Японцы - за ДВС
25 декабря 2025 от @racetelegram
Японский «Автоспорт» продолжает серию статей, посвященных размышлениям о гонках. Трое «пожилых» мужчин собираются в редакции и рассуждают. На этот раз тема размышлений - «Работа с конструкторами двигателей над созданием силового агрегата, который был бы одновременно приятен в управлении и услаждал слух».
И тут важны не только детали, которые можно выудить из пространных размышлений, но и сам факт того, что есть еще периодика, в которой так живо обсуждается техническая сторона вопроса, а не просто перемываются кости и какие-то жизненные подробности, оторванные от «железа», что стало давно привычным в европейской прессе.
Тендзи Сакаи стал на сей раз ключевым консультантом у двух ветеранов редакции. Сакаи-сан, будучи «хранителем» (специальным представителем моториста) двигателя «Мугэн-Хонда» V10, был свидетелем победы «Лижье» ЖС43 Оливье Паниса на Гран-при Монако 1996 года. После он присоединился к команде «Джордан». Позже стал отвечать за разработку двигателей для «Формулы-1» и Супер ГТ и является одним из создателей нынешнего рядного четырехцилиндрового двигателя с турбонаддувом.
Оставшиеся двое, ветераны редакции Арито и Мородзуми, как и на предыдущей встрече, снова дадут волю своему воображению, чтобы обсудить, что ждет в ближайшем будущем автомобили высшего класса, которые будут интереснее не только для зрителей, но и для гонщиков.
М: - Прежде всего, основная предпосылка этой беседы заключается в том, что источником энергии для будущих автомобилей для автоспорта станет бензин, производимый в качестве «углеродно-нейтрального топлива». Это отправная точка, верно?
С: - Конечно!
А: - Недавно я общался с различными исследователями не только в области технологий, но и в экономике и менеджменте о том, какой тип силового агрегата подходит для «спорта» в эпоху снижения расхода топлива. Нам нужна «прямая связь между правой ногой и задним колесом». В ходе наших недавних бесед мы пришли к общему пониманию того, что «все автомобили, которые мы используем сегодня, не будут заменены электромобилями (на батареях)». Однако медиагиганты, широкая публика и даже люди из мира автоспорта еще не признали эту реальность. У «Формулы-1» нет другого выбора, кроме как перейти на V1O. Так что фундаментальное решение проблемы глобального потепления в автомобильном обществе — это в конечном итоге перейти на синтетическое «углеродно-нейтральное топливо», верно, Сакаи-сан?
С: Да, другого пути нет. Другими словами, в автоспорте по-прежнему будут доминировать бензиновые двигатели. Гибриды, вероятно, станут нормой для обычных автомобилей, но автоспорт и автомобили для удовольствия от вождения останутся бензиновыми. Это потому, что ими приятно управлять, и, прежде всего, у них отличный «звук». Когда вы приходите посмотреть гонку, первое, что вас впечатляет и заставляет воскликнуть «Ух ты!», это, конечно же, скорость и звук проезжающих перед вами автомобилей. Да, другого пути нет. Недавно я проводил исследование в университете на тему «что чувствуют люди и как они себя чувствуют в движущемся автомобиле», и подтвердил, что мы слышим «звук» не только ушами, но и всем телом. Посещение живого концерта, будь то классический или рок, — это совершенно другой опыт, чем прослушивание аудиосистемы в салоне или, тем более, через наушники. Это потому, что вы чувствуете вибрации воздуха. Во времена «Формулы-1» с атмосферными двигателями, находиться на трибунах и слышать рев двигателей всех машин на старте было настолько трогательным, что мурашки бежали по коже, верно?
М: Из всех этих автомобилей, какой по-прежнему выделяется как обладающий лучшим звуком?
С: Конечно, это был V1O. Звук, который он издавал на 18 000 об/мин, был поистине потрясающим.
А: Кстати, а как насчет V12 с еще большим количеством импульсов сгорания? Даже сейчас, когда вы слышите «Хонду» РА272, которая сохранилась в рабочем состоянии, она все еще довольно впечатляет, не так ли?
С: Она издает ревущий звук. Однако, если рассматривать возможность установки ее в гоночный автомобиль, звук становится более «закрученным» и тяжелым. Кроме того, компоновка была бы затруднена.
М: А как насчет V8?
С: С точки зрения установки, его легко собрать. Если использовать «плоский» коленвал и выводить выхлопные газы из левого и правого рядов цилиндров отдельно, он будет звучать как рядный четырехцилиндровый двигатель, но если удлинить обе выхлопные трубы и соединить их вместе, как мы сделали с V8 в Супер Формуле, добавится высокочастотный звук с эффектом резонанса, и на выходе все гораздо приятнее.
