Анализ: как реактивные технологии вмешались в спор мотористов Ф1

Мэтт Сомерфилд разбирает принцип, который может стать решающим в соперничестве Mercedes и Ferrari.

В Формуле 1 любят всевозможные аббревиатуры – вспомните хотя бы KERS, ERS или DRS.

Но едва ли вы слышали про HCCI – между тем, в оставшейся части нынешнего сезона именно это сокращение имеет шанс стать одним из самых популярных в паддоке. Это Homogeneous Charge Compression Ignition – или принцип множественного воспламенения воздушно-топливной смеси при сжатии.

Что же это такое – и почему технология HCCI так важна для Ф1?

Развитие моторов

О причинах внимания к этому процессу говорить проще всего: именно он станет главным полем сражения между Mercedes и Ferrari.

В Маранелло в этом году добились серьезного прогресса, явно отыграв часть отставания от соперников. Но у всего есть своя цена – активные доработки потребовали от Скудерии большего числа жетонов по ходу зимнего межсезонья.

Использование жетонов мотористами Ф1

Команда Использовано жетонов Осталось жетонов
Ferrari 23 9
Mercedes 19 13
Honda 18 14
Renault 7 25

Значительная их часть ушла на изменение архитектуры двигателя 059/5 – в частности, это было необходимо, чтобы лишить Mercedes возможности единолично использовать хитрый прием со сгоранием, который является козырем команды с момента введения “гибридного” регламента. Также доработки были призваны повысить общую отдачу и топливную эффективность. 

Чистая наука и никакого волшебства

Shell fuel drums
Бочки топлива Shell

Фото: Джеймс Холланд

HCCI – это комбинация процессов в камере сгорания бензиновых или дизельных двигателей. Если подавать топливо в цилиндры под высоким давлением, то резко вырастает компрессия, и начинается спонтанная реакция его возгорания, при которой не требуется свеча зажигания.

Производители моторов сейчас наверняка активно работают над внедрением HCCI в классической версии, а пока для процесса сгорания используется система “реактивного зажигания” MAHLE.

Она имеет много общего с HCCI, однако предлагает более тонкую настройку системы подачи топлива в сочетании со стандартными свечами зажигания, что позволяет расширить операционное окно.

У MAHLE используется специальная камера, откуда сжатая воздушно-топливная смесь впрыскивается в цилиндр, где при определенных условиях начинается её автоматическое возгорание. В других условиях поджиг проводится традиционным образом с использованием свечи.

Интересно, что регламент допускает не более пяти электрических импульсов на свечу зажигания за один цикл работы двигателя, но использование “реактивного зажигания” позволяет по сути увеличить это число, так как в самой смеси, наполняющей цилиндр, могут происходить многочисленные авто-воспламенения. Это возможность повысить отдачу и эффективность каждого цикла.

Таким образом, тщательная проработка инжектора, "реактивного зажигателя", свечи, цилиндра и поршня в состоянии привести к мультимодальной модели, позволяя реализовывать как объемное, так и "впрысковое" зажигание, исходя из положения дросселя. Это позволит повысить как топливную эффективность так, в конечном счёте, и скорость машины в целом.

Масло в огонь развития

Shell Trackside Laboratory
Портативная лаборатория Shell

Фото: XPB Images

Конечно, все это возможно реализовать только в тесной связке с производителями топлива и масел – в случае с Ferrari, речь о Shell.

Компания представлена на всех Гран При солидной бригадой – по ходу уик-эндов её сотрудники, как и все остальные, ведут борьбу за секунды.

Помимо всего прочего, они находятся на передовой нефтехемических технологий и в марафонском первенстве WEC – в сочетании это позволяет получить еще больший объём данных, учитывая, сколь близки "гибридные" регламенты в двух чемпионатах.

Многоступенчатый впрыск топлива не только требует высокой точности, но и наличия горючего с двумя разными температурами. Этот фактор играет ключевую роль в распределении давления и, в конечном счете, работе всей схемы.

Известно, что на мостиках тех команд, которые используют моторы из Маранелло, среди множество данных на экранах есть два независимых показателя температуры топлива.

