Выхлопная система на болидах Формулы 1 выполняет не только функцию отвода газов, но и может быть использована для оптимизации работы двигателя, аэродинамики и системы турбонаддува.
Как работает выхлопная система?
Выработка выхлопных газов начинается после того, как в цилиндре произошло воспламенение топливно-воздушной смеси. Затем, во время такта выпуска, когда поршень движется обратно вверх по цилиндру, выпускной клапан открывается, и сгоревшие газы выбрасываются из камеры сгорания. Затем газы перемещаются в набор первичных элементов или коллекторов, по одному первичному элементу на цилиндр (на фото отмечены цветами: красный , фиолетовый, синий). Три первичных канала, выходящие из каждого блока двигателя, затем соединяются вместе в первичном коллекторе по системе три к одному (на фото отмечено оранжевым), а затем во вторичной трубе (отмечено желтый). Затем два вторичных канала (по одному с каждой стороны двигателя) входят в турбонагнетатель.
В зависимости от производителя двигателя, первичные, коллекторные и вторичные элементы могут быть либо единым целым и интегрированы в турбонагнетатель, либо отдельными частями. Выхлопная труба (на фото ниже: синяя) от турбонагнетателя выводит выхлопные газы из турбонагнетателя в заднюю часть автомобиля. В то время как существует также wastegate (буду называть по-русски вестгейт), который контролирует скорость турбонаддува и состоит либо из одной, либо из двух труб (красный), которые отходят от вторичных выхлопных каналов и обходят корпус турбины, выходя в задней части автомобиля.
Несмотря на то, что концепция выхлопной системы кажется относительно простой, существует целая наука, стоящая за такими параметрами, как длина трубы, диаметр и расположение, которые можно регулировать и менять, чтобы добиться максимального крутящего момента и диапазона мощности двигателя.
Интеграция в болид
Чем компактнее выхлопная система, тем более узким вы сможете сделать кузов, что дает аэродинамическое преимущество. Но с выхлопными газами, достигающими температуры 1000 градусов Цельсия, и трубами, которые находятся в считанных миллиметрах от кузова, пришлось разработать новые способы термоизоляции и тепловые покрытия. В целом, эффективная конструкция выхлопной системы - это та, которая обеспечивает идеальный баланс между нагрузкой на двигатель и турбонаддув и при этом скомпонована так аккуратно и продуманно, чтобы не повреждать и не перегревать рядом стоящие агрегаты.
В начале турбогибридной эры, в 2014 году, команды первоначально разместили компрессор в передней части блока двигателя, а турбонаддув - в задней. Некоторые производители выбрали компактный коллектор и короткие первичные патрубки, с более длинной вторичной трубой, идущей от коллектора к турбонаддуву. Однако оптимальная конструкция с точки зрения компоновки должна была иметь длинные первичные трубы, что, следовательно, не только уменьшало размер боковых панелей, но и означало, что можно было подчеркнуть "талию" болида в задней части автомобиля, тем самым улучшив аэродинамику. Чтобы более длинные патрубки прилегали максимально плотно к двигателю, они зачастую должны были быть неравнодлинными, но для двигателей с турбонаддувом это не является проблемой.
Ник Генри, инженерный директор SST Technology, которая производит выхлопы для команд F1:
В начале турбоэры команды выбирали вариант с равной длиной труб, идущих к коллектору. Но привычные преимущества систем с равной длиной не работают с турбонагнетателями, потому что турбонагнетатель помогает вытягивать выхлопные газы, а не полагаться на поршни, чтобы выталкивать выхлопные газы, как это устроено в атмосферных двигателях. Таким образом, аэродинамические преимущества более плотной компоновки выхлопной системы перевешивают преимущества равной первичной длины коллекторных труб для нынешних гибридных силовых агрегатов.
