Кто на свете всех мощней или современные двигатели Формулы 1

Современные двигатели, несмотря на огромное количество ограничений, продолжают оставаться наиболее мощными (имеется ввиду литровая мощность) и высокотехнологичными в мире. Начиная с сезона 2004 года ФИА что называется "взялась" за двигатели Ф1. Сначала все ограничилось увеличением надежности: в 2004 (Ф1 еще ездила на моторах V10 объемом 3 л) двигатель должен был выдерживать один Гран-При, в 2005 уже два. В 2006 снова изменился регламент на двигатели и Ф1 перешла на моторы V8 объемом 2.4 л, с углом развала 90 градусов и массой 95 кг, которые используются до сих пор и доживают свои последние сезоны перед очередным изменением технического регламента 2013- когда начнут использовать, скорее всего, рядные 4 цилиндровые двигатели объемом 1,6 л с турбонаддувом и непосредственным впрыском топлива в цилиндры. Изменяя регламент на двигатели в 2006 г указывалось, что это якобы позволит снизить расходы, но все понимали что исследования и тесты двигателей будут стоить моторостроителям очень дорого. Но первопричиной конечно же было ограничение скоростей- в 2005 году, когда развитие двигателей V10 достигло своего пика мощности были равны 950-980 л.с, хотя на деле лучшие экземпляры выдавли свыше 1000 л.с в конце сезона. Таких мощностей не было со времени запрета двигателей с турбонаддувом в конце 80-х годов. В Монце на ее длинных прямых в сезоне 2005 г болиды на практике успевали разгоняться до 370 км/ч... В квалификации и гонке скорости были поскромнее, но все равно гонщики легко перекрывали рубеж 350 км/ч. Но вернемся в 2006 год. Мотористы потеряли в объеме свыше полулитра и 200 л.с мощности, но скорости на круге упали не столь значимо, как думали многие, предрекая от 2 до 3 секунд отставания. К примеру в Монце, так требовательной к моторам, разница между 2005 и 2006 годом была в пределах 1,5 секунд...V8 объемом 2.4 л отлично крутились и выдавали свыше 20000 об/мин. Перед сезоном 2007 г обороты были ограничены отметкой 19000. Но в конце 2007 г ФИА предложила командам пойти дальше и заморозить разработку двигателей строго регламентировав работы по модернизации. Перед сезоном 2009 обороты ограничили 18000 об/мин. Сейчас гонщику можно использовать не более 8 двигателей за сезон. В таком виде двигатели просуществуют до упомянутого 2013 г. Конечно командам разрешается дорабатывать двигатели в случае проблем с надежностью. 

Mercedes-Benz FO108, который признан сейчас лучшим в Ф1 Инженерам остается немного путей увеличивать мощностные показатели двигателей- в основном это повышение крутящего момента и уменьшение потерь на трение.

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.

Но вернемся к дням сегодняшним. Конечно же жесткие ограничения делают двигатели все менее значимой частью болида, но все же как бы не было великолепно шасси к нему нужен хороший двигатель. Лучшие на данный момент в Ф1 признаны двигатели Mercedes-Benz FO108 которые совмещают высочайшую мощность, отличную приемистость, надежность и при этом остаются экономичны. Мощность по неофициальным источникам лежит в пределах 770 л.с. Двигатели Ferrari не уступают в мощности Mercedes-Benz, но немного проигрывают в экономичности. Что и подтверждает прошлогодняя гонка в Монце (одна из немногих трасс, которую по праву называют трассой моторов) в которой боролись гонщики Макларен-Мерседес и Феррари. Двигатели Renault RS27 проигрывают основным конкурентам в мощности, но что очень немаловажно, обладают, по видимому, более плавным графиком крутящего момента. Как показывает гонка в Монако (несмотря на то что это самая медленная трасса чемпионата, именно на ней от мотора требуется хорошая и плавная тяга на низах и средних оборотах) за победу боролись команды использующие двигатели Рено. Также стоит отметить что с двигателями Рено болиды хорошо смотрятся в среднескоростных и скоростных поворотах, когда болиды идут с колоссальной перегрузкой в 3-5g (там где так хороши Ред Булл) в них двигатель работает не на ограничителе, а в зоне оптимального крутящего момента. 

