топлива.
В FIA приняли довольно мудрое решение в данном вопросе: двигатель на оборотах свыше 10500 в минуту не может потреблять больше 100 кг топлива в час.
Топливная эффективность станет важным факторомФото: LAT
На менее нагруженных режимах расход уменьшается пропорционально оборотам. Фактически получается, что именно на 10500 оборотах в минуту будет достигаться максимальная мощность: расти дальше ей помешает ограничение на расход топлива – к тому же, на максимальных 15000 об/мин начнет негативно проявлять себя сила трения.
Двигатели окажутся наиболее эффективными на подступах к отметке в 10500 оборотов в минуту, а значит, свыше этого показателя коленвал будет раскручиваться лишь в квалификации в конце длинных прямых, да и то в силу фиксированных передаточных чисел.
Во избежание потери мощности из-за ограничения расхода топлива FIA впервые разрешила использовать систему прямого впрыска. В моторах предыдущих поколений использовался непрямой впрыск – топливо распылялось при помощи форсунок, установленных над впускными патрубками. Теперь топливо будет впрыскивается непосредственно в камеру сгорания при высоком давлении. FIA ограничила его величину на уровне 500 бар для предотвращения разработки дорогостоящих насосов высокого давления.
Финальный пункт раздела правил, касающегося топлива, говорит об использовании датчика, контролирующего максимальный расход. Это ультразвуковое устройство было создано компанией Gill Sensors. Преимущество датчика состоит в том, что он никак не сказывается на течении топлива. Расход будет контролироваться электронным блоком с целью не допустить повышенного уровня потребления топлива двигателем.
Большинство поклонников Формулы 1 переживают по поводу звука новых двигателей. Меньший объём, турбина и заметно более низкие обороты – всё это является прямой антитезой эпохе V10/V8, потому вызывает опасения, что моторы будут слишком тихими, имеющими "не то" звучание.
Те, кто помнят предыдущую турбо-эру 80-х, знают: тогда двигатели были ещё меньше в объеме (1,5 литра), имели меньшую турбину и раскручивались до более низких оборотов. Я бывал на Гран При в тот период, и могу смело утверждать, что моторы тогда звучали громко и интересно. Конечно, всегда найдутся недоброжелатели, но дискуссии по поводу звучания смолкнут вскоре после старта сезона.
Еще одно воспоминание из 80-х годов: в случае схода пилота из-за отказа двигателя болельщики могли наблюдать языки пламени из полыхающего мотора. Не думаю, что в 2014 году мы станем свидетелями таких зрелищных пожаров, но слишком уж долгим получился период невероятной надёжности восьмицилиндровых "атмосферных" двигателей, ставший следствием "заморозки" регламента.
Команды и пилоты в наши дни попросту не привыкли к отказам техники или провалам в чемпионате из-за проблем с надёжностью. Титул в следующем сезоне вполне может быть выигран не самой быстрой, а самой надёжной машиной.
Ещё одной проблемой для каждого, кто столкнётся с недостаточной надёжностью техники, станет ограничение количества двигателей в пять на сезон. В случае необходимости использования дополнительного блока [каждый силовой агрегат разбит на несколько блоков, которые можно менять независимо] последуют штрафные санкции – перестановки по решетке. Это может стать настоящей проблемой для некоторых команд в конце сезона.
Итак, каким именно образом будут работать новые двигатели в свете всех указанных ограничений? Справедливости ради стоит отметить, что сами по себе бензиновые агрегаты не смогут соответствовать предыдущему поколению моторов в плане пиковой мощности.
Но в паре с обновлённой системой рекуперации энергии на выходе мы получим примерно ту же мощность. Однако время на круге в данном случае не стоит рассматриваться в качестве основного показателя, поскольку во многих случаях проявят себя иные приёмистость и крутящий момент.
Двигатели 2013-го года развивали совсем небольшую мощность на оборотах до 10000 в минуту, а затем шёл резкий скачок в 500 лошадиных сил на следующих 8000 оборотах.
Диапазон мощности турбомоторов находится ниже: двигатели будут демонстрировать лишь половину своих возможностей до 5000 оборотов в минуту, а затем смогут выдавать все 600 лошадиных сил вплоть до отметки в 10000 об/мин. Выше этого показателя, как уже говорилось, вступает в силу ограничение расхода топлива и мощность падает.
Без ERS (принцип работы системы рекуперации энергии будет описан в последующих материалах) двигатель сможет развивать 600 лошадиных сил; а вот с новыми системами ERS-K и ERS-H мощность составит уже 800 лошадиных сил на большей части круга – в сочетании с невероятно высоким показателем крутящего момента.
Все это новые двигатели смогут обеспечить, расходуя на треть меньше топлива, чем предыдущие образцы. В контексте вышесказанного можно сделать вывод, что новые моторы по-настоящему впечатляют.
Надыбал очень интересную статейку про двигатель Формулы 1. http://www.f1-live.ru/F1/X_EncyclopediaF1/techF1/EngineTech.htm
Двигатель болида Формулы 1. Двигатель болида Формулы 1 - самая сложная часть болида. Приблизительно, он насчитывает 5000 деталей, из которых около 1500 - движущиеся элементы. Когда все эти элементы собирают вместе после двух недель работы, он может развивать мощность более 750 лошадиных сил при свыше 20 000 оборотов в минуту. При максимальном темпе во время гонки двигатель V8 потребляет около 60 литров топлива на 100 километров. В то время как производители могли бы продолжать улучшать двигатель в пределах правил 2006 года, FIA постановила, исключить излишне высокие затраты и вынесла этот вопрос на рассмотрение в сезоне 2007. Исключая 20-30 л.с., от мощности ранее использовавшихся моторов, производители не могут дальше развивать двигатели, так как на них наложены ограничения в 19 000 оборотов в минуту. В конце 2005 года, сезоне, где правила позволяли использовать 3-х литровые моторы с 10 цилиндрами, некоторые двигатели, выдававшие более 980 лошадиных сил, на самом деле достигали отметки в 1000 лошадиных сил, и данный показатель не достигал таких отметок со времен официального запрета двигателей с турбонаддувом. Предвестником смены правил руководством Ф1 стала гонка в Монце, когда максимальная скорость добралась до отметки в 370 км/ч, что могло привести к большому риску как для гонщиков, так и для болельщиков. На данный момент V-образные 8-цилиндровые двигатели Ф1 с углом развала цилиндров в 90 градусов могут развивать мощность около 720 лошадиных сил. Ограничение на 19 000 об/мин, введенное в 2007 году, влияет на производительность двигателей и ставит конструкторам задачу в том, какой материал использовать при проектировании двигателя. Вот почему, в моторах Ф1 широко применяется сплав кованного алюминия, так как он дает преимущество в весе по сравнению со сталью. Другие материалы, возможно, имеют неоспоримое преимущество, но их использование ограниченно введенным запретом на излишнюю стоимость. К тому же, FIA запретила использование не металлосодержащих материалов. Точно не известно, какое количество масла вмещается в двигатель Ф1. В то время как 70% его находится в моторе, остальные 30% - в маслосборнике, который меняет масло в пределах трех или четырех раз в минуту.
Типы двигателей. За всю историю гонок Ф1 традиционно применялись три различных типа двигателей внутреннего сгорания, отличающихся своей конструкцией. Главное отличие между ними заключалось в расположении цилиндров относительно друг друга.
