1,5-литровая Формула-1
В период Формулы 1961-65 годов успех в чемпионатах мира не являлся чьей-либо монополией. В 1961 году Ferrari создали чемпионского коня для Фила Хилла, заставив заработать двигатель V-6 120° должным образом до того, как были готовы конкурирующие агрегаты V-8. Чемпионат 1962 года остался за Грэмом Хиллом на BRM V-8, 1963-й стал годом Джима Кларка на Lotus, построенном вокруг двигателя Coventry Climax V-8, а в 1964 году Ferrari вновь одержали победу с Джоном Сертизом за рулем болида V-8 вместо ожидаемой модели F-12, которая слишком медленно доводилась до кондиции. На Гран-при 1965 года мы должны увидеть (и услышать) в действии сразу несколько двигателей F-16, поскольку создание 12-цилиндровых двигателей Ferrari и Honda склонило или напугало Coventry Climax отдать предпочтение 16-цилиндровой компоновке.
При прочих равных условиях, именно мощность позволяет выигрывать автогонки, а в современных гонках Гран-при все остальное постоянно меняется. Любое заслуживающее внимания новшество в создании шасси или подвески, внедряемое одним создателем гоночного болида, как правило, очень заметно, и поэтому может быть быстро скопировано конкурирующими фирмами, тогда как на то, чтобы выяснить, почему конкурент обладает большей мощностью, и применить это знание к собственному двигателю, может потребоваться намного больше времени.
Поскольку гоночные болиды должны строиться с учетом предельно допустимого объема двигателя, главной целью каждого конструктора должно быть достижение максимально возможных оборотов двигателя – один из путей достижения большей удельной мощности. Едва ли не со времен Джеймса Уатта, первым придумавшего лошадиную силу, у многих поколений студентов-инженеров всплывает в памяти лишь одна единственная формула:
Мощность в л.с. = PxLxAxN/33.000
Перемножьте среднее рабочее давление в цилиндрах P, длину хода поршня L, полную площадь головки поршня A и число рабочих циклов в минуту N, затем разделите на число, которое первым вывел Джеймс Уатт, и вы получите мощность в л.с.
Не считая формулы расщепления атома, эта формула – фундаментальна. L, помноженное на A, – это рабочий объем двигателя, ограниченный регламентом гонок. P – это давление, которое для безнаддувных двигателей в значительной степени ограничено энергией, которая может быть получена сжиганием бензина в атмосферном воздухе. N – это важная переменная, и большей вы можете получить ее, если только двигатель расщепляет мощности не больше, чем вы можете ожидать.
Чтобы добиться более высоких оборотов, вам необходимы поршни как можно меньшего размера, перемещающиеся на как можно меньшее расстояние. Сохраняя постоянными объем и отношение ход/диаметр, если у вас вдвое больше цилиндров, и их линейные размеры примерно на 21 % меньше, и вы можете достичь об/мин на 26 % выше при равных давлениях, то полученные 26 % будут являться максимальным количеством дополнительной мощности, которую вы можете надеяться получить, если замените 4-цилиндровый двигатель восьмеркой, или восьмерку – 16-цилиндровым.
Даже на бумаге отдача от дополнительного количества цилиндров довольно скромна по сравнению с вызванными осложнениями, поскольку возможное увеличение мощности на 26 %, вероятно, обойдется, по крайней мере, вдвое дороже. По сути, польза, полученная от увеличения количества цилиндров, обычно не приближается к теоретическим процентам, и в практических условиях она порой несущественна. Однако, если дополнительное количество цилиндров заставит гоночный болид идти быстрее, это может стоить сумасшедшей цены за совсем небольшую дополнительную мощность, исходя из того, что болид, на 0,1 % более медленный, чем его конкуренты, почти ничего не стоит, несмотря на то, что болид, на 0,1 % более быстрый, чем его конкуренты, стоит на вес золота.
Одним из многих принципов, по которым строится гоночный болид, является вопрос о том, сколько цилиндров должен иметь двигатель. Восьмицилиндровые двигатели почти всегда демонстрировали реальное преимущество над шестерками и четверками с тем же самым объемом, хотя лучшие 4-цилиндровые агрегаты, такие как 4,2-литровый Offenhauser и 2,5-литровый Coventry Climax, зачастую были удивительно эффективны. 12- и 16-цилиндровые двигатели имеют свои достижения: например, 3-литровый Mercedes-Benz V-12 1939 года с наддувом и 6-литровый Auto Union V-16 1936 года с наддувом. У них также были свои дорогостоящие недостатки, особенно у 1,5-литрового BRM V-16 периода 1946-51 годов с наддувом.