Итак, куда же должны двигаться лучшие силовые установки в «Формуле-1» дальше?
Атмосферный V10. Это единственный путь.
С: Добавление электродвигателя стало явным признаком того, что в условиях, когда общество движется к электромобилям, они (организаторы) хотят показать, что «мы тоже что-то делаем».
А: С 2026 года будет устанавливаться электродвигатель с примерно такой же мощностью, как и ДВС, но куда должен «направляться» этот крутящий момент?
С: Он соединен с передней частью коленчатого вала двигателя шестернями, и здесь включается специальная муфта как при разгоне, так и при рекуперативном торможении, и весь крутящий момент двигателя передается через коленчатый вал на задние колеса и обратно.
Электродвигатель вращается во много раз быстрее, чем двигатель внутреннего сгорания, поэтому редуктор там также больше. Это означает, что мощность почти в три раза больше, и весь крутящий момент мгновенно передается. Кто знает, что случится с коленчатым валом и шестернями, которые должны передавать вдвое большую мощность, чем сам двигатель?
М: Если мы собираемся следовать вечной теме повышения эффективности источника энергии, то тепловой генератор, от которого они отказываются, имеет больше смысла. Он рекуперирует тепловую энергию, которая просто выходит даром из двигателя, и генерирует электричество. Но «Формула-1» должна быть чистым соревнованием на скорость, поэтому там он не нужен. Хотя в марафонских гонках он может иметь больше смысла.
С: Если добавить такое устройство, придется использовать турбокомпрессор. Выхлопные импульсы, выходящие из камеры сгорания, поглощаются турбиной, поэтому энергия звука неизбежно сильно теряется и становится приглушенной. Что касается ощущения от вождения, то величина крутящего момента, возникающая в ответ на нажатие педали акселератора, полностью зависит от турбокомпрессора. Даже с такими механизмами, как «антилаг», невозможно полностью устранить задержку.
М: В серии «Формулы-1» каждая команда разрабатывает свой собственный автомобиль и может вкладывать огромные средства, включая и время, и деньги, чтобы использовать V10, но для серии, где все используют один и тот же автомобиль, V8 — это оптимальный вариант, поскольку он идеально вписывается в эту компоновку.
С: Он также унаследовал плавность работы от базовой концепции «Быстрый и легкий». С атмосферным V8 не понадобятся турбокомпрессоры и компоненты системы охлаждения, такие как интеркулеры, поэтому вес автомобиля будет аналогичен нынешнему.
М: Какой должна быть мощность такого двигателя для национального чемпионата? Нам нужно как минимум 500 лошадиных сил, как у нынешнего из Супер Формулы, или фактически 600 лошадиных сил, верно?
С: 3,4-литровый V8 может обеспечить это без каких-либо проблем. Учитывая потенциал расширения, можно увеличить рабочий объём до 3,5-3,62 литров, но это увеличит ход поршня, что увеличит высоту двигателя. Увеличение хода поршня увеличит высоту блока цилиндров (высоту от центра коленчатого вала до верхнего края цилиндра), и коленчатый вал придётся перепроектировать с нуля. Один из вариантов - увеличить ход поршня без изменения блока, но это укоротит шатуны, увеличив угол наклона при возвратно-поступательном движении, что может привести к различным проблемам. Изначально у нас был хороший двигатель, поэтому я думаю, что можно оставить его литраж 3,4.
А: Так что, нам просто нужно достать чертежи и воспроизвести их в неизменном виде?
С: Нет, я думаю, в будущем еще многое предстоит сделать, чтобы определить идеальную форму и стандартизировать характеристики гоночного двигателя. Но наличие «фундамента» важно. У этого V8 было очень хорошее базовое качество, и многие детали, такие как блок цилиндров, остались бы нетронутыми. Что касается внедрения современных технологий, то важна площадь камеры сгорания. Например, непосредственный впрыск и предкамера могут увеличить тепловую эффективность и гибкость двигателя. С легким наддувом его также можно адаптировать для двигателей в Ле-Мане.
М: Если зайти так далеко, разве это не будет означать высокие затраты на разработку?
С: Нет. Площадь головки блока цилиндров можно просто скопировать из текущей конструкции двигателей Супер Формулы, и я думаю, что шаг цилиндров примерно одинаков для V8 и нынешнего рядного турбомотора. Кроме того, в наши дни для прототипов сложные формы, такие как головки блока цилиндров, можно изготовить за один раз с помощью 3D-принтера по металлу, включая внутренние водяные каналы. Литье часто предпочтительнее при производстве больших объемов, но песчаные формы, используемые для этого, теперь можно изготавливать с помощью 3D-принтера. Также можно обрабатывать 3D-формы из металлических слитков. Это намного быстрее и дешевле.