С момента появления Ford Cosworth DFV процесс конструирования двигателя стал идти бок о бок с шасси, и они стали нераздельной целой частью болида Ф1. До этого же шасси имело вид трубы, и когда оно было готово, туда вставлялся двигатель. Сейчас о шасси и речи быть не может до тех пор, пока не будет полностью готов двигатель. И если двигатель не подойдет, то любое шасси так и останется в стороне. Современные двигатели располагаются в задней части болида между монококом и коробкой передач. Что же касается оппозитных двигателей, то излишние размеры и недостаток прочности сильно влияли на шасси и ограничивали возможности конструкторов при разработке болида с оптимальной аэродинамикой. Это же касается и рядного двигателя - он маленький и длинный, что также ограничивает работу конструкторов. Результатом всего этого стал переход всех производителей на V-образные двигатели, и это случилось даже раньше того, как FIA регламентировала этот двигатель в качестве официального двигателя для всех команд Формулы 1. При создании мощного двигателя, очень важно правильно выбрать точный угол развала цилиндров. В V-образном двигателе очень важны показания начального баланса и последовательного сжигания горючей смеси. В круге 360 градусов (V-образные моторы - где V - угол, Х - число цилиндров), следовательно он должен иметь функциональный показатель равный 720 (один оборот колен вала - 360 градусов, и каждый круг возгорания состоит из двух фаз - впрыск и горение), тогда достигается равенство горения в цилиндрах и начальный баланс. Вот почему, конструкция оппозитного двигателя выглядит идеальной. Цилиндры расположены напротив друг друга под углом в 180 градусов, следовательно, 2, 4, 6, 8, 10 или 12 цилиндров - не настолько важно. Идеальный начальный баланс легко достигнуть, поскольку возвратно-поступательные и движущиеся части находятся в балансе, и возгорание происходит равномерно. Несколько примеров внесут ясность, почему определенные углы развала цилиндров стали очень популярны при разработке двигателей для Формулы 1:
Коленвал. Хотя, двигатели V8 с регламентированным углом развала цилиндров в 90° градусов и выглядят, как отпиленная часть от V10, технически они полностью имеют свои конкретные принципы и особые требования в производстве. V8 имеет отчетливую последовательность зажигания и требует отличия в конструкции коленвала. Тогда как коленвал с углом в 72° градуса использовался в большинстве V10 двигателях Ф1 (например в BMW), силовому агрегату V8 требуется особый коленвал с любыми четырьмя ходами поршня, расположенными под углом в 90 или 180 градусов. В стандартных двигателях ставится вариант коленвала с 90 градусами, чтобы соответствовать динамичным показателям, коленвал же со 180 градусами является основным в двигателях гоночных автомобилей. Улучшая производительность, он позволяет избавится от недостатков динамики.
Система охлаждения.Над головой пилота располагается воздухозаборник, который подает воздух в двигатель. Существует мнение, что это своеобразный наддув, который нагнетает воздух в двигатель, этакая воздушная коробка. Но на самом деле его задача совсем иная. Между воздушной коробкой и двигателем располагается вентиляционный канал, который постепенно расширяется к низу и достигает двигателя. По мере того как количество воздуха увеличивается, он толкает его все ниже и ниже. Форма фоздухозаборника прорабатывается тщательнейшим образом для того, чтобы равномерно наполнять все цилиндры и не наносить вред аэродинамике болида. При правильно сконструированной задней части болида достигается оптимальное воздушное наполнение цилиндров. На следующем рисунке показана открытая задняя часть чемпионского Renault R25. Элемент, обозначенный цифрой (1) - воздушный короб, который проводит воздух к двигателю (2) , где он смешивается с топливом в цилиндрах. Воздухозаборник раньше не был приспособлен для охлаждения, а был лишь необходимым условием для работы двигателя.
Также необходимой частью системы охлаждения являются радиаторы (4) . Они
представляют из себя плоские панели, расположенные вертикально, с левой и правой стороны подвески. На рисунке видно, что радиатор закрыт защитными гибкими рукавами. Во время же гонки защиту снимают, и при движении поток воздуха проходит через алюминиевые пластины радиатора, понижая температуру охлаждающей жидкости и масла в двигателе. Стандартного положения радиаторов не существует, а зависит лишь от идей конструктора и внешней формы подвески. Пункт 3 - это выхлопная система . 5 и 6 обозначают заднюю подвеску, которая подгоняется под коробку передач.
Трансмиссия.Принято считать, что трансмиссия является промежуточным звеном между передачами и остальными системами, которое передает силу крутящего момента колесам. В Ф1 - это существенно важная часть болида. И это даже не обусловлено высокой мощностью двигателя. Каждый элемент трансмиссии соединен друг с другом в коробку передач, которая находится в опасной зоне болида Ф1. Более подробную информацию вы можете найти в разделе, посвященном трансмиссии Ф1 .
Разработка двигателя. В последние годы (до введенных запретов) все разработчики двигателей трудились над увеличением мощностей и уменьшением излишнего веса двигателя, в то время как угол развала цилиндров и другие важные характеристики оставались нетронутыми. Представленный двигатель Ford Cosworth, который при своей мощности был на 25 кг. легче конкурентов, положил начало работ по снижению веса мотора для всех команд. И хотя, выдвинутый на сезон двигатель испытывал некоторые проблемы с надежностью, он был примером для остальных, так как позволял командам, использовавших его, изменять вес машин. В результате чего, балласт можно было размещать как на передней подвеске, так и на задней, что помогало пилотированию или увеличению скорости.
Борясь с излишним весом, в 1998 году Mercedes-Benz сконструировал, возможно,
один из самых революционных двигателей за всю историю Ф1. Два года спустя Mercedes снова произвел революцию в двигателестроении. В моторах использовался бериллиевый сплав, который позволил развивать такие высокие обороты, которые не могли развить остальные двигатели, применявшиеся в то время. Однако, как только выяснилось, что бериллий при высоком процентном содержании радиоактивен, FIA изменила правила и ограничила его содержание пятью процентами от общей массы сплава. С того момента Mercedes трудится над созданием нового двигателя, который сможет достойно ответить мощным моторам Ferrari и BMW. Но пока это у него не очень хорошо получается. В конечном итоге, FIA запретила различные системы впуска, которые использовались до конца 2005 года, и у конструкторов не осталось другого выбора, как уменьшать вес движущихся компонентов двигателя для увеличения его эффективности. Исследования показали, что каждый год мощность двигателей увеличивается в среднем на 25 лошадиных сил, результатом чего стала регламентирована область величины угла развала цилиндров и введены ограничения на вес и центр тяжести мотора. К примеру, когда инженерам пришлось разрабатывать двигатель V8 на 2006 год, требовалось, чтобы он весил 95 кг, что тяжелее, чем двигатель V10, используемый в 2005 году.
Отличие от дорожных двигателей.Efficiently (VE)). VE показывает количество топлива и воздуха в цилиндре при условиях нормального атмосферного давления. Если цилиндр наполнен топливом и воздухом при нормальном атмосферном давлении, то говорят, что полнота наполнения цилиндров равна 100%. С другой стороны, турбонаддув увеличивает давление входа в цилиндр, давая двигателю полноту наполнения цилиндров выше 100%. Тем не менее, если цилиндр втягивается вакуумом, тогда двигатель теряет 100% наполнения цилиндров. Обычно двигатель без наддува имеет показатель наполнения цилиндров равный 80%-100%. Обычное сочетание клапанов и кулачков при испытаниях имеет показатель наполнения цилиндров равный 95% - это высший показатель, высшая мощность, которую двигатель может производить. Вот почему, турбированные двигатели запрещены в Ф1, так как их показатели не сильно отличаются от обычных дорожных моторов.
Топлива, попадающего в цилиндры, теряется активность 1/3 используемых лошадиных сил. Синхронность воспламенения, термослой, положение свечей и камеры впуска - это термический КПД. При низкой степени сжатия дорожные двигатели имеют термический КПД приблизительно равный 0.26. Гоночные двигатели могут иметь термический КПД приблизительно равный 0.34. Казалось бы, маленькое отличие показателей дает спортивному мотору преимущество лошадиных сил в 30% (0.34-0.26/0.26).
Часть ее идет на то, что двигатель раскручивает сам себя. Избыток мощности можно считать за показатель силы тяги. Отличие между показателем силы тяги и рабочей мощностью цилиндров - это механический КПД. Механический КПД влияет на трение клапанов, трение в подшипниках, на область юбки поршня и другие трущиеся части, но он также зависит и от оборотов двигателя. Увеличение оборотов, мощности разгоняет двигатель. При этом снижается внутреннее трение в двигателе и достигается излишек в лошадиных силах. Вот почему, если в Ф1 это приводит к увеличению мощности, то в обычных двигателях - к перерасходу топлива.
Создание оптимального двигателя является головной болью для инженеров. В конце прямой число оборотов двигателя Ф1 намного выше, чем у обычного дорожного мотора. Результатом высокой мощности является ограниченный срок службы спортивного двигателя. Поэтому, причиной того, что двигатели F1 делают из различных материалов, в частности, является показатель механического КПД. Это необходимо, чтобы уменьшить внутреннее трение и излишний вес двигателя, но более важным является уменьшение внутренних частей мотора. Например, клапан должен быть настолько легким, насколько это возможно, чтобы двигаться неимоверно быстро и совершать более 300 подъемов и опусканий за определенный отрезок времени (при 18000 об/мин). Другой важной задачей является достижение максимальной мощности двигателя при помощи выхлопной системы . Незначительное изменение длины или формы выхлопа может повлиять коренным образом на количество лошадиных сил.
Требования.
Настоящие требования к двигателям Ф1 выглядят следующим образом. Эти требования стали жестче по сравнению с прошлыми годами, так как направлены они на снижение затрат и уменьшение рабочего объема моторов. Ниже представлены основные требования к двигателям на сезон 2006. Эволюция развития наиболее важных требований к двигателям .
| Размеры, вес и центр тяжести. |
Диаметр цилиндра не должен превышать 98 мм. Цилиндры располагаются по отношению друг к другу на расстоянии 106.5 мм (+/-0.2 мм). Центральная линия коленвала не должна быть менее 58 мм выше базы отсчета. Общий вес двигателя должен быть минимум 95 кг. Центр тяжести двигателя должен быть не менее 165 мм выше базы отсчета. Продольное и поперечное положение центра тяжести двигателя должно лежать в пределах области геометрического центра двигателя, +/- 0.5 мм. Геометрический центр двигателя в поперечном направлении учитывает осевую линию колен вала и расстояние между передним и задним отверстием цилиндра. Иные геометрические системы запрещены. |
». В качестве топлива использует керосин (горючее) и жидкий кислород (окислитель).
До сегодняшнего дня F-1 — самый мощный однокамерный ЖРД, когда-либо использовавшийся на летавших РН. По абсолютной мощности его превзошел советский ЖРД РД-170/171, использовавшийся на РН «Энергия» и использующийся до сих пор на РН «Зенит»; при этом РД-170/171 является 4-камерным двигателем. Однако F-1 (как и РД-170/171) не обладают рекордной тягой среди ракетных двигателей: твердотопливные двигатели «Спейс Шаттла» имеют почти вдвое большую тягу.
При большой абсолютной тяге F-1 имеет довольно умеренные удельные характеристики: его удельный импульс достаточно мал для современных ему керосиновых двигателей и значительно уступает удельному импульсу РД-170/171.
| Разработчик: | Rocketdyne |
| Тяга на уровне моря: | около 680/690 тонн |
| Тяга в вакууме: | около 780 тонн |
| Удельный импульс на уровне моря: | около 260/263 секунд |
| Удельный импульс в вакууме: | около 304 секунд |
| Горючее: | керосин RP-1 |
| Окислитель: | жидкий кислород O 2 |
| Соотношение компонентов: | в среднем около 2,34 |
| Степень расширения: | 16:1 (без соплового насадка 10:1) |
| Давление в камере сгорания: | около 67 атмосфер |
| Температура в камере сгорания: | 3300º C |
| Сухая масса: | около 8400 кг |
| Высота: | около 5,8 м |
| Ширина: | около 3,8 м |
| Диаметр сопла: | около 3,53 м |
| Время работы: | 150/163 секунды |
| Ракета/ступень: | «Сатурн-5 », первая ступень S-IC |
| Количество на ступени: | 5 |
| Число успешных пусков ступени: | 13 |
| Число летавших экземпляров: | 65 |
| Первый пуск: | 9 ноября 1967 года, «Аполлон-4 » |
| Последний пуск: | 14 мая 1973 года, «Скайлэб » |
Двигатель F-1 — жидкостный реактивный двигатель, работающий по открытой схеме. Часть топлива сжигается в газогенераторе, горячие газы приводят в движение турбонасосы, отработанные в турбонасосном агрегате (ТНА) газы выбрасываются в сопло, охлаждая сопловый насадок. Турбонасосы направляют компоненты топлива в камеру сгорания (КС), где они сжигаются, превращаясь в выхлоп. Выхлоп выбрасывается через сопло, производя тягу. Стенки сопла (кроме соплового насадка) и стенки КС собраны из тонких радиальных трубок, представляющих собой рубашку регенеративного охлаждения. Трубки рубашки скреплены внешними бандажами. Часть горючего, прежде чем попасть в КС, направляется в рубашку регенеративного охлаждения, тем самым отводя тепло от стенок камеры и сопла и предотвращая их прогар.
Пять двигателей F-1 установлены на первой ступени S-IC ракеты «Сатурн-5 »: один по центру и четыре симметрично по краям. Центральный двигатель закреплен неподвижно, периферийные имеют карданов подвес, позволяющий им поворачиваться для управления полетом ракеты. Суммарная тяга двигателей на уровне моря составляет около 3,5 тыс. тонн.
Блок камеры сгорания состоит из карданова подвеса, головки, форсуночной головки, корпуса камеры, соплового насадка и изоляции. КС принимает компоненты топлива, смешивает их и сжигает, сообщая выхлопу большую скорость. Блок КС служит опорой остальному оборудованию двигателя.
Карданов подвес представляет собой сферический узел с вкладышем из тефлона и стекловолокна для уменьшения трения. Узел допускает отклонения на ±7 градусов в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Он передает тягу двигателя на конструкцию ракеты и обеспечивает изменение вектора тяги.
Головка двигателя служит магистралью окислителя при его направлении в форсуночную головку, к ней монтируется карданов подвес, она передает тягу от двигателя к конструкции ракеты. Окислитель поступает в головку через два впускных отверстия с расходом около 1570 литров в минуту.
Форсуночная головка смешивает горючее с окислителем и направляет их в камеру в пропорциях, обеспечивающих оптимальное сгорание. Со стороны камеры головка содержит медные форсунки горючего и окислителя, расположенные в особом порядке. Поверхность головки разделена радиальными и круговыми медными перегородками, которые служат для уменьшения высокочастотных колебаний в КС. Головка вместе с отдельным воспламенителем помещены в стальной корпус.
Корпус КС имеет особую форму, близкую к соплу Лаваля : полость камеры, где происходит сгорание, сужается по направлению к соплу, образуя критическое сечение (самая узкая часть камеры), а затем снова расширяется, образуя сопло. Стенки камеры состоят из радиальных трубок и охлаждаются регенеративно. Трубки удерживаются и укрепляются усиленными круговыми бандажами. К бандажам крепится блок турбонасосного агрегата и сервоприводы для качания двигателя. Со стороны форсуночной головки к корпусу подходит магистраль горючего, сбоку — магистраль, через которую сбрасываемые с ТНА газы направляются к сопловому насадку. Корпус окружен термоизоляцией.
Горючее поступает к двигателю через две магистрали. 30 % горючего направляются сразу в форсуночную головку (что уменьшает общие потери давления и упрощает запуск). 70 % направляются в обход, попадая сначала в 89 профилированных трубок регенеративной рубашки. Это горючее протекает сначала вниз вдоль стенок КС, где попадает в нижнюю магистраль и возвращается по другим 89 трубкам вверх к форсуночной головке. Это горючее охлаждает стенки КС, отбирая от них избыточное тепло. На уровне, где степень расширения составляет 3:1, каждая из трубок расщепляется на две; это необходимо для сохранения поперечника трубок у широкого конца сопла. Форма трубок также меняется: в верхней части они уплощены в касательном направлении, в нижней части — в радиальном.
Магистраль выхлопа турбины представляет собой торообразную трубу в нижней части КС. Специальные соединения компенсируют ее температурное расширение. Из магистрали газы равномерно распределяются по сопловому насадку.
Сопловый насадок представляет собой съемный кольцевой элемент из нержавеющей стали, который прикрепляют к нижней части КС для увеличения степени расширения с 10:1 до 16:1. Внутренняя часть насадка защищается от горячих (3200º C) газов из сопла с помощью пленочного охлаждения выхлопными газами с турбины ТНА (их температура ниже 700º C). Газы с турбины с помощью особых направляющих образуют поверхностный слой между внутренней поверхностью насадка и горячими газами из сопла.
Ампула с самовозгорающимся топливом служит для запуска двигателя. Она представляет собой цилиндрическую капсулу, закрытую с двух сторон мембранами. Ампула содержит смесь из 85 % триэтилбора и 15 % триэтилалюминия. Эта смесь стабильна в закрытом виде, но подвержена самовозгоранию при контакте с кислородом в любой форме. При запуске двигателя давление топлива прорывает мембраны, и смесь топлива с самовозгорающейся смесью попадает в камеру через отдельный воспламенитель на форсуночной головке. В камере смесь вступает в контакт с кислородом, воспламеняется, и происходит запуск двигателя.
Пиротехнические воспламенители обеспечивают поджигание богатой горючем смеси в газогенераторе и поджигание газов, сброшенных с турбины, при их выходе из соплового насадка. Используют электрическую искру.
Термоизоляция защищает двигатель от высоких внешних температур (до 1400 градусов), создаваемых факелом выхлопа и обратным потоком от двигателей, работающих совместно. Используются два типа изоляции: многослойные листы на сложных поверхностях и пластины асбеста на обширных простых поверхностях. Изоляция изготовлена из легких материалов и имеет крепления: отверстия, штыри и др.
Турбонасосный агрегат (ТНА) представляет собой механизм с прямой передачей, состоящий из насоса окислителя, насоса горючего и турбины, смонтированных на общем валу. ТНА направляет горючее и окислитель в газогенератор и камеру сгорания. Жидкий кислород поступает в ТНА через единственную впускную магистраль, соосную валу, и выходит из ТНА по касательной к валу через две выпускных магистрали. Горючее поступает в ТНА радиально через две впускных магистрали и выходит по касательной через две выпускных магистрали. Двойные впускные и выпускные магистрали уравновешивают радиальные нагрузки насосов.
Вал опирается на три подшипника: 2 шариковых подшипника между насосами окислителя и горючего и роликовый подшипник между насосом горючего и колесом турбины. При работе ТНА подшипники охлаждаются горючим. Во время захолаживания насоса окислителя жидким кислородом шариковые подшипники подогреваются специальным устройством.
На валу установлен зубчатый венец, который используется совместно с редуктором для проворачивания вала вручную, а также с магнитным преобразователем для отслеживания скорости вращения вала.
На валу установлены девять углеродных уплотнения: первичное уплотнение окислителя, промежуточное уплотнение окислителя, уплотнение смазки первого шарикоподшипника, масляное уплотнение второго шарикоподшипника, первичное уплотнение горючего, уплотнение впускной магистрали горючего, масляное уплотнение магистрали горючего, вторичное уплотнение горячего газа, первичное уплотнение горячего газа.
Главный вал и детали, монтируемые на него, динамически балансируются перед окончательной сборкой ТНА.
Насос окислителя поставляет окислитель в камеру сгорания с расходом около 1670 литров в секунду. Насос состоит из входной магистрали, преднасоса, крыльчатки, корпуса-улитки, подшипников, уплотнений и прокладок. Окислитель поступает в насос через входную магистраль, соединенную с баком окислителя первой ступени . Чтобы предотвратить кавитацию, преднасос в магистрали повышает давление давление окислителя перед тем, как он попадает на крыльчатку. Крыльчатка ускоряет окислитель, повышая его давление до требуемых значений, а затем направляет его через две противоположно расположенные выходные магистрали в линии окислителя высокого давления, ведущие к газогенератору и камере сгорания.
Входная магистраль окислителя, соединенная с линией, ведущей к баку окислителя ступени, болтами привинчена к улитке насоса. Два поршневых кольца, расположенных между входной магистралью и улиткой, расширяются и сжимаются при изменении температуры, сохраняя надежное уплотнение между сторонами магистрали с высоким и низким давлениями.
Улитка насоса окислителя соединена штифтами и болтами с улиткой насоса горючего, что предотвращает осевые и вращательные сдвиги. Первичное уплотнение окислителя и прокладка в улитке окислителя предотвращают протечку горючего в дренажную полость первичного уплотнения окислителя. Промежуточное уплотнение окислителя направляет продувочный поток в дренажные полости первичного уплотнения и роликового подшипника, где продувка выполняет роль барьера, отделяющего окислитель от смазки подшипников.
Насос горючего поставляет горючее в камеру сгорания и газогенератор с расходом около 1040 литров в секунду. Насос состоит из входной магистрали, преднасоса, крыльчатки, корпуса-улитки, подшипников, уплотнений и прокладок. Горючее поступает в насос через входную магистраль, соединенную с баком горючего первой ступени . Чтобы предотвратить кавитацию, преднасос в магистрали повышает давление давление горючего перед тем, как оно попадает на крыльчатку. Крыльчатка ускоряет горючее, повышая его давление до требуемых значений, а затем направляет его через две противоположно расположенные выходные магистрали в линии горючего высокого давления, ведущие к газогенератору и камере сгорания.
Улитка горючего привинчена болтами к входной магистрали горючего и к кольцу, штифтами прикрепленному к улитке насоса окислителя. Установленное на улитке кольцо для компенсации износа сопрягается с крыльчаткой. Полость между улиткой и крыльчаткой называется балансировочной полостью. Давление в балансировочной полости воздействует на на крыльчатку горючего и противостоит обратному давлению со стороны крыльчатки окислителя, удерживая в заданных пределах осевое воздействие на шарикоподшипники вала. Уплотнение, установленное между промежуточным уплотнением окислителя и шарикоподшипником со стороны насоса горючего, предотвращает контакт окислителя с горючим, смазывающим шарикоподшипники. Если горючее проникает сквозь уплотнение, дренажный поток со стороны промежуточного уплотнения изгоняет его. С топливной стороны второго шарикоподшипника масляное уплотнение № 4 содержит смазку внутри полости подшипника. Первичное уплотнение в улитке горючего удерживает горючее под высоким давлением в балансировочной полости, предотвращая его проникновение в область низкого давления.
