Меню сайта
Поиск по сайту
Номера журнала
Рубрики журнала
Фотоальбомы
Разное
Пользователи
Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0


Яндекс.Метрика

Индекс цитирования.
Главная » Статьи » Номера журнала » №31 (02.2001)

Алхимия мощности

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 FO110J 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 М02). 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. В 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 Е42 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 XXI века. Ведь путь к философскому камню - дорога бесконечная.

Михаил Козлов

 

Вот уже несколько лет Паоло Мартинелли, глава отдела двигателестроения Ferrari, начинает свою речь на очередной презентации автомобиля итальянской команды с одной и той же фразы: «Новый двигатель является эволюцией своего предшественника. Основа у него хорошая, так что мы работали над улучшением всех его компонентов с целью достижения лучшей управляемости и большей мощности при сохранении высокого уровня надежности. Центр тяжести стал ниже. Вес уменьшился на 5% в основном благодаря использованию новых материалов и сплавов. На сезон запланированы две модификации...» И далее в том же духе. Каждый год одно и то же. С небольшими вариациями.

«Блок цилиндров в конструкции 049 - совершенно новый, изготовленный с использованием технологии точного литья, - поведал Мартинелли на представлении F1-2000. - Как обычно, мы не называем число лошадиных сил, которые выдает наш двигатель, но я уверяю вас, что наши инженеры методично работают над улучшением всех его характеристик».

Методичность - вот что отличает подход Ferrari в последние годы. Нетерпение, попытки добиться всего разом, метания из стороны в сторону остались в прошлом. Упорство, с которым инженеры итальянской команды от гонки к гонке зримо настигают конкурентов, начинает приносить свои плоды.

 

«Я не гений, - говорит Марио Иллиен, создатель чемпионских FO110 (FO - Formula One, 1 - серия, 10 - число цилиндров). - Наш успех - плод усилий многих людей». 320 специалистов фирмы Ilmor проектируют, создают и поставляют командам Формулы-1 и CART около 100 моторов за сезон. Кроме того, есть еще 30 сотрудников Mercedes-Benz, занимающихся фундаментальными исследованиями в рамках автоспортивной программы немецкой компании. «Один из самых главных факторов в улучшении характеристик двигателя - это новые материалы, - раскрывает секрет своего успеха Иллиен. - А у Mercedes есть отличная материаловедческая лаборатория в Ульме, к югу от Штутгарта».

Процесс проектирования гоночного двигателя Иллиен называет поиском компромиссов. Например, 10 цилиндров - это компромисс между высоким числом оборотов и, соответственно, мощностью V12 и компактностью и экономичностью V8 с другой. Двигатель не работает сам по себе. Он - часть автомобиля. «Самое главное - почувствовать границу, за которой гонка за характеристиками двигателя уже не приводит к уменьшению времени прохождения круга».

«Отточенное мастерство приносит победу» - вот девиз Ilmor. Собственный победный опыт, а также поддержка такого гиганта, как Mercedes-Benz, позволяют Иллиену уверенно смотреть в будущее. Мощность его агрегатов за последние несколько лет выросла чуть ли не на 30%! «Меня часто спрашивают, виден ли предел совершенству двигателей внутреннего сгорания, - говорит конструктор. - И я всегда отвечаю: «нет!»

 

Воздух вместо стали

При числе оборотов свыше 14 000 в минуту даже выполненные из самой высококачественной стали клапанные пружины не выдерживают нагрузки. Еще в 1982 году тогдашний инженер Renault Жан-Пьер Буди разработал альтернативную технологию - пневмопружины, в середине 90-х ставшие в Ф-1 явлением повсеместным. Обычную витую пружину заменил пневмоцилиндр, который при помощи магистрали с впускным клапаном соединен с резервуаром сжатого воздуха, находящимся под относительно низким давлением (6-8 бар). Когда кулачок распредвала начинает открывать клапан камеры сгорания, надавливая на его шток, одновременно идет вниз и поршенек пневмоцилиндра, давление в котором постепенно увеличивается, достигая в определенный момент требуемого уровня. Тогда, чтобы избежать перегрева содержащегося в пневмоцилиндре воздуха и потерь мощности, открывается соответствующим образом тарированный выпускной клапан, чтобы стравить излишки воздуха. Поскольку при каждом открывании клапана камеры сгорания часть воздуха выходит из пневмоцилиндра, соединенный с ним резервуар сжатого воздуха должен пополняться при помощи насоса, потребляющего крайне незначительную часть мощности двигателя. Чтобы компенсировать изменение температуры, плотности и влажности забираемого из атмосферы воздуха, настройка выпускных клапанов пневмоцилиндров постоянно изменяется электронными управляющими системами, получающими информацию от соответствующих датчиков.

