М. Моторы Формулы 1

[Ден]

Переход с V10 на V8 (2006 г.)

Решение о переходе с V10 на V8 в Формуле 1 было принято в конце 2004-го года, заставив мотористов сосредоточится на новых требованиях уже в 2005-м году. 2006 г. стал кульминацией переходного периода.

На первый взгляд, новый мотор V8 с углом развала блока цилиндров 90 градусов может показаться просто "обрезанным" V10. На самом деле, технически это совсем другая концепция постройки двигателя со своими особенностями. У восьмерки другой порядок работы цилиндров, соответственно и другой коленчатый вал. Тогда как на десятке использовался коленвал с 72-х градусным углом между кривошипами, восьмицилиндровый мотор может быть с четырьмя кривошипами, расположенными под 90 градусов или с четырьмя же, стоящими под 180 градусов.

Стандартные серийные моторы комплектуются коленвалами с 90 градусным углом между кривошипами, потому что в них весьма неплохо уравновешены силы и моменты инерции первого и второго порядка . Но в гоночных моторах предпочтительнее использовать 180 градусный угол, так как увеличенная за счет этого мощность компенсирует неудобства с неуравновешенностью.

При такой схеме, неуравновешенные вибрации представляют очень серьезную проблему при разработке нового поколения V-образных 8-цилинровых моторов Формулы 1. У восьмерки порядок работы цилиндров и интервалы отличаются от предшествующей ей десятки, что совершенно меняет ситуацией с вибрацией. Десятка подходила к критическому моменту вибрации в диапазоне от 12.000 до 14.000 оборотов в минуту. Но, двигатель не работал долгое время в таком диапазоне, и вибрации прекращались как только пилот нажимал на педаль газа и превышал эти обороты. Поэтому до нынешнего времени такая ситуация не считалась ключевой проблемой.

В этом плане с восьмеркой не все так хорошо. Пик вибрации этого мотора наступает на больших оборотах, начинаясь от 16.000 оборотов, она растет и дальше. В результате, проблемы с вибрацией теперь выходят на первый план и влияют на массу других составляющих болида Формулы 1. Если с ними не справиться, то они уменьшат ресурс мотора, увеличат нагрузку на детали шасси. Для того чтобы решить эту задачу надо произвести массу расчетов и испытаний по каждой детали мотора. Но проверка деталей по отдельности - это только часть работы. Основной целью является понять, насколько гармонично они работают в составе всей системы мотора.

Ограничения.

Меньший вес мотора по идее должен снимать проблему лишних вибраций. Несмотря на это, ограничения в правилах урезали здравые тенденции команд использовать ультра-легкие материалы. Инженеры работают определенными титановыми и алюминиевыми сплавами, оговоренными регламентом.

Новый V8 должен быть тяжелее чем его предшественник, даже несмотря на то, что у него меньше цилиндров. В этом году мотор должен весить не менее 95 килограммов. В эти килограммы входят также система впуска, воздушный фильтр, топливная система и инжекторы, катушка зажигания, генератор, датчики и электрическая проводка, помпа, масляный насос. Не входят технические жидкости, выпускной коллектор, теплозащитные экраны, аккумуляторы, радиаторы, и гидронасос.

Новые правила также оговаривают что центр тяжести мотора должен быть не ниже 165 мм над нижней частью поддона. Раньше эксперты старались понизить центр тяжести двигателя чтобы добиться лучшей управляемости шасси. Теперь его продольное и поперечное расположение должно быть в геометрическом центре мотора (+/-50 мм).

Для технической комиссии, проверяющей надлежащее исполнение регламента, процедура взвешивания теперь усложняется. Теперь она будет представлять собой расчеты, сделанные на основе двух взвешиваний по принципу рычага.

Ранее охраняемый секрет - диаметр цилиндров теперь строго ограничен 98 миллиметрами. Расстояние между их центрами тоже оговорено 106,5 мм (+/- 0,2 мм).

Еще одно критическое изменение - запрет системы изменяемой длины впускного тракта. Известные также под названием "раструб", эти системы использовались для сглаживания кривой крутящего момента. Фиксированная длина впускных каналов теперь станет еще одним препятствием в достижении хорошей отдачи двигателя. Теперь длина впускного тракта будет зависеть от нескольких факторов, в том числе от конфигурации трассы и погоды, например.

