Двигатель Формулы 1: от настоящего к истокам. Часть первая

31 августа 2010 - 11:58
Двигатель Формулы 1: от настоящего к истокам. Часть первая

Уважаемые читатели портала, редакция  Engine-Market представляет вашему вниманию первую часть серии статей "Двигатель Формулы 1: от настоящего к истокам". В этой части речь пойдет о современном двигателе формулы 1, его особенностях, проблемах при проектировании, важных характеристиках, отличиях от дорожных моторов и в заключении - технические ограничения 2010 в чемпионате Формула 1.

 Один из самых сложных составных блоков болида Формулы 1 – это двигатель. В силовой установке приблизительно насчитывается до 5000 деталей, из которых около 1500 – это движущиеся элементы. Сборка двигателя занимает около двух недель. Мотор формулы 1 может развивать мощность более 750 лошадиных сил и свыше 20 000 оборотов в минуту. При максимальном темпе гонки двигатель V8 потребляет около 60 литров топлива на 100 километров.

 Прежде чем перейти непосредственно к его особенностям давайте определимся с некоторыми основными терминами:

 1. «Формула 1» (от англ. FIA Formula One World Championship) – это чемпионат мира по кольцевым автогонкам на автомобилях с открытыми колёсами. Формула-1 - самый популярный, дорогой и высокотехнологичный вид автогонок;

 2. «Регламент Формулы 1» - это установленный свод обязанностей и правил (эти правила накладываются в том числе и на изготовление двигателей), который должны соблюдать все участники чемпионата. Чемпионат является собственностью FIA. 

 В современном понимании двигатель Формулы 1 это поистине великое произведение искусства. Над созданием одного агрегата перед чемпионатом мира трудится огромный штат инженеров и не одна техническая лаборатория. И это не просто так, в «гонке вооружений» между командами технические эксперты вынуждены решать возникающие перед ними проблемы быстро и оперативно. А проблем более чем достаточно…

 Одна из основных задач, которую решают конструкторы, это победить резонансные частоты в моторе. Каждый из элементов в силовом агрегате имеет свою собственную резонансную частоту, и на очень высоких оборотах, они в какой-то момент накладываются, и мотор может взорваться от собственного резонанса. Сегодня инженеры добились такой конструкции, при которой собственный резонанс не разрывает двигатель на куски.

Двигатель F1 Ferrari

Двигатель F1 Ferrari

 При проектировании конструкторам необходимо отрабатывать и учитывать огромное количество характеристик и параметров: сейчас двигатель Формулы 1 проектируется не в статической среде, как это было раньше, а в динамической. Проектирование происходит с учётом всех процессов происходящих в моторе. Например, при очень высоких оборотах, что бы понять как будет вести себя клапан при открытии, важно знать не только механические характеристики пружины, распредвала, но и просчитать гидродинамикой, какое влияние окажут воздушные потоки на открытие клапана.

 Современный силовой агрегат Формулы 1 не сможет проработать и треть дистанции, если многие из его компонентов не будут покрыты специальными антифрикционными покрытиями (никель, кобальт, титан и др.). Эти покрытия необходимы потому, что при очень высоких оборотах (порядка 20000 об./мин.), нагрузки которые приходятся на отдельные компоненты, столь высоки, что детали без специальных покрытий не смогут выдержать и начнут быстро разрушаться. Стоит отметить, что даже эти покрытия не надолго предохраняют двигатель от износа – сейчас силовой установки хватает на четыре, максимум шесть часов работы в гоночном режиме (от одного до трех этапов).

 Двигатель F1 BMW

Двигатель F1 BMW

 Ещё один важнейший компонент для современного двигателя, который должны правильно учесть инженеры – смазочные материалы. Моторное масло обеспечивает работу силовой установки и предохраняет трущиеся поверхности от преждевременного износа. Сегодня в моторах применяют масла с низкой вязкостью. Нефтяные компании специально разрабатывают эти моторные масла для болидов Формулы 1. Разработка масел для каждой отдельной трассы очень дорогое удовольствие и несмотря на то, что для скоростных трасс, и трасс типа Монако, Венгрии применение различного моторного масла может дать свой результат, но затраты будут огромны, и команды используют одинаковое моторное масло по ходу сезона на различных трасах. Точно неизвестно, какое количество масла вмещается в двигатель Формулы 1. В то время как 70% его находится в моторе, остальные 30% - в маслосборнике. Масло в маслосборнике меняется в пределах трех или четырех раз в минуту.

