Еще раз о золотой середине

Двигатель Формулы-1 — поистине шедевр инженерного искусства. Если «тяговооруженность» моторов «гражданского» назначения обычно не превышает 100 л.с. на 1 литр рабочего объема двигателя, то уровень форсировки современного силового агрегата автомобиля Формулы-1 позволяет «снимать» до 280 л.с. с каждого литра. Максимальная мощность при этом достигает 850 л.с. при массе в 100 кг. За счет чего же инженерам Формулы-1 удается выжать из обычных, по сути, двигателей внутреннего сгорания такие «вкусные» цифры?
Можно ли на поставленный вопрос ответить просто и доступно? Можно. Высокие характеристики двигателя Формулы-1 достигаются преимущественно за счет того, что частота вращения коленчатого вала, на которой двигатель развивает максимальную мощность, доводится до 17 000-18 000 оборотов в минуту. Это в 3-3,5 раза больше, чем у «гражданских собратьев». А чем больше частота вращения, тем чаще в цилиндре двигателя происходит процесс сгорания топлива с последующим совершением поршнем положительной механической работы, следовательно, тем выше мощность двигателя. Если бы максимальные частоты вращения двигателя Ф-1 составляли традиционные 5000-6000 об/мин, то при прочих равных условиях и уровень литровой мощности был бы более привычен — 70-80 л.с./л.
«Как все просто!» — воскликнет обрадованный читатель. Знай себе, добавляй оборотов, раскручивай двигатель да снимай с него желанные лошадиные силы. Непонятно, чего ж так мучаются многоопытные двигателисты Honda, Jaguar и Renault? Отчего так и не смогли добиться в Ф-1 успеха специалисты Peugeot? Есть по крайней мере четыре причины, которые не позволяют с легкостью воспользоваться «секретом» повышения мощности.
Причина первая: при увеличении частоты вращения в двигателе возрастают механические потери мощности. Причем довольно существенно. Дабы почувствовать, что это такое, прокрутите двигатель вашего автомобиля «кривым стартером». Быстрее! Еще быстрее! Тяжело? И какова же была при этом частота вращения коленчатого вала? 35 оборотов в минуту? А теперь представьте себе пресловутые 18 000. Добавьте колоссальные нагрузки рабочих процессов, которые отсутствуют при свободном прокручивании. Например, на поршень двигателя Формулы-1 при его движении в цилиндре действует переменная боковая сила, прижимающая его к стенке цилиндра, максимальная величина которой измеряется тоннами. Впечатляет? Не забудьте и крайне «злобный» характер этой силы, склонной часто менять свое направление. Все это приводит к тому, что помимо тех 850 л.с., которые доходят до трансмиссии автомобиля, еще не менее 230 л.с. растрачиваются на прокручивание двигателем самого себя. Из них примерно 60% тратится на «шевеление» поршнями. А отсюда следует, что повышение частоты вращения — палка о двух концах. Увеличили частоту — возросла как мощность, получаемая в цилиндрах двигателя, так и мощность, потребная для преодоления механических потерь. И если рост последней оказался больше, чем первой, то эффективная мощность двигателя снижается.

Причина вторая: с повышением частоты вращения резко возрастают силы инерции, действующие в кривошипно-шатунном и газораспределительном механизме двигателя. При высоких частотах вращения ускорения и перегрузки, которые действуют на некоторые детали, становятся просто пугающими. Так, за время в 0,001 с поршень разгоняется с места до скорости 160 км/час, а за последующие 0,001 с его скорость вновь падает до нуля. Затем все повторяется в обратном направлении. А потом опять, и опять… Нестерпимые мучения при этом доставляет поршню сила инерции, достигающая в двигателях Ф-1 величины в 10 т и выше (это превосходит нагрузку на поршень в момент взрыва топливовоздушной смеси в цилиндре). И действует эта сила то в одном, то в другом направлении (см. рис. 1). Мечущийся в возвратно-поступательной «агонии» поршень передает эти «муки» на остальные детали кривошипно-шатунного механизма и стенки цилиндра. На рис. 1 показана суммарная вертикальная нагрузка на поршень двигателя Формулы-1 при частоте вращения 18 000 об/мин. Столь впечатляющие величины, достигающие в конце такта впуска 10 тонн и выше (три груженые «Газели»), обуславливаются не давлением газов на поршень, а колоссальной силой инерции, норовящей в этот момент сорвать поршень с шатуна и расплющить его о головку цилиндров.
Причина третья заключается в повышенном износе деталей двигателя при высоких частотах вращения коленчатого вала. Достаточно заметить, что за время, что потратил Михаэль Шумахер на своей Ferrari для преодоления дистанции, скажем, Гран При Италии (около 307 км), каждый из поршней его двигателя «прополз» порядка 150 км, а коленчатый вал совершил 1,6 миллиона оборотов. При этом детали двигателя были подвергнуты воздействию механических нагрузок, измеряемых тоннами, скорости изменения которых достигали 10 000 т/с. А прибавив к этому, что условия смазки некоторых деталей, например, поршневой группы, нельзя отнести к идеальным (режим трения часто оказывается близким к сухому), можно понять, почему чуть ли не после каждой серии заездов на автомобиль Ф-1 устанавливают новый двигатель, а старый (вернее, то что от него осталось) отправляется на завод, где подвергается полной разборке и дефектоскопии.
Причина четвертая: обратно пропорционально частоте вращения изменяется время открытия клапанов двигателя (при неизменных фазах газораспределения). Так, при 18 000 об/мин время, в течение которого впускной клапан двигателя остается в открытом состоянии, составляет 0,002 с. За это время автомобиль Формулы-1 при скорости 360 км/час успевает проехать лишь 20 см. И за этот миг цилиндр должен успеть наполниться свежим зарядом, количество которого является фактором, во многом определяющим мощностные характеристики двигателя. А раз с увеличением частоты вращения время на процессы газообмена уменьшается, приходится принимать специальные меры для обеспечения эффективного наполнения цилиндров топливовоздушной смесью и очистки их от отработавших газов. Иначе при увеличении частоты вращения наполнение цилиндра может уменьшаться столь резво, что мощность начнет не увеличиваться, а снижаться.
Из вышесказанного следует, что простое увеличение максимальной частоты вращения двигателя может не только понизить его надежность и эффективность, но и привести к падению, а не возрастанию, его мощности. Однако двигатели Ф-1 все же ухитряются работать при столь колоссальных частотах вращения (иногда достаточно надежно) и, кроме этого, имеется явная тенденция к увеличению этого показателя чуть ли не до 20 000 об/мин. В чем же секрет?
Не берясь анализировать всю конструкцию столь сложного агрегата, остановимся только на одном, но очень существенном, параметре — отношении хода поршня к диаметру цилиндра, обозначаемом как S/D. Ход поршня S — это расстояние, которое проходит поршень при перемещении из крайнего нижнего положения в крайнее верхнее.

