Искра революции зажигания двигателей Формулы 1
Ближе к концу сезона 2015 ходили слухи, что один из инженеров по двигателям из Mercedes High Performance Powertrains перешел в Ferrari и принес с собой некие знания, которые могли помочь итальянской команде. Тогда говорили про секретную систему зажигания Mercedes, которую те разработали. Считалось, что именно эта «фишка» давала немецким двигателям такое большое преимущество в 2014 и 2015 годах. А потом якобы все это еще и «утекло» в Ferrari. Но не все так просто. Да, когда высококвалифицированный специалист переходит из одной команды в другую (неважно, касается это шасси или двигателя), часть интеллектуальной собственности переходит с ним, но только та часть, что хранится у него в голове. Последствия промышленного шпионажа могут быть настолько серьезными, что в здравом уме никто не станет так рисковать.
Куда интереснее, каким образом свеча зажигания может иметь влияние на производительность двигателя, когда долгие годы на постоянной основе всеми использовались специальные свечи. Суть в том, что зажигание в нынешних двигателях Ф1 устроено не так, как в дорожных машинах и даже прежних двигателях серии до появления 1.6 V6 в 2014. Причина в пункте правил, который появился вместе с новыми гибридными силовыми установками и изменил их многолетнюю философию развития. Это пункт 5.1.4 правил 2014 года, где утверждается, что мгновенная подача топлива не должна превышать 100 кг в час.
До этого момента двигатели делали с расчетом, чтобы в единицу времени в него поступало как можно больше воздуха, а затем бы добавлялось необходимое количество топлива для лучшего сгорания смеси в цилиндре. На это влияла эффективность впуска, обороты и повышение давления. Объем подаваемого топлива был близок к величине полного сгорания смеси, которая называется стехиометрическое соотношение. По-простому, это соотношение воздуха и топлива, при котором происходит наиболее полное сгорание, и оно зависит от химии топлива. Величина для бензина примерно 14,7:1 – для каждого грамма топлива нужно 14,7 граммов воздуха. Для нового топлива E10 этого сезона соотношение примерно 14,1:1. Когда двигатель работает с стехиометрическим соотношением, то говорят, что он в режиме Лямбда 1. Максимальная же мощность получается при чуть более обогащенной смеси, с дополнительным топливом. Да, это дает больше мощности, но эффективность теряется.
Когда появились ограничения в правилах 2014, стало понятно, что лучше всего использовать режим обедненной смеси в двигателях (с дефицитом топлива при сгорании). Избыток воздуха добавлял энергии выхлопу, затем MGU-H рекуперировал ее (он был присоединен к турбонагнетателю). Проблема обедненной смеси в том, что ее сложнее поджечь, но при этом она стремится к более раннему, чем хотелось бы, воспламенению в начале такта сжатия, и тогда появляется то, чего стараются избежать из-за возможного повреждения двигателя – детонация.
Газовые двигатели справились с этой проблемой уже давно путем присоединения к свече маленькой камеры, в которую подавалась относительно богатая топливная смесь. Она легко воспламеняется свечой, что приводит к тому, что быстро распространяющееся пламя проходит через маленькие отверстия в камере (как поток пламени из огнемета). Это называется форкамерное зажигание. Впоследствии компания Mahle доработала его и механизм стал называться "турбулентным реактивным зажиганием". Маленькая форсунка вводит небольшое количество топлива в маленькую форкамеру, а затем уже большая форсунка вводит основную часть в цилиндр, где оно будет зажжено горящей реактивной плазмой из форкамеры. Такая конструкция именуется активной форкамерой.
К сожалению, правила Ф1 разрешают только одну форсунку на цилиндр (которая обычно располагается в голове цилиндра), поэтому она должна быть расположена таким образом, чтобы сначала впрыскивать немного топлива в форкамеру через одно или несколько отверстий. Это требует очень точного расположения свечи зажигания с форкамерой. Но как только это получается, система становится очень эффективной.
Известно, что в Mercedes первыми внедрили это в двигатель Формулы 1, но Ferrari не отставала, и представила свой вариант во время Гран-При Канады 2015, где ее соперники заметили явные изменения в эффективности двигателя на заводских итальянских машинах. Редко когда такие изменения оказывают настолько большое влияние на производительность. Мне на память приходят времена, когда мы пробовали использовать экзотическое топливо (мы могли явно увидеть прирост мощности), а также турбодвигатели, где ты просто стараешься увеличивать мощность турбонаддува, пока двигатель не начинал разрушаться.
Форкамера устроена иначе. Она способствует лучшему сгоранию, что влияет и на мощность, и на эффективность. Когда ее изначально ввели, прибавка была в районе 20 л.с., и сейчас прирост наверняка стал еще больше. Эта технология уже применяется в дорожных машинах, например в двигателе Nettuno на Maserati MC20. Это позволило улучшить расход на 3%, а сам двигатель стал дороже лишь на 150 евро. Другие производители тоже работают над аналогичными устройствами – это еще один пример того, как технологии Формулы 1 приходят в гражданское автомобилестроение и приносят пользу всем.
Это перевод статьи Пэта Симондса из журнала GP Racing UK за июнь 2022.
Фото: MotorsportImages.com;
Этот блог в соцсетях:
