Особенности спортивного двигателя
Спортивный двигатель
В основе работы любого двигателя внутреннего сгорания лежат хорошо известные законы физики, химии, механики, и – никаких чудес, волшебства, мистики. Современный автомобильный двигатель – действительно, чудо инженерной мысли, техники и новейших технологий. Тем более, если это двигатель спортивно-гоночного автомобиля. Немного теории. Основное требование к спортивному двигателю – развивать высокую мощность. При этом двигатель должен быть легким и компактным. Экономичность, экологичность, долговечность, низкий уровень шума и некоторые другие параметры – уходят на второй план. Так за счет чего спортивный двигатель достигает высокой мощности? Ответ простой – за счет высоких оборотов. Есть общеизвестная формула: мощность пропорциональна квадрату скорости поделенному на два. Объясню проще: увеличиваем обороты в два раза – мощность возрастает в два раза; увеличиваем обороты в 3 раза – мощность растет в 4,5 раза; повышаем обороты в 4 раза – мощность увеличивается в 8 раз и т. д.; квадратичная зависимость. Обычный автомобильный двигатель максимально раскручивается до 5 – 7 тысяч оборотов в минуту. Двигатель спортивно – гоночного автомобиля выдает требуемую мощность при 8 -10 тысяч оборотов в минуту. На болидах Фоммулы-1 двигатель «выкручивают» до 12500 оборотов в минуту. Но есть еще одна менее известная формула: износ двигателя пропорционален скорости (оборотам) в квадрате – аналогично мощности, квадратичная зависимость. Простой пример: тихоходные дизеля изнашиваются очень медленно, имеют относительно невысокую мощность, но огромный моторесурс. Совершеннейшего бензинового двигателя спорткара Формулы-1 хватает только на одну гонку (2 -3 часа), и то многие болиды не доезжают до финиша – «перекручивают» или ресурса не хватает.
Итак, мы пришли к простому выводу: чтобы увеличить мощность двигателя, надо повысить обороты. Но так ли просто это сделать? Двигатели современных гражданских автомобилей имеют немалую мощность, могут кратковременно раскручиваться до 6 – 7 тысяч об/мин. И при этом они очень надежны, долговечны и экономичны. Но раскрутить двигатель более 7000 оборотов в минуту не так то просто. Еще немного теории: обороты бензинового двигателя внутреннего сгорания регулируются «по воздуху» (дизеля – по топливу). Алгоритм работы двигателя таков, что он постоянно стремится набрать обороты до максимума, стараясь поглотить как можно больше воздуха. Но дроссельная заслонка ограничивает доступ воздуха и сдерживает, т. е. контролирует скорость вращения двигателя. Конструктивно диаметр воздушного канала дроссельного узла рассчитан так, чтобы при полностью открытой дроссельной заслонке («газ в пол») обороты не поднялись выше допустимо для данного двигателя максимума. Но чтобы раскрутить двигатель (спортивно – гоночный) более 7 -8 тыс. оборотов в минуту, уже не достаточно просто увеличивать диаметр воздушного канала, давая возможность «засосать» больше воздуха. В настоящих спортивных двигателях для повышения оборотов применяется целый комплекс сложных технических решений. При этом спортивный двигатель должен еще о очень быстро набирать обороты. Напомню, что в ДВС сгорает не бензин, а топливо – воздушная смесь, основные компоненты которой – кислород воздуха и углеводороды, т.е. пары бензина. Не буду подробно расписывать все четыре такта работы 4-х тактного бензинового двигателя (бывают еще и 2-х тактные). Остановлюсь подробнее на такте впуска. Именно на этом такте через открывшиеся впускные клапана цилиндр наполняется свежей топливо-воздушной смесью, всасываемой из впускного коллектора. Но на высоких оборотах время открытии впускных клапанов очень мало и в цилиндр может не успеть поступить достаточная порция смеси под атмосферным давлением. Кстати, двигатели без турбонаддува называют еще «атмосферниками». Вот тут то и нужен турбонаддув, который дает возможность быстрее и полнее