Турбомотор V-6 2014 года

Сезон 2014 станет переворотом в Формуле 1, с принятием новых правил по двигателям. Следуя тенденции автопроизводителей по уменьшению кубатуры, нынешние 2,4 литровые атмосферные V-образные 8-ми цилиндровые двигатели будут заменены на гораздо меньшего объёма 1,6 литровые V-6 турбомоторы. В настоящий момент три производителя приняли решение о постройке таких двигателей, и среди них Реноспорт Ф1 - первый, кто показал свою, пока ещё безымянную разработку. Французская фирма работает над новым проектом определённое время, и уже провела несколько тестовых циклов на стенде. В то время, как окончательный дизайн ещё должен быть отработан, общая концепция и расположение агрегатов уже готово.

Изображения, которые вы можете видеть на этих страницах, заместитель управляющего директора Роб Уайт охарактеризовал как весьма условные, и конечно же они являются скорее художественным восприятием, чем переложением фактических КАД чертежей. Однако Рэйскар Энджиниэрин были показаны рабочие КАД данные и фотографии первых тестовых циклов силовой установки, исходя из которых можно сказать, что размещённые здесь изображения в целом соответствуют компоновке мотора.

Когда речь заходит о конструкции двигателя, технические правила Ф1 хорошо известны своими ограничениями, определяющими его основные параметры, и этот подход не изменился и на 2014-й год: угол развала цилиндров и их диаметр, количество клапанов - находятся среди параметров, ограниченных регламентом. У Рено заключён четырёхлетний контракт с СД Адапко для их САЕ (автоматизированное компьютерное моделирование) и СДФ (вычислительная гидродинамика) работ, который охватывает и новый проект двигателя.

"В некотором смысле ограничения огорчают, но они одинаковы для всех", объясняет Уайт. "Регламент устанавливает только небольшое количество обязательных параметров, таких как минимальный ход поршня и диаметр цилиндра, тогда как десятки тысяч других решений мы свободны выбирать сами". Стоит отметить небольшое послабление в выборе материалов для конструкции двигателя. Прежде некоторые материалы были вне закона, особенно заметный из которых - магний - ныне возвращается в ограниченном применении.

"Правила по используемым материалам по-прежнему довольно консервативны", подчёркивает Уайт, "но есть некоторые послабления, призванные помочь нам получить необходимый вес силовой установки, добиться котрого весьма проблематично. Головки и блок цилиндров по-прежнему должны быть изготовлены из алюминиевого сплава или сплава на основе чугуна, и не могут содержать композитных материалов. Но нам снова позволено использовать магний для некоторых стационарных элементов двигателя. В реальности, подозреваю, все будут использовать алюминий, при изготовлении головок и блока цилиндров."

Как и в случае с нынешними V8, правила диктуют ограничение оборотов и для новых V6. Тогда как для восьмёрок это было 20 тысяч в минуту, позже сниженное до 18-и тысяч, шестёрки не будут раскручиваться так высоко. "Новый мотор по-прежнему будет довольно высокооборотным, хотя правила ограничивают нас 15-ю тысячами. В реальности мы, вероятно, не будем раскручивать мотор до лимита, позволенного правилами, так как цель состоит в том, чтобы получить максимальный к.п.д. на минимально возможных оборотах, из соображений минимизировать потери на трение. По мере того, как кривая расхода топлива будет расти, обороты мотора будут сохраняться около отметки в 12 тысяч", поясняет Уайт.

"Непосредственный впрыск не был специально запрещён на предыдущих моторах, но существовавшее ограничение на давление в топливной системе делало невозможным его применение."

Ограничение по расходу топлива - новый и ключевой фактор в правилах - каждой машине будет позволено расходовать не более 100кг топлива в час, что будет контролироваться установленным ФИА расходомером. В то время, как поставщик этого устройства ещё должен быть определён, британская фирма Джил Сенсорс рассматривается в качестве основного кандидата, с их выигравшей конкурс разработкой ультразвукового расходомера.

Также значительная разница состоит в том, каким образом топливо будет попадать в цилиндры, с введением непосредственного впрыска. "Непосредственный впрыск не был специально запрещён в предыдущих моторах, но существовавшее ограничение на давление в топливной системе делало невозможным его применение", объясняет Уайт. "Для нас это огромный шаг в изменении правил, и один из тех, где мы в определённой степени извлекаем пользу из нашего опыта в работе над дорожными машинами. Однако, принципиальная разница состоит в том, что гоночный мотор работает 70% времени на максимальных оборотах, чего нет на дорожных машинах."

"Также, потребление топлива и эффективность мотора являются ключевыми параметрами при работе двигателя с полностью открытой дроссельной заслонкой, чего нет на двигателях дорожных машин с непосредственным впрыском топлива - философия дорожных машин заключается в сохранении длительного ресурса двигателя, но мы не можем себе позволить использовать топливо, при работе с полностью открытым дросселем, для охлаждения деталей двигателя, что является классическим подходом в двигателях дорожных машин. Таким образом, подобные этому вещи будут очень отличаться."

Ещё одним серьёзным изменением для конструкторов двигателей станет введение снова в регламент турбонаддува, что последний раз мы видели в Ф1 в 1988-ом году. Правила 2014 оговаривают использование только одного турбокомпрессора, и определяют его месторасположение на машине.

"Регламент ставит условие, что ось турбины должна быть параллельна оси коленчатого вала, и располагаться в пределах 25 мм от него. Таким образом, возможно только одно решение относительно компоновки турбокомпрессора, месторасположения его верхней, передней и задней частей. В реальности это означает, что турбина может находиться только впереди или сзади двигателя, и так как выхлопная система должна выходить сзади машины, я был бы удивлён, если бы кто-нибудь разместил турбину спереди, но в этом спорте вы никогда не должны ничего исключать", говорит Уайт.

То, что новый мотор будет турбированным, означает, что его архитектура будет полностью отличаться от существующих V8, как объясняет Уайт. "Мы увидим очень высокие значения давления в цилиндрах, по сравнению с нынешними моторами, и это означает, что пропорции внутренних деталей будут тоже отличаться. Вы можете это сразу увидеть, сравнивая поршень от мотора РеноСпорт27 V8 с поршнем двигателя V6 2014. Сразу же становится очевидным, что новый поршень меньше, так как диаметр цилиндра фиксирован размером 80 миллиметров. Но вы также сразу обнаруживаете, что и с точки зрения дизайна новый поршень является чем-то совершенно иным. Баланс между силами сжатия и инерции намного больше смещён в пользу сил сжатия, благодаря поршням V6, тогда как с поршнями V8 инерционные силы преобладали."



Согласно Уайту, все машины, которые выйдут на старт, будут использовать интеркулеры - промежуточные охладители воздуха, подаваемого в компрессор - тем самым создавая ряд сложностей конструкторам и аэродинамикам. "Это тепловая эффективность, которую мы ожидаем получить", говорит он. "Для того, чтобы получить выгоду от ограничения на расход топлива, давление наддува, вероятно, будет находиться в пределах 2-3 Бар. При этом температура воздуха на выходе из компрессора будет составлять 140-150 град/С, и вы вряд ли бы захотели, чтобы температура воздуха, поступающего во всасывающий коллектор, соответствовала этим значениям, по причине низкого коэффициента объёмного наполнения цилиндра в этом случае и низкого противодействия детонации.

Охлаждение поступающего воздуха приведёт к прямому росту к.п.д., что, ввиду ограничения на расход топлива, является прямым увеличением мощности. Тем самым, в этом решении заключается прямая выгода, чтобы можно было пренебречь дополнительными весом итеркулера и аэродинамическим сопротивлением, им создаваемым. Также абсолютно понятно, что оптимальное решение коснётся в некоторой степени и промежуточного охлаждения заряда." Установка ещё одного воздуховода доставит дополнительную головную боль аэродинамикам, дорабатывающим новые машины, многие из которых находятся уже на чертёжных досках.

"Думаю, месторасположение интеркулеров в машине ещё должно быть окончательно определено. Это дополнительная система охлаждения, при установке которой должен быть найден компромисс с общими оптимальными характеристиками машины. Понятно, что парни из отдела аэродинамики не хотели бы охлаждать воздух на входе в двигатель, тогда как их коллеги из отдела двигателей хотели бы охладить его в значительной степени. Компромисс в технических характеристиках машины состоит в том, чтобы правильно определить аэродинамические, весовые и компоновочные издержки при установке охладителя, в сравнении с преимуществами эффективного двигателя", продолжает Уайт.

