Спортивный двигатель
В основе работы любого двигателя внутреннего сгорания лежат хорошо известные законы физики, химии, механики, и – никаких чудес, волшебства, мистики. Современный автомобильный двигатель – действительно, чудо инженерной мысли, техники и новейших технологий. Тем более, если это двигатель спортивно-гоночного автомобиля. Немного теории. Основное требование к спортивному двигателю – развивать высокую мощность. При этом двигатель должен быть легким и компактным. Экономичность, экологичность, долговечность, низкий уровень шума и некоторые другие параметры – уходят на второй план. Так за счет чего спортивный двигатель достигает высокой мощности? Ответ простой – за счет высоких оборотов. Есть общеизвестная формула: мощность пропорциональна квадрату скорости поделенному на два. Объясню проще: увеличиваем обороты в два раза – мощность возрастает в два раза; увеличиваем обороты в 3 раза – мощность растет в 4,5 раза; повышаем обороты в 4 раза – мощность увеличивается в 8 раз и т. д.; квадратичная зависимость. Обычный автомобильный двигатель максимально раскручивается до 5 – 7 тысяч оборотов в минуту. Двигатель спортивно – гоночного автомобиля выдает требуемую мощность при 8 -10 тысяч оборотов в минуту. На болидах Фоммулы-1 двигатель «выкручивают» до 12500 оборотов в минуту. Но есть еще одна менее известная формула: износ двигателя пропорционален скорости (оборотам) в квадрате – аналогично мощности, квадратичная зависимость. Простой пример: тихоходные дизеля изнашиваются очень медленно, имеют относительно невысокую мощность, но огромный моторесурс. Совершеннейшего бензинового двигателя спорткара Формулы-1 хватает только на одну гонку (2 -3 часа), и то многие болиды не доезжают до финиша – «перекручивают» или ресурса не хватает.
Итак, мы пришли к простому выводу: чтобы увеличить мощность двигателя, надо повысить обороты. Но так ли просто это сделать? Двигатели современных гражданских автомобилей имеют немалую мощность, могут кратковременно раскручиваться до 6 – 7 тысяч об/мин. И при этом они очень надежны, долговечны и экономичны. Но раскрутить двигатель более 7000 оборотов в минуту не так то просто. Еще немного теории: обороты бензинового двигателя внутреннего сгорания регулируются «по воздуху» (дизеля – по топливу). Алгоритм работы двигателя таков, что он постоянно стремится набрать обороты до максимума, стараясь поглотить как можно больше воздуха. Но дроссельная заслонка ограничивает доступ воздуха и сдерживает, т. е. контролирует скорость вращения двигателя. Конструктивно диаметр воздушного канала дроссельного узла рассчитан так, чтобы при полностью открытой дроссельной заслонке («газ в пол») обороты не поднялись выше допустимо для данного двигателя максимума. Но чтобы раскрутить двигатель (спортивно – гоночный) более 7 -8 тыс. оборотов в минуту, уже не достаточно просто увеличивать диаметр воздушного канала, давая возможность «засосать» больше воздуха. В настоящих спортивных двигателях для повышения оборотов применяется целый комплекс сложных технических решений. При этом спортивный двигатель должен еще о очень быстро набирать обороты. Напомню, что в ДВС сгорает не бензин, а топливо – воздушная смесь, основные компоненты которой – кислород воздуха и углеводороды, т.е. пары бензина. Не буду подробно расписывать все четыре такта работы 4-х тактного бензинового двигателя (бывают еще и 2-х тактные). Остановлюсь подробнее на такте впуска. Именно на этом такте через открывшиеся впускные клапана цилиндр наполняется свежей топливо-воздушной смесью, всасываемой из впускного коллектора. Но на высоких оборотах время открытии впускных клапанов очень мало и в цилиндр может не успеть поступить достаточная порция смеси под атмосферным давлением. Кстати, двигатели без турбонаддува называют еще «атмосферниками». Вот тут то и нужен турбонаддув, который дает возможность быстрее и полнее зарядить цилиндр на такте впуска нужной порцией свежей топливо-воздушной смеси. Турбиной оснащены многие гражданские и спортивно – гоночные