На тему проектировки выхлопной системы очень здорово высказался Джоди Эггинтон, технический директор Alpha Tauri:
«Спроектировать и воплотить в жизнь проект компактной выхлопной системы - это сложный процесс, требующий учета многих факторов. Когда вы строите машину, вы обязаны сразу учесть место, где будет расположен турбокомпрессор, а оно, в свою очередь, определяется силовым агрегатом, поэтому на этом этапе обсуждается вся архитектура двигателя. Далее, существует S-образный изгиб, который идет от турбины к выхлопной трубе, и вам нужно убедиться, что геометрия этого узла не мешает получать всю мощность от двигателя, в этом и есть часть работы технического директора. Вы не добьётесь совершенной геометрии, потому что совершенная геометрия прямая, а это невозможно. Затем вам необходимо продумать диаметр выхлопной трубы, который должен быть в рамках того, что допускает регламент, но при этом просчитать как выходящий поток газов взаимодействует со стойками крепления заднего антикрыла. Опять же, вы хотите получить хороший четкий прямой путь выхлопных газов, но ребята из отдела аэродинамики хотят минимальную ширину крышки двигателя, поэтому вы не можете просто перемещать поток газов в сторону поперечных рычагов подвески, потому что аэродинамика - наше всё, поэтому вы пытаетесь найти лучшее расположение для выхлопной трубы и место, где лучше сего расположить трубки вестгейтов»
И продолжаю тему компоновки и распределения потоков Эддингтон добавил:
«Это смесь дизайна подвески, размещения, компоновки и производительности силового агрегата, но в целом аэродинамика стоит над всем этим. Если бы у вас была прямая выхлопная труба, которая хороша с точки зрения производительности силового агрегата, то у вас возникла бы нелепая дыра в задней части крышки двигателя, а распределение воздушных потоков вокруг стоек заднего антикрыла было бы ужасно, вы бы точно так не сделали. Так что тужно оценивать совокупность факторов, всё дело в глобальной производительности автомобиля»
Компактность, без сомнения, является самым сложным элементом современного дизайна выхлопной системы в F1. Вот мнение Роба Тейлора, главного дизайнера команды Haas:
«Одна из главных проблем заключается том, как компактно расположить первичные коллекторные трубы и сформировать их дальнейшее крепление к турбине со стороны двигателя и рядом с передней частью коробки передач. Затем нам необходимо решить, как получить поток холодного воздуха от радиаторов, чтобы он проходил снизу вверх. У нас есть много радиаторов, и мы постоянно пытаемся найти необычные места, где мы могли бы их разместить. Иногда мы спрашиваем себя: "почему я кладу то, что должно охлаждаться, рядом с тем, что невероятно сильно нагревается?- потому что это единственное место, которое у тебя есть. Один из наших главных радиаторов примыкает к выхлопной трубе – зачем вам это делать? Потому что выбора нет»
Аэродинамика
Компактная выхлопная система позволяет болиду обрести узкую талию и более гладкий обтекаемый кузов, но помимо этого команды также используют энергию выхлопных газов для улучшения аэродинамических характеристик. Самым известным примером этого были выдувные диффузоры 2010 года, которые впервые были продемонстрированы на Red Bull Racing RB6. Затем в 2012 году правила изменились, и команды отреагировали на это, разработав выхлопные системы, использующие эффект Коанда.
Команды также экспериментировали с миниатюрными задними крыльями или, как их называли, "monkey seat", обезьяньими сиденьями, которые расположены сзади выхлопной трубы и направляют поток выхлопных газов к нижней стороне заднего крыла. Это имеет два основных преимущества: Во-первых, за счет увеличения скорости потока в этой области давление уменьшается, что приводит к большему перепаду давления между верхней (высокое давление) и нижней (низкое давление) поверхностями заднего антикрыла, тем самым увеличивая прижимную силу. Во-вторых, поток высокой энергии с меньшей вероятностью разделится, поэтому прохождение его под задним антикрылом позволяет командам использовать более изогнутое крыло.
Несколько лет назад на машинах были различные крылышки, появляющиеся рядом с выхлопной трубой, но со временем FIA ввела ограничения на использование потока выхлопных газов и стали контролировать положение дроссельной заслонки, поэтому в настоящий момент это почти не используется. В прошлом речь шла о создании большего каскада между диффузором, промежуточным крылом и главным антикрылом, чтобы заставить их действовать вместе. Чем лучше вы могли бы это реализовать, тем менее подвержены были крылья к турбулентному воздуху, и тем больше была их эффективность. Если вы посмотрите на размер этого маленького крыла и на креплениях, на которых оно находятся, то поймёте, что оно не производит большой прижимной силы само по себе, но оно оказывало большое влияние на более крупные элементы, потому что это означало, что вы могли бы добавить больший угол атаки основного заднего крыла.
Когда правила стали регламентировать положение выхлопной трубы и этого обезьяньего сиденья, команды начали направлять выхлопную трубу в сторону заднего антикрыла на максимально допустимый угол в пять градусов, как это предусмотрено правилами. Это можно увидеть на Renault RS18 с 2018 года, где теплозащитное покрытие также было нанесено на нижнюю сторону заднего крыла, чтобы защитить углеродное волокно от тепла выходящего потока газов.
В конечном счёте, выхлопная труба торчит сзади машин, а это значит, что она сама влияет на аэродинамику автомобиля и генерирует свои воздушные потоки, поэтому команды постоянно пытаются найти способы уменьшит её влияние на распределение потоков воздуха, выходящий из задней части болида или из области задних шин. Если находится способ превратить завихрения от выхлопа в полезные потоки, команды обязательно им пользуются, но то количество пользы и генерации прижимной силы с помощью выхлопа, которое было раньше, уже, скорее всего, недостижимо, т.к регулярный пересмотр FIA регламента сильно ограничил команды в этой области.
На этом всё. Оригинальный материал доступен по ссылке: https://www.racecar-engineering.com/tech-explained/how-f1-exhausts-work/
Перевёл, адаптировал и дополнил для вас я :)
Подписывайтесь на канал, ставьте лайки, пишите комментарии!