Удивительные моторы F1. BRM V16 1949 г.

Доброго времени суток, дорогие Драйвовчане!

Пока нечем поделиться относительно хода проекта, хотел бы рассказать куда более занимательный рассказ на в какой-то степени отвлечённую, но в то же время близкую по сути тему — об одном из удивительных моторов мира Формулы 1. Моторе необычном, амбициозном и практически самодельным (т.к. ни один из автопроизводителей к его созданию прямого отношения не имел). Согласитесь, есть какая-то аналогия с проектом полноприводной восьмёрки, в смысле идеи, а не грандиозности задуманного. Речь сегодня пойдёт о британском моторе BRM V16, увидевшем свет в далёком 1949-ом году.

Команда "British Racing Motors", известная как BRM, являлась британской командой Формулы 1. Основал компанию в 1945-м году Раймонд Мэйс (Raymond Mays), известный британский гонщик, кроме того имеющий опыт постройки некоторых спортивных автомобилей под маркой ERA перед Второй Мировой Войной. После войны Раймонд Мэйс вместе с Питером Бертоном (Peter Berthon) использует весь свой гоночный опыт, контакты и разработки, чтобы построить полностью британский автомобиль для Формулы 1. Более ста английских компаний поддержали этот проект уже в 1946-м году, но, несмотря на это, бюджет предприятия был довольно скромен и команда Питера Бертона из четырёх проектировщиков и трёх чертёжников вынуждена была работать над сложным проектом в пустом сарае прямо позади дома семьи Мэйса. Среди них были и люди, которые работали с Раймондом ещё до войны над автомобилями ERA, например, Гарри Манди (Harry Mundy) и Эрик Ричтер (Eric Richter).

В то время в Формуле 1 действовали ограничения рабочего объёма двигателя, равные 4.5 литрам для атмосферных двигателей и 1.5 литрам для двигателей с наддувом. Наддувные двигатели, несмотря на втрое меньший рабочий объём, уже тогда показывали свой потенциал британцы вполне логично выбрали именно это направление, однако на этом привычные конструктивные решения и закончились. Полуторалитровыми моторами с большим количеством цилиндров в тогдашней Формуле удивить было сложно — непобедимая Alfa Romeo с 8-цилиндровым мотором, молодая и амбициозная Ferrari c 12-цилиндровым двигателем. Но инженеры инженеры BRM переплюнули всех в погоне за числом цилиндров, сделав силовой установкой автомобиля 1.5-литровый 16-цилиндровый двигатель V-образного типа (два ряда по 8 цилиндров). Кроме того, он был оснащён приводным компрессором центробежного типа, совершенно необычным для тогдашних автомобилей — предпочтение традиционно отдавалось компрессорам типа "рутс".

Автомобиль проектировался без спешки, но гораздо большей проблемой были задержки в поставке необходимых деталей. По этой причине первый автомобиль BRM Mk.1 в кузове P15 с двигателем V16 был готов только в декабре 1949-го года. Однако серьёзные конструктивные просчёты и отсутствие времени на длительные тесты и доводку автомобиля отрицательно отразились на результатах выступлений этого автомобиля в 1950-ом году. В частности, на своём дебюте в Сильверстоуне в августе 1950-го автомобиль не смог проехать и метра из-за поломки карданного вала на старте. В дальнейшем были обнаружены и другие серьёзные недостатки болида — он часто перегревался и это было причиной сходов. Лишь на гонках с короткими дистанциями (12-30 км), в дождь и ветер он без особых проблем оказывался на подиуме. Была и другая проблема — главная изюминка автомобиля, сверхмощный двигатель, который мы подробнее рассмотрим ниже, стал причиной снижения управляемости и динамики автомобиля из частой пробуксовки ведущих колёс, даже на прямых участках трассы. В наши дни Вы, наверное, сказали бы, что этому автомобилю прямая дорога в чемпионат D1 GP, но тогда дрифта ещё не было. Болид Mk.1 был очень быстр на длинных прямых, развивая скорость до 300 км/ч при полной массе порядка 966 кг, но на поворотах заметно проигрывал своим менее мощным конкурентам.

Весь 1951-й год BRM потратили на доводку автомобиля, участвуя только в некоторых гонках, не входящих в зачёт Чемпионата Мира Формулы 1. Было улучшено рулевое управление, адаптированны дисковые тормоза, улучшен воздухозабор для двигателя, проделано много другой работы по модернизации автомобиля. Однако именно в этом году организаторы Больших Призов, видя гегемонию Alfa Romeo и идущей вслед за ней Ferrari, которым остальные команды не могут составить хоть какой-то конкуренции и потому теряют интерес к участию в гонках, принимают неожиданное решение — изменяют технические требования на 1952-1953 гг., фактически заменяя автомобили F1 автомобилями класса F2 (2500 куб.см. для атмосферных и 750 куб.см. для наддувных моторов). Alfa Romeo сразу уходит из Больших Призов, не удел остаётся и болид BRM Mk.1, став по сути заложником своего решения сосредоточится в 51-м году на доводке автомобиля, проигнорировав Чемпионат Мира, в котором их так не хватало. Это особенно иронично, учитывая что автомобиль в 1953-м был на пике своих возможностей, среди его пилотов был Хуан Мануэль Фанхио, и на тот момент это был наибыстрейший автомобиль своего класса. В итоге BRM больше ничего не оставалось, как доказывать своё превосходство на местных британских гонках и лишь однажды за пределами Великобритании. Вот такая непростая и курьёзная судьба сложилась у этого автомобиля.

Но мы немного увлеклись историей и отдалились от темы непосредственно двигателя BRM V16. Итак, что же он из себя представлял?

Это был 1.5-литровый V-образный 16-цилиндровый двигатель с наддувом посредством приводного двухступенчатого центробежного компрессора. Блок и картер двигателя были изготовлены из алюминиевого сплава, в цилиндрах с углом развал 135 градусов ставились чугунные "мокрые" гильзы. В картере двигателя на 10 опорных шейках размещался цельный коленвал с радиусом кривошипа всего 24.13 мм (ход поршня 48.26 мм или 1.9 дюйма). В коренных шейках устанавливалось 8 подшипников скольжения с тонкостенным вкладышами и два роликовых подшипника по краям. Позднее они тоже были заменены подшипниками скольжения. Шатунные подшипники были аналогичного типа, что, в общем-то, для коленвалов неразборной конструкции безальтернативно. Тем не менее, даже не смотря на широкое применение алюминиевых сплавов не позволило добиться малой массы двигателя из-за габаритной многоцилиндровой конструкции и большого количества деталей. Весил этот полуторалитровый агрегат в сборе аж целых 183 кг.

С поршнями диаметром 49.53мм (1.95 дюйма) объём одного цилиндра составлял всего 93 кубических сантиметра, а точный общий объём двигателя достигал 1487.76 куб. см. Малый ход поршня обеспечивает приемлемые средние скорости движения поршня при работе двигателя на высоких оборотах, а так же умеренные потери на трение и нагрев в парах трения поршень-цилиндр и кольца-цилиндр. Малый диаметр поршня, и, как следствие, малый размер шатуна и самого поршня, позволяют значительно снизить инерционные нагрузки вращающихся и поступательно движущихся деталей. Ну а большое количество цилиндров обеспечивает более равномерный крутящий момент, снижение вибраций и повышение сбалансированности двигателя. Всё это позволяет значительно поднять рабочие обороты двигателя, в чём инженеры BRM сильно преуспели — двигатели BRM V16 набирали до 12000 об/мин, тогда так итальянские конкуренты — всего 8500-9000 об/мин. Ну и, разумеется, без большого количества цилиндров не получить достаточного рабочего объёма двигателя, когда вместительность одного цилиндра составляет всего 93 "кубика".

Двигатель имеет две ГБЦ, по одной на каждый ряд из восьми цилиндров. Камеры сгорания полусферической формы с двумя клапанами на цилиндр (угол развала клапанов 80 град.). Впускной и выпускной каналы противонаправлены, что позволяет сделать их проходное сечение больше, а так же исключить фактор нагрева впускного канала от расположенного рядом выпускного (обратный пример — ГБЦ 8-клапанных двигателей ВАЗ, на которых впускные и выпускные каналы расположены с одной стороны ГБЦ). Такая же конструкция камеры сгорания и впускных/выпускных каналов многим может быть знакома по двигателям УЗАМ автомобилей "Москвич", скопированных с баварских моторов BMW M10. А вот большая длина ГБЦ (ряд в 8 цилиндров) стала одной из проблем британского мотора — из-за нагрева и больших давлений в камере сгорания ГБЦ деформировало и приподнимало, из-за чего случались частые протечки ОЖ в цилиндры