зарядить цилиндр на такте впуска нужной порцией свежей топливо-воздушной смеси. Турбиной оснащены многие гражданские и спортивно – гоночные автомобили, как бензиновые, так и дизельные. Это сказки и домыслы, что двигатели с турбиной «жрут» больше топлива. Турбонаддув позволяет повысить мощность и приемистость без увеличения габаритов (объема) двигателя, с одновременным улучшением его экологичности и экономичности. Но турбонаддув, наряду с явными «плюсами», имеет и существенные «минусы». Турбина – дополнительный усложняющий элемент. Устроена турбина так: в одном корпусе на общем валу насажены две крыльчатки. Выхлопные газы двигателя подаются через выпуской коллектор на первую крыльчатку и раскручивают вал до очень высоких оборотов. А находящаяся перед впускным коллектором вторая крыльчатка гонит атмосферный воздух и создает избыточное давление, необходимое для более полного и интенсивного наполнения цилиндров. В обычных двигателях компактная турбинка создает давление наддува 1,3 – 1,5 атм. В спортивных двигателях нужно еще большее (над атмосферным) давление для быстрой раскрутки о достижения гораздо более высоких оборотов. У болидов Формуля-1 турбина, величиной не меньше двигателя, создает давление наддува до 3,5 атмосфер. Как было сказано выше, турбина – сложный элемент. Скорость ее вращения 12 -20 тысяч оборотов в минуту. Вал турбины вращается в подшипниках скольжения, которые необходимо смазывать и интенсивно охлаждать. «Турбинки» современных гражданских автомобилей сумели «довести до ума» и они стали достаточно надежными и долговечными. Турбины гоночных автомобилей гораздо более сложные, со множеством дополнительных устройств, например: интеркуллер, буст-контроль и др. В автоспорте эти усложнения необходимы о оправданы: ВСЕ ДЛЯ ГОНКИ – ВСЕ ДЛЯ ПОБЕДЫ. Однако во многих автогоночных дивизионах разрешены только «атмосферники». Так в российских шоссейно-кольцевых гонках, класс Лада, согласно регламента РАФ, принимают участие отечественные автомобили с ВАЗовским 16-клапаннымдвигателем, объемом не более 1,6 литра. Далее, кроме турбонаддува, спортивные двигатели имеют еще очень много конструктивных особенностей.
Для улучшения наполнения цилиндров толиво-воздушной смесью специально доработан механизм газораспределения: клапана имеют больший подъем за счет изменения профиля кулачков распредвала. Также увеличена жесткость клапанных пружин, используются специальные втулки и уплотнения. Вспоминаю хитрость советских автогонщиков: на клапанные втулки ВАЗовских двигателей для гонок маслосъемные колпачки вообще не ставились для улучшения смазки стержней клапанов.
На спортивных двигателях существенно доработана система зажигания: более мощная катушка должна успевать накапливать и отдавать энергию для стабильного искрообразования на очень высоких оборотах. Свечи зажигания используются «особо холодные», желательно «иридиевые» или «платиновые». Установка угла опережения зажигания и фаз газораспределения – секрет механиков автогоночной команды. Система выпуска тоже особенная, т. к. не должна создавать препятствия выходу выхлопных газов. На входе ставится воздушный фильтр «нулевого сопротивления». На гражданских автомобилях вышеуказанные фильтры использовать не желательно, так как они не обеспечивают необходимую при повседневной эксплуатации степень очистки воздуха.
Отдельные детали спортивного двигателя, раскручивающегося до 12000 оборотов в минуту должны иметь необходимый, повышенный запас прочности. Из специальных материалов по особой технологии изготавливаются спортивные коленвалы, маховики, поршни, шатуны, шкивы, шестерни и другие детали. Настройка программы электронного блока управления двигателем спортивного автомобиля – процедура уникальная. У нас в стране секретами настройки спортивных ЭБУ владеют всего несколько человек. Чтобы качественно выполнить такую настройку нужно специальное оборудование, ПО, время, терпение и $.
