Поршни двигателей болидов F1

  За все время существования гонок формулы один, конфигураций поршневой группы хоть и было бесчисленное количество, объединяло их все время одно свойство - малый ход и большой диаметр поршня, не считая конечно способности выдерживать огромные тепловые и ударные нагрузки.

  Даже начиная с самых первых болидов 1950 - х годов ход поршня, для примера: болида Ferrari 125 F1 имел диаметр 55 мм и ход 52 мм. 1.5 литровый атмосферный V12 с максимальной мощностью 220-280 лс (в зависимости от модификации) достигавшейся на очень высоких по тем временам оборотах 7500 об/мин.

Турбопоршни 80-х годов

  1983 г. двигатель Ferrari 126C2B имел конфигурацию поршневой группы 81х48,4 мм. Имея максимальные обороты до 11500 об/мин ход поршня уже тогда был небольшим 48.5 мм

  Так как правилами рабочий объем всегда был жестко лимитирован, чтоб значительно поднять мощность приходилось все время повышать оборотистость мотора. Самым лучшим способом повышения оборотов, является уменьшение хода поршня, что при ограниченном объеме и числе цилиндров, приведет к увеличению диаметра поршня. Двигатель с малым ходом поршня не может имень огромный крутящий момент, но зато он может быть реализован на очень высоких оборотах, что приведет к значительному увеличению максимальной мощности.

  Соответственное увеличение диаметра поршня позволяет поставить огромные клапана, чтоб обеспечить наполнение цилиндров топливовоздушной смесью.

  Возьмем для примера двигатель с 1.5 литровым объемом, который имеет максимальную мощность 100 лс на 6000 об/мин, что будет соответствовать примерно 120 н/м крутящего. Если тот же крутящий момент сдвинуть далеко вверх по оборотам, к примеру до 18000 об/мин то двигатель будет обладать втрое большей максимальной мощностью в 300 лошадей. Кто-то скажет что мощность не важна, а более важен крутящий момент! В принципе правильно, но момент должен быть на колесах !!! После понижении оборотов в КПП и главной паре момент на них будет также в 3 раза больше.

  После такого маленького отступления вернемся собственно к поршням.

Тепловые потери и методы борьбы с ними в формуле один.

 На самом деле поршни формулы один не являются самыми совершенными изделиями своего рода, используемые в ДВС. Связано это с запретами на использование других материалов в конструкции поршневой двигателя формулы один кроме металлов. Так например использование покрытий керамическими материалами днища поршня, позволило бы увеличить КПД двигателя и вытекающие из этого повышение мощности, при том же расходе топлива. Суть покрытий заключается в создании теплового барьера между раскаленными газами и днищем поршня, чем меньше тепла уйдет на нагрев поршня тем больше оно преобразуется в полезную работу, а при высоком давлении тепло довольно быстро переходит к стенкам всех поверхностей в камере сгорания. В формуле один единственным методом повышения теплового КПД остается полировка либо шлифовка поршня и камеры сгорания. Полировка позволяет уменьшить площадь поверхности (на микро уровне) Соответственно чем меньшая поверхность контактирует с раскаленными газами, тем меньше тепла перейдет на бесполезный нагрев двигателя. Полировка очень трудоемкий процесс и даже в формуле один не все команды ее используют, достаточно просто качественной (гладкой) обработки поверхности.

Подробнее о тепловых потерях и тепловом КПД: Тепловые потери в двигателях

Большие возможности поршней формулы один

  Так как диаметр поршня относительно хода большой, появляется возможность поставить большие клапана и сделать впускные, выпускные каналы большого сечения. Объем цилиндра получается небольшим. Наполнение при такой компоновке не уменьшается, даже на очень больших оборотах работы двигателя. Пропускная способность клапанов и каналов в несколько раз больше, в сравнении с обычным ДВС того-же объема. (более 3 раз)

  Самые высокие обороты двигателей допущенных к участию в формуле один были реализованы в 2000-х годах. Ferrari F2005 имела силовой агрегат долговременно работающий на оборотах 19.100 об/мин с мощностью 920 лс. Это был 3.0 литровый атмосферный V10 с диаметром цилиндра и ходом поршня 96х41.4мм соответственно. При этом обороты были ограничены правилами, но сам двигатель мог работать на 22.000+ об/мин, при которых имел гораздо больше мощности.

Нагрузки действующие на поршень формулы один

Инерционные ограничения поршневой.

  С повышением оборотов двигателя, необходимых для получения высоких показателей мощности от атмосферного мотора, очень сильно повышаются инерционные нагрузки на все детали совершающие возвратно поступательные движения. К таким деталям относится поршень, поршневой палец и шатун. Уменьшить инерцию можно уменьшением хода поршня и уменьшением возвратно - поступательно движущихся масс. Сильно уменьшить массу поршня в F1 не получается ввиду относительно большого диаметра и в то же время огромной мощности, но вот ход поршня здесь как раз не велик.