М: А как насчет опытно-конструкторских испытаний?
С: Если бы это была новая разработка, нам сначала пришлось бы изучить характеристики сгорания, поэтому мы бы построили экспериментальную модель, похожую на V-образный двухцилиндровый двигатель, и начали бы испытания сгорания. Но мы накопили опыт в НИОКР, и все, что нам нужно сделать, это модифицировать его до атмосферной конфигурации и запустить в работу, и мы сможем увидеть реальную производительность.
А: Атмосферный V8 с рабочим объемом 3,4 л, должно быть, доставляет удовольствие от вождения.
С: Когда мы начали тестировать предыдущее поколение шасси Супер Формулы с новым 4-цилиндровым турбомотором, на вопрос о том, как он сравнивает автомобили Рё Хиракава честно ответил: «Я предпочитаю старый, потому что там лучше двигатель».
М: В продолжение темы предыдущего разговора, если мы уменьшим прижимную силу, управление акселератором будет напрямую отражаться на поведении автомобиля в поворотах, и это сможет увидеть даже обычный зритель. Кажется, мы могли бы создать машину «Формулы-1», которая «поворачивает вместе с педалью газа».
С: В автомобиле с атмосферным двигателем и непосредственным впрыском в цилиндре есть воздух даже при отпущенной педали газа, поэтому в момент легкого нажатия на педаль, если впрыскивать топливо в цилиндр на такте впуска в соответствии с этим количеством воздуха, сгорание и крутящий момент начнут нарастать примерно за 1/100 секунды. Я проводил эксперименты с подобными переходными процессами, и эти мгновения - первая часть работы с педалью газа. Она чрезвычайно важна при прохождении поворотов.
А: В английских гоночных школах это называют «балансировочным дросселем», и, похоже, этому управлению учат в первую очередь.
М: Для дальнейшего улучшения характеристик все три компании теперь используют вторичные балансиры в своих четырехцилиндровых двигателях для ГТ500 (там они вращаются с удвоенной скоростью относительно коленчатого вала, чтобы компенсировать вторичные вибрации, возникающие с удвоенной частотой вращения коленчатого вала). А что насчет установки балансировочного вала в двигатель V8?
С: В рядном четырехцилиндровом двигателе колебания второго порядка достигают пика на определенной частоте и вызывают характерный жужжащий звук. Но в 90-градусном V8 колебания можно значительно уменьшить. Экспериментируя с «плоскими» и крестообразными коленвалами, можно добиться «ритмичного», резкого крутящего момента, который делает американские V8 такими привлекательными в управлении.
А: Когда раньше использовали 3,4 V8, устанавливали ограничение оборотов на отметке в 9000 и на 10700 - для обгона.
С: Простое повышение верхнего предела оборотов работает только на пике увеличения скорости автомобиля и на самом деле не увеличивает шансы на обгон. Даже если двигатель хочет втянуть больше воздуха, по мере увеличения количества воздуха, проходящего через суженные отверстия, и достижения скорости звука, возникает ударная волна, и воздух уже не может поступить в цилиндр. Получается, может быть использован только воздух до этого предела, что определяется верхний лимит выходной мощности. Если в атмосферном двигателе нет ограничений на впуске, мощность будет расти пропорционально частоте вращения, не сильно снижаясь даже после пика крутящего момента, в зависимости от настройки впускного распредвала. Если все же попытаться организовать «рабочую» кнопку «помощи в обгоне» за счет повышения доступных оборотов, сначала нужно определить предел мощности и частоту вращения для максимально возможных оборотов, а затем можно определить диаметр ограничителя, соответствующий объему впускного воздуха в этот момент. С другой стороны, конструкторы двигателя могут создать характеристики крутящего момента, которые достигают этого уровня, изменяя фазы газораспределения впускного и выпускного распредвалов, а также поток воздуха на впуске и выпуске.
М: И это будет эффективнее, чем система снижения лобового сопротивления (СЛС, DRS). Как видно из текущего состояния «Формулы-1», СЛС, которая включает в себя только открытие закрылков, становится неэффективной после того, как все поняли, как ее использовать. Мы получили лишь «СЛС-поезд», и все это на самом деле не увеличивает возможности для обгона. Было бы лучше, если бы что-то можно было сделать со стороны двигателя.
****
В случае восьмицилиндрового двигателя угол развала между двумя рядами цилиндров, или «блоками», обычно составляет 90 градусов. Четырехтактный двигатель совершает один рабочий цикл за два оборота коленчатого вала (720 градусов). В восьмицилиндровом двигателе включение каждого цилиндра с интервалом в 90 градусов (угол поворота коленчатого вала) обеспечивает равномерное сгорание и создание давления.