Выше я рассказал только об основных особенностях спортивных двигателей. Более подробно и конкретно об этих и других особенностях «спортивного двигателестроения» могу рассказать в дальнейшем, если вам, уважаемые автолюбители, это будет интересно.
Моторы «Ф-1» не ставят в обычные машины. Виноваты проблемы с запуском, крутящим моментом и охлаждением
«Формула-1» на протяжении всей своей истории считалась и продолжает считаться пиком автомобильной инженерии: конструкторы постоянно выжимали максимум из аэродинамических пакетов, компоновки и силовых установок. Естественно, душа и сердце гоночной машины — это ее двигатель, и не важно, насколько сумасшедшими и продвинутыми делают моторы в обычных дорожных машинах, они все равно не смогут нагнетать, реветь, сжигать и взрывать на уровне топовых устройств из автоспорта. И силовую установку нельзя просто так взять и запихать в обычное стоковое авто — технический эксперт Drivetribe Майк Ферни объянил причины целиком и полностью в шоу Mike’s Mechanics.
«Да, у нас есть «Феррари» F50, «Порше» Carrera GT и пара творений «Ямахи» – моторы всех этих машин основаны на двигателях «Формулы-1». Но все-таки они не были настоящими гоночными моторами, снятыми прямиком с трека.
Конечно, мы все ждем гиперкар «Мерседес» AMG One – в нем, по уверениям конструктора, стоит силовая установка, идентичная агрегату из болида Льюиса Хэмилтона 2016 года.
Я лично видел тесты этой машины на секретном испытательном автодроме в Великобритании. Скажу честно: она находится не в лучшим состоянии. Уже нет никакой тайны в проблеме: у AMG не получается заставить авто работать на полную — особенно на низких скоростях. Когда она проехала мимо меня — честно говоря, мне показалось, будто она звучит как байк для MotoGP с огромнейшими перебоями в зажигании.
Итак, с чем же сражается «Мерседес»? Почему мотор от «Ф-1» так сложно запихать в дорожную машину?
Запуск
Считается, что этот пункт — самый простой, но у силовой установки из Гран-при нет возможности заводиться от поворота ключа. Все из-за огромной прочности, которую мотористы закладывают в блок силовой установки — зазор между двигающимися агрегатами в моторе буквально микроскопический. И это один из тех аспектов, который позволяет двигателю производить мощность с максимальной эффективностью.
Допустимые отклонения настолько малы, что поршни на холодном старте будут плотно утоплены в блок двигателя. Жидкость должна течь по двигателю при температурах в примерно 80 градусов и покрывать все охлаждаемые поверхности, чтобы старт состоялся. Следовательно, если вы просто захотите поехать прокатиться в воскресенье, вам придется встать ни свет ни заря для тщательной и бережной подготовки двигателя к запуску.
И только потом пройдет непосредственно старт. То есть вам потребуется много усилий, чтобы завести с толкача мотор «Формулы-1» – и в особенности вам необходим один из тех девайсов, которыми заводят современные болиды. И да, вам придется пользоваться им для каждого начала поездки.
Охлаждение
В обычной машине радиатор смонтирован в передней части. Он отбирает тепло из мотора и передает его в окружающую атмосферу.
Объем пиковой энергии двигателя рассчитывается так: пиковый крутящий момент умножается на обороты в минуту, при которых этот момент достигается, и результат делится на 9565. Следовательно, более «оборотистый» мотор «Формулы-1» создаст больше энергии — а значит, и тепла, которое надо будет рассеять.
Именно поэтому недостаточно будет просто переставить силовую установку из болида в машину — лучше прихватить с собой и систему охлаждения. А ведь гоночное авто использует два огромных радиатора по разным сторонам корпуса.
В противном случае вам придется создать собственную систему теплообмена. Придется пройти через огромный объем расчетов по свойствам и размеру радиаторов — и это будет не лучшее времяпрепровождение.
