Почему моторы Ф1 такие мощные – наглядное видео
Двигатель мощностью 1000 лошадиных сил уже не кажется таким уж невероятным. Автомобили с ними уже давно продаются – и электрические, и бензиновые. В США можно даже купить такой мотор отдельно (Chrysler Direct Connection) и установить его на любую машину.
Но в случае с двигателями внутреннего сгорания объем камер сгорания будет достигать нескольких литров. А как снять 1000 л.с. с двигателя объемом всего 1,6 литра? Это похоже на колдовство.
На канале Engineering Explained на YouTube появилось видео, прекрасно объясняющее устройство двигателей болидов Формулы 1 – высокооборотистыйх 1,6-литровых моторов V6 с турбонаддувом и с двумя электродвигателями.
Согласно правилам FIA от 2014 года допускается использование в двигателях турбонаддува в сочетании с двумя электродвигателями и аккумулятором для хранения энергии. Но в отличие от гибрида Toyota Prius, разработанного для экономии топлива, гибридная установка F1 используется для дополнительной мощности.
Один электродвигатель используется для раскрутки турбин вместо вестгейт и для рекуперативного торможения. Полученная энергия закачивается в аккумулятор, который используется для питания второго двигателя, установленного на коленчатом валу.
Эта система называется ERS или системой рекуперации энергии, которая дополнительно дает 160 лошадиных сил и может использоваться во время коротких рывков для обгона другого болида.
Двигатель же внутреннего сгорания выдает 830 лошадиных сил, что невероятно для мотора столь малого объема. Степень сжатия составляет 18:1. Удивляет и расход топлива.
В целях безопасности автомобилям Формулы 1 не разрешается заправляться во время гонки, а это означает, что в их баках должно быть достаточно топлива, чтобы проехать около 400 км. Правила F1 также ограничивают запас топлива в болидах 110 килограммами (примерно 147 литров). То есть расход топлива составляет примерно 36 литров на 100 км.
В итоге КПД моторов Ф1 составляет более 50%, в то время как гражданские моторы имеют КПД около 35%.
- Great Wall создала 8-цилиндровый мотор — не поверите, для чего. И это не V-образный двигатель, а оппозитный, который делает центр тяжести транспортного средства максимально низким.
- «За рулем» можно читать и в Viber.
Фото, видео: Youtube
Подпишитесь на «За рулем» в
Современные двигатели «Формулы-1» – лучшие в истории. Но ими все равно недовольны
техника
Рено
Феррари
Ален Прост
Жан Тодт
Хонда
Мерседес
бизнес
Формула-1
регламент
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.
Как работает чудо-мотор
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;
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.
Гибридам принадлежит рекорд скорости в «Формуле-1»
«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, установив результат в 372,5 км/ч на Гран-при Мексики. При этом двигатели еще не реализовали свой потенциал, а значит, самая быстрая эпоха «Формулы-1» еще впереди.
Гибриды обходятся дешевле старых «атмосферников»
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».
Почему новыми технологиями все недовольны?
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.
От гибридов никто не откажется
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. Фото: globallookpress.com/imago/Crash Media Group, David G. Mcintyre; Gettyimages.ru/Mike King, Michael Cooper, Harold Cunningham; globallookpress.com/picture alliance/Hoch Zwei; Gettyimages.ru/Sean Gallup
Двигатели Ф1 нового поколения
Когда в 1966 году рабочий объем двигателей для автомобилей формулы 1 возрос до трех литров, сразу стало ясно, что первые роли теперь будут играть многоцилиндровые моторы, поскольку с увеличением количества цилиндров улучшается возможность форсировки. Так это и произошло — появилось множество 12-цилиндровых и даже 16-цилиндровые конструкции.
Однако теория не всегда совпадает с практикой. Не прошло и десяти лет, как 8-цилиндровый V-образный двигатель, разработанный фирмой «Косворт», опроверг все теоретические выкладки и положил своих 12-цилиндровых соперников на лопатки. За 17 сезонов он выиграл 155 Больших призов.
В 1989 году в Ф1 вступили в силу новые правила, запретившие турбонаддув и одновременно позволившие увеличить рабочий объем до 3500 см3. Вновь все заговорили о переходе на 12-цилиндровые двигатели. В «пополневшем» на пол-литра моторе их недостатки — солидный вес, большая длина и повышенный аппетит — должны были стать менее заметны на фоне возросшей мощности. И все же у «восьмерок» оставалось еще одно немаловажное преимущество — лучшая характеристика крутящего момента на средних оборотах, что дает автомобилям с такими двигателями определенное преимущество на трассах, где много поворотов.
Но если 12 — много, а 8 — мало, пусть будет 10! Так решили специалисты фирм «Хонда» и «Рено». К сезону 1989 года они подготовили 10-цилиндровые V-образные моторы, которые должны были совместить в себе преимущества 8- и 12-цилиндровых двигателей, избавившись по возможности от их недостатков. О том, насколько успешно удалось решить эту задачу, наглядно говорит турнирная таблица — за два сезона на «мак-ларенах» и «вильям-сах», снабженных такими двигателями, удалось одержать 20 побед. А «феррари», оснащенные 12-цилинд-ровыми моторами, выиграли девять и «Бенеттон» с 8-ци-линдровым двигателем «Косворт» — три этапа чемпионата мира. Поначалу инженеры «Хонды» рассматривали свою «десятку» как промежуточный вариант перед созданием 12-цилиндрового мотора, но агрегат оказался настолько удачным, что планировавшаяся в середине этого сезона замена не состоялась. Между тем новый 12-цилиндровый красавец мотор был продемонстрирован еще в прошлогоднем Токийском автосалоне и вызвал всеобщее восхищение.
| Марка и тип двигателя | Количество цилиндров/ угол развала (в град.) | Зажигание и впрыск | Мощность,л.с. / число об/мин | Диаметр цилиндра/ ход поршня, мм | Степень сжатия | Количество распредвалов/ клапанов на цилиндр | Масса, кг |
| «Косворт-ДФР» | 8/90 | «Лукас-Цитек» или «Вебер-Марелли» | 590-610/11500 | 90/68,8 | 12,0:1 | 4/4 | 155 |
| «Феррари-3500» | 12/65 | «Вебер-Марелли» | 650-675/12500 | 84/52,6 | 11,5:1 | 4/5 | — |
| «Форл-75-Дег» | 8/75 | «Форг» | 650/11600 | 96/60,4 | 12,0:1 | 4/4 | — |
| ”Хонда-РА-109Е» | 10/72 | «Хонда” | 660—680/12800 | 92/52,5 | — | 4/4 | 150 |
| «Джадд-ЕВ-8» | 8/76 | «Марелли-Цитек» | 610/11500 | 95/61,7 | 12,0:1 | 4/4 | — |
| «Ламборгини-3512” | 12/80 | «Бош» | 610—630/12800 | 88/47,9 | 11,0:1 | 4/4 | 160 |
| ”Лайф-Ф35″ | 12/60 | «Вебер-Марелли» | 600—620/12500 | — | 13,0:1 | 6/4 | 140 |
| «Неотех-В12-70» | 12/70 | «Бош» | 640/12400 | 84/52,5 | 11,8:1 | 4/4 | 137 |
| «Рено-РС2» | 10/67 | «Вебер-Марелли” | 660—680/12800 | 90/54,9 | — | 4/4 | 139 |
| «Субару-Мотори-Модерни-1235» | 12/180 | «Вебер-Марелли» | 600—620/13000 | 84/52,5 | 11,5:1 | 4/5 | 159 |
| «Ямаха-ОИкс88» | 8/75 | «Ямаха» («Бош») | 580—600/11000 | — | — | 4/5 | — |
| «Джадд-СВ-8» | 8/90 | «Лукас-Цитек» | 610/11200 | — | — | — | — |
Таким образом, 12-цилиндровые двигатели пока не продемонстрировали своего решающего преимущества. Но число их сторонников не уменьшается. Инженеры «Феррари» делают все возможное, чтобы достать ушедшую вперед «Хонду». О серьезности их намерений говорит тот факт, что в нынешнем сезоне «Феррари», управляемый Аленом Простом, реально претендует на чемпионскую корону. И все же трудно сказать, чему в большей степени итальянская команда обязана своими последними успехами — достоинствам нового двигателя с пятью клапанами на цилиндр, шасси, сконструированному Барнардом и Николзом, или мастерству Проста.
