Ежедневная доза Формулы 1
Вконтакте
Telegram

Сила да ум

Почему революция моторов в Формуле 1 была необходима

Опубликовано 2 апреля 2015

В 2014 году новый технический регламент перевернул Формулу 1. Андрей Чертков считает, что благодаря этому Королева автоспорта вновь стала «той». Читайте в нашем материале, почему Формула 1 обязана была стать гибридной, и что мешает Хонде вернуться на вершину.

Королева или цирк?

Золотое время прошло. Или настало. Помешанный на истории (как правило, склонный к ностальгии) любитель гонок любит порассуждать о том, как все раньше было чисто и четко: водила без страха и упрека – сигарета перед стартом, длинноногая красавица рядом, выпивка между гонками. А непосредственно гонки – это чугунный мотор без всяких лимитов (мета-образ Cosworth) и коробка передач Hewland – комбинация безотказная, как та прялка.

В 1971 году Формула 1 уже была высокотехнологичным и затратным спортом, однако со стороны это могло выглядеть иначе. На фото боксы Ferrari в Монце.
В 1971 году Формула 1 уже была высокотехнологичным и затратным спортом, однако со стороны это могло выглядеть иначе. На фото боксы Ferrari в Монце.

Пуристы сетуют, дескать, все было честно, победителем становился всегда самый отважный герой, а техника была умопомрачительна и проста. Подход красивый, но сентиментальный и инфантильный. Прогресс не остановить. Даже в те замшелые годы (всегда) велась бескомпромиссная схватка лучших инженерных умов, вдохновение приносило все новые и новые сумасшедшие идеи, которые давали преимущество одним и оставляли глотать пыль на обочине других

Поэтому давайте договоримся, дорогие друзья: раз уж выпало на нашу долю любить королеву, то давайте будем пуристами и в нашем обожании.

Королеву сделало королевой именно постоянное, не допускающее компромиссов стремление к техническому совершенству, эффективности, новаторству и лидерству. Скорость.

Кризис идей

И вот мы пришли к гибридам. Виват? Давайте разбираться, что это такое. Знаете, это, прежде всего, красивая и смелая идея. Смотрите: двигатель – суть преобразователь одной энергии в другую. Он превращает потенциальную химическую энергию топлива в полезную работу, в нашем случае движение вперед с максимальной скоростью.

Не вся химия превращается в движение – часть теряется в процессе: на звук, тепло, свет, трение и другие трудно измеримые континуумы тратится сегодня большая часть энергии. Та часть, что доходит в виде крутящего момента до ведущих колес составляет КПД двигателя. Сколько это в среднем? 25% считалось классикой у дорожных машин в 90-х (на самом деле эффективность дорожной и гоночной техники не сильно отличается при схожем принципе – спортивные моторы создавали без оглядки на экономичность до недавних пор, поэтому мощность достигалась через то, чтобы в единицу времени сжечь в цилиндрах как можно больше топлива).

Довоенные конструкторы решали задачу сжигания как можно большего количества топлива без особых ухищрений — как в этом 16-цилиндровом двигателе объемом 6 литров, установленном на Auto Union Type C 1931 года.
Довоенные конструкторы решали задачу сжигания как можно большего количества топлива без особых ухищрений — как в этом 16-цилиндровом двигателе объемом 6 литров, установленном на Auto Union Type C 1931 года.

За последние 15 лет произошла буквально революция. Корни, как мне кажется, кроются в маркетинге. Ресурс очарования покупателей все новыми и новыми средствами повышения комфорта исчерпал себя – многозонными климат-контролями, усилителями и сервоприводами всего стало сложно смотивировать к новой покупке. На выручку пришел бум безопасности – в середине 90-х каждую следующую машину нужно было покупать, ориентируясь на количество подушек безопасности и АБС последнего поколения.

Что дальше? – спросили боссы автоконцернов своих маркетологов в середине нулевых.

Талантливые выпускники именитых университетов придумали душещипательную сказку о том, что мать-планета не бездонна, нефть вот-вот кончится, а выхлопы автомобилей способны ввергнуть нас в постиндустриальный апокалипсис еще раньше.