Охлаждающие элементы в «Формуле-1» чаще всего располагаются под углом — специально, чтобы в небольшой боковой понтон можно было запихать устройство побольше. И с лицевой стороны она будет выглядеть вот так.
А еще система охлаждения в «Ф-1» не предусматривает дополнительных охлаждающих турбин, так что если на такой машине попасть в трафик и завязнуть в пробке, то двигатель почти без сомнений перегреется. Или к машине придется примотать два огромных и мощных вентилятора для снижения температуры. Уйдет немало труда.
Стоимость
Двигатель «Ф-1» – настоящее произведение инженерного искусства. Следовательно, на него установлена соответствующая титулу цена: сейчас один экземпляр разоряет команду на 7,9 миллиона долларов. Хотя бы поэтому поставить его в дорожную машину было бы непросто: материалы тоже потребовались бы очень дорогие, как и оборудование для установки и настройки.
Для раскрутки современной силовой установки до 15 000 об/мин и генерирования 800 л.с. мощности вам потребуется, к примеру, продвинутая пневматическая клапанная система вместо классических пружинных.
Да, вместо этих простых металлических штук двигатели «Ф-1» используют сжатый азот для надежного захлопывания клапанов. И это влетит в копеечку — и при установке, и при техобслуживании, и на стадиях ремонта.
Если вы родились в эру V10, то легко можете выйти в интернет и найти что-то такое.
«Хонда-Мьюген» за примерно 13 тысяч долларов. Точно так же можно раздобыть и другие довольно бюджетные моторы из той эры «Ф-1» вроде «Джадд» V8 или «Косуорт» V8. Но сперва вам надо будет привезти их, потом переделать под свои нужды, а затем настанет черед самого сложного — поиска коробки передач под такой агрегат. Это выполнимо, но…
Крутящий момент
Моторы «Формулы-1» знакомы всем за умопомрачительные показатели лошадиных сил, но про крутящий момент обычно забывают. Да, болиду весом в 700 кг с пилотом не нужно так уж много момента, чтобы сорваться с места. К тому же, с их уровнем генерирования прижимной силы они могут проезжать повороты на чудовищных скоростях, а иногда и вовсе с полным газом — вообще не беспокоясь ни о чем.
Следовательно, моторы заточены под мощность, и крутящий момент достигается максимума на пике оборотов. У двигателей «Ф-1» сравнительно малый момент для вырабатываемой мощности, при этом короткий ход поршня и широкий цилиндр.
(слева — обычный поршень, справа — поршень из «Ф-1»).
Более короткий ход поршня позволяет мотору достигать более высоких оборотов по сравнению с другими агрегатами — отсюда и большая мощность. С другой стороны, из-за малого «плеча» каждого поршня крутящий момент оказывается невысоким.
На обычных дорожных машинах массой от 1200 до 1800 кг мотору от «Формулы-1» пришлось бы работать на полную, чтобы просто сдвигать авто с места и катать его по городу. Правда, у современных моторов с этим делом все намного лучше, чем у старых атмосферных V10 – все благодаря турбонаддуву и гибридной составляющей.
Она как раз и заполняет тот недостаток крутящего момента на низких оборотах.
AMG, например, так и заявил: их гиперкар One будет кататься по городу именно на электрических моторах и на низких скоростях запускать мотор вообще не придется.
Жизненный цикл
Сейчас, в 2019-м, в «Формуле-1» есть правило: каждый гонщик имеет право использовать только по три комплекта элементов силовых установок за сезон. Следовательно, теперь моторы должны быть довольно надежными. В прошлом же бывали эры, в которых двигатель жил только одну гонку — после финиша его либо приходилось ремонтировать и восстанавливать, либо просто менять на новый.