Очень вероятно, что речь как раз о "традиционной" топливной системе мотора и о той, что используется для "реактивного впрыска". За каждой из них надо внимательно следить, чтобы сгорание в цилиндре по ходу цикла было максимально эффективным.

Задачи усложняются

Ferrari SF16-H rear detail
Детали задней части Ferrari SF16-H

Фото: Джорджо Пиола

Легко увидеть непосредственную выгоду от использования системы MAHLE – особенно если учесть, что именно она по сути уже используется в силовых установках Mercedes.

Но есть и другие факторы, которые важно учитывать.

В чемпионской команде в 2015 году легко справились с задачей интеграции впускных коллекторов с изменяемой геометрией, запрещенных годом ранее. В Ferrari сделать этого не смогли.

Однако архитектура их последнего двигателя 059/5 весьма наглядна: интеркулер (1 на схеме внизу) освободил место в развале блока цилиндров, чтобы разместить там впускные коллекторы и лучше управлять объёмом поступающего воздуха.

Понятно, что сама возможность контролировать этот параметр даёт ощутимое преимущество – особенно в сочетании с многоточечным впрыском и последовательным зажиганием. Это позволяет повысить топливную эффективность или мощность – а то и обе разом.

Охлаждаем сами

Ferrari 2015 and 2016 comparison
Сравнение Ferrari 2015 и 2016 годов

Иллюстрация: Джорджо Пиола

Чтобы по максимуму использовать всю выгоду, которую дают впускные коллекторы изменяемой геометрии и "реактивный впрыск" MAHLE, в Ferrari пошли на существенные изменения, прежде всего направленные на механизм попадания воздуха в цилиндры.

Как уже говорилось, жидкостные радиаторы в 2014/15 годах располагались между блоками цилиндров V-образного мотора. Теперь же несколько охладителей находятся в разных точках шасси SF16-H.

Два воздушных вынесены в понтоны, где объединены с главными радиаторами. Еще один можно увидеть позади силовой установки – там, где обычно монтируют масляный радиатор.

Кроме того, можно говорить, что у Ferrari и Haas есть еще один жидкостный охладитель, зажатый между монококом и топливным баком – практически там же, где и у Mercedes. 

Использование такого многообразия радиаторов позволяет команде заметно расширить допустимый операционный диапазон. В случае необходимости всегда можно сделать упор на часть радиаторов, исходя из имеющихся условий.

Тепловые и кинетические

Variable trumpets assembly
Впускные коллекторы

Иллюстрация: Джорджо Пиола

Если оценивать ситуацию в комплексе, то на процесс сгорания также оказывают влияние турбина и мотор-генератор тепловой энергии MGU-H.

Последний вообще является одним из важнейших элементов силовой установки, так как регламент не накладывает на его конструкцию никаких ограничений. MGU-H с состоянии абсорбировать для повторного использования столько энергии, сколько требуется, позволяя поддерживать все остальные компоненты в границах заданных параметров. Понятно, что тепловой мотор-генератор – одна из главных целей для доработок.

Он получает энергию от вращения турбины. Если топливо будет догорать при полностью открытом дросселе, уже покинув мотор, то в турбину попадёт больше газов, а значит, отдача от MGU-H возрастёт.

В традиционных турбодвигателях подобный эффект является нежелательным, ведь без мотор-генератора сгорание топлива уже в выхлопной системе – это простая потеря мощности. Но в случае с силовыми установками Ф1 эта энергия может быть абсорбирована и сразу перенаправлена в кинетический мотор-генератор MGU-K – даже без тех потерь, которые неизбежно возникли, если бы пришлось по пути задействовать батарею.

Это серьезное преимущество с точки зрения запаса хода: да, мощность чуть снижается, зато расход горючего падает несравнимо сильнее.

Скорость в конце прямых будет не столь велика, но ведь с другой стороны, на крайний случай у пилота есть кнопка "ускорителя", чтобы на короткое время повысить расход и выжать из мотора максимальный химический потенциал, заложенный в топливо.

Полный вперед

Mercedes AMG F1 Team W07 rear detail
Детали задней части Mercedes AMG F1 Team W07

Фото: Джорджо Пиола

Когда дело доходит до чистой скорости на одном квалификационном круге, преимущество по-прежнему за Mercedes. Применительно к мощности звучат разные цифры, но как правило эксперты сходятся на величине порядка 30 л.с.

Она получается из общей оценки технологий и понимания того, как энергия переходит из одного вида в другой в современных гибридных установках с учетом того, что максимально можно извлечь из горючего при нынешних ограничениях на его расход.

Процесс обучения

Сейчас у Ferrari теоретически есть все необходимое, чтобы сравняться с немецкими соперниками – но пока команде недостает знаний, как сполна использовать то преимущество, что дают технологии.

В Маранелло быстро научатся эффективно распоряжаться тем, что имеют, отыскивая новые режимы перераспределения энергии в переходных ситуациях, что позволит снизить общее время прохождения круга.

Но нельзя сделать омлет, не разбив яиц, как показали недавние отказы в Австралии и Бахрейне. "Железо" сейчас работает практически на грани допустимого.

Ждать ли прибавки?

Разумеется, нынешние силовые установки еще далеки от своего пика: хорошо известно, что если регламент ограничивает творчество инженеров в одном направлении, они быстро находят другое.

Если возвращаться к системе жетонов, то её, как говорят, могут отменить с 2017-го – и тогда сражение между производителями за лошадиные силы развернётся с новой силой.

Понятно, что в Ferrari не намерены почивать на лаврах: в компании понимают, что в настоящий момент такие технологии не слишком затрагивают их дорожные машины, что ограничивает возможности по самопомощи.

Но недавно было объявлено о расширении партнерства с MAHLE, которая окажет дополнительное содействие в работе по модернизации коленвала, усилении кованых поршней и оптимизации их колец и пальцев, сделанных из чрезвычайно эластичной стали. Также будет доработано внутреннее покрытие цилиндров – всё с той же целью снижения трения и износа. Все эти меры в комплексе призваны повысить термическую эффективность силовой установки.

Продление партнерского контракта с производителем свечей NGK до 2020 года преследует ту же цель: полностью использовать потенциал "реактивного зажигания", будь то посредством самоподжига или с использованием традиционной искры.

А что же Renault и Honda?

Red Bull Racing engine detail
Детали двигателя Red Bull Racing

Фото: Джорджо Пиола

Как вы, нет сомнений, заметили, в Renault остались верны прошлогодним принципам: потратить зимой как можно меньше жетонов, а затем провести серьезную доработку – в этот раз к Канаде.

Понятно, что по большей части новинки будут иметь целью более эффективное использование технологий – при этом в Renault и Ilmor полагают, что процесс сгорания также может быть оптимизирован.

В Honda полностью нацелены на аналогичный шаг и уже поставили перед своими партнёрами из Mobil 1 задачу добиться необходимых улучшений в плане отдачи от топлива и смазок.

Учитывая всё это, автор целиком и полностью разделяет точку зрения, что Red Bull сможет вмешаться в спор Mercedes и Ferrari по ходу сезона, тогда как ликвидировать отставание Honda будет несколько сложнее.

Бессмысленные технологии?

Берни Экклстоун не устает повторять, сколь невысокого он мнения о современных моторах. Он называет их бессмысленными – и пожалуй, еще никогда не был так далёк от истины.

Те изыскания, которые мы сейчас видим в Ф1, заложат базис для технологий, позволяющих в скором будущем сделать совсем другими обычные дорожные автомобили.

Зажатая в рамки правил, но в то же время крайне конкурентная среда Формулы 1 уже дала производителям возможность на 45 процентов повысить тепловую эффективность моторов и между делом превзойти мощностные показатели двигателей V8 прошлого поколения. При том на равную дистанцию сейчас уходит на треть меньше топлива.

Мы стоим на самом старте увлекательной технической эры, и впереди еще много открытий.

Присоединяйтесь!

Написать комментарий
Показать комментарии
Об этой статье
Серия Формула 1
Команды Ferrari , Mercedes
Тип статьи Аналитика
Rambler's Top100