Чтобы извлечь мощность из двигателя, нужно много воздуха для топливной смеси. Мало кто говорит о том, что мощность можно увеличить, снизив различные ее потери в процессе работы двигателя…
Килограмм топлива способен дать около 43 МДж химической энергии, и, когда мы говорим, что КПД силовой установки машины Формулы-1 составляет чуть больше 50%, мы подразумеваем, что около 21 МДж будет потеряно. Куда и что можно с этим сделать?
Большая часть потерь – это тепловые потери при выхлопе, и лучший способ нивелировать их – установить турбонагнетатель, где за счет этой энергии будет работать компрессор и нагнетать больше воздуха для топливной смеси, увеличивая мощность. К сожалению, эта процедура тоже имеет свои минусы, например, из-за газообмена: наполнение цилиндра топливной смесью и вывода отработавшей смеси из цилиндра. Для выхлопа нужен стабильный воздушный поток, но турбина его как раз дестабилизирует, что создает обратное давление и вызывает потери мощности. И все же прирост больше, поэтому этот механизм используется в современных автомобилях.
Очевидны потери мощности из-за трения, и тут большую роль играют смазочные материалы. Наибольший вклад вносят боковые части и кольца поршня, подшипники коленвала и кулачка, толкатели кулачка, кулачковые приводы и их подшипники, клапаны, скользящие в своих направляющих и т.д. Также вклад вносят насосы и генератор переменного тока.
Масло позволяет снизить трение, но оно тоже вносит свою лепту при расползании и попадании на движущиеся части, например, на поршень, где оно призвано охлаждать его. Многие считают масло лишь лубрикантом, но оно еще и работает как охлаждающая жидкость. Температура масла может достигать 300 градусов, так что оно должно быть устойчиво к таким температурам. Не менее важно правильно спроектировать путь масла от движущихся частей, как и путь к ним. Чтобы охлаждать само масло, нужны большие радиаторы, что создает лобовое сопротивление и опять потери.
В гоночном двигателе поршни работают под большим давлением, в особенности оно высокое у боковых частей, что приводит к большему трению колец и стенок. Решением может быть легкое смещение коленвала от центра, чтобы в момент наибольшего давления шатун был в более вертикальном положении.
Проектировщикам двигателей необходимо брать во внимание устойчивость материалов, что непросто, когда силовая установка работает при таких высоких температурах (что снижает жесткость материала), а вес ее должен быть минимальным. Ухудшение состояния материалов увеличивает трение, что бывает тяжело предсказать.
Покрытие и отделка поверхности тоже имеют значение. Масло работает по законам гидродинамики, оно должно образовывать тонкую пленку между движущимися частями, но, когда поршень находится в своих крайних положениях, он неподвижен, и эта пленка разрывается. Такие покрытия, как алмазоподобный углерод, были разработаны для гонок. Его используют для поршней, коленвала и клапанных механизмов (где показатели давления очень высокие) гоночных двигателей, но отчасти технология перекочевала и в обычные дорожные машины. Хонингование (обточка) отверстий цилиндров используется, для придания им такого уровня гладкости, чтобы трение было минимальным, но чтобы в то же время масло могло «цепляться» за поверхность. Сейчас используется лазерное хонингование, чтобы создавать микроскопические углубления на поверхности.
Что же можно сделать, чтобы снизить потери? Нужны прочные материалы. Например, легкий коленвал может деформироваться и создать еще больше потерь мощности. Кажется, что коленвал с тремя подшипниками для четырехцилиндровых двигателей будет иметь меньше трения, чем с пятью подшипниками, но из-за повышенного изгиба все может быть с точностью да наоборот. Чтобы увеличить жесткость клапанного механизма, диаметр распредвала должен быть как можно больше, а подшипники должны быть с каждой стороны цилиндра. Дизайн поршня должен быть отточен, так как при ошибке либо трение будет слишком большим, либо будет происходить детонация, что тоже приведет к потерям мощности.
Уплотнители так же должны быть спроектированы так, чтобы выполнять свою функцию и ничего более. Даже создание отрицательного давления в картере для минимизации парусности не проходит бесследно и происходит за счет мощности, которая недоступна напрямую для ускорения машины.
Мощность идет от сгорания топливной смеси, но всегда есть разные потери. Минимизация этих потерь может дать не меньше, чем улучшение сгорания смеси в цилиндрах. Это просто две стороны одной медали.
Это перевод статьи Пэта Симондса из журнала GP Racing UK за декабрь 2023.
Фото: MotorSportImages.com