Команды будут использовать одни настройки впускных трактов на трассах с длинными прямыми - такими как Монца, Индианаполис и Спа - где мощность имеет главную роль, и другие настройки в Будапеште и Монако, где большая мощность мотора отходит на второй план. Такая же ситуация и с влажной погодой.

Воздухозаборник по определению является частью мотора и включен в регламентные 95 кг максимального веса, но их можно менять перед квалификацией.

Новейшая эра - 3.0 литра

После трагических событий 1994 года FIA решила уменьшить рабочий объём двигателей с 3.5 до 3 литров. Дальнейшие изменения регламента вели к унификации двигателей. Если в 1995 году команды использовали различные схемы - V8, V10 и V12, то к 1998 году все перешли к схеме V10. Она была не настолько уравновешенной, как V8 и не давала такой мощности как V12 при том же объёме, однако оптимальное сочетание этих параметров заставило перейти все команды именно к ней. Единственной командой, использовавшей моторы V12, была Ferrari. Но выигрыш в мощности (порядка 3%) нивелировался лишним весом, поэтому уже в 1996 году Скудерия перешла на V10, притом довольно успешно - её моторы лишь немного уступали признанным лидерам в мощности - Renault. Моторы со схемой V8 использовали, как правило, небольшие команды, вроде Tyrrell и Minardi. В последнем сезоне со своими маломощными восьмёрками Ford и Hart они были явными аутсайдерами.

С различными схемами экспериментировала и Honda, которая вернулась в Формулу-1 как моторист в 2000 году. Однако все исследования в области V12 закончились ничем - с 2000 года схема V10 стала обязательной для всех (хотя, как уже было выше сказано, на протяжении двух сезонов другие и не использовались).

Методы оптимизации

Очень важно, помимо выбора количества цилиндров, определить угол их развала, а также отношение ход/диаметр. И в этом различные мотористы не гнушались экспериментов. Если в середине девяностых предпочтение отдавалось двигателям с углом развала в 72 градуса (данная схема обеспечивала равномерное чередование вспышек), то позже команды перешли на прямой или даже чуть больший угол. Такая мера позволила уравновесить силы инерции первого порядка, кроме того, центр масс такого двигателя был ниже. Вернувшаяся официально в 2001 году Renault представила революционный двигатель с углом развала в 111 градусов. Он имел существенно более низкий центр масс, однако страдал "детскими" болезнями - на первых Гран-при Benetton-Renault соперничали с Minardi в скорости, не говоря уже о фатальной надёжности. Постепенно проблемы удалось устранить, однако, вскоре выяснилось, что данная схема не позволяет повышать частоту выше 18500 об/мин - выше начинаются вибрации, неизбежные при такой компоновке. В 2004 году Renault вернулась к схеме с углом развала 72 градуса - такая использовалась на моторах Supertec, которые были эволюцией Renault, выигравших титулы в 1997 году. Хотя, широкоугольные моторы всё же выиграли один Гран-при - в 2003 году Фернандо Алонсо одержал победу на Гран-при Венгрии - как раз там, где мощность не так важна, как пониженный центр масс.

Отношение хода поршня к диаметру цилиндра:

В гражданских автомобилях, как правило, это отношение равно 1 или чуть большему значению. Для болидов Формулы-1 оно с каждым годом уменьшалось, стремясь к величине 0.4.

Небольшой ход имеет ряд преимуществ:

- меньшие значения скоростей и ускорений цилиндро-поршневой группы, а, значит, и меньшие механические потери, меньшая боковая сила

- больший диаметр клапанов, позволяющий лучше наполнять цилиндр

Есть и ряд недостатков:

- более массивные поршни/клапана, что увеличивает механические потери

- слишком большое расстояние, которое нужно пройти фронту пламени до стенок.

В итоге инженерам приходилось бороться с комплексом задач одновременно. И механические потери с оптимизацией сгорания - это далеко не полный список. Увеличение частоты порождало увеличение механических потерь и уменьшение времени цикла. Борясь с одним параметром, инженеры сводили на нет преимущество во втором.