автомобили, как бензиновые, так и дизельные. Это сказки и домыслы, что двигатели с турбиной «жрут» больше топлива. Турбонаддув позволяет повысить мощность и приемистость без увеличения габаритов (объема) двигателя, с одновременным улучшением его экологичности и экономичности. Но турбонаддув, наряду с явными «плюсами», имеет и существенные «минусы». Турбина – дополнительный усложняющий элемент. Устроена турбина так: в одном корпусе на общем валу насажены две крыльчатки. Выхлопные газы двигателя подаются через выпуской коллектор на первую крыльчатку и раскручивают вал до очень высоких оборотов. А находящаяся перед впускным коллектором вторая крыльчатка гонит атмосферный воздух и создает избыточное давление, необходимое для более полного и интенсивного наполнения цилиндров. В обычных двигателях компактная турбинка создает давление наддува 1,3 – 1,5 атм. В спортивных двигателях нужно еще большее (над атмосферным) давление для быстрой раскрутки о достижения гораздо более высоких оборотов. У болидов Формуля-1 турбина, величиной не меньше двигателя, создает давление наддува до 3,5 атмосфер. Как было сказано выше, турбина – сложный элемент. Скорость ее вращения 12 -20 тысяч оборотов в минуту. Вал турбины вращается в подшипниках скольжения, которые необходимо смазывать и интенсивно охлаждать. «Турбинки» современных гражданских автомобилей сумели «довести до ума» и они стали достаточно надежными и долговечными. Турбины гоночных автомобилей гораздо более сложные, со множеством дополнительных устройств, например: интеркуллер, буст-контроль и др. В автоспорте эти усложнения необходимы о оправданы: ВСЕ ДЛЯ ГОНКИ – ВСЕ ДЛЯ ПОБЕДЫ. Однако во многих автогоночных дивизионах разрешены только «атмосферники». Так в российских шоссейно-кольцевых гонках, класс Лада, согласно регламента РАФ, принимают участие отечественные автомобили с ВАЗовским 16-клапаннымдвигателем, объемом не более 1,6 литра. Далее, кроме турбонаддува, спортивные двигатели имеют еще очень много конструктивных особенностей.
Для улучшения наполнения цилиндров толиво-воздушной смесью специально доработан механизм газораспределения: клапана имеют больший подъем за счет изменения профиля кулачков распредвала. Также увеличена жесткость клапанных пружин, используются специальные втулки и уплотнения. Вспоминаю хитрость советских автогонщиков: на клапанные втулки ВАЗовских двигателей для гонок маслосъемные колпачки вообще не ставились для улучшения смазки стержней клапанов.
На спортивных двигателях существенно доработана система зажигания: более мощная катушка должна успевать накапливать и отдавать энергию для стабильного искрообразования на очень высоких оборотах. Свечи зажигания используются «особо холодные», желательно «иридиевые» или «платиновые». Установка угла опережения зажигания и фаз газораспределения – секрет механиков автогоночной команды. Система выпуска тоже особенная, т. к. не должна создавать препятствия выходу выхлопных газов. На входе ставится воздушный фильтр «нулевого сопротивления». На гражданских автомобилях вышеуказанные фильтры использовать не желательно, так как они не обеспечивают необходимую при повседневной эксплуатации степень очистки воздуха.
Отдельные детали спортивного двигателя, раскручивающегося до 12000 оборотов в минуту должны иметь необходимый, повышенный запас прочности. Из специальных материалов по особой технологии изготавливаются спортивные коленвалы, маховики, поршни, шатуны, шкивы, шестерни и другие детали. Настройка программы электронного блока управления двигателем спортивного автомобиля – процедура уникальная. У нас в стране секретами настройки спортивных ЭБУ владеют всего несколько человек. Чтобы качественно выполнить такую настройку нужно специальное оборудование, ПО, время, терпение и $.
Выше я рассказал только об основных особенностях спортивных двигателей. Более подробно и конкретно об этих и других особенностях «спортивного двигателестроения» могу рассказать в дальнейшем, если вам, уважаемые автолюбители, это будет интересно.