Реактивні технології у світі моторів Ф1

Реактивні технології у світі моторів Ф1

Технічний експерт Motorsport.com Метт Сомерфільд розбирає принцип, який може стати вирішальним в суперництві Mercedes та Ferrari.

У Формулі 1 обожнюють всілякі абревіатури - згадайте хоча б KERS, ERS або DRS.

А що скажете про HCCI? Чули про таке? До кінця нинішнього сезону саме це скорочення має шанс стати одним з найпопулярніших в паддоку. Мова йдеться про принцип множинного займання повітряно-паливної суміші при стисненні - Homogeneous Charge Compression Ignition.

Спробуємо розібратись, що це таке і чому технологія HCCI так важлива для Ф1.

Розвиток моторів

Чому ж стільки уваги цьому процесу? Відповідь проста: саме він стане головним полем битви між Mercedes і Ferrari.

У Маранелло цього року досягли серйозного прогресу, явно відігравши частину відставання від суперників. Але за все потрібно платити: більше доопрацювань - більше число жетонів по ходу зимового міжсезоння для Скудерії.

Використання жетонів мотористами Ф1

КомандаВикористано жетонівЗалишилось жетонів
Ferrari239
Mercedes1913
Honda1814
Renault725

Значна частина була витрачена на зміну архітектури двигуна 059/5. Треба було позбавити Mercedes можливості одноосібно використовувати хитрий прийом зі згорянням, який є козирем команди з моменту введення "гібридного" регламенту. Також доопрацювання були спрямовані на підвищення загальної віддачі і паливної ефективності.

Виключно наука та ніякого чаклунства

Shell fuel drums

Бочки топлива Shell

Фото: Джеймс Холланд

HCCI - це комбінація процесів в камері згоряння бензинових або дизельних двигунів. Якщо подавати паливо в циліндри під високим тиском, то різко зростає компресія, і починається спонтанна реакція його загоряння, при якій свічка запалювання стає непотрібною.

Поки що для процесу згоряння використовується система "реактивного запалювання" MAHLE. Але виробники моторів скоріш за все зараз активно працюють над впровадженням HCCI в класичній версії.

Дві системи мають багато спільного, однак HCCI пропонує більш тонке налаштування системи подачі палива в поєднанні зі стандартними свічками запалювання, що дозволяє розширити операційне вікно.

У MAHLE використовується спеціальна камера, звідки стисла повітряно-паливна суміш вприскується в циліндр, де при певних умовах починається її автоматичне загоряння. В інших умовах підпал проводиться традиційним чином з використанням свічки. Цікаво, що регламент допускає не більше п'яти електричних імпульсів на свічку запалювання за один цикл роботи двигуна, але використання "реактивного запалювання" дозволяє, по суті, збільшити це число, тому що в самій суміші, яка наповнює циліндр, можуть відбуватися численні авто-займання. А це можливість підвищити віддачу та ефективність кожного циклу.

Таким чином, ретельне опрацювання інжектора, "реактивного запалювача", свічки, циліндра і поршня в змозі привести до мультимодальної моделі, дозволяючи реалізовувати як об'ємне, так і "впорскувальне" запалювання, в залежності від положення дроселя. Це дозволить підвищити як паливну ефективність так і швидкість машини в цілому, наприкінці кінців.

Масла в багаття розвитку

Shell Trackside Laboratory

Портативна лабораторія Shell

Фото: XPB Images

Звичайно, все це можливо реалізувати тільки в тісній зв'язці з виробниками палива та олив. І якщо ми кажемо про Ferrari, то мова буде про Shell.

Компанія докладає багато зусиль, щоб зайняти помітну позицію на всіх Гран Прі. Так само, як і всі інші, солідна бригада її співробітників веде боротьбу за секунди по ходу подій.

Крім усього іншого, вони знаходяться на передовій нафтохімічних технологій в марафонській першості WEC. Поєднуючи це, компанія отримує ще більший обсяг даних, враховуючи, наскільки близькі "гібридні" регламенти двох чемпіонатів.

Багатоступінчасте впорскування палива вимагає крім високої точності, ще і наявність пального з двома різними температурами. Цей фактор відіграє ключову роль у розподілі тиску і, в кінцевому рахунку, в роботі всієї схеми.

Відомо, що на містках тих команд, які використовують мотори від Маранелло, серед безлічі даних на екранах для температури палива є два незалежних показника.