Размер тарелок клапанов довольно внушительный для цилиндров размером всего 93 куб. см — диаметр тарелки впускного клапана составляет 31.75 мм, а выпускного — 27.69 мм. Это достигнуто за счёт относительной короткоходности двигателя, которая позволяет увеличить площадь поршня, а значит и разместить в камере сгорания клапаны с более широкими тарелками, даже несмотря на двухклапанную конструкцию. Чтобы понять, как это могло влиять на потенциал двигателя рассмотрим один из легендарных моторов турбоэры Формулы 1 — 4-цилиндровый 16-клапанный 1.5-литровый турбомотор BMW M12/13 (развивавший в различные годы от 700 до 1300 л.с.), строившийся, кстати, на базе б/у серийных блоков упомянутых выше BMW M10. У этого двигателя ещё более выраженная относительная короткоходность — если у BRM V16 диаметр цилиндра и ход поршня примерно равны, то у BMW диаметр цилиндра примерно в полтора раза превосходит ход поршня (89.2 мм диаметра на 60 мм хода), т.е. условия для установки больших клапанов более выгодные, к тому же более эффективная 4-клапанная конструкция. Однако! Суммарная площадь впускных клапанов мотора BMW M12/13 составляет 80.53 кв.см., в то время как аналогичный параметр двигателя BRM V16 достигает значения 128.67 кв.см., что на 60% больше. Нетрудно понять, насколько эффективным было наполнение цилиндров на оборотах порядка 10000-12000 об/мин, который для этого мотора были рабочими. Так же для сравнения, площадь впускных клапанов прославленного двухлитрового двигателя Honda K20A составляет 76,96 кв.см., а у серийного мотора ВАЗ 2112 — всего 54,68 кв.см.

Каждый ряд клапанов (ряд впускных и ряд выпускных клапанов на каждом ряду цилиндров) приводится в действие своим собственным распредвалом, которых, как не сложно догадаться, всего 4 штуки (хотя, судя по всему, каждый из них состоял из двух отдельных частей, соединённых в районе шестерни ГРМ). Клапан открывается кулачком через промежуточный рычаг. Необычна конструкция возвратной пружины клапана — она не витая спиральная, как мы привыкли наблюдать, а шпилечного типа. На картинке выше она хорошо видна — внешне напоминает больших размеров английскую булавку. У таких пружин есть определённые преимущества — вес их возвратно движущейся части меньше, их удобнее менять при повреждениях и они меньше подвержены явлениям резонанса, так как частота их собственных колебаний больше, чем у винтовых пружин. Но они довольно габаритны и занимают много места.

Расположение распредвалов соответствует широко распространённой ныне схеме DOHC. Привод распредвалов осуществляется через блок передаточных шестерён от зубчатого колёса по центру коленвала. Привод ГРМ как бы разделяет блок V16 на два V8, совмещённых торцами. Там же, но уже снизу, в довольно габаритном картере двигателя располагается механизм отбора мощности на двухступенчатый компрессор наддува.

Сам компрессор, разработанный для BRM компанией Rolls-Royce, расположен на приводном валу в передней части двигателя ниже линии коленвала. Ось его вращения параллельна оси вращения коленвала. На фото внизу хорошо видна его конструкция.

Передаточный механизм привода компрессора обеспечивал ему скорость вращения, в 3.25 раза превышающую обороты коленвала. Позднее передаточное число увеличили до 4-х. Таким образом, крыльчатка компрессора раскручивалась до значительных 48000-50000 об/мин. Компрессор обладал заметно более высоким КПД, нежели распространённые тогда нагнетатели типа "Roots" и позволял развивать двигателю чудовищную даже по нынешним меркам мощность — до 600 л.с. при 12000 об/мин и давлении наддува около 5.7 бар. Промежуточные охладители наддувочного воздуха, более известные как "интеркулеры", тогда не применялись, поэтому нагнетаемый воздух значительно нагревался. Именно этим был обусловлен выбор центробежных компрессоров и двухступенчатой конструкции, что обеспечивало меньший нагрев нагнетаемой топливовоздушной смеси, нежели одноступенчатые и двухступенчатые "Рутсы". Но даже этого было недостаточно для борьбы с детонацией при высоких давлениях наддува. Конструкторы вынуждены были понижать степень сжатия, которая на BRM V16 составляла 6:1, тогда как у конкурирующих двигателей — порядка 6.5-7.5:1. В качестве топлива применялась смесь бензина и спирта, подаваемая через два 76 мм карбюратора SU. Спирт обладает высокой скрытой теплотой испарения, что способствовало повышению уровня охлаждения деталей впускной системы, поршней, клапанов и камер сгорания поступающей топливо-воздушной смесью. Кроме того, октановое число спирта очень высоко и составляет для метанола внушительные 118 единиц. Но теплотворная способность спирта примерно в два раза ниже, чем у бензина, и он медленнее горит. Поэтому все меры, принимаемые для борьбы с детонацией при больших значениях наддува, вели к снижению КПД двигателя, и, как следствие значительному повышению расхода топлива. Двигатель был очень прожорлив и его аппетит вынуждал оборудовать автомобиль топливными баками большого размера, а на длинных дистанциях чаще заезжать на дозаправку. Но оно того стоило.