Примеры: Характеристики поршней

  Масса поршневой одного цилиндра в сборе современных болидов формулы один 2000-2013 около 600 грамм. Сюда входит масса поршня с кольцами, поршневого пальца, и шатуна. Поршень Honda F1 RA806E V8 весит: 2003г - 251гр; 2004г - 210гр; 2005г - 230гр. Ускорение поршней при совершении возвратно поступательного движения около 9000G на 19000 об/мин. Максимальная нагрузка на шейку коленвала около 6000 килограмм на максимальных оборотах и мощности. Среднее эффективное давление на днище поршня при максимальном крутящем моменте 15 бар - что при площади 98 миллиметрового поршня в 75 см2 дает среднюю нагрузку в 1125 кгс, это позволяет снимать с одного поршня около 100 лошадиных сил на высоких оборотах. В итоге получается, что инерционные нагрузки превосходят нагрузки горения топлива более чем в 6 раз! Правда справедливости ради стоит заметить, что максимальные (пиковые) давления в камере сгорания доходят до 100 бар (7.5 тонн на днище поршня), но они очень кратковременны, а инерционные с разной долей действуют практически постоянно и скорей кратковременно их отсутствие.

Конструкция поршней ДВС F1

  Поршень является практически отпечатком камеры сгорания, так как из-за большого диаметра, малого хода поршня и высокой степени сжатия, места под собственно настоящую камеру сгорания, в компоновке цилиндра двигателей формулы один практически не остается. К примеру, при ходе поршня 40 мм и степени сжатия 13:1 недоход поршня составит всего 3 мм, если считать по всей поверхности. В то время как в обычных гражданских моторах только, одна прокладка блока цилиндров может иметь 2 мм-ю толщину.

  Алюминий является основным материалом используемым в производстве высокотехнологичных поршней F1. Наиболее подходящим сплавом является ялюминиево-беррилиевый состав. Алюминиевые поршни с добавлением беррилия обладают на 30% меньшим весом и более высоким показателем теплопроводности. Такие детали применяла команда McLaren в сезоне 1998 года однако FIA очень быстро запретила использование беррилия из - за высокой вредности металла.

Материалы разрешенные к использованию описаны в правиле технического регламента под номером 5.17.1. По сути разрешено использование следующих сплавов: Al-Si; Al-Cu; Al-Mg или Al-Zn (хотя другие пункты правил позволяют добавление небольших количеств других элементов к основному сплаву.

Серии разрешенных сплавов для поршней F1

2000 серия: Алюминий, легированный медью
4000 серия: Алюминий, легированный кремний
5000 серия: Алюминий, легированный магнием
7000: Алюминий, легированный цинком

Как ни странно но один из самых распространенных сплавов для поршней F1 разработан еще в 30-х годах. Носит но аббревиатуру 2618 и разрабатывался первоначально для авиационного двигателя Rolls Royce. Высокая твердость и устойчивость к высоким температурам, а также стойкость усталостному разрушению сделало его столь популярным в аэрокосмической индустрии и F1.



  Некоторые моторы имеют сверхтонкие поршневые кольца. При довольно скудной информации в этом вопросе, все же известно, что бывают компрессионные кольца с толщиной всего 0.5 миллиметра. Малая толщина позволяет уменьшить трение кольца о цилиндр и при этом усилить удельное прижимное усилие. Чем больше удельное давление кольца на стенки цилиндра, тем меньшее количество газов попадет в картер двигателя и соответственно больше совершиться полезной работы. Чтоб сделать кольца более упругими при столь малой толщине, приходиться сильно заглублять их в поршне и делать более широкими.

Поршевая эволюция в формуле 1

  1967 Ferrari 312 F1 один из 12 поршней 3 литрового двигателя. Мощность 360 лс при 10000 об/мин



  Это поршень от 3-литрового оппозитного ДВС V12 Ferrari 1971 года. Первоначальная мощность 365 лс на 10000 об/мин. В дальнейшем на этой базе были созданы модификации с мощностью до 510 лс при более чем 12000 об/мин.



  1981 Ferrari 126ck турбо. Тип двигателя 021 120° развал блока V6. 1.5 литра степень сж. 6.7:1, впрыск топлива, мощность 580 лс при 11500 об/мин. 4 кл. на цил. 2 KKK турбины.

Диам. цил./ход поршня 81х48,4 мм.   Еще один представитель легендарной турбо эры восьмидесятых: 1982 Formula 1 Ford Cosworth FW08 DFV









  Яркий представитель атмосферной эры. Двигатель Феррари с 5 клапанами на цилиндр! 1993 года ferrari F1 F 93A. 3.5 литра V12 700 лс.



  1999 Ferrari F399 3 литровый V10 атмо. мощность 790 лс. при 16300 об/мин Диаметр/ход 96х41.4 мм



  Более подробно читайте на странице: Honda F1 RA806E V8 описание и фото в разрезе




  v10 Peugeot F1

Факты и статистические данные двигателя работающего на 18000 об/мин.

Что происходит за одну секунду:

300 оборотов коленчатого вала
150 открытий и закрытий клапанов
360 литров топливовоздушной смеси сгорает
3 литра охлаждающей жидкости, проходит по патрубкам системы охлаждения
1 литр масла проходит по всем каналам ДВС

Максимальные пиковые характеристики поршня F1 на 19000

Сила ускