Из чего состоит главная часть мотора «Ф-1»? Как эти детали выдерживают нагрузку в 10 тонн при массе в 300 грамм?
От редакции: Привет! Вы в блоге «На максимальной скорости» – здесь переводят классные тексты о «Формуле-1». Не жалейте плюсов и подписок, тогда таких постов будет больше.
Одной из новинок сезона-2022 было то, что команды должны были перед началом гоночного уик-энда рассказывать публично об обновлениях своих машин. Инженеры «Формулы-1» по своей природе скрытны. Некоторые даже скажут, что чересчур скрытны. Есть множество фанатов, которые интересуются технологиями и хотели бы следить за их появлением и развитием. И с прошлого года команды должны рассказывать ФИА обо всех изменениях, а автомобильная федерация собирает всю эту информацию и затем публикует. Команды же предоставляют машину и одного инженера для журналистов.
В основном в течение сезона изменения происходят с аэродинамикой, и как только они появляются на машинах, это сразу становится заметно. Компоненты под обвесом увидеть куда сложнее, хотя каждая команда имеет в штате фотографов, чтобы следить за соперниками. Некоторые детали, правда, никогда не будут раскрыты. Одним из примеров являются поршни.
Поршень испытывает, пожалуй, наибольшую нагрузку во всей машине. Он работает в жесточайших условиях глубоко внутри двигателя. Нынешние двигатели могут развивать 15000 об/мин, но они редко преодолевают отметку 13000, так как существуют топливные ограничения. Но даже при таких цифрах поршень за секунду совершает 200 подъемов и спусков. Если бы это можно было увидеть, то картинка в наших глазах смазывалась. На каждом обороте двигателя поршень опускается в нижнее положение, за это время разгоняясь с 0 до 100 км/ч и затем снова до 0 км/ч за 2 миллисекунды, а потом сразу начинает путь наверх. За время торможения и смены направления движения поршень испытывает перегрузки в 600G, что создает немыслимую нагрузку. Получается, что поршень массой 300 грамм может иметь вес в 2 тонны.
Также поршень должен выдерживать колоссальное давление и температуру. Крутящий момент двигателя является функцией давления, оказываемого на поршень. Поэтому разработка двигателя предполагает максимизацию этого параметра посредством высокой степени сжатия, установки турбин и агрессивного сгорания топливной смеси. Все это ведет к тому, что в пике давление может достигать 200 бар (около 3000 psi). И хотя электроника старается предотвратить детонацию, иногда она все же случается, и тогда давление еще больше. Даже при 200 бар нагрузка на поршень примерно равна 10 тоннам – эквиваленту 12 машин «Формулы-1».
Помимо этого, поршень работает при очень высоких температурах. До этого мы рассматривали технологии зажигания в современных двигателях «Формулы-1». Это добавляет силовой установке эффективность и позволяет хорошо сжигать сравнительно обедненную топливную смесь, но это создает большую нагрузку на поршень, так как в камеру сгорания подается горючая смесь при температуре выше 2500 градусов. Конечно, не один металл не выдержит такого, так что поршню нужно охлаждение. Часть тепла отводится кольцами к стенкам цилиндра, но большая часть охлаждения происходит при разбрызгивании масла через специальные форсунки на нижнюю часть поршня. Расположение и ориентация этих форсунок очень важна, так как от этого зависит выйдет поршень из строя или нет. Это очень сложная задача, так как форсунки должны попасть на конкретную часть поршня.
Поршни дорожных машин с бензиновым двигателем обычно отливают из алюминия с высоким содержанием кремния. Для спортивных и гоночных машин поршни куют из высококачественных алюминиевых сплавов. Много лет выбирали алюминий 2618, который впервые сделали в «Роллс Ройс» для авиационных двигателей во времена Второй мировой войны. За десятилетия развитие материалов шагнуло вперед. Алюминиевый бериллий был решением до 2000 года, когда его запретили из-за вредности производства. Сплавы с высоким содержанием лития были отставлены в сторону из-за высокой цены, так что сегодня в основном используется алюминий 2219.
Однако, появление новых турбированных гибридных силовых установок в 2014 году, продемонстрировало хрупкость и этого материала. Износ канавок кольца и разрушение головки поршня при детонации стали ограничивающими факторами. Это потребовало определенных доработок: несколько добавок и напылений были необходимы, чтобы материал выдерживал высокие нагрузки. Еще важный момент состоит в том, что новые двигатели должны были выдерживать больше гонок. Одной из опций был алмазоподобный углерод. На момент внедрения в силовые установки в «Формуле-1» он вообще редко использовался где-либо, но сейчас появляется и в двигателях дорожных машин в погоне за малым трением и более эффективным потреблением топлива.
В конце концов, логично было перейти на сталь, хотя требуемый минимальный вес поршня в 300 грамм был проблемой. Смена материала помогла в нескольких областях. Пиковые нагрузки на головку поршня и на канавки колец стало проще контролировать, они стали меньше уровня, при котором начинается усталость металла, что продлевает жизненный цикл изделия. Улучшенная интеграция канавок колец помогает лучше контролировать расход масла, что сейчас тоже находится под надзором ФИА, чтобы команды не могли мухлевать с этим.
Мы чаще слышим и видим развитие видимых частей гоночных машин «Формулы-1», но процесс идет и под капотом. К сожалению, узнать об этом куда сложнее.
Это перевод статьи Пэта Симондса из журнала GP Racing UK за декабрь 2022.
Этот блог в соцсетях:
Фото: Gettyimages.ru/John Lamparski, Clive Mason