Все вранье, по большому счету — углеводородов (нефти, газа и угля) при сегодняшнем потреблении хватит не на одну тысячу лет. И это только разведанных запасов. А выхлопы от всего автотранспорта на планете приносят меньше вреда, чем, например, коровки, которые пасутся на бескрайних пастбищах Аргентины и, извините, пукают. И даже все это — капли в море по сравнению с выбросами естественной этиологии, наподобие извержений вулканов.

«Думайте лучше о своих гибридах» — говорят нам аргентинские коровы.
«Думайте лучше о своих гибридах» — говорят нам аргентинские коровы.

Но так «слона не продашь», и все автопроизводители с упоением кинулись осваивать новый сбытовой ресурс. Доходило до анекдотичных ситуаций, когда, например на Женевском Автосалоне 2009 года все автомобили имели на своих бортах ровно одну информацию: количество грамм СО2 на км пробега. Ни мощность, ни разгон до 100, ни количество звезд EURO NCAP за краш-тесты, а какие-то граммы. О которых еще пять лет назад никто не знал.

Вся суть гибридов

Не было бы счастья, несчастье помогло. Как всегда маркетинговая, чисто экономическая история и стремление к прибыли послужили стимулом для мощнейшего технологического рывка. Были изобретены и, что чаще намного важней, внедрены в производство множество устройств и систем, позволяющих существенно увеличить эффективность тепловых машин, которые мы привыкли называть двигателями. Системы наддува (турбо и механический компрессор), суперконденсаторы, системы рекуперации кинетической энергии.

Конструкторы дошли до того, что посягнули на святыни: такты работы двигателя, придуманные еще Николаусом Отто в конце позапрошлого века, изменив привычные всем четыре такта на пять, добавив в процесс довпуск ¼ порции топлива, требуемого для одного такта в финальную фазу такта «сжатие». Топлива в итоге требуется меньше, а сгорает оно лучше, степень сжатия и крутящий момент повышаются.

Это прошло незаметно, но часть двигателей стала фактически пятитактными или 4,5-тактными, если угодно. Средний КПД новых двигателей вырос до 32–34%.

Международная Автомобильная Федерация не могла остаться в стороне и начиная с конца нулевых годов постепенно стала намекать на то, что пора бы уже заканчивать гоняться на чисто атмосферных и четырехтактных истребителях углеводородов. По новой моде называемых невозобновляемыми.

Все идеи оптимизации двигателей крутятся вокруг того, чтобы каким-то образом повысить КПД, допустим с 25 до 35%. Большей долей энергии пользоваться, меньше терять. Откуда взять эти дополнительные 10%? По закону сохранения энергии только там, где они теряются – из шума, тепла, звука, света и всего того, чего в избытке производит любой V6 десятилетней давности. Как это сделать?

На помощь приходит рекуперация

Рассмотрим частный случай разгона и торможения. Мы трогаемся с места, давим на газ, чтобы придать автомобилю ускорение – чем больше давим, тем больше сжигаем топлива и тем быстрее движемся. Но тут перед нами на светофоре зажигается красный свет. У нас два варианта действий: продолжать разгоняться и проехать перекресток, продолжая превращать джоули бензина в ньютон-метры вращения колес или остановиться у стоп-линии.

На панели приборов BMW i8 отображается не только остаток топлива в баке, но и заряд батареи. Причем, в отличие от бензина, заряд можно увеличить, не заезжая на заправку — достаточно спуститься с хорошей горки.
На панели приборов BMW i8 отображается не только остаток топлива в баке, но и заряд батареи. Причем, в отличие от бензина, заряд можно увеличить, не заезжая на заправку — достаточно спуститься с хорошей горки.

Представим, что нас двое: один законопослушный и осторожный водитель жмет на тормоз, а второй лихач проскакивает перекресток и оказывается на пару сотен метров впереди. При условно одинаковых энергозатратах получаем разный результат. Но при этом, потратив одинаковое количество энергии, мы проехали разное расстояние — куда же потерялась энергия бензина спокойного водителя, если у друга лихача получилось проехать дальше?