Турбина эффективной мощностью 41 МВт служит приводом для насосов горючего и окислителя. Двухступенчатая турбина имеет два активных колеса, разделенных статорами, она смонтирована на общем валу со стороны насоса горючего. Таким образом, два элемента турбонасосного агрегата, находящиеся при крайних температурах (820 ºC на турбине и -180 ºC на насосе окислителя) оказываются отделены друг от друга.
Горячий газ с газогенератора поступает на турбину через входной патрубок с расходом 77 кг/с и направляется через сопло первой ступени на колесо первой ступени, содержащее 119 лопастей. Затем горячий газ проходит через статоры второй ступени на колесо второй ступени, содержащее 107 лопастей, и затем направляется в теплообменник. Этот поток горячего газа вращает турбину, которая, в свою очередь, приводит приводит в движение топливные насосы. В установившемся режиме скорость вращения турбины составляет 5500 об/мин.
Клапан, включающий три 40-микронных фильтра, три подпружиненных тарельчатых клапана, и ограничитель. Его основное назначение — регулирование снабжения хладагентом (горючим) подшипников ТНА. Вторичная функция клапана — сохранение подшипников ТНА между статическими огневыми испытаниями и во время хранения двигателя. Во время запуска двигателя тарельчатый клапан открывается и снабжает отфильтрованным топливом патрубки хладагента, а ограничитель поддерживает нужное давление в патрубках.
Газогенераторная система обеспечивает горячий газ, приводящий в действие турбину, вращающую топливные насосы. Система состоит из клапана газогенератора, форсунки, камеры сгорания и топливопроводов, соединяющих с газогенератором выходные магистрали горючего и окислителя № 2 из ТНА. Топливо поступает в газогенератор (ГГ) из ТНА через выходные магистрали № 2. Соотношение компонентов, поступающих в ГГ, сдвинуто в сторону горючего по сравнению с соотношением в камере сгорания двигателя. Этим обеспечивается более низкая температура в неохлаждаемом ГГ и на турбине.
Топливо поступает в ГГ через клапан и форсунку и зажигается в камере сгорания ГГ посредством двойного пиротехнического воспламенителя. Клапан ГГ управляется гидросистемой, где в качестве гидравлической жидкости используется горючее.
Клапан газогенератора управляется гидравлически и управляет поступлением компонентов топлива в ГГ. Горючее, используемое в качестве гидравлической жидкости, циркулирует по пропускному каналу корпуса клапана, чтобы сохранить герметичность уплотнения и предотвратить замерзание горючего в корпусе шарового клапана. Топливо также циркулирует по каналу в поршне между впускным и выпускным отверстиями, чтобы предотвратить замерзание кольца О поршня.
Форсунка направляет горючее и окислитель в камеру сгорания газогенератора. Плоская форсунка с множеством отверстий включает в себя головку, пластину, круговую магистраль, пять колец с отверстиями для впуска окислителя, пять колец с отверстиями для впуска горючего, и диска с отверстиями для впуска горючего. На форсунке смонтированы клапан ГГ и тройник впускной магистрали горючего.
Горючее поступает из клапана ГГ в форсунку через тройник впускной магистрали горючего. Горючее направляется по внутренним каналам в пластине и впрыскивается в в камеру сгорания ГГ через отверстия в кольцах и диске горючего. Некоторые отверстия во внешнем кольце горючего обеспечивают охлаждающую пленку для стенки камеры сгорания. Окислитель поступает в форсунку через клапан ГГ по впускной магистрали окислителя. Окислитель направляется по внутренним каналам в пластине и впрыскивается в камеру сгорания ГГ через отверстия в кольцах горючего.
Камера сгорания ГГ — это место, где сгорают компоненты топлива, и выделяющиеся газы направляются в магистраль турбины ТНА. Камера с одной стенкой расположена между форсункой и впускной магистралью ТНА.
Система расхода топлива направляет жидкий кислород и горючее из топливных баков к насосам, которые перекачивают их через магистрали высокого давления к газогенератору и камере сгорания. Система состоит из двух клапанов окислителя, двух клапанов топлива, расходного клапана охлаждающей жидкости для подшипников, двух клапанов контроля продувки в головке двигателя, клапана контроля продувки газогенератора и уплотнений насосов, выпускных магистралей ТНА, отверстий и магистралей, соединяющих все компоненты. Горючее под высоким давлением поступает из системы расхода топлива к системе управления вектором тяги.
Два одинаковых клапана, обозначенных номерами № 1 и № 2, управляют потоком жидкого кислорода от ТНА к головке двигателя и поступлением гидравлической жидкости (горючего) к впускному отверстию клапана ГГ. Каждый из клапанов тарельчатого типа управляется гидравлически. Подпружиненный вентиль допускает обратное течение для обеспечения циркуляции гидравлической жидкости при закрытом положении топливных клапанов, но перекрывает поток горючего до тех пор, пока клапан окислителя открыт менее чем до 16,4 %. При достижении клапаном этого уровня открытия, вал шестерни открывает путь для горючего, позволяя ему течь через клапан, управляющий открытием клапана газогенератора.
Два одинаковых клапана, обозначенных номерами № 1 и № 2, расположены на входной топливной магистрали камеры сгорания и разнесены на 180 градусов. Они контролируют поток горючего от ТНА к КС. Когда клапаны открыты при установленных значениях давлений и расходов, они не закрываются при падении давления гидравлической жидкости. Позиционные указатели в топливных клапанах являются частью релейно-контактной логической схемы в управляющей электрической цепи двигателя, с их помощью фиксируется положение затворов.
Три указателя нормального давления расположены на единой магистрали, установленной на магистрали горючего КС, чтобы определять давление впрыска горючего. Эти три резервированных указателя используются для указания удовлетворительной работы всех пяти двигателей ракеты-носителя. Если давление в полости впрыска горючего падает, работа указателей прерывается, прерывая тем самым выдачу сигнала нормального давления.
Система наддува подогревает газообразный кислород и гелий для наддува бака ракеты-носителя. Система наддува состоит из теплообменника, контрольного клапана теплообменника, расходомера жидкого кислорода, и трубок теплообменника. Источником жидкого кислорода для теплообменника служит головка двигателя, гелий поступает из баллонов в баке окислителя первой ступени ракеты. Жидкий кислород поступает в теплообменник по магистрали из головки двигателя через контрольный клапан, расходомер.
Теплообменник подогревает газообразный кислород и гелий, которые проходят через теплообменник по спиралям, с помощью горячих газов выхлопа турбины. Теплообменник состоит из четырех спиральных витков окислителя и двух витков гелия, расположенных внутри выхлопного канала турбины. Он расположен между выходной магистралью ТНА и входного канала выхлопа, ведущего в КС. Кожух теплообменника имеет сильфон, чтобы компенсировать температурное расширение при работе двигателя.
Контрольный клапан предотвращает течение газообразного кислорода и газов наддува баков в головку двигателя. Он состоит из магистрали и контрольного клапанного затвора и установлен между головкой и входной магистралью жидкого кислорода, идущей в теплообменник.
Расходомер представляет собой измерительный прибор турбинного типа для измерения объема жидкости и содержит две измерительные катушки. Вращение турбинки расходомера приводит к генерированию переменного тока на выходах измерительных катушек.