Проблемы с парковкой

Развитие двигателя с турбонаддувом имело неожиданный эффект для персонала Реноспорт Ф1, включая Роба Уайта, помимо других работников, потерявших места на парковке перед предприятием, расположенным на окраинах Парижа. "Одной из существенных вещей, которой мы хотим добиться - это тепловая эффективность мотора, и её можно найти, улучшая процесс сгорания топлива. Главный резерв здесь - это понимание процесса сгорания и взаимосвязь между ним и системой наддува. Вы можете проводить множество исследований на одноцилиндровом стендовом моторе, но сложность состоит в том, что такой двигатель не может поддерживать работу типичного турбокомпрессора, так что вы должны обеспечить поступление заряда воздуха и сжатие его отдельно от двигателя, что создаёт необходимость в дополнительной разработке во время создания двигателя.

Первой большой платой для нас в этой программе стало усовершенствование нашего предприятия для испытаний одноцилиндрового мотора, что потребовало вырыть котлован размером с плавательный бассейн на нашей автомобильной парковке, с тем, чтобы установить под землёй компрессор и систему кондиционирования, для обеспечения испытательного мотора воздухом необходимой температуры и степени сжатия. Мы вынуждены были сделать это на парковке, так как у нас не осталось больше места внутри здания или на его крыше. В течение нескольких недель мне приходилось парковаться намного дальше, чем обычно, но сейчас моя машина стоит прямо над компрессором для обеспечения тестового мотора!"

Подача топлива

Ограничение на расход топлива и меньший размер топливного бака на новых машинах приведёт к значительному снижению прижимной силы, уровень которой в Монако будет таким, как сейчас в Монце. К тому же, наличие турбокомпрессора означает, что нынешнее направление на использование выдувных диффузоров полностью себя исчерпает просто потому, что выхлопная система моторов не будет создавать достаточный поток, чтобы обеспечить нужный эффект.

Тем не менее, имеющийся в наличии поток не будет растрачен впустую. В то время, как V6, если его рассматривать отдельно, не будет таким же мощным, как нынешний V8, общая мощность нового силового агрегата будет сопоставима, благодаря введению гибридной установки гораздо большего потенциала, чем мы видели до сих пор на этапах гран-при, и это станет одним из самых больших вызовов, установленных правилами на 2014-й год.

"Тема двигателя и силовой установки в целом, становится интересной в плане компоновки, когда вы добавляете электромоторы", говорит Уайт. "Там будут два типа двигателей-генераторов (MGUs), один MGU-K - для рекуперации кинетической энергии, по существу такой же, как нынешняя КЕРС, и второй - MGU-H - для рекуперации тепловой энергии. Возможно, не всем ясно, как эта конфигурация работает. На традиционном турбомоторе выхлопные газы, проходя сквозь турбину, превращают энергию высокой температуры и давления на входе в неё, в более низкие температуру и давление на выходе из турбины. Разница этих значений определяет механическую мощность на валу турбины, которая используется для привода компрессора."

"В традиционном турбомоторе необходимая для вращения компрессора мощность является расчётным параметром для турбины, но в нашем случае, помимо вращения компрессора, добавляется необходимость вращения MGU - получаем турбо компаунд (комбинированный узел). Затем, если вы возьмёте электрическую трансмиссию между двумя MGU, по существу это тоже будет примером комбинирования нескольких узлов. Правила гласят, что турбина на выхлопе может быть установлена соосно с компрессором, и тем самым работать на тех же оборотах, либо она может располагаться со смещением, если между турбиной и компрессором есть передаточное число. Наиболее вероятно, что в итоге MGU-H будет раскручиваться до оборотов вала турбины, где-то свыше 100 тысяч об/мин." Но эта конфигурация не является в чистом виде электронным турбо компаундом в традиционном понимании, как это подробно описано в Рэйскар Энджиниэрин V21N8.