Мы потратили ее на то, чтобы, прижав тормозные колодки к тормозным дискам, нагреть их до приличной температуры (на каждом перекрестке этого тепла хватило бы, чтобы вскипятить небольшой чайник воды) и отделить микрочастички от фрикционной поверхности колодок и снять слой в несколько микрон с тормозного диска.

Но постойте, почему бы не придумать какую-нибудь штуку, чтобы тепло это не выбрасывалось в атмосферу, способствуя глобальному потеплению, а, допустим, нагрело нам чайник воды? Или пошло на приготовление яичницы?

Или перерабатывалось бы в электричество, поступало на хранение в аккумулятор, и потом запитало наши фары? Или крутило электродвигатель, помогающий нам после проезда перекрестка а) двигаться еще быстрее б) двигаться, затрачивая меньше топлива?

В этом и состоит принцип рекуперации, который в свою очередь лег в основу всех параллельных гибридов – когда есть ДВС и есть электромотор, который пользуется энергией, которую выработал ДВС и она готова была улетучиться в пространство, но мы ее искусно изловили, посадили в клетку (аккумулятор) и вовремя подключили.

Гибриды приходят в Формулу 1

Да, сегодняшний автомобиль F1 и Toyota Prius (прости господи) движутся, используя один принцип.

Всей гибридной истории в F1 шесть лет – в 2009 появился KERS – Kinetic Energy Recovery System. Система сохранения кинетической энергии, или, отталкиваясь от наших категорий, некая ловушка для энергии, перешедшей из потенциальной химической в кинетическую и готовую улетучиться в виде тепла, шума, износа тормозных механизмов и т.п.

В 2009 году Williams использовала механическую KERS: вместо батареи энергию накапливал массивный маховик.
В 2009 году Williams использовала механическую KERS: вместо батареи энергию накапливал массивный маховик.

KERS параллельно с тормозами задействовал генератор, который тормозил машину и питал батареи одновременно. Система была достаточно примитивна, как сейчас кажется – для F1 точно. Многие автопроизводители использовали рекуператоры в своих гражданских моделях. Никаких механических и тепловых генераторов, никакого торможения по проводам – все было механическим или, по-другому выражаясь, кинетическим.

К 2012 году все команды, включая самым гнусным образом «кинутые», вечно новые HRT, Caterham и Marussia обзавелись заветной кнопкой, позволявшей при необходимости пустить в дело заботливо рекуперированные максимальные 400 килоджоулей в течении одного круга. Копить и тратить больше было запрещено, а максимальная мощность KERS не могла превышать 60 кВт (около 82 л.с.).

Революция

Наступил 2014-й. Год самого радикального изменения технического регламента за все время существования F1, на мой взгляд. Объем двигателя был снижен до 1600 см3, разрешен турбо-наддув, KERS стал ERS, т.к. теперь было разрешено ловить не только механическую энергию при торможениях и движении накатом, а также и тепловую.

В 2014 году производители, как могли, пытались пояснить зрителям суть нововведений. На иллюстрации схема силовой установки Renault.
В 2014 году производители, как могли, пытались пояснить зрителям суть нововведений. На иллюстрации схема силовой установки Renault.

Соответственно, интегральными компонентами нового модуля рекуперации стали механический генерирующий блок MGU-K (Motor Generator Unit – Kinetic) и тепловой MGU-H (Motor Generator Unit – Heat). MGU-K работал примерно, как раньше KERS, а MGU-H использовал энергию выхлопных газов в случае, когда их не нужно было использовать для вращения турбины, через пневмоаккумулятор.

По сути – это два дополнительных генератора, один из которых питается инерцией, другой выхлопом.

Механический генератор теперь может выдавать мощность до 120 кВт (164 л.с.), энергия теплового не ограничена сама по себе, но общий объем рекуперируемой энергии в основном накопителе ES (Energy Store) не может превышать 4 мега (!!!) джоуля.

Также в регламент был введен, на мой взгляд, важнейший параметр расхода топлива, который в любой момент работы системы не должен превышать 100 кг/ч. А также максимальный возможный мгновенный расход топлива, рассчитываемый по формуле Q (kg/h) = 0.009 N(rpm)+ 5.5.