Конечно же направление ФИА по ограничению характеристик двигателей вызвала огромное сопротивление среди болельщиков. Да и переход на новую конфигурацию, увеличение надежности вызывает удивление у многих, так как эти решения явно не добавляют экономии моторостроителям Ф1. Но в тоже время пройдя этот болезненный процесс многие коллективы (в частности Мерседес) говорят, что им удалось добиться существенной экономии. К примеру отдел Mercedes HighPerformanceEngines который до 2007 г. едва успевал обслуживать одну команду Макларен, теперь поставляет двигатели трем командам при этом говоря что легко смог бы поставлять двигатели еще нескольким командам, так как мощности фабрики используются далеко не на 100%.

История, типы и характеристики двигателей Ф1:

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.

Рядный двигатель. Двигатель, в котором все цилиндры располагаются друг за другом в ряд. Но он не применяется в Ф1 с 60-х годов. При своих небольших размерах и компактности они были длинными, поэтому нуждались в тяжелом коленчатом вале.



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 Ф1 благодаря своему низкому центру тяжести и невысокой стоимости производства. Но в последствии и от него отказались, так как он не удовлетворял условиям перегрузок, действующих на машину во время поворотов. Феррари, к слову, использовала 12-цилиндровый оппозитный двигатель с 1970 до 1980, прежде чем начала использовать V-образный двигатель с углом развала цилиндров в 120 градусов.

 

 

В настоящее время в болидах Ф1 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. Безусловно, для V-образных двигателей размер является главным фактором и ему в первую очередь уделяют внимание конструкторы при разработке нового двигателя. Ранее, двигатели конструировались с углом развала в 60° V12 и 72° V10. Однако, очень интересно проследить историческое развитие "вэшек", в архивах FIA имеется информация о восьмицилиндровом двигателе с углом развала в 90 градусов.

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:

Как считалось ранее, Ferrari использовала 60° V12 или 120° V12. На первый взгляд, разделив 720° на 12 цилиндров, получится 60°. Вы берете 120°, когда представляете V12, как два двигателя V6 поставленных в ряд.

Renault чрезвычайно удачно создали двигатель 72° V10. Это идеальный угол для любого двигателя V10, если не брать во внимание оппозитный двигатель. Один цилиндр постоянно воспламеняется и поршневые пальцы создают угол в 72°, так что после двух толчков каждый отдельный поршень проходит один полный круг.

В настоящее время каждая команда использует двигатель 90° V8 не только из-за того, что так предписывается правилами. А главным образом, потому что это идеальный угол развала цилиндров.

В противоположность этому оптимальному выбору есть другие технические решения. Например, в 2005 году двигатели 90° V10, которые использовал Renault. В то время как они могли стать более интересными по ряду причин, их мощность не могла теоретически превзойти двигатель Renault RS25, который был 72° V10. Следовательно, 90° V10 имел другой изгиб пальцев кривошипа и порядок работы цилиндров.

Прежде всего, двигатель RS25 Renault должен был стать революционным, как до этого был двигатель 112° V10. И хотя, двигатель RS21 развился в RS25 и имел правильно расположенный центр тяжести, от него отказались. Мотор не мог развивать конкурентно-способные высокие обороты при использовании неравномерного порядка работы цилиндров и имел внутренние вибрации, источник которых так и не был найден.

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 впуска и 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 двигателя. 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.

Отличия двигателей Ф1 от моторв серийных машин:

Полнота наполнения цилиндров (volumetric 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.


К сожалению, из-за энергии топлива, попадающего в цилиндры, теряется активность 1/3 используемых лошадиных сил. Синхронность воспламенения, термослой, положение свечей и камеры впуска - это термический КПД. При низкой ст