Хотя задержка в работе наддува характерна для всех турбомоторов, вы не услышите "оружейных выстрелов" системы противо-задержки в стиле WRC двигателей, исходящих от нового поколения машин Ф1. "Это ничего не значит, что на них будут использоваться многоуровневые принципы управления энергией; когда гонщику нужен крутящий момент на выходе, он давит тапку в пол, после чего мотор должен мгновенно на это отзываться", объясняет Уайт. "Но крутящий момент может происходить из нескольких мест. Сам двигатель будет выдавать крутящий момент, который он производит, при этом турбина будет раскручиваться, и как только она достигнет устойчивого режима, крутящий момент будет выше, чем он был изначально. Так работает классический турбонаддув."
"Крутящий момент может создаваться несколькими путями. Сам двигатель выдаёт только собственный крутящий момент, пока турбина раскручивается, и как только она выходит на рабочий режим (соответствующий режиму работы двигателя в данный момент), крутящий момент двигателя становится выше, чем он был изначально. Это типичное описание задержки работы турбонаддува. С нашей системой, если имеет место нехватка крутящего момента между уровнем, на который способен двигатель и запросом гонщика, мы можем восполнить этот дефицит или задержку в работе наддува за счёт электрической энергии с помощью MGU-K, таким образом, мы можем использовать энергию, накопленную в батарее, для компенсации нехватки крутящего момента. Но мы также можем использовать накопленную в батарее энергию для того, чтобы раскрутить турбину с помощью MGU-H, увеличивая давление наддува, тем самым компенсируя дефицит крутящего момента этим путём", продолжает Уайт.

"Всё это происходит в очень коротких временных рамках; здесь вам необходимо сделать выбор относительно того, как использовать химическую энергию топлива, электрическую энергию батареи и трёх источников крутящего момента (сам двигатель, MGU-K и MGU-H). Каждый раз, когда вы восстанавливаете энергию с помощью любого из MGU, вы выбираете, использовать ли эту энергию для привода другого MGU, или же накаливать её в батарее. Ясно, что с точки зрения эффективности было бы лучше её использовать непосредственно для привода другого MGU, чем накапливать её в батарее и потом снова извлекать, в результате чего имеют место некоторые потери. Если вы можете использовать энергию, выработанную MGU-H, для непосредственного вращения MGU-K, это будет самый эффективный путь. Данная схема и есть турбо комбинирование - прямое улучшение эффективности использования энергии. Единственным доводом против такого подхода является только тот, что в конкретной ситуации может оказаться выгоднее накапливать и сохранять энергию для последующего её использования в какой-то момент, если это улучшает время прохождения круга, даже несмотря на потери энергии, или же, если вы хотите использовать её позже не для непосредственного ускорения машины, а для раскручивания турбины.

Управление таким большим количеством изменяющихся параметров, в дополнение к реально происходящим на трассе ситуациям, таким как обгоны или защита позиции, а также и другим составляющим, как ДРС, создаёт постоянную головную боль для гоночных инженеров", говорит Уайт. "Тем самым, вы должны продумывать, как оптимизировать эффективность машины в более длительном временном отрезке, при выборе траектории прохождения круга, например, так же как мы делаем это сегодня, используя КЕРС - существуют различные стратегии для обгонов или для улучшения времени на круге. В 2014-ом эти стратегии будут отличаться от сегодняшних, также как и стратегии на квалификацию и гонку, в том смысле, как используется топливо во время прохождения круга.

Существует к.п.д., который определяется уровнем расхода топлива, и есть максимальный уровень энергии, который вам разрешено взять от батареи на протяжении одного круга. Вероятно, такая ситуация аналогична квалификационной, но она не является устойчивой, т.к. если показатели расхода топлива в какой-то момент превысят его расчётное количество на гонку, то максимальное количество энергии, которое вы сможете взять от батареи на одном круге, окажется больше, чем вы сможете в неё вернуть, что, очевидно, не будет работать.

Батарею не разрешается разряжать больше определённого уровня, таким образом, здесь есть ещё один постоянный лимит, влияющий на к.п.д. (performance). Также, в пределах этих режимов, там будут ещё различные режимы, которые должны согласовать работу систем во время таких ситуаций, как пит-стопы и т.д. Затем, существует проблема управления энергией от старта до финиша, которая заключается в том, чтобы пройти гонку за возможно более короткое время и закончить её в наилучшей позиции на трассе с тем ограниченным количеством топлива. Это, определённо, хитроумная задачка."

Пока ещё не ясно, когда новые двигатели могут быть впервые опробованы на трассе, но, вполне вероятно, что они будут адаптированы с каким-либо тестовым шасси в 2013-ом. И даже более того, четырёхкратный чемпион мира Алан Прост, по слухам, является возможным кандидатом на роль тест-пилота РеноспортФ1. С сохраняющимся запретом на тесты, сами команды навряд ли смогут провести испытания двигателей на трассе до начала первых предсезонных тестов в 2014-ом. Будет захватывающе увидеть, как они смогли справится с этим вызовом.