12-цилиндровые двигатели — это многолетняя традиция «Феррари». Когда-то подавляющее большинство машин этой марки были снабжены такими моторами. Неудивительно поэтому, что бывшие сотрудники «старого хозяина», даже уйдя из команды в другие фирмы, остаются верны ее традициям. Мауро Форьери, много лет проработавший у Энцо Феррари, создал для итальянского завода «Ламборгини», решившего заняться формулой 1, 12-цилиндровый двигатель к началу прошлого сезона, но, похоже, только к середине нынешнего года мотор стал избавляться от детских болезней, и команды «Лотос» и «Лола», оснащенные им, начали заметно прибавлять.
Еще один двигатель «итальянской школы» — «Субару». Эта японская фирма имеет небольшой опыт производства многоцилиндровых моторов. Поэтому конструирование агрегата было поручено итальянскому заводу «Мотори Модерни». Главный конструктор итальянцев — Карло Читти тоже работал в свое время у «Феррари». Так родился 12-ци-линдровый горизонтально-оппозитный двигатель для формулы 1. Подобная конструкция снижает центр тяжести автомобиля, повышая таким образом его устойчивость. Однако этот мотор не оправдал возлагавшихся на него надежд, и команда «Колони», взявшая его на вооружение, после полутора безуспешных сезонов перешла на более надежный «Косворт».
Самым необычным из моторов Ф1 нового поколения стал двигатель итальянского конструктора Рокки, подготовленный для новой команды «Лайф». Его 12 цилиндров расположены в три ряда в форме буквы «дубльве». Такую конструкцию, заимствованную у авиационных моторов, имел весьма успешный в 20-е годы «Нэпир», устанавливавшийся на рекордные автомобили. Но, в отличие от своего старшего собрата, «Лайф-Рокки» не снискал никаких лавров — опытный итальянец Бруно Джакомелли пока не может даже пройти предквалификацию и принять участие в официальных тренировках.
Самыми распространенными в Ф1 остаются пока 8-цилиндровые конструкции. Во многом это объясняется тем, что «Косворт-ДФР» — единственный мотор, предлагаемый для свободной продажи всем желающим. Так что команды, не обладающие финансовыми возможностями для разработки собственного двигателя, могут рассчитывать только на него. «Косворт» используют восемь команд. Он исключительно надежен, что позволило гонщикам «Тиррела», «Минарди» и «Даллары» на некоторых трассах оказывать достойное сопротивление лидерам. Однако резервы двигателя уже полностью исчерпаны, и это заставило инженеров «Форда» и «Косворта» взяться за разработку нового мотора. Он несет обозначение «Форд-75-Дег» и пока устанавливается только на автомобили команды «Бенеттон». Этот двигатель один из самых передовых по конструкции. В нем очень широко используются алюминиевые и магниевые сплавы, титан, стеклопластик, армированный углеволокном. Электронная система управления мотора также одна из самых современных и эффективных.
Еще одна «восьмерка» разработана английским специалистом Джоном Джаддом на базе двигателя «Хонда», использовавшегося в формуле 3000. На этом моторе остановились команды «Брэбхэм» и «ЕвроБрун», а его усовершенствованный вариант с уменьшенным углом развала цилиндров и увеличенной мощностью взяла на вооружение «Марч».
В прошлом сезоне еще одна японская фирма попыталась войти в формулу 1. Двигатель «Ямаха» с пятью клапанами на цилиндр вызвал большой интерес, однако результаты разочаровали. Сезон для команды «Цакспид», вооруженной этим мотором, кончился полным фиаско, и ей пришлось покинуть трассы Больших призов.