Двигатель болида F1 Mercedes

Двигатель болида F1 Mercedes

 На завершительной стадии перед технологами предстает две важные задачи:

  1. Первая это создание оптимального двигателя: в конце прямой число оборотов двигателя формулы 1 намного выше, чем у обычного дорожного мотора. В угоду высокой мощности приходится идти на ограниченный срок службы спортивного двигателя. Для максимально возможного увеличения срока эксплуатации мотора, его составные делают из различных материалов. Это делается для того, чтобы уменьшить внутреннее трение и излишний вес двигателя, но наиболее важным является уменьшение веса внутренних частей мотора. Например, клапан должен быть настолько легким, насколько это возможно, чтобы двигаться неимоверно быстро набирал обороты и совершал более 300 рабочих циклов за определенный отрезок времени (при 18000 об/мин);

  2. Другой важной задачей является достижение максимальной мощности двигателя при помощи оптимизации выхлопной системы. Незначительное изменение длины или формы выхлопа может повлиять коренным образом на количество лошадиных сил на выходе.

 Проблемы и задачи, которые решают конструкторы, накладывает прямой отпечаток и на основные технические отличия двигателя формулы 1 от дорожного.

 

 Технические отличия от дорожных двигателей:

  + Полнота наполнения цилиндров. Она характеризует степень заполнения топливной смесью цилиндров при условиях нормального атмосферного давления. Если цилиндр полностью наполнен топливной смесью при нормальном атмосферном давлении, то это означает, что полнота наполнения цилиндров равна 100%. Обычно дорожный двигатель имеет показатель наполнения цилиндров равный 80%. Силовой же агрегат Формулы 1, собранный за две недели, при испытаниях имеет показатель наполнения цилиндров равный 95% - это высший показатель и высшая мощность, которую двигатель может производить;

  + Термический КПД. Термический КПД определяется как отношение полезной работы цикла к подведенному теплу. В двигателях Формулы 1 получаемая энергия от возгорания топлива, выше, чем в обычных автомобилях – следовательно, выполняемая полезная работа (мощность) гоночных моторов также в разы больше, чем у дорожников. Но при более высоких энергиях возгорания нагрев рабочих элементов также значительно выше, и, следовательно, выше коэффициент тепловых потерь. Это приводит к потере в мощности до 30% от получаемых лошадиных сил двигателя. Но всё же, прирост в мощности в конечном итоге существует. Синхронность воспламенения, термослой (специальное покрытие трущихся поверхностей силового агрегата служащее для увеличения износостойкости и уменьшения теплоотвода), положение свечей и конфигурация камеры впуска – это элементы влияющие на термический КПД. При низкой степени сжатия дорожные двигатели имеют термический КПД приблизительно равный 0.26. Гоночные двигатели могут иметь термический КПД приблизительно равный 0.34. Казалось бы, маленькое отличие показателей дает спортивному мотору прибавку мощности в 35 - 40% (0.34-0.26/0.26);

  + Механический КПД. Часть мощности, вырабатываемой двигателем, затрачивается на вращение инерционных масс деталей в конструкции самого же двигателя. Избыток мощности можно считать за показатель силы тяги. Отличие между показателем силы тяги и рабочей мощностью цилиндров - это механический КПД. На механический КПД влияет трение в посадочных местах клапанов, трение в подшипниках, потери на обтюрацию в системе «поршень-кольца-стенки цилиндра» и другие трущиеся пары. Также механический КПД зависит и от оборотов двигателя. Увеличение оборотов разгоняет двигатель, при этом снижается внутреннее трение в двигателе за счёт нормализации слоёв масляных плёнок и достигается излишек в лошадиных силах. Показатель механического КПД мотора F1 больше, чем у обычного. Те конструктивные решения, которые приводят к увеличению мощности в двигателях Формулы 1, в обычных двигателях ведут к перерасходу топлива.  

Двигатель болида F1 Ford

Двигатель болида F1 Ford "Cosworth"

 Что касается главных характеристик, которыми должен обладать высокотехнологический агрегат – здесь история наложила свой отпечаток, сместив чашу весов немного в сторону. Мощность сама по себе осталась важным фактором, но не только один этот параметр важен. Нельзя сказать, что для мотористов, достижение максимальной мощности является главной задачей. Очень важен расход топлива. Сейчас в связи с запретом дозаправок, важно иметь оптимальное количество топлива в баке  необходимое для прохождения гоночной программы. Имея на финише меньший вес всего болида за счёт выигрыша в виде веса остаточного топлива можно получить  дополнительное преимущество. А прибавка в мощности на 10-20 л/сил. даст плюс в весе болида за счёт дополнительного запаса топлива.