Жидкий кислород и гелий направляются в теплообменник и из него через гибкие трубки. Трубки газообразного кислорода и гелия ведут к соединительным платам ракеты-носителя. Трубка жидкого кислорода соединяет теплообменник с контрольным клапаном.
Соединительная плата двигателя смонтирована поверх входных магистралей жидкого кислорода и топлива в ТНА, она обеспечивает электрическое соединение двигателя с ракетой-носителем. На ней также находятся точки крепления гибкой теплозащитной завесы. Трехсекционная плата отлита из жаропрочной нержавеющей стали, секции соединены между собой заклепками и болтами.
Электросистема состоит из гибкой армированной проводки, которая обеспечивает управление двигателем, и проводки для передачи измерительных данных во время полета.
Гидравлическая контрольная система управляет топливными клапанами двигателя во время его запуска и отсечки. Она состоит из трубопровода с самовоспламеняющейся жидкостью, контрольного клапана, контрольного клапана двигателя и соответствующих трубопроводов и монтажных элементов.
Линия с самовоспламеняющейся жидкостью направляет самовоспламеняющуюся жидкость к отдельной системе воспламенения горючего в форсунке камеры сгорания. Линия состоит из ампулы с самовоспламеняющейся жидкостью, управляющего клапана воспламенителя, позиционного переключателя и клапана воспламенителя горючего. Ампула с самовоспламеняющейся жидкостью, позиционный переключатель и клапан воспламенителя горючего являются внутренними составляющими частями линии.
В конструкцию линии входит подпружиненный кулачковый механизм, который предотвращает срабатывание управляющего клапана вплоть до момента прорыва верхней мембраны ампулы с самовоспламеняющейся жидкостью. Тот же механизм приводит в действие позиционный переключатель, который сигнализирует об установке ампулы. Клапан воспламенения горючего представляет собой подпружиненный управляющий клапан, который открывает доступ горючего к ампуле с самовоспламеняющейся жидкостью. Мембраны ампулы прорываются под воздействием нарастающего давления при открытии клапана воспламенения горючего.
Управляющий клапан воспламенителя представляет собой управляемый давлением трехпозиционный клапан, установленный на линии с самовоспламеняющейся жидкостью. Он управляет открытием топливных клапанов и допускает их полное открытие только после установления процесса нормального горения в камере сгорания.
Когда ампула с самовоспламеняющейся жидкостью установлена в линии, кулачковый механизм предотвращает движение затвора управляющего клапана из положения «закрыто». Управляющий клапан имеет шесть входных отверстий: управляющее, входное, два выходных, возвратное и атмосферное. Управляющее отверстие связано давлением с камерой сгорания. Во входное поступает гидравлическая жидкость (горючее), которая открывает клапаны горючего. Когда затвор управляющего клапана находится в положении «закрыто», гидравлическая жидкость, поступающая из входного отверстия, останавливается затвором. Когда ампула с самовоспламеняющейся жидкостью прорывается, подпружиненный кулачковый механизм освобождается, делая возможным беспрепятственное движение затвора управляющего клапана. Когда возрастает давление в камере сгорания (воздействующее на управляющий вход клапана через посредство магистрали горючего), затвор клапана смещается в положение «открыто», и гидравлическая жидкость направляется через два выходных отверстия к топливным клапанам.
Проверочный клапан состоит из шарика, затвора и привода. Проверочный клапан обеспечивает наземный контроль управляющего клапана и топливных клапанов и предотвращает поступление гидравлической жидкости (горючего), возвращающегося в наземную магистраль, в систему двигателя и затем в топливный бак.
При проверках и обслуживании двигателя шарик клапана расположен так, что горючее, поступающее в гидравлическую возвратную входную магистраль двигателя, направляется через шарик и далее в наземную возвратную магистраль GSE. При стендовых огневых испытаниях и во время полета шарик расположен так, что горючее направляется через шарик и далее в возвратную выходную магистраль двигателя.
Контрольный клапан двигателя включает в себя магистраль фильтров, четерыехпозиционный соленоидальный клапан и два шарнирных проверочных клапана.
Магистраль фильтров содержит три фильтра. Один фильтр для системы питания и по одному на входе и выходе системы давления. Фильтры предотвращают попадание посторонних частиц в четырехпозиционный соленоидальный клапан и в двигатель. Два шарнирных проверочных клапана разветвляются в фильтр системы питания. Проверочные клапаны делают возможной работу системы от гидравлической жидкости, поступающей из наземной магистрали (во время проверок и обслуживания) и от гидравлической жидкости, поступающей от двигателя (во время нормальной работы двигателя).
Четырехпозиционный соленоидальный клапан состоит из основного канала и ниппелей, с его помощью обеспечивается двусторонний контроль потока жидкости к приводам главных клапанов горючего и окислителя, а также к клапану газогенератора. Канал управляется давлением с помощью трехпозиционных вторичных клапанов. Каждый из вторичных клапанов управляется первичным трехпозиционным первичным клапаном, который в рабочем положении открыт.
При выключенном положении контрольного клапана двигателя обеспечивается давление, закрывающее все топливные клапаны двигателя. Импульсное приложение постоянного напряжения в 28 вольт к пусковому соленоиду приводит в действие механизм клапана, в результате чего давление гидравлической жидкости поступает на входной порт, а давление, ранее приложенное к выходному порту, перенаправляется на возвратный порт.
Внутренний канал в кожухе обеспечивает приложение давления между входным портом и вентилем пускового соленоида. При запуске выключающей последовательности это давление поддерживает главный канал в открытом состоянии, тем самым обеспечивая давление на входном порте при отсутствии в дальнейшем электросигнала на пусковом соленоиде. Импульсное приложение постоянного напряжения в 28 вольт на останавливающем соленоиде приводит в действие механизм контрольного клапана, в результате чего давление перенаправляется с входного на выходной порт. В любой момент с помощью давления может быть задействован переключающий поршень, который, при потере электроснабжения, переключает главный канал для приложения гидравлического давления к выходному порту. При одновременной потере электроснабжения и гидравлического давления клапан останется в выключенном положении благодаря пружине. При повторном приложении гидравлического давления, давление будет приложено к выходному порту. Если электросигнал поступает одновременно на пусковой и останавливающий соленоиды, задействован будет останавливающий соленоид, который возвратит клапан в выключенное положение.
На контрольном клапане двигателя установлены два одинаковых шарнирных проверочных клапана. С их помощью прилагается давление гидравлического топлива из наземной магистрали во время переходного состояния при запуске двигателя, и давление гидравлического топлива из самого двигателя во время штатной работы двигателя и при его отсечке. Один клапан установлен на входной магистрали гидравлического топлива двигателя, второй — на входной наземной магистрали гидравлического топлива.
Полетная инструментальная система состоит из датчиков давления, температуры, позиционных указателей, устройства измерения потока, электрораспределительных коробок и сопутствующей электрической разводки. Система обеспечивает отслеживать работу двигателя. Основная инструментальная система состоит из основной и вспомогательной систем. Основная система критически важна для всех стендовых испытаний двигателя и последующих полетных операций; вспомогательная система используется в исследовательской, конструкторской и приемочной части программы стендовых испытаний, а также в первых полетах. Ниже перечислены компоненты инструментальной системы, включая основную и вспомогательную системы:
Полетная инструментальная система включает в себя две электрораспределительные коробки. Главная коробка содержит восемь электрических разъемов, а вспомогательная — пять. Обе коробки герметично заварены, и в них закачан под давлением инертный газ. Это предотвращает попадание внутрь загрязнений и влаги.
