Зажигательная физика

Как принято считать, прогресс, в том числе и технический, идет по спирали. На новом витке развития востребованными оказываются инженерные решения, уже опробованные в прошлом. Вот и сейчас многие конструкторы двигателей Формулы-1 обращаются к идее, не без успеха реализованной без малого полвека назад, идее использования непосредственного впрыска бензина.
Впервые систему непосредственного впрыска топлива для двигателя Ф-1 разработали в начале 50-х годов немецкие фирмы Daimler-Benz и Bosch. 8-цилиндровый рядный мотор модели М196 рабочим объемом 2,5 литра, развивавший мощность 290 л.с. при 8500 об/мин, устанавливали на Mercedes-Benz W196, на котором Хуан Мануэль Фанхио становился чемпионом мира в 1954 и 1955 годах.
В 1963–1965 годах более совершенный вариант системы использовался на 6-, 8- и 12-цилиндровых 1,5-литровых гоночных моторах Ferrari, достигавших уже 10 500–12 000 об/мин. В 1964 году на модели 158 с 8-цилиндровым мотором Джон Сертиз стал чемпионом мира. Однако наибольшее распространение в гоночном двигателестроении получил не непосредственный, в камеру сгорания, а впрыск топлива во впускные патрубки, предложенный английской фирмой Lucas. В последние 35 лет все чемпионские моторы Формулы-1 используют именно такую схему. И вот двигателестроители снова вспомнили о непосредственном впрыске. Чем же сегодня привлекает инженеров эта идея?

Современным моторам Ф-1 присущ один врожденный недостаток: при переключении передач мощность и крутящий момент меняются недостаточно плавно. Стоит ли пояснять, что это значительно усложняет управление машиной, особенно при прохождении поворотов. Такова плата за 2–2,5-процентный прирост мощности, который обеспечивает расположение форсунок над впускными патрубками. Такая система позволяет добиться максимальной однородности рабочей смеси, но при этом бензин сильнее, чем подаваемый в цилиндры воздух, охлаждает металлические стенки патрубков, что ведет к образованию на них конденсата. Возникающая при смене режимов работы двигателя пульсация воздушно-топливной смеси внутри патрубков усиливает конденсацию бензина, что оборачивается ухудшением управляемости двигателя и повышенным расходом топлива.
Использование непосредственного впрыска позволяет решить обе эти проблемы, поскольку бензин подается в цилиндры всегда в оптимальном количестве. Понятно, какие это открывает перспективы перед инженерами, проектирующими гоночные болиды, и определяющими стратегию гонки руководителями команд. Более экономичный мотор позволит либо снизить снаряженный вес машины за счет сокращения объема бензобака, либо, при сохранении того неизменным, уменьшить число дозаправок или их продолжительность. А "недолив”, скажем, 10 л топлива при прочих равных условиях на 1 с укорачивает время пит-стопа, что в современной Формуле-1, как хорошо известно, дорогого стоит.
Заманчивые перспективы, не правда ли? Но чтобы они реализовались, необходимо решить немало проблем. При этом имеющаяся конструкция двигателя претерпит лишь незначительные изменения. Все основные параметры, такие как углы установки клапанов, размеры и профиль их штоков, конфигурация камеры сгорания и поршней, степень сжатия – останутся прежними. Главное, чтобы появление в верхней части камеры сгорания отверстия под форсунку не повлекло за собой уменьшения диаметра клапанов, что привело бы к снижению оборотов и мощности двигателя. Выполнить это условие возможно лишь при двух вариантах размещения форсунки непосредственного впрыска. Она должна быть установлена либо под двумя подходящими к впускным клапанам патрубками, либо вверху, по центру камеры сгорания. Первый вариант позволяет сохранить систему зажигания с одной свечой на цилиндр, тогда как при втором придется использовать две, симметрично расположенные относительно форсунки. Специалисты Ferrari, начавшие разработку двигателя с непосредственным впрыском в 1998 году, уже обращались за консультациями к имеющим большой опыт применения системы Twin spark (двойного зажигания) инженерам фирмы Alfa Romeo. И все же окончательный выбор, видимо, будет сделан в пользу варианта с боковым расположением форсунки. Помимо весовой экономии он обеспечивает большую однородность рабочей смеси, поскольку топливо подается в цилиндр в зоне максимальной турбулентности воздушной струи. Вот почему впрыск бензина должен быть по возможности точнее совмещен с фазой впуска.
Недостаточная однородность рабочей смеси вообще грозит свести на нет потенциальные преимущества системы. Обеспечить оптимальное смешивание бензина и воздуха, иначе как увеличивая давление впрыска, невозможно. Но каким способом этого добиться? Проще всего установить создающую давление в топливной системе до 1000 и более бар мощный насос того же типа, что используются в двигателях с непосредственным впрыском на обычных, "дорожных” автомобилях. Однако при этом отбираемая у мотора мощность окажется непомерно велика. Как полагают специалисты, самые богатые команды Формулы-1 пойдут по другому, более сложному, но одновременно многообещающему пути. Давление непосредственно в топливной системе будет ограничено всего 50–150 бар, тогда как необходимое давление впрыска будут создавать мультижиклерные форсунки микроскопического диаметра. Проблема состоит в том, что продолжительность фазы впуска при режимах работы двигателя порядка 17 000 об/мин сократилась до 1,6–1,7 мс. Чтобы добиться образования максимально однородной рабочей смеси при непосредственном впрыске, топливо должно подаваться в цилиндры за еще меньший промежуток времени и в том же количестве, что и при использовании обычной системы. Форсунок с таким "быстродействием” и с такой пропускной способностью пока не существует, но при соответствующих денежных вливаниях проблема может быть вскоре решена, тем более что некоторые фирмы начали разработку системы непосредственного впрыска для двигателей Формулы-1 несколько лет назад. По имеющейся информации к их числу принадлежит возвращающаяся в "большой цирк” Renault, а также Mercedes-Benz, Ferrari и BMW.
Впрочем, ответ на вопрос: состоится или нет "второе пришествие” в Формулу-1 моторов с непосредственным впрыском, зависит не только от инженеров. Ведь существующий бензин с примесями серы не пригоден для использования в подобных двигателях. Технический регламент, в принципе, не запрещает применения очищенного топлива, но устранение серы из состава бензина ухудшает его распыляемость и антидетонационные свойства. Так что последнее слово остается за химиками…
Тот, кто первым преодолеет существующие трудности, получит в свои руки весьма серьезное оружие в борьбе за чемпионский титул. Кроме повышения экономичности и улучшения управляемости непосредственный впрыск обещает дать и некоторую прибавку в мощности, тем более ценную, что она наблюдается во всем диапазоне оборотов. Связано это с увеличением массы рабочей смеси, поступающей в цилиндры в единицу времени, что, в свою очередь, обусловлено ростом плотности охлаждаемого бензином воздуха. Однако в абсолютном выражении прибавка мощности будет не очень существенной.
Гораздо более широкие перспективы в плане наращивания количества "лошадей” открывает использование системы зажигания нового типа. Как работает обычная свеча? Находящийся под высоким напряжением электрический контур создает большую разницу потенциалов между центральным и боковым(и) электродом(ами) свечи зажигания. Образующееся сильное электрическое поле вызывает ионизацию (отделение электронов от атомов) рабочей смеси в этой зоне, в результате чего возникает токопроводящая плазма, в которой и происходит емкостный разряд. При этом порождающий искру ток создается тем же контуром, что ранее привел к установлению разницы потенциалов между электродами. Причем сила тока максимальна в момент возникновения искры, но уже через мгновение она резко уменьшается. В результате искра практически сразу же "вырождается”, слабеет, что снижает эффективность сгорания топлива.
Американский исследователь Эд ВанДайн, более десяти лет работающий над усовершенствованием электрических систем транспортных средств в Массачусетском технологическом институте, создал принципиально новую систему зажигания. В ней за образование разницы потенциалов между электродами свечи и генерирование порождающего искру тока отвечают разные контуры. В результате продолжительность периода максимальной интенсивности искры резко увеличивается. Меняется и сам механизм передачи тепла рабочей смеси. Ее воспламенение происходит теперь в результате не только прямого контакта с искрой, но и под воздействием создаваемого ею светового излучения, т. е. даже в наиболее удаленной от свечи зоне камеры сгорания. Наконец, разработанная ВанДайном система позволяет варьировать длительность "жизни” искры с учетом количества подаваемого в цилиндры бензина (для чего предусмотрена соответствующая система обратной связи). Все это вместе существенно повышает кпд двигателя. Подсчитано, что использование системы зажигания ВанДайна даст двигателю Ф-1 прирост мощности, эквивалентный 25–40 л.с. Неудивительно, что многие команды "большого цирка” уже прорабатывают возможность "боевого применения” двухконтурной системы зажигания.
Итак, поиски философского камня современными алхимиками от моторостроения продолжаются. Их результаты мы увидим, возможно, уже в первом сезоне нового тысячелетия. Подождем?

Михаил Козлов