Система смазки с "сухим картером", широко распространённая на гоночных двигателях уже в те годы, обеспечивала надёжную смазку двигателя. Система зажигания c одной свечой на каждый цилиндр первоначально основывалась на катушке Lucas, но впоследствии её заменили на 4 магнето Lucas. В этом двигатель BRM мало чем отличался от других двигателей Формулы 1 того времени.

В 1947-ом году британские конструкторы рассчитывали на 300 л.с. мощности. Тогда этого казалось достаточно, чтобы конкурировать с 310-сильной Alfa Romeo 158. Но итальянцы не стояли на месте и в 1951-м мощность моторов Ferrari достигала 315 л.с., а у Alfa Romeo 158 — уже 430 л.с. при 8500 об/мин. Что оставалось находчивым англичанам? Ну конечно, отвечать на вызовы нового времени! Раймонд Мэйс описывал кривую мощности двигателя при давлении наддува 5.7 бара примерно так:

5000 об/мин — 140 Нм — 100 л.с.
6000 об/мин — 205 Нм — 175 л.с.
7000 об/мин — 251 Нм — 250 л.с.
8000 об/мин — 294 Нм — 335 л.с.
9000 об/мин — 322 Нм — 412 л.с.
10000 об/мин — 357 Нм — 525 л.с.
11000 об/мин — 373 Нм — 585 л.с.
12000 об/мин — 351 Нм — 600 л.с.

Согласитесь, этот двигатель сложно назвать приёмистым. Он дикий, необузданный. При 5000 об/мин он мало отличается от современного безнаддувного двигателя объёмом 1.5-1.8 литра, но потом, при повышении оборотов, мощность и крутящий момент начинают расти очень быстро. Это характерная черта любого наддувного двигателя с компрессором центробежного типа, даже с принудительным приводом. При таких размерах компрессор даже на средних оборотах не способен создавать больше избыточное давление. Спустя 30 лет, когда турбокомпрессоры крепко осядут в Формуле 1, такими характеристиками сложно будет кого-то удивить, но на дворе был 1953-й год и это был самый мощный автомобиль Формулы 1 того периода.

Чтобы быть до конца честным, стоит уточнить, что реальная мощность, развиваемая мотором в условиях гонки, была несколько меньше и зачастую составляла от 430 до 550 л.с., что было обусловлено внешними факторами и характером гонки (жаркая погода, тёплый воздух, длинные дистанции и связанный с этим перегрев двигателя и т.д. и т.п.), но и максимальные значения мощности при благоприятных условиях двигатель мог развивать. Так, например, Тони Радд (Tony Rudd) в своей книге указывает на более высокое значение пиковой мощности двигателя BRM V16 — 612 л.с., тогда как в другой литературе того времени можно найти значения максимальной мощности от 550 до 585 л.с. Чтобы узнать правду, достаточно загнать один из оставшихся и действующих болидов на динамометрический стенд.

Характеристики двигателя BRM V16 к 1953-му году:

Двигатель: Переднего продольного расположения, V16 с углом развала 135 град., алюминиевые блок и головки цилиндров, 10 коренных подшипников.
Диаметр и ход поршня: 49.53 х 49.26 мм
Объём: 1487.76 куб. см
Степень сжатия: 6:1
Газораспределение: по 2 верхних распредвала с зубчатым приводом на каждый ряд цилиндров, два клапана на цилиндр
Диаметр впускного клапана: 31.75 мм
Диаметр выпускного клапана: 27.69 мм
Топливная система: два 76мм карбюратора SU, приводной двухступенчатый компрессор Rolls-Royce центробежного типа
Топливо: смесь на основе бензина и спирта
Зажигание: 4 магнето Lucas, 1 свеча на цилиндр
Масса двигателя: 183 кг
Мощность: до 600 л.с. при 12000 об/мин и давлении наддува 5.7 бара

Спасибо всем, кто дочитал до конца!