Главной особенностью современных двигателей формулы 1 стало то, что все они — не просто моторы 70—80-х годов с увеличенным рабочим объемом, а новое явление в гоночной технике. Острейшая конкурентная борьба конструкторов привела к тому, что теперь эти моторы стали основой машин нового поколения. Применение новейшей электроники позволило ощутимо снизить расход топлива и повысить надежность. Повсеместно используются впрыск топлива с электронным управлением и бесконтактное зажигание. Чтобы улучшить наполнение цилиндров, внедряются пятиклапанные головки. Наибольшее распространение получил механизм газораспределения с двумя распределительными валами на каждый ряд цилиндров, приводящимися в движение шестернями. Только в двух моторах — и, кстати, самых неудачных — «Субару» и «Ямаха» — использовался зубчатый ремень. Уменьшить аэродинамическое сопротивление автомобиля помогают нетрадиционные углы развала цилиндров — это делает двигатель уже, компактнее, снижая лобовое сопротивление машины.
Теперь уже никто не сомневается, что в 1991 году будет преодолен заветный рубеж в 200 л. с. на литр рабочего объема безнаддувного двигателя (границу в 100 л. с. на литр первым преодолел «Мазерати-А6ГЦМ» в 1953 году). Сегодня моторы формулы 1 представляют собой как бы демонстрационный стенд достижений мирового двигателестроения. Неудивительно поэтому, что все больше автомобильных фирм проявляют к ним живейший интерес. С будущего года на гоночных трассах должен появиться «Эрроуз» с 12-цилиндровым двигателем «Порше». О планах проектирования моторов Ф 1 заявили «Пежо», «Мерседес-Бенц», «Ниссан», «Тойота», БМВ. Конкуренция в ближайшие годы должна обостриться, и это значит, что гонки Ф1 станут еще более напряженными и захватывающими. А выиграет от этого, быть может, обычный автомобилист, в машине которого будет стоять более надежный, мощный, легкий, экономичный мотор — отголосок двигателей Ф1 нового поколения.
Алхимия мощности
Подобно алхимикам, создатели гоночных двигателей ищут философский камень, который бы позволил из тысяч обычных компонентов (количество деталей в современных моторах Формулы-1 приближается к отметке 6000) получить так редко встречающееся в природе «чистое золото” – одновременно легкий, надежный и мощный агрегат. Однако совмещать несовместимое с каждым годом становится все сложнее.
Возьмем проблему веса. Облегчение конструкции двигателя не должно идти в ущерб его прочности и жесткости, поскольку современный гоночный мотор – не только поставщик мощности, но и силовой элемент, связывающий монокок с трансмиссией. От его несущей способности зависит поведение машины в повороте.
Тем не менее, преодолеть еще вчера казавшийся фантастическим порог в 100 кг удалось, видимо, уже трем заводам: Ilmor, Cosworth и Ferrari. Такое стало возможно в первую очередь благодаря использованию новых дорогостоящих материалов и сложнейших технологий обработки. В частности, Ferrari для изготовления картера двигателя серии 049 впервые в своей истории применила сплав алюминия с 20-процентным содержанием бериллия, который при приблизительно равном удельном весе и прочности неизмеримо жестче магниевого сплава. Стоит напомнить, что в США до 1993 года бериллий входил в число материалов, имеющих стратегическое значение. А в Формуле-1 такой сплав появился несколько лет назад в качестве материала тормозных скоб.
С использованием новейшей технологии так называемого точного литья, позволяющей контролировать микропористость (наличие мельчайших пузырьков воздуха) расплава, стало возможным получать детали с минимальными допусками. Так, сложной формы внутренние каналы для подвода масла и охлаждающей жидкости в головках блоков имеют отклонения от заданных параметров уже не в миллиметры, а в десятые доли миллиметра. Толщину стенок картера в свою очередь удалось уменьшить с 3,5–4 мм до 2–2,5 мм, что одновременно помогло решить проблему отвода увеличившегося с возрастанием мощности количества тепла.
Борьба с излишками веса в конструкции двигателя необходима и для снижения инерционности и потерь на трение, которые растут по мере повышения оборотов мотора. Поэтому в подшипниках коленвала Ferrari 049 стальные шарики заменены керамическими, для которых требуется меньшее количество смазки, что означает и снижение механического сопротивления их качению. К тому же эти подшипники, способные выдержать большую удельную нагрузку, компактнее, что позволило снизить вес мотора почти на 1 кг! Инженеры Ilmor при создании двигателя Mercedes-Benz FО110J пошли еще дальше, установив подшипники с керамическими шариками и серебряным напылением. Это позволило не только сократить потери на трение, но и, учитывая высокую теплопроводность серебра, усилить отвод тепла, что положительно сказалось на надежности системы в целом.