Для непрерывной работы двигатель нуждается в источнике пневматического давления и электричества, а также в топливе. Для запуска двигателя необходим наземный источник гидравлического давления, предварительное заполнение камеры сгорания, воспламенители в камере сгорания и в газогенераторе, а также самовоспламеняющиеся жидкости.
При нажатии на кнопку запуска проверочный клапан принимает положение, при котором возврат гидравлической жидкости (топлива) переключается с наземной магистрали на входную магистраль ТНА низкого давления. Начинается усиленная продувка жидким кислородом головки двигателя и газогенератора. Срабатывают воспламенитель в газогенераторе и воспламенитель выхлопа турбины, на пусковой соленоид контрольного клапана подается ток. Гидравлическое давление направляется на открывающие порты клапанов окислителя. Клапаны окислителя начинают открываться, и гидравлическое давление направляется на открывающий порт клапана газогенератора. Клапан газогенератора открывается, компоненты топлива под воздействием внутрибакового давления поступают в камеру сгорания газогенератора, где зажигаются воспламенителями. Выхлопной газ направляется сквозь турбину ТНА, теплообменник и выхлопную магистраль на стенки соплового насадка; здесь переобогащенная топливом смесь поджигается воспламенителем выхлопа турбины. По мере того, как турбина разгоняет насосы горючего и окислителя, выходное давление насосов растет, и компоненты топлива поступают в газогенератор с все увеличивающимся расходом. Разгон ТНА продолжается, и по мере роста давления топлива топливный клапан воспламенителя открывается. Это вызывает рост давления топлива на диафрагму ампулы с самовоспламеняющейся жидкостью. Диафрагма прорывается, и самовоспламеняющаяся жидкость, за которой движется топливо, поступает в камеру сгорания. Когда жидкость попадает в камеру сгорания и соприкасается с окислителем, происходит самопроизвольное воспламенение, и в камере сгорания начинается процесс сгорания. Давление из камеры сгорания через магистраль воздействует на диафрагму управляющего клапана воспламенителя. По мере роста давления в камере сгорания управляющий клапан воспламенителя срабатывает и открывает доступ гидравлической жидкости к открывающим портам клапанов горючего. Клапаны горючего открываются, и горючее поступает в камеру сгорания.
Горючее поступает во входную магистраль камеры сгорания и проходит через трубки рубашки регенеративного охлаждения КС, а затем через форсунку попадает в зону горения КС. По мере роста давления в КС, индикаторы нормального давления срабатывают, указывая нормальную работу двигателя. Давление в КС продолжает расти до тех пор, пока газогенератор не выходит на номинальную мощность, которая определяется просветом отверстий в магистралях, питающих газогенератор. Когда давление горючего превышает давление в наземной линии, источник гидравлического давления переключается с наземной линии на сам двигатель. Гидравлическая жидкость (горючее) циркулирует по агрегатам двигателя, а затем возвращается через контрольный клапан двигателя и проверочный клапан во входную топливную магистраль ТНА. Клапан наземного источника гидравлического давления перекрывается, когда топливные клапаны полностью открываются. Это позволяет гидросистеме двигателя обеспечивать гидравлическое давление во время операций отсечки.
Когда подается сигнал на отсечку двигателя, инициируется продувка головки двигателя окислителем, и на останавливающий соленоид контрольного клапана двигателя подается ток. Гидравлическое давление удерживает открытым клапаны газогенератора и окислителя, клапаны горючего переключаются в возвратное положение. Одновременно гидравлическое давление направляется на закрывающие порты клапана газогенератора, клапанов окислителя и горючего. Приводится в действие проверочный клапан, и по мере падения давления компонентов топлива начинается интенсивная продувка окислителем. Затем топливный клапан воспламенителя и управляющий клапан воспламенителя закрываются. Давление в камере сгорания достигает нуля примерно в то же самое время, когда клапаны окислителя полностью закрываются.
Критики ошибаются.
Технический прогресс в гонках полностью уничтожил романтические мечты о «гаражных» командах и создании революционных болидов гениальными энтузиастами без кучи магистерских степеней в резюме. Теперь даже бедные конюшни обладают бюджетом от 100 миллионов долларов и открывают отделы инженерных разработок на несколько десятков человек.
С двигателями почти та же история: моторные департаменты «Феррари», «Рено» и «Мерседеса» превратились в огромные технологичные монстры - но, как оказалось, не зря. Немецкие производители уже продвинули индустрию вперед, недавно объявив о скором достижении мощности в 1000 л.с. и установке нового рекорда тепловой эффективности на уровне более 50% (у обычных легковых автомобилей - 25-30%). Пока что революционную производительность выжали на стендовых тестах, однако инженеры «Мерседеса» обещают перенести разработки в боевые условия - и тогда болиды «Формулы-1» официально станут самыми крутыми в истории человечества.
Актуальная силовая установка состоит из нескольких составляющих частей:
– двигатель внутреннего сгорания;
– турбина (с компрессором и нагнетателем, конечно);
– две системы рекуперации энергии MGU-K и MGU-H;
– блок контролирующей электроники;
– батарея.
Турбину неспроста вернули в «Формулу-1» после двадцатилетнего запрета: в 2014 году вместе с новым регламентом силовых установок начал действовать и лимит на расход топлива в 100 кг на гонку. Он означал снижение количества сжигаемого горючего в цилиндре двигателя и, соответственно, уменьшение мощности и скорости. Чтобы не допустить замедления болидов, командам снова позволили компенсировать снижение используемого объема топлива повышением плотности смеси с помощью турбонаддува.
Блок MGU-K или рекуператор кинетической энергии разрешили к использованию еще в 2009 году (тогда он назывался KERS). Он подключается к тормозной системе болида, активируется при нажатии соответствующей педали и переводит энергию вращения колес в электрическую, заряжая ею батареи. Затем пилот использует заряд для разгона - вот только вплоть до 2014 года технология не отличалась особой эффективностью. На высоких скоростях использование небольшой «подпитки» от KERS не имело особого значения, пока большая часть тяги создавалась именно двигателем внутреннего сгорания, еще не ограниченного серьезными топливными лимитами. Регламент как раз и пересмотрели к 2014 году специально для повышения роли гибридных систем в силовых установках.
Тогда же ввели использование еще одного рекуперирующего блока - MGU-H. Он работает уже не с кинетической энергией, а с потоком выхлопных газов, чье тепло и преображает в электричество. Эту систему можно назвать ключевой для современных болидов, ведь двигатели внутреннего сгорания практически достигли потолка развития. Получить ключевое преимущество благодаря исследованиям бензиновых агрегатов стало практически невозможно, а грамотное использование гибридной составляющей дает 20-30 дополнительных км/ч на прямой и позволяет экономить топливо при разгоне на низких передачах. Внимательное изучение динамики потери скорости и позиций после отказа MGU-H во время Гран-при убеждает в огромном значении блока для работы современного болида.
В то же время на рекуператор тепловой энергии выпадает большая постоянная нагрузка - и успех силовой установки напрямую зависит от разработки эффективного охлаждения. Именно со сложной конструкцией и связаны почти все проблемы мотористов современной «Формулы-1». «Хонда» сперва два сезона мучилась с перегревом из-за неправильного расположения рекуператора относительно двигателя внутреннего сгорания, а теперь не может нащупать оптимальную схему распределения полученной энергии по фазам разгона на прямых. «Рено» в свою очередь перестаралась в попытках догнать «Мерседес» по скорости и запорола надежность блока: в результате в последних трех Гран-при машины с французским двигателем сошли семь раз.