Да, двигатель «Формулы-1» подвергается огромным нагрузкам — все благодаря природной свирепости сути процесса внутреннего сгорания и скорости обратно-поступательного движения. Без ограничений мотор V10 из начала 2000-х может выдавать 20000 об/мин — а это значит, что каждый поршень двигается вверх-вниз по 300 раз в секунду. С учетом массы поршня, он за это время переживает перегрузку в 10600 G. Давление в цилиндрах на пике цикла может достигать 1500 «атмосфер». Неудивительно, что с такими показателями мотор оказывается хрупким.
Именно поэтому для адекватного переноса мотора «Ф-1» в обычную машину силовую установку придется разобрать до мельчайших компонентов и бесконечно перестраивать только для того, чтобы он заработал. Никто заранее не спрогнозирует вам, сколько это потребует времени или денег.
С другой стороны, AMG пытается не просто вытащить мотор из болида и засунуть в дорожное авто, а выстроить машину вокруг гоночной силовой установки. Очевидно, это намного более продуманный путь, но «Мерседесу» приходится иметь дело с каждым из упомянутых мною аспектов. Конечно, огромная куча наличности может решить большинство проблем в сфере инженерии: с мощной финансовой поддержкой тот самый легендарный V10 от «Феррари» реально запихать в LaFerrari. Если вы достаточно двинуты на этой идее.
Что же AMG может сделать с современным гибридным мотором V6 объемом 1,6 литра для решения всех проблем? Уже известно: конструкторы обрезали предельное число оборотов с 15 тысяч до 11 тысяч. Вопросы повседневного охлаждения и холодного старта все еще висят в воздухе.
5 причин, по которым не стоит оснащать обычный автомобиль двигателем F1
Почему двигатель от болида Формулы 1 не подойдет обычному автомобилю
Запретный плод всегда сладок. Именно поэтому нашлись отважные инженеры, которые запихнули под капот машины невероятно мощный «ракетный» гоночный мотор. Последний часто называют двигателем F1, так как им оборудуются гоночные автомобили.
Недавно мир узнал о том, что форсированные двигатели были установлены под капоты таких машин, как BMW М5, а также Porsche Carrera GT. Безусловно, эти транспортные средства стоят целое состояние, так как в их разработку и производство было вложено немало финансовых средств. Конечно, их инженеры не ставили перед собой цель выпустить массовые автомобили. Скорее, они предназначены для экстремалов, для которых машина — не средство передвижения, а источник получения адреналина.
Тем не менее, даже экстремальным гонщикам такие машины могут доставить немало хлопот. Эксперты автомобильного мира озвучили 5 причин, согласно которым не стоит устанавливать в автомобиль мотор от болида Формулы 1.
Работает только в определенных условиях
Отличительная особенность двигателя F1 заключается в том, что он готов функционировать только при стечении определенных обстоятельств. Например, прежде, чем завести такой мотор, его нужно хорошенько прогреть. То есть, запустить гоночный двигатель F1 с холодного старта не получится. Но благодаря внешнему водяному и масляному насосу осуществляется передача специальной смазочной жидкости, которая достигает температуры в 80 градусов по Цельсию, во внутренние проходы двигателя.
Итак, если экстремальный автолюбитель, который живет, например, в швейцарских Альпах, пожелает в январе завести авто с гоночным мотором, он будет разочарован. Стартер будет просто прокручиваться. Так что подобные машины подойдут далеко не всем, что делает их менее привлекательными в глазах любителей адреналина. Не будет же гонщик ждать комфортной погоды или отправляться в теплую страну, чтобы погонять по автотрассе.
Дорогое удовольствие
Конечно, если человек решился оснастить свой автомобиль спортивным движком, то это означает, что деньги у него водятся. Вот только готов ли он расстаться с 7,7 млн. долл.? А именно столько стоит трансмиссия F1. Вопрос риторический. Такую роскошь могут позволить себе только олигархи, которых единицы.
Ощутимо стоит и высокотехнологичный клапанный механизм ГРМ – valvetrain, которым также оборудован мотор F1. Он способен увеличить скорость вращения агрегата до 15 тыс. об. в мин., используя при этом давление азотом.