Так выглядит датчик расхода топлива, принесший Red Bull немало головной боли в начале сезона-2014.
Так выглядит датчик расхода топлива, принесший Red Bull немало головной боли в начале сезона-2014.

Без этого ограничения внедрение всех хитроумных рекуператоров не имело бы никакого смысла, т.к. инженеры по прежнему думали бы о том, как затолкать в цилиндры максимальное количество топлива за единицу времени.

Здесь разработчики регламента не оставили мотористам выбора – взять дополнительные киловатты стало неоткуда, кроме как собрать то, что не вошло в собственно КПД двигателя внутреннего сгорания.

Для генерации энергии MGU-K может вращаться с максимальной скоростью 50 000 оборотов в минуту, MGU-H – 125 000 оборотов в минуту. Эти данные нужны для понимания того, насколько сложные и нагруженные блоки должны слаженно работать в составе комплексной системы рекуперации ERS. При таких скоростях вращения каждому из этих узлов необходима собственная система охлаждения.

Хонда: что-то пошло не так

Именно изоляция или уплотнение системы охлаждения MGU-K Хонды и стали ахиллесовой пятой японской силовой установки. И именно поэтому инженеры вынуждены были пойти на существенное сокращение мощности, т.к. при работе на расчетных, близких к максимальным, параметрах расход теплоносителя в системе охлаждения повышался таким образом, что система уплотнений или проще говоря, контур, не выдерживали, и весь блок выходил из строя.

Редкий снимок McLaren MP4–30 со снятой крышкой двигателя, на котором можно увидеть плотную компоновку силовой установки.
Редкий снимок McLaren MP4–30 со снятой крышкой двигателя, на котором можно увидеть плотную компоновку силовой установки.

По всей видимости (тут нет однозначного понимания) вся силовая установка создана таким образом, что выход из строя одного из двух рекуперационных генераторов делает невозможным функционирование всей системы. Другая гипотеза состоит в том, что MGU-K включена в общий контур системы охлаждения силовой установки и ее прорыв грозит полным выходом из строя двигателя. Потеря теплоносителя системы охлаждения на оборотах двигателя 15 000 в минуту – катастрофа.

В мире автоспорта а) не так много специалистов, которые умеют конструировать силовые установки с двойной системой рекуперации и б) что гораздо важнее, почти нет свободных специалистов, которые помимо знаний и инженерной квалификации имеют опыт практического внедрения и доведения до эффективности всех этих хитрых штук.

В условиях действия ограничений на тесты мотористы Хонды пошли на очень большой риск, который пока, как мы видим, не оправдался. И я не думаю, что у проблемы есть быстрое решение. По сути, они тестируются сейчас в условиях боевых заездов.

Подытожим

Мы переживаем удивительное время, когда ревизии подвергаются фундаментальные основы спорта. Пересматривается сам принцип результативности. Прошли эпохи строительства уникальных шасси – если изучить 89-страничный технический регламент современной F1, станет очевидно, что в областях шасси и аэродинамика больше нет лакун – все зарегулировано предельно жестко.

Мотор, или сегодня силовая установка (просто мотором называть то, что сейчас у них под капотом, язык не поворачивается) снова становится центральным элементом успеха.

На мой взгляд это правильно. Да, пока дорого и сложно, да, непривычный (мне, например, нравится) звук, да, отсутствие шансов для «гаражистов». Но при всем этом победителями становятся те, кто лучше всех сумел преобразовать потенциальную энергию в движение. Не это ли возврат к истокам? Не это ли новый золотой век? Все только начинается!

Андрей Чертков
Филолог-технарь. Мне 35 лет, начал смотреть Формулу 1 в 1992 году на черно-белом телевизоре Весна. Она привела меня к иностранным языкам – я закончил иняз в Пермском Государственном Университете, а потом пошел в автобизнес, которым с успехом занимаюсь уже 15 лет. Пытаюсь донести, что Формула 1 – крайне творческая область инженерной науки, а техника способна очаровывать и вдохновлять.

Комментарии

Лучшее