«Рено» уже не в первый раз сталкивается с капризами турбированных агрегатов: в 80-х их болиды часто лидировали на половине дистанции и затем сходили из-за отказа моторов. Французские машины быстро заработали славу «желтых чайников» за неукоснительное следование высказыванию старика Энцо Феррари об «аэродинамике, которой занимаются лишь те, кто не умеет строить двигатели» – но, справедливости ради, такой была вся первая турбоэра. Мощность установок стартовала с 500 л.с. и быстро добралась до умопомрачительных квалификационных спецификаций в 1300 л.с. (самым жутким был четырехцилиндровый агрегат «БМВ» 1986 года, развивающий мощность 1430 л.с.). Как раз тому времени принадлежит неофициальный рекорд скорости «Формулы-1» авторства Жиля Вильнева, когда канадец на болиде «Феррари» без антикрыльев выжал 420 км/ч на взлетно-посадочной прямой аэропорта и победил истребитель «Старфайтер». В Гран-при же никто не разгонялся быстрее 350 км/ч.
Все закончилось в 1988 году: конструкторы уделяли больше внимания мощности, чем безопасности, и потому ФИА запретила использование турбонаддува, стараясь обуздать скорость болидов. Однако у современных гибридов нет проблем с защитой гонщика от возможных травм, и они побили официальный рекорд скорости уже в прошлом году силами «Уильямса» и Валттери Боттаса, . При этом двигатели еще не реализовали свой потенциал, а значит, самая быстрая эпоха «Формулы-1» еще впереди.
Любая ностальгия по старым десятицилиндровым моторам с их дешевизной и простотой неизбежно сталкивается с суровой реальностью. Например, ее с лихвой можно отыскать в откровениях четырехкратного чемпиона мира Алена Проста, владевшего конюшней «Формулы-1» с 1997 по 2001 год.
«Я знал, как управлять командой. Но у меня был бюджет в 40 млн евро, 30 из которых уходили в «Пежо» за двигатели, а в 2001 году наступил кризис. Из-за этого я не мог пригласить в команду специалистов, с которыми хотел работать - они требовали в три-четыре раза больше, чем мы были способны заплатить. В то же время мы не получали абсолютно никакой поддержки от «Пежо» – хотя за год использовали 40 моторов».
Сорок далеко не лучших (а значит, и не самых дорогих) французских двигателей прошло через конюшню-аутсайдер всего за сезон. Страшно даже представить, во сколько обходились агрегаты «Мерседес» или «БМВ» тех лет.
Однако при таком уровне затрат «Прост» за весь период своего существования трижды побывал на подиуме и 16 раз набрал очки, так что команду нельзя обвинить в бездарном разбазаривании денег. Нехитрые подсчеты раскрывают космический размер относительных затрат на двигатели в виде 75 процентов бюджета. На разработку болида и зарплату пилотов с прочим персоналом оставалось всего 10 млн евро - в то время как один мотор хоть и обходился «всего» в 750 000, но серьезно проигрывал конкурентам и не окупал ни единого потраченного цента.
Для сравнения, комплект современных силовых установок для двух болидов на весь сезон, по словам президента ФИА Жана Тодта, стоит 18 млн евро. То есть примерно по 2,25 млн за штуку - ведь по регламенту в 2017 году можно было использовать четыре двигателя за год без штрафов (и, понятное дело, дополнительных расходов). Да, в пересчете на один экземпляр современные агрегаты выходят втрое дороже, но и в пять раз эффективнее - а эффективность затрат всегда была важна для «Формулы-1».
В то же время самый маленький бюджет в 2017 году по данным издания Autosport находился на уровне 110 млн евро - то есть теперь главные бедняки серии тратят на двигатели лишь 16,3 процента бюджета (а «Прост» тратил бы 45 процентов). То есть у команд объективно появилось больше средств на разработку болидов и приглашение талантливых гонщиков. Обвинения в дороговизне современных двигателей выглядят просто смешно и лицемерно - особенно по сравнению со «старыми добрыми временами».
Как ни странно, современные гибридные двигатели с первого же сезона попали в тайфун критики. Среди негодующих оказались и фанаты, и команды, и гонщики, и производители - каждый напирал на что-то свое. Публика и пилоты громили новый звук, сравнивая свист работающей турбины с неисправным пылесосом, команды ругались на цены гибридных двигателий, быстро окрестив их самой дорогой техникой в истории «Формулы-1», а производители жаловались на убыточность разработок и трудный перенос технологий в серийные модели.
Но на самом деле всех раздражают не совсем двигатели, а доминирование «Мерседеса», основанное на преимуществе в силовых установках. Немцы произвели лучшие агрегаты еще в 2014 году и заслуженно побеждали четыре сезона подряд - из-за сложной конструкции моторов (и MGU-H в том числе) у конкурентов никак не получается ликвидировать отставание от лидера. Потенциальные новички видят ситуацию в гонках и не хотят ввязываться в «Формулу-1», ведь риск повторить неудачный путь «Хонды» слишком велик. К тому же, застывший статус-кво не раз приводил к унылым и предсказуемым заездам по «моторным» трассам, приводя в бешенство болельщиков.
Недовольство сложившейся ситуацией и привело к ностальгии по «старым добрым временам» и желанию отменить гибридную составляющую современных двигателей - блоки MGU-H всего лишь стали раздражающим символом не самой зрелищной эры.
Будущее не остановить - и оно уже совсем рядом. По данным исследований журнала Applied Energy, затраты на приобретение и обслуживание электрокаров в Японии, Великобритании и некоторых регионах США оказались примерно на 10 процентов ниже использования традиционных машин с двигателями внутреннего сгорания - причем в основу для расчетов легла статистика 2015 года. Гибриды же обходятся еще в среднем на 2-3 процента дешевле, причем покупатели этих моделей не получают субсидий по правительственным программам. По мнению журнала, спрос на электромобили уже превышает предложение, а к 2019 году их продажи оставят позади рынок дизельных машин. По прогнозам автопроизводителей, в первой половине 2020-х годов электрокары станут выгоднее бензиновых машин без субсидий - а до тех пор самыми эффективными для кошелька авто останутся гибриды.
Тем временем, некоторые страны уже постепенно задумываются о полном отказе от традиционных двигателей внутреннего сгорания. Открыл новую эпоху французский «антинефтяной» законопроект, запретивший добычу нефти и газа с 2040 года – и бензиновые, и дизельные машины тоже попали под государственный банхаммер. Аналитики прогнозируют принятие похожих законов на территории большинства стран ЕС уже в ближайшее время - различаться могут только даты «дедлайна».
В таких условиях любым компаниям в сфере автомобилестроения уже невыгодно вкладывать средства в развитие и производство обычных атмосферных двигателей, какими бы мощными они ни были. Дело не только в интересах «Феррари» или «Мерседеса» – каждый желающий работать в Европе вынужден перестраиваться прямо сейчас, в импровизированный «переходный период» с одинаковым отношением ко всем трем технологиям.
«Формула-1» не только бросается громкими лозунгами об экологичности, но и придерживается основных трендов, чтобы не растерять всех участников и зрителей. Именно потому можно не ждать от нового регламента 2021 года отмены гибридной составляющей: даже если ФИА захочет это провернуть, производители будут отстаивать рекуперирующие блоки до конца или в самом деле уйдут в другие гоночные серии (например, электрическую «Формулу-Е»). Просто в машиностроении наступает свой период типа «меняйся или умри», и потакание ностальгии ретроградов точно не приведет «Ф-1» к славе и процветанию.