Как известно, рабочий объем двигателя Формулы-1 ограничен 3000 см3. Всего цилиндров в двигателе 10. Несложно вычислить, что объем одного цилиндра составляет около 300 см3. Но эти 300 кубиков могут быть получены при различных сочетаниях хода поршня к диаметру цилиндра, например, при ходе поршня 72 мм и диаметре цилиндра 72 мм. В этом случае S/D будет равно 1. Кстати, как раз примерно такое отношение S/D характерно для большинства современных «гражданских» двигателей. Но только не для Формулы-1.
Чтобы обеспечить работу двигателя на высоких частотах вращения, отношение S/D в двигателях Формулы-1 составляет примерно 0,47-0,50. В результате диаметр цилиндра примерно равен 93 мм, а ход поршня — 44 мм. Это дает снижение отрицательного влияния перечисленных выше четырех факторов, не позволяющих простому двигателю петь в унисон с агрегатом Ф-1. Судите сами: за один оборот коленчатого вала поршень проходит путь 44+44=88 мм, а не 72+72=144 мм, как если бы S/D было равно 1. Значит, меньшее количество мощности тратится на механические потери, и снижается износ поршневой группы. Уменьшается средняя скорость перемещения поршня: в двигателях Формулы-1 при 18 000 об/мин она составляет примерно 26 м/с (для сравнения: в двигателе автомобиля Honda Civic 1,6 она составляет 19 м/с при 6300 об/мин). Кроме того, уменьшаются ускорения, с которыми перемещается поршень, а, следовательно, и силы инерции, действующие на него. Значительный диаметр цилиндра позволяет спроектировать впускные и выпускные клапаны большего диаметра, а значит, улучшить качество процессов газообмена на сверхвысоких частотах вращения. Наконец, коленчатый вал в этом случае получается более «коренастым», следовательно, более жестким и прочным.
Однако и этот «секрет секретов» имеет обратную сторону. Поршень большого диаметра при прочих равных условиях будет тяжелее поршня меньшего диаметра. А повышенная масса оборачивается увеличенными значениями сил инерции: с чем боролись… Есть неприятность и посущественнее: большой диаметр цилиндра при малых ходах поршня обуславливает скверную форму камеры сгорания. Она получается широкой и плоской. Приходится инженерам ломать голову над ее оптимизацией, чтобы заставить топливовоздушную смесь сгорать быстро и качественно, а не растягивать это удовольствие вплоть до момента открытия выпускного клапана с последующей демонстрацией языков пламени едущей позади машине. Так что и уменьшение параметра S/D само по себе не дает очевидного выигрыша. Что же тогда делать? В чем же все-таки секрет этих чудо-двигателей?
Секрет заключается совсем не в том, что тот или иной параметр двигателя Формулы-1 сделан экстремальным, а в том, как конструкторы сумели с этой экстремальностью справиться. В двигателе Формулы-1 все доведено до предела — в том числе и совершенство. Везде найдена единственно верная золотая середина, позволяющая уравновесить плюсы и минусы того или иного технического решения. И поиск этой середины происходит в рамках действующего технического регламента, технологических возможностей и располагаемого бюджета. Прибавьте к этому, что требующих оптимизации параметров в двигателе гораздо больше, чем очков у Михаэля Шумахера, и вы поймете, почему инженеры Формулы-1 считаются лучшими в мире специалистами в своей области.

Артем Краснов