Двигатель болида F1 Honda

Двигатель болида F1 Honda

 С момента возникновения, в 1947 году в Формуле 1 применялись различные двигатели. Огромные возможности со стороны конструкторских новинок, хорошее финансирование и безостановочная «гонка вооружений» среди команд участников способствовала постоянному и все нарастающему прогрессу в развитии технических характеристик двигателей. А вместе с тем со все увеличивающимися скоростями и мощностями болидов Формулы 1- увеличилось количество смертей среди гонщиков… Поэтому FIA в 70-х годах вводит различные ограничения на двигатели болидов, которые с каждым годом становятся все более жесткими. И наконец, в сезоне 2010 года ограничения достигли таких узких рамок, что почти все существующие двигатели обладают схожими характеристиками и отличаются лишь небольшими преимуществами. В основном конструкторы работают над повышением надёжности и совершенствуют мелочи, которые не ограничили в доработках.

Cхема двигателя болида F1

Cхема двигателя болида F1

 

 Согласно техническому регламенту Формулы 1, в 2010 году на двигатели болидов накладываются следующие ограничения:

  - в Формуле 1 используются четырёхтактные V-образные восьмицилиндровые двигатели без наддува с углом развала цилиндров 90°;

  - объём двигателя не должен превышать 2.4 литра;

  - максимальный диаметр цилиндра - 98 мм, что подразумевает минимальный ход поршня в 39.7 мм;

  - в каждом цилиндре используется по два впускных и два выпускных клапана;

  - минимальная масса двигателя составляет 95 кг;

  - системы предварительного охлаждения воздуха запрещены;

  - запрещено подавать в двигатель что-либо, кроме воздуха и горючего;

  - впуск и выпуск изменяемой геометрии также запрещены;

  - каждый цилиндр может иметь только одну форсунку для впрыска топлива и только одну свечу зажигания;

  - блок цилиндров и картер двигателя должны быть выполнены из сплавов алюминия;

  - коленвал и распредвалы должны быть сделаны из стали или чугуна;

  - толкатели клапанов должны быть выполнены из сплавов алюминия, а сами клапаны - из сплавов на основе железа, никеля, кобальта или титана;

  - использование карбона и композитных материалов при производстве блока цилиндров, головки блока и клапанов запрещено;

  - для запуска двигателя на пит-лейн и на стартовой решётке используется внешний стартёр (отдельное переносное устройство, не устанавливаемое на машину).

 В настоящее время также налагаются ограничения на смену моторов каждым гонщиком на своём болиде, эти ограничения называются: «Штраф за вторую замену мотора»: если кто-то превышает лимит в восемь моторов, отпущенных на сезон, то за каждый новый двигатель пилот получит штраф в 10 позиций на стартовом поле. Если вышло так, что сразу два дополнительных мотора использованы по ходу одного гран-при – то за второй из них придется "расплачиваться" на следующем этапе.

Двигатель болида F1 Toyota

Двигатель болида F1 Toyota

 Но так было не всегда… В основном к ситуации которую мы имеем на данный момент можно выделить две оценки:

  1. Современная Формула утратила свою былую «романтику». Раньше Формула 1 имела свою неповторимость в конструкторских новинках и открытиях, большее количество сходов и обгонов за счет огромной разницы в показателях двигателей различного производства.

  2. Сейчас Формула 1 стал намного безопаснее и «зеленей» (меньшее загрязнение среды). А это высшие приоритеты современного человечества.

 Чтобы для себя ответить на этот вопрос, необходимо пройтись вместе с редакцией Engine-Market по увлекательной и богатой событиями истории развития двигателей Формулы 1  и составить свое собственное впечатление: о самых легендарных и титулованых мотористах всех времен в Формуле 1 и об откровенных неудачниках; об огромном технологическом прыжке вперед и большоми количестве мелких шагов назад; о триумфах и катастрофах; о покорении человеком скорости и покорении человека скоростью.

 Но это уже во второй части… Спасибо за внимание и до скорых встреч!!!

 

По материалам web media

Источник: Engine-Market

При использовании материаллов ссылка на портал engine-market.ua обязательна!

Количество читателей:
6783
Статьи по теме
Экспресс предложения
Мини-экскаватор HITACHI ZX 30 (№1222)
17 800 eur
Полуприцеп ТСП-6т тракторный самосвальный к МТЗ-82
Полуприцеп оснащен иностранным 4 или 5 ступенчастым телескопическим гидроцилиндром, ... далее »
Гусеничный экскаватор Hitachi Zaxis ZX270LC-3
Технические характеристики экскаватора Hitachi Zaxis • Двигатель ISUZU AH-4HK1XSA-03 • ... далее »
запомнить
 
войти
 
Информация: ожидание действий