Дуже ймовірно, що мова якраз про "традиційну" паливну систему двигуна і про ту, що використовується для "реактивного впорскування ". За кожною з них треба уважно стежити, щоб згоряння в циліндрі по ходу циклу було максимально ефективним.

Ускладнення задачі

Ferrari SF16-H rear detail

Деталі задньої частини Ferrari SF16-H

Фото: Джорджо Пиола

Легко побачити безпосередню вигоду від використання системи MAHLE - особливо якщо врахувати, що саме вона по суті вже використовується в силових установках Mercedes.

Але є й інші чинники, які важливо враховувати.

В 2015 році у команді чемпіонів легко впоралися з завданням інтеграції впускних колекторів із змінною геометрією, заборонених за рік до цього. У Ferrari зробити цього не змогли.

Однак архітектура їх останнього двигуна 059/5 вельми наочна: інтеркулер (1 на схемі внизу) звільнив місце в розвалі блоку циліндрів, щоб розмістити там впускні колектори, що дозволить краще управляти об'ємом повітря, що поступає.

Зрозуміло, що сама можливість контролювати цей параметр дає відчутну перевагу - особливо в поєднанні з багатоточковим впорскуванням і послідовним запалюванням. Це дозволяє підвищити паливну ефективність або потужність окремо та, можливо, разом.

Охолоджуємо самі

Ferrari 2015 and 2016 comparison

Порівняння Ferrari 2015 та 2016 років

Іллюстрація: Джорджо Піола

Щоб максимально скористатись отриманою вигодою, яку дають впускні колектори змінної геометрії і "реактивне впорскування" MAHLE, в Ferrari пішли на істотні зміни. Перш за все вони спрямовані на механізм потрапляння повітря в циліндри.

Як вже згадувалось вище, рідинні радіатори в 2014/15 роках розташовувалися між блоками циліндрів V-подібного мотора. Тепер же кілька охолоджувачів знаходяться в різних точках шасі SF16-H.

Два з них, повітряних, винесені в понтони, де вони об'єднується з головними радіаторами. Ще один можна побачити позаду силової установки, де зазвичай монтують оливний радіатор.

Крім того, можна говорити, що у Ferrari і Haas є ще один рідинний охолоджувач, затиснутий між монококом і паливним баком - практично там же, де і у Mercedes.

Використання такого різноманіття радіаторів дозволяє команді помітно розширити допустимий операційний діапазон. У разі необхідності завжди можна зробити упор на частину радіаторів, виходячи з наявних умов.

Теплові та кінетичні

Variable trumpets assembly

Впускні коллектори

Іллюстрація: Джорджо Піола

Якщо оцінювати ситуацію в комплексі, то на процес згоряння також впливають турбіна і мотор-генератор теплової енергії MGU-H.

Останній взагалі є одним з найважливіших елементів силової установки, тому що регламент не накладає на його конструкцію ніяких обмежень. MGU-H може абсорбувати для повторного використання стільки енергії, скільки потрібно, дозволяючи підтримувати всі інші компоненти в межах заданих параметрів. Саме завдяки цьому тепловий мотор-генератор стає однією з головних цілей для доробок.

Він отримує енергію від обертання турбіни. Якщо паливо буде догоряти при повністю відкритому дроселі, вже покинувши мотор, то в турбіну потрапить більше газів, а отже, віддача від MGU-H зросте.

У традиційних турбодвигунах подібний ефект є небажаним, адже без мотор-генератора згоряння палива вже у вихлопній системі - це проста втрата потужності. Але у випадку з силовими установками Ф1 ця енергія може бути абсорбована і відразу спрямована в кінетичний мотор-генератор MGU-K - навіть без тих втрат, які неминуче виникли б, якби довелося по ходу задіяти батарею.

Це серйозна перевага з точки зору запасу ходу: так, потужність трохи знижується, зате витрата пального падає незрівнянно сильніше.

Швидкість в кінці прямих буде не настільки велика, але ж з іншого боку, на крайній випадок у пілота є кнопка "прискорювача", щоб на короткий час підвищити витрати і вичавити з мотора максимальний хімічний потенціал, закладений в паливо.

Повний вперед

Mercedes AMG F1 Team W07 rear detail

Деталі задньої частини Mercedes AMG F1 Team W07

Фото: Джорджо Піола

Коли справа доходить до чистої швидкості на одному кваліфікаційному колі, перевага як і раніше за Mercedes. Стосовно потужності звучать різні цифри, але як правило експерти порозумілись на величині приблизно 30 к.с.

Вона виходить із загальної оцінки технологій і розуміння того, як енергія переходить з одного виду в інший в сучасних гібридних установках з урахуванням того, що можна отримати максимально з пального при нинішніх обмеженнях на його витрату.

Процес навчання

Зараз у Ferrari теоретично є все необхідне, щоб зрівнятися з німецькими суперниками. Але поки ще команді бракує знань, як сповна використовувати ту перевагу, що надають технології.

У Маранелло швидко навчяться ефективно розпоряджатися тим, що мають, відшукуючи нові режими перерозподілу енергії в перехідних ситуаціях, що дозволить знизити загальний час проходження кола.

Але не можна зробити омлет не розбивши яєць. Ілюстрацією цього стали недавні відмови в Австралії і Бахрейні. "Залізо" зараз працює практично на межі можливого.

Чи чекати збільшення?

Зрозуміло, нинішні силові установки ще далекі від свого піку: добре відомо, що якщо регламент обмежує творчість інженерів в одному напрямку, вони швидко знаходять інший.

Якщо повертатися до системи жетонів, то вона, як ходять чутки, може бути скасованою починаючи з 2017-го. Після цього бої між виробниками за кінські сили розгорнуться з новою силою.

Зрозуміло, що в Ferrari не мають наміру спочивати на лаврах: у компанії розуміють, що зараз такі технології не надто зачіпають їх дорожні машини, що призводить до обмеження можливостей самодопомоги.

Не так давно було оголошено про розширення партнерства з MAHLE, яка надасть додаткове сприяння в роботі по модернізації колінвалу, посилення кованих поршнів і оптимізації їх кілець і пальців, зроблених з надзвичайно еластичної сталі. З метою зниження тертя і зносу буде доопрацьовано внутрішнє покриття циліндрів. Всі ці заходи в комплексі покликані підвищити термічну ефективність силової установки.

Подовження партнерського контракту з виробником свічок NGK до 2020 року переслідує ту ж мету: повністю використовувати потенціал "реактивного запалювання", чи то за допомогою самопідпалу або з використанням традиційної іскри.

Згадаємо про Renault и Honda

Red Bull Racing engine detail

Деталі двигуна Red Bull Racing

Фото: Джорджо Піола

Ви певно помітили, що Renault залишилися вірними торішнім принципам: витратити взимку якомога менше жетонів, щоб потім провести серйозне доопрацювання - в цей раз до Канади.

Зрозуміло, що здебільшого новинки будуть мати на меті більш ефективне використання технологій - при цьому в Renault і Ilmor вважають, що процес згоряння також може бути оптимізовано.

У Honda повністю націлені на аналогічний крок. Перед своїми партнерами з Mobil 1 вони вже поставили задачу домогтися необхідних поліпшень в плані віддачі від палива і мастил.

З огляду на все це, автор цілком і повністю поділяє точку зору, що Red Bull зможе втрутитися в суперечку Mercedes і Ferrari по ходу сезону, тоді як ліквідувати відставання Honda буде трохи складніше.

Технології задля пустощів?

Берні Екклстоун не втомлюється повторювати, наскільки невисокої він думки про сучасні мотори, називаючи їх безглуздими. Мабуть, ще ніколи він не був таким далеким від істини.

Ті дослідження, які ми зараз бачимо в Ф1, закладуть базис для технологій, що дозволять в недалекому майбутньому зробити зовсім іншими звичайні дорожні автомобілі.

Стиснуте в рамки правил, але в той самий час вкрай конкурентне середовище Формули 1 вже дало виробникам можливість на 45 відсотків підвищити теплову ефективність моторів та, поміж справою, перевершити показники потужності двигунів V8 минулого покоління. При цьому на ту ж саму дистанцію зараз йде на третину менше палива.

Ми стоїмо на самому порозі захоплюючою технічної ери, і попереду нас чекають ще багато відкриттів.

За матеріалами технічного експерта Motorsport.com Метт Сомерфільд

Будьте частиною чогось більшого

Написати коментар
Показати коментарі
Про цю статтю
Серія Формула 1
Тип статті Важливі новини