Кроме того, двигатель работает более плавно, когда силы, создаваемые возвратно-поступательным движением поршней и возвратно-поступательным и диагональным колебательным движением шатунов, соединенных с ними, компенсируют друг друга и уравновешиваются. В 90-градусной V8-конфигурации эта характеристика улучшается, когда шатуны двух противоположно расположенных цилиндров расположены с фазовым сдвигом в 90 градусов друг относительно друга. Такая конфигурация является стандартной для двигателей легковых автомобилей, и коленвал при этом получается «квадратным» («крестообразным»).
Однако для увеличения мощности в условиях соревнований необходимо синхронизировать или резонировать импульсы давления выхлопных газов, чтобы отводить выхлопные газы и втягивать воздух. Для этого лучше всего использовать равномерно распределенную схему сгорания на 180 градусов в одном ряду цилиндров. В этом случае четыре шатуна расположены в одной плоскости, а
сам коленвал получается «плоским».
Однако это создает вибрации с частотой, вдвое превышающей скорость вращения, что в конечном итоге проявляется в виде гудящей вибрации.
*****
Парк, состоящий исключительно из электромобилей, нереалистичен
Успешные исследователи в области технологий и менеджмента независимо друг от друга подсчитали, что в «очень ближайшем» будущем - скажем, через 10 лет, в 2035 году - на электромобили будет приходиться не более 20% мирового производства и продаж автомобилей, причем многие из этих транспортных средств будут «инфраструктурного типа», используемыми для перевозки людей и грузов. Недавнее резкое замедление продаж электромобилей во всем мире следует понимать как признак того, что общество в целом вступает в период адаптации к этому балансу.
В Японии общая социальная атмосфера заключается в простом игнорировании идеи о том, что «все автомобили станут электрическими». В мире автоспорта эта тема рассматривается и обсуждается еще менее серьезно. Но автоспорт — это область, которая формирует сущность «удовольствия от автомобилей» в обществе, ориентированном на автомобили, и направление, в котором движется общество в целом, повлияло на саму основу автоспорта, и это будет продолжаться.
Если предположить, что «не все автомобили будут заменены электромобилями», то что же будет приводить в движение наши транспортные средства? Если основная цель - сдерживание глобального потепления, единственным вариантом является двигатель внутреннего сгорания, использующий топливо, которое «компенсирует поглощение и выбросы CO2», так называемое «углеродно-нейтральное (УН) топливо». Это также основной источник энергии для самолетов и океанских судов. Для легковых автомобилей, используемых в повседневной жизни, основное внимание будет уделено гибридным двигателям, которые сочетают в себе электродвигатель с дальнейшими усовершенствованиями двигателя внутреннего сгорания.
Так что же насчет этого «УН топлива»?
Хотя общество в целом не может сузить свой выбор до одного варианта, наиболее вероятным решением является жидкое топливо, получаемое путем разложения и реакции CO2 с образованием топлива, имеющего те же основные компоненты, что и бензин и дизельное топливо.
Электроэнергия, необходимая для его производства, будет вырабатываться ветром, солнцем или другими возобновляемыми источниками энергии.
Конечно, можно было бы рассмотреть и жидкое топливо растительного происхождения, или так называемое биотопливо, но его производство ограничено, и существуют опасения по поводу конкуренции с сельскохозяйственными культурами и разрушения окружающей среды.
Это уже не несбыточная мечта; это уже реальность. Как мы все знаем, «Формула-1» перейдет на полностью УН-топливо, начиная с сезона 2026 года, а в МЧМ (WEC) также использует виноградный жмых для синтеза бензина «Тоталь». «Бензин», синтезированный из CO2 на испытательном заводе, построенном в ветреном регионе на южной оконечности Чили, используется в качестве топлива для гонок Суперкубка «Порше», проводимых совместно с этапами европейской «Формулы-1» и в которых участвуют 32 автомобиля 911. Сама эта фирма «ХИФ Глобал» (Highly Innovative Fuels, «высокоинновационные топлива»), также имеет обширное партнерство с двумя крупными японскими нефтеперерабатывающими компаниями «Идемицу» и «Энеос», получая инвестиции от Японской национальной корпорации энергетики и металлов (JEMN). А «Энеос» поставляет 100% «синтетический бензин», произведенный собственными силами с использованием другого метода реакции, в качестве топлива для официальных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, использовавшихся на недавно завершившейся выставке «Осака Экспо».
Зная эти факты, становится ясно, что настало время для полномасштабного использования «синтетического бензина» в японском автоспорте. И к этому все идет.