В прошлом сезоне усилия двух производителей гоночных болидов улучшить характеристики V-8, используя большее количество цилиндров, не увенчались успехом. Honda дебютировали в гонках Гран-при с двигателем V-12, но в своем первом сезоне оказались далеко позади. Ferrari спроектировали и построили двигатель F-12, но в наиболее значимых гонках все же предпочли использовать агрегат V-8.
Неожиданность нынешнего сезона, двигатель Coventry Climax F-16, изначально был спроектирован для представления в течение 1964 года как ответ 12-цилиндровой оппозиции. Подобно своим конкурентам, новый двигатель Climax не претворился в жизнь так быстро, как того ожидали, и хотя Coventry Climax решили уйти из гонок Гран-при по окончании нынешнего сезона, они продолжают работу над созданием четырех 16-цилиндровых двигателей — по одному двигателю для заводских болидов Brabham, Cooper и Lotus, а также запасной агрегат.
Проблемы растут по мере того, как конструктор двигателя добавляет дополнительные цилиндры к гоночному двигателю. Есть "обычные" проблемы качества исполнения, когда большое количество деталей должно быть изготовлено и собрано с наименьшими допустимыми отклонениями. Есть большие потери мощности от трения и от охлаждения зарядки, потому что удвоение числа цилиндров в поисках 26 % дополнительной мощности с того же самого объема также увеличивает все площади поверхностей на 26 %. Есть большие проблемы обеспечения всех цилиндров безупречным зажиганием и смесеобразованием, и возникают трудности с размещением свечей зажигания стандартного размера в доступном пространстве на головке цилиндров.
Попытка получить высокооборотные характеристики многоцилиндрового двигателя уменьшением хода поршня и увеличением внутреннего диаметра цилиндра в двигателе с меньшим количеством цилиндров неэффективна по одной простой причине. Двигатели с коротким ходом поршня могут работать на более высоких оборотах, чем двигатели с длинным ходом, но преимущество не столь большое, по сравнению с полученными простыми вычислениями на основе скорости поршня. Основное правило, много лет назад выведенное дальновидным доктором Ланчестером, заключается в том, что скорость поршня, поделенная на квадратный корень из отношения ход/диаметр, является показателем того, какому тяжелому напряжению подвергается двигатель.
Так, Coventry Climax после попытки уменьшения хода поршня обнаружили, что их V-8 лучше всего работает с параметрами 68×51,5 мм (диаметр×ход), отношение ход/диаметр – 0,758/1: двигатель F-16 имеет параметры 54×40,7 мм (диаметр×ход), что дает отношение ход/диаметр 0,752. BRM в своем V-8 используют диаметр 68,5 мм и ход 50,8 мм, отношение ход/диаметр – 0,741. Ferrari предпочитают в своем V-8 диаметр 67 мм и ход 52,88 мм, что дает отношение ход/диаметр 0,789.
Однако, многие проблемы многоцилиндровых двигателей, работающих на очень высоких скоростях, связаны с крутильными колебаниями, вызванными взрывными импульсами от воспламенения в каждом цилиндре, нежели с простыми динамическими напряжениями. На длинном многоколенном валу частоты свободных колебаний могут легко находиться в пределах рабочего диапазона, создавая изгиб на кручение с большой амплитудой, который сначала выбрасывает клапан, распределение зажигания на некоторых цилиндрах сильно не совпадает по фазе, а затем что-нибудь выводит из строя. Корабельные инженеры могут выдать инструкции, по которым некоторых критических диапазонов оборотов нужно неизменно избегать путем работы двигателя ниже или выше оборотов, при которых крутильное колебание разрушительно, но у гонщиков нет времени, чтобы избегать критических оборотов, и им необходимы двигатели с довольно широким полезным диапазоном оборотов.