Более того, машины с таким мотором требует постоянного ухода и ремонта. Заглядывать под их капот рекомендуется после каждых 12 пройденных километров. Если же этого не делать, то все дорогостоящие автозапчасти придут в негодность, а ремонт выльется в кругленькую сумму денег.
Охлаждение
Также не удастся ограничится экстремалу, мечтающему о больших скоростях, как в Формуле-1, лишь одной заменой старого двигателя на новый. Его установка потянет за собой дополнительные расходы. Спортивный мотор требует совершенно другой системы охлаждения. В том числе, придется покупать новый радиатор. Ведь прежний не сможет защитить от перегрева двигатель, который будет работать на больших оборотах.
При этом не обойтись и без переноса радиатора в совершенно другое место. В болидах, которые участвуют в Формуле-1, он наклонен вниз и помещен в большую раму. Правда, находятся умники, которые утверждают, что можно установить дополнительный угловой радиатор. Но он ситуацию не спасет. Тем, кто все же решил оснастить свое авто мотором от болида Формулы 1, придется практически полностью переделать машину.
Расходы на топливо
Не зря гоночные двигатели называю прожорливыми. Машины, на которых они установлены, потребляют около 100 л. бензина за 1 ч. Так что непринужденная автомобильная прогулка продолжительностью в полчаса потребует от водителя наличия в баке 50 л. топлива. Но что делать тем водителям, которых желают путешествовать на таком авто не полчаса и даже не 2, а целый день? И здесь они столкнутся с суровой реальностью. Транспортное средство с мотором F1 может вместить примерно 225 л. Если автолюбитель не хочет каждые 2-3 ч. заезжать на АЗС, то ему не рекомендуется покупать авто с двигателем большего объема.
Тем не менее, вся загвоздка кроется не только в топливе. Как правило, пилоты Формулы-1 после каждой гонки отгоняют автомобиль в бокс, где его внимательно осматривает целая команда высококлассных специалистов. В первую очередь, они тестируют моторное масло на присутствие в нем различных металлов — если оно не соответствует установленным критериям, необходимо срочно менять топливо, иначе агрегат может прийти в негодность.
Период эксплуатации
Если регулярно ухаживать за двигателем, как это делают на Формуле-1, то его можно использовать относительно долго. Но по гоночным меркам. В отличие от обычных моторов, двигатели F1 «живут» крайне мало, так как в процессе эксплуатации они испытывают очень большие нагрузки — некоторые из них могут даже взять планку в 20 тыс. об. в мин. Поэтому не удивительно, что моторы быстро выходят из строя, рассыпаясь буквально на глазах.
Но, безусловно, наибольшую нагрузку испытывают цилиндры. Каждую секунду на них оказывается давление 1,5 тыс. Атм. Не редки случаи, когда спортивные двигатели ломаются после того, как машины, на которых они установлены, преодолеют лишь 1 тыс. км.
В свое время Фердинанд Порше произнес фразу, которая впоследствии стала крылатой. Он сказал примерно следующее: совершенный гоночный автомобиль пересекает линию финиша первым и затем распадается на составные запчасти. С ним трудно поспорить. Стоит ли вкладывать большие деньги в сомнительную авантюру?
Учитывая вышеизложенные пункты, разумнее всего будет отказаться от затеи оснащать обычную машину эксклюзивным двигателем. Это не только дорого, но и неэффективно. В любом случае, есть немало автомобилей, которые оборудованы мощными агрегатами и способны развить крейсерскую скорость.
Но сколько рекомендаций ни давай, всегда найдутся авантюристы, которые решат сделать по-своему. Таким автолюбителям можно дать лишь один дельный совет. Если установить на свою машину двигатель F1, который используется в Формуле-1, то нужно сразу приготовиться к возникновению многочисленных проблем. Уже не говоря про то, что «усовершенствованное» транспортное средство может сделать владельца машины банкротом. Разумнее всего покупать серийные автомобили, которые оснащены многоцилиндровыми моторами. Они также не отличаются доступной стоимостью, но, по крайней мере, за ними легче ухаживать.