Вес пневмопружин значительно меньше, чем у стальных, а потому инерционность их действия крайне мала, что позволяет им эффективно работать и при огромном числе оборотов двигателя. К тому же при использовании пневмопружин уменьшаются потери мощности.

 

«Лошадиные силы решают все!» - безапелляционно заявил технический директор Honda Racing Development Казутоши Нишизава на презентации нового двигателя RA000E. К этой простой истине 46-летний инженер пришел, имея за плечами богатый опыт работы в автоспорте. Именно он в 1982 году возглавлял проект создания двигателя Honda для Ф-1. В 1987 году, первом из пяти подряд победных сезонов для японской компании в Ф-1, Казутоши занимал пост главного инженера бригады двигателистов в Williams. Потом были годы успешной работы в CART, увенчавшиеся четырьмя чемпионскими титулами гонщиков Chip Ganassi Racing. И вот - возвращение в Ф-1.

Зимой японцы радовались как дети, загнав новый агрегат «за 800 лошадей» на стенде. «И это только базовая версия! - ликовал Нишизава. - А что будет, когда пойдут модификации!» Однако к тезису о лошадиных силах, которые решают все, взгляды японского двигателиста не сводятся. «Самурайская» философия вряд ли способна привести к успеху в Ф-1. И японец тут же добавил: «Но наши головы в первый год выступлений заняты только одним - надежностью».

 

Мал рычажок, да дорог

Уже в 90-е годы все те же инженеры Renault в газораспределительном механизме своих V10 применили систему с промежуточным балансиром, который, как следует из названия, закреплен одним концом на оси и расположен между кулачком распредвала и штоком клапана. Такая конструкция имеет ряд преимуществ перед традиционной. Во-первых, за счет того, что рычажки подвешены на оси, уменьшаются массы, совершающие возвратно-поступательные движения, а следовательно, снижается и инерционность системы. Во-вторых, создаваемый балансиром рычаг позволяет открывать клапан на любую требуемую величину и к тому же с большей скоростью, что удлиняет продолжительность фазы полного открытия клапана и дает возможность использовать распредвалы с кулачками уменьшенного профиля (а значит, более легкие). Наконец, подсоединив к оси балансира управляемый электроникой гидравлический поршенек, можно приподнимать или опускать ось в соответствии с числом оборотов коленчатого вала, изменяя степень открытия клапана и таким образом добиваться эффекта вариатора фаз газораспределения.

Буди, ныне работающий в Peugeot, полагает, что система газораспределения с промежуточным балансиром «существенно улучшает управляемость двигателя». Вот только использовать эту технологию могут лишь те, кто имеет доступ к секретам современной металлургии. Когда в середине 90-х в Ferrari решили скопировать французское изобретение, балансиры стачивались «в ноль» уже после десяти минут работы двигателя. Но сейчас процесс доводки завершен, и в конструкции двигателя серии 049 используется этот маленький, но такой полезный рычажок.

 

«Сами по себе гонки почти не изменились, а вот вовлеченные в них силы и средства возросли многократно, - Пауль Роше на секунду задумался. - Во времена турбо мы обходились штатом в 65 человек и снабжали двигателями две команды. Теперь в рамках программы Ф-1 в BMW работает более 150 специалистов. Каждую неделю проходят гонки или тесты, для которых надо готовить двигатели. Между тем ресурс современных агрегатов Ф-1 составляет всего 500 км».

Каких только прозвищ ни придумали для этого человека: величественных - Папа моторов, дружески-иронических - Пауль-распредвал. Но если вы заговорите о личных заслугах создателя знаменитого BMW F1 turbo, он только сконфуженно улыбнется и пожмет плечами. Личная скромность - такой же фирменный знак Пауля Роше, как и репутация человека-легенды гоночного двигателестроения. Вот и сейчас, после своего ухода с поста одного из руководителей BMW Motorsport, 65-летний Роше утверждает, что его отставка - невеликая потеря для программы.

«Опыт времен турбо вряд ли применим при создании современных двигателей, - снова пожимает плечами Пауль. - Мы имели дело с моторами, развивавшими не более 11 500 об/мин, а сегодня 17 500 является нормой. Это привело к появлению новых принципов проектирования, - создаются сверхлегкие конструкции. Каждая деталь при столь высоком уровне нагрузок должна работать исключительно надежно, но малейшее увеличение ее веса на таких оборотах приводит к громадному росту инерционности. Прибавьте сюда важность борьбы с потерями на трение на таких скоростях, и вы получите представление о проблемах, с которыми приходится сталкиваться двигателестроителям сегодня».

Категория: №31 (02.2001) | Добавил: LiRiK3t (03.10.2013)
Просмотров: 1294 | Теги: №31(02.2001), техника
^Наверх
вход выход Created by LiRiK3t