Проблемы крутильного колебания – это та причина, по которой высокооборотные многоцилиндровые двигатели подвергаются серьезной доработке, а именно, уменьшению длины их коленвалов между сцеплением и поршнями. При создании скорее V-образного, чем рядного двигателя, длина коленвала сокращается примерно наполовину, и расположенные рядом пары подшипников нижней головки шатуна на каждой шатунной шейке могут иметь достаточный размер. Авиационные инженеры достигли огромного успеха в создании двигателей со звездообразным расположением цилиндров, имеющих до 9-ти поршней, сцепленных к одной шатунной шейке, как правило, с главным шатуном, вращающимся на шатунной шейке, и с остальными тягами, соединенными с этим главным шатуном, но автогоночные инженеры не заинтересовались звездообразными двигателями.
Что касается высокооборотных агрегатов с более чем 8-ью цилиндрами, использующаяся в настоящее время идея состоит в том, чтобы передать мощность на сцепление от шестерни в центре коленвала, вместо того, чтобы иметь сцепление на одном конце коленвала. Honda воплотили ее в своем двигателе V-12, как и Coventry Climax в своем F-16, но этот прием опять же требует уменьшения наполовину длины коленвала, который может быть подвержен крутильным колебаниям. Привод распредвалов зубчатыми передачами в центре двигателя снижает возможность регулировки параметров, отличающихся от проектных.
В ситуации с компоновкой болида Honda GP 1964 года с поперечно-расположенным двигателем прямо перед ведущими задними колесами основной распределитель мощности от коленвала может способствовать впечатлению простоты. Одна пара шестерен может приводить в движение сцепление, а затем коробка передач без прямой передачи со входом и выходом на тех же самых концах двух параллельных валов может передавать мощность на главную передачу. В любом отношении, эта компоновка имеет три последовательные ступени передачи, каждая из которых отнимает небольшое количество мощности; это означает, что, вероятно, от 10 до 15 % мощности двигателя никогда не достигнут ведущих колес.
Проектируя свой 16-цилиндровый двигатель с продольным расположением вкупе с имеющейся трансмиссией, Coventry Climax использовали довольно длинный вал для передачи мощности от зубчатого колеса ниже центра 8-коленного коленвала к сцеплению в самой задней части двигателя; этот вал был разрушен крутильными колебаниями в самом начале программы испытаний, но инженеры полагают, что это было задачей работы на испытательном стенде, и что подобное не повторится в двигателе на болиде. Тем не менее, скопление масла в нежелательных местах от вспенивания его различными механизмами – единственная причина, по которой, на момент написания статьи, этот двигатель еще демонстрирует свое преимущество над V-8 в расчетной мощности. Если он должен показать свои ожидаемые 10 % дополнительной мощности на сцеплении, то вероятно, этот двигатель с зубчатым приводом должен будет иметь на 15 % мощности больше, чем безредукторный V-8 на своем коленвалу.
Пока разрабатывались новые 12- и 16-цилиндровые двигатели для последнего сезона безнаддувных 1,5-литровых гонок Гран-при, развитие двигателей V-8 отнюдь не стояло на месте. В поддержку нескольких новых 16-цилиндровых двигателей, Coventry Climax проделали работу над имеющимся V-8, полностью поддерживая его конкурентоспособность. Вместо немногим более 200 л.с. в прошлом сезоне мощность была поднята до 210 л.с. при 10 500 об/мин с хорошим вращающим моментом, начинающимся при 7000 об/мин, и ограничителем, срабатывающим при 11 000 об/мин.
Четыре клапана на цилиндр в двигателе Coventry Climax V-8 полностью оправдали потраченные на них время и труд. В частности, они дают намного лучший вращающий момент, чем 2-клапанная компоновка, при рывке после 8000 об/мин, а более легкие клапаны делают его безопаснее, оснащая болид более высоким передаточным числом, в то время как 2-клапанный двигатель был ограничен 9750 об/мин.
Поскольку некоторые двигатели с толкателями и кулисами, использующие по четыре клапана на цилиндр, имеют радиально размещенные клапаны, все гоночные двигатели с прямым срабатыванием клапанов от верхних распредвалов, по-видимому, имеют пары впускных и выпускных клапанов, расположенные в камерах сгорания параллельно друг другу. Четыре клапана позволяют разместить свечу зажигания над центром поршня вместо смещения по одну из сторон камеры сгорания и дают намного больше площади выброса газов, чем два клапана в такой же головке цилиндров, но иногда обнаруживалось, что они способствовали приросту скорее вращающего момента, нежели мощности. Возможно, дополнительное поверхностное трение в отверстиях (два отверстия будут иметь на 41 % большую площадь цилиндров, чем одно отверстие, если полные площади выброса газов приравнять для обеих компоновок) может объяснить этот эффект.
Явный ужас при мысли о возможной постройке и содержании 64-клапанного двигателя в идеальном состоянии, несомненно, препятствует использованию Coventry Climax четырех клапанов на цилиндр в своем 16-цилиндровом двигателе! В случае с BRM результаты экспериментов с 4-клапанной головкой цилиндров на V-8 были неутешительными, так как вращающий момент ниже пика кривой мощности был улучшен за счет пиковой мощности. Тем не менее, при возвращении к 2-ум клапанам на цилиндр BRM перенесли выхлоп снаружи двигателя в наиболее подходящее место, в развал цилиндров, и установили впускные отверстия между 2-мя распредвалами на каждой головке цилиндров, направив их чуть ли не прямо на поршни.
Такое расположение впускных отверстий, которое также используется на двигателях Ford Indianapolis с 4-мя распредвалами и на Honda V-12, уже испытывалось ранее и в течение нескольких лет с успехом использовалось на двигателях BMW и Bristol, но для других экспериментаторов стало причиной разочарования. Несмотря на то, что отверстие может быть достаточно прямым, в нем практически неизбежно наличие небольшого S-образного изгиба, и были сомнения, что этот S-образный изгиб возмущает ровный поток газа больше, нежели более резкий единственный загиб. Поскольку Энцо Феррари располагает впускные каналы промеж распредвалов (с традиционными выпускными каналами за пределами головки цилиндров) на двигателе V-8, с которым Джон Сэртиз выиграл Чемпионат мира 1964 года, то, значит, есть необходимость в подобной конструкции!
Все успешные гоночные двигатели Гран-при в настоящее время используют скорее системы впрыска топлива, нежели карбюраторы, таким образом, избавляясь от трубки Вентури, затрудняющей выброс газа или усложняющей регулировку "органных труб" уплотнением длин впускных труб. В довольно сложных системах впрыска нуждаются двигатели, работающие на бензине, требующем более точной дозировки, чем спиртовое топливо. Ferrari используют насос Bosch, похожий на те, которые обычно стоят на дизельных двигателях для впрыска топлива в камеры сгорания, тогда как два британских двигателя используют систему впрыска Lucas: последняя имеет электронасос, дающий давление примерно в 50 фунтов/дюйм2, и распределительно-дозирующий агрегат с приводом от двигателя, который позволяет порциям топлива от насоса проходить по нейлоновым трубам к соплам во впускном коллекторе. Британские и итальянские двигатели теперь также используют дроссельные заслонки, которые двигаются сбоку от роликов, обеспечивая абсолютно свободный воздухопровод при полном "газе".
Несмотря на то, что серийные двигатели V-8, как правило, имеют по 4 шатунные шейки, для лучшего баланса фазированные на 90° врозь, почти все без исключения гоночные двигатели V-8 сейчас используют "одноплоскостные" коленвалы, как на 4-цилиндровых двигателях. Побочный дисбаланс незначителен, тогда как возможность проектирования идеальной выхлопной системы без перепускных труб имеет большое значение.
Внутренние элементы последних двигателей Гран-при основаны на алюминиевых блоках, имеющих гильзы цилиндров с водяным охлаждением. Привод клапанов – прямой от 2-ух верхних распредвалов на каждую головку цилиндров, с плунжером или толкателями Hispano-Suiza. Поршни имеют классическую гоночную форму направляющего башмака, с головкой, впрессованной как можно ближе к клапанам, опоясанной тонким кольцом и имеющей две почти равные упорные поверхности. Титан, трудно поддающийся обработке металл с исключительной удельной прочностью, ценящийся в авиакосмической промышленности, постепенно начинает использоваться в двигателях Гран-при.
В двигателях BRM и Coventry Climax используется транзисторное зажигание Lucas, срабатывающее от магнитного поля при прохождении мимо захватов магнита, приводимого во вращение маховиком: момент впрыска с изменяющимся опережением отслеживать необязательно. Ferrari, использующие в своем двигателе V-8 по две свечи на цилиндр, применяют 4 прерывателя контактов (в двух трамблерах Marelli) и 4 катушки.
Итак, что мы имеем? В 1966 году болиды Гран-при, по-прежнему, будут обязаны работать на бензине, но смогут оснащаться либо 3-литровыми безнаддувными двигателями, либо 1,5-литровыми двигателями с наддувом, либо газовыми турбинами определенного класса в соответствии с новой довольно сложной системой. Люди, пять лет назад кричавшие о том, что переход от 2,5-литровой к 1,5-литровой формуле сделает гонки слишком дорогостоящими, теперь снова кричат о том, что переход от 1,5-литровой к 3-литровой формуле сделает гонки слишком дорогостоящими, а остальные затаили дыхание и строят планы.
Какой тип двигателя, в конце концов, окажется лучше всех при Формуле 1 1966 года, вполне может сильно зависить от того, как в конечном итоге будет интерпретировано понятие "коммерческое топливо". Типы бензина, поставляемые в настоящее время мотористам, крайне термочувствительны в своей антидетонационной стойкости и, несмотря на то, что удовлетворяют требованиям современных серийных автомобилей, не могут быть применимы к использованию в двигателях с высоким наддувом. Если бы было разрешено спиртовое топливо, то, конечно, была бы вероятность того, что 1,5-литровый двигатель с наддувом будет превосходить безнаддувный 3-литровый: если будет разрешено авиационное топливо, то двигатель с наддувом также сможет быть конкурентоспособным: тем не менее, в настоящее время конструкторы сходятся во мнении, что безнаддувный 3-литровый двигатель предлагает перспективу большей мощности и более длинного пробега с одним баком бензина.
Единственный трюк, который мог бы помочь двигателю с наддувом, заключается в дозировке воды из специальных баков в горючую смесь, поступающую в двигатель, в качестве внутренней смазочно-охлаждающей жидкости и антидетонационной присадки. В том случае, если не спирт, антифриз, а что-нибудь другое легковоспламеняющееся будет смешано с водой, это едва ли могло бы считаться за топливо, и впрыск воды может позволить значительно увеличить давление наддува, используемое в и без того вдребезги детонирующем двигателе. Кроме того, использование наддува, конечно же, означает больший вес болида.
Газотурбинные болиды – еще один вариант, и многое зависит от того, находит ли фирма коммерческие выгоды в финансировании разработки газотурбинного болида Гран-при. Формула для оценки производительности газовых турбин, по сравнению с поршневыми двигателями, основанная на площади потока газа в турбинных впускных соплах и давлении, достигаемом на выходе различными конструкциями компрессоров, утверждена FIA на основе предложений инженеров BRM и Rover. Пожалуй, последние господа, видимо, будут более честными в признании того, на что способны их газовые турбины, чтобы новый тип двигателя получил вполне подходящую оценку. Я уверен, что можно построить быстрый и поворотливый болид Гран-при с газотурбинным двигателем, если тишина и экономия топлива будут пожертвованы ради главного газогенератора, всегда работающего на полном ходу и открывающего "перепускной канал" для обхода силовой турбины в случае, если тяга не требуется.
В данный момент, кажется, можно быть уверенным, что BRM, Ferrari и Honda будут участвовать в гонках с самого начала новой Формулы 1 в 1966 году. Coventry Climax, похоже, полны решимости отдохнуть от строительства гоночных двигателей, возможно, потому что их компания-учредитель Jaguar нуждается в разработке нового серийного двигателя, так что, вероятно, Lotus будет покупать двигатели у BRM, если Ford не создаст для них что-нибудь новое; а Cooper, только что получившие дополнительную финансовую поддержку, могут иметь двигатели, построенные Maserati.
Воспользовавшись удвоенной мощностью, много мыслей навевается привлекательностью полного привода, который, предоставляя улучшенный разгон на выходе из медленных поворотов и большую скорость при прохождении поворотов, может оправдать дополнительный вес и большую лобовую площадь, к которым приводит его использование. Однако, это уже другая история!
Перевод и набор: Андрей Краснов
Журнал "Road & Track, August 1965"