Сэкономить вес можно не только на основных элементах конструкции, но и на навесном оборудовании и управляющих системах. Все чаще корпуса различных насосов изготавливают из легкого и прочного углепластика. Что же до электроники, то она становится все более миниатюрной. Установленная на Ferrari F1-2000 система управления Magneti Marelli девятого поколения на 43% легче ее предшественницы (которая в этом сезоне используется на Minardi M02). 2 кг и 3,5 кг – чувствуете разницу?! При этом быстродействие процессоров новой системы увеличилось вдвое (40 млн операций в секунду), что дает возможность во время гонки проводить не только диагностику систем машины, но и корректировать их работу в случае выявления неисправностей. Результат «диеты”, на которую посажены моторы, оказался просто поразительным. Если 3-литровый V12, установленный в 1979 году на чемпионской Ferrari 312T Джоди Шектера, выдавал чуть более 3 л.с. с каждого килограмма веса двигателя, то у лучших современных V10 этот показатель составляет более 8 л.с. на 1 кг веса.
И все же, как любая диета, и эта, «механическая”, приводит порой к нежелательным последствиям. В ходе нынешнего чемпионата было замечено, что Ferrari нередко возвращаются в боксы с двигателями, залитыми маслом. Как полагают, это связано с недостаточной производительностью так называемого дегазатора, устройства, отделяющего пузырьки воздуха от моторного масла непосредственно перед поступлением в маслосистему двигателя. Возможно, дегазатор был уменьшен сверх меры, в результате чего накапливающееся в нем масло периодически выбрасывается на корпус двигателя.
Но мало добиться снижения веса. Необходимо еще и серьезно «поработать над фигурой”. Желательно, чтобы массы были сконцентрированы как можно ниже для повышения устойчивости автомобиля. Известно, что коленвал Ferrari 049 еще более смещен к днищу картера, чем у модели с индексом 048. Кроме того, мотор Ferrari F1-2000 – один из двух с углом развала блока цилиндров в 90° (у всех остальных – 72°, 80°), что позволяет дополнительно притопить центр тяжести автомобиля. Мало того. На режимах порядка 17 000 об/мин моторы с более «узким” V начинают страдать от высокочастотной вибрации, что приводит к нарушению соосности гильз цилиндров и как следствие – к увеличению потерь на трение. Ситуация малоприятная еще и потому, что на пик мощности современные двигатели выходят именно на режимах, близких к максимальным.
Ограничить вибронагруженность двигателей и увеличить их надежность помогает и другое инженерное решение, опробованное в прошлом сезоне командами Prost, Minardi и, возможно, McLaren. Инженеры этих команд отсоединили маховик вместе с группой сцепления от задней оконечности коленвала и пристыковали к первичному валу коробки передач. Что это дало? При обычной конструкции крутильные колебания коленвала, которые на режимах, приближающихся к 18 000 об/мин, могут привести к его поломке, сконцентрированы в узле крепления обладающего значительной инерционной массой маховика. Соединив маховик с первичным валом КПП, удается увеличить критическое значение крутильных колебаний, поскольку точка, в которой они сконцентрированы, перемещается в середину коленвала. Система с вынесенным маховиком используется теперь и на Ferrari F1-2000, но, видимо, полностью решить проблему подавления вибраций сверхлегкого 049 так и не удалось. От вибраций нарушаются электрические соединения, трескаются трубки гидросистемы. С этим, возможно, связан сход Баррикелло в Сильверстоуне.
Кстати, о трассах. При постоянном сокращении количества «ходовых” поворотов и увеличении числа медленных S-образных связок особое значение приобретает способность двигателя развивать высокий крутящий момент на относительно низких оборотах, обеспечивая машине энергичное и вместе с тем возможно более плавное ускорение. Задача, стоящая перед конструкторами, осложняется тем, что покрышки Bridgestone жестче гудьировских и потому легче срываются в пробуксовку. На помощь приходят электронные акселераторы дифференцированного действия, впервые примененные инженерами McLaren. B самый деликатный момент, когда тяга двигателя стремительно нарастает при увеличении числа оборотов с 13 000 до 14 000 об/мин, функцию тонкого управления впрыском топлива берет на себя электронный блок, связанный с педалью акселератора. Для смягчения резкого скачка крутящего момента, продолжительность которого измеряется десятыми долями секунды, электроника увеличивает подачу топлива сначала в одну группу цилиндров, а затем – в другую. Такую систему, значительно улучшающую управляемость двигателя (термин, вошедший в обиход с легкой руки Росса Брауна), теперь освоила и Ferrari.
А что же собственно мощность? Пути наращивания лошадиных сил различны. Например, грамотно сконструированный воздухозаборник двигателя обеспечивает давление наддува в 0,04 бар при скорости 200 км/ч, увеличивая мощность на 1,7% и на 4,5–5% при скорости 320 км/ч, что эквивалентно приросту мощности в 40 л.с. Вот вам, кстати, и еще одна причина, почему так трудно сегодня выполнить обгон. Тот, кто попадает в образующуюся за идущей впереди машиной зону разреженного воздуха, недосчитывается этих дополнительных 40 «лошадей”.
И все же главным источником увеличения мощности остается наращивание числа оборотов. Добиться этого можно, лишь постоянно сокращая ход поршней и соответственно увеличивая диаметр цилиндров. Соотношение этих величин за двадцать лет изменилось от 0,6:1 до 0,45:1. Одновременно благодаря использованию новейших материалов вес поршней уменьшился более чем на 120 г, а это, в свою очередь, повлекло за собой облегчение шатунов и коленвала. Такое снижение движущихся масс существенно улучшило сбалансированность двигателей. Но когда диаметр цилиндров стал заметно больше 90 мм, выявилась иная проблема. При числе оборотов свыше 17 000 об/мин продолжительность фазы сгорания топлива сократилась до 1,6–1,7 мс, что уже недостаточно для распространения пламени по всей площади верхней части поршней. Так что увеличение числа оборотов не давало соответствующего прироста мощности. Особенно остро эта проблема встала перед инженерами Ferrari в прошлом сезоне. Двигатель серии 048 в гоночной версии, по оценкам специалистов, был самым высокооборотным (более 17 000 об/мин), но проигрывал моторам Mercedes-Benz и Mugen-Honda порядка 20–15 л.с. именно из-за низкого кпд сгорания топлива, обусловленного большим диаметром цилиндров – 96 мм. Дальнейшее наращивание мощности за счет увеличения числа оборотов было бы возможно путем использования новых типов топлива или двигателей с большим числом цилиндров. Но, как известно, первое техническая комиссия Формулы-1 запретила, второе – собирается запретить.
Что же остается? Инженеры Ferrari пошли на попятный, уменьшив диаметр цилиндров 049-го до 93,5 мм. Да и не только они. Тенденция к ограничению диаметра цилиндров прослеживается достаточно отчетливо. Инженеры разных команд называют оптимальную величину в 92–92,5 мм. Такие моторы будут иметь более плавную кривую увеличения мощности и лучшую управляемость. Наглядный пример тому – двигатель BMW E42 с диаметром цилиндров менее 93 мм. С другой стороны, дальнейший рост мощности в рамках существующих правил становится невозможен. В Renault полагают, что уже к концу сезона-2000 двигатели V10 достигнут своего потолка мощности в 810–815 л.с.
Впрочем, не раз и не два на протяжении полувековой истории Формулы-1 казалось, что в совершенствовании того или иного узла достигнут потолок и дальше этого «идеала совершенства” дороги нет. Но настоящих конструкторов такие тупики только раззадоривают. И можно не сомневаться, что вскоре мы узнаем о новых открытиях алхимиков ХХI века. Ведь путь к философскому камню – дорога бесконечная
Михаил Козлов
Журнал «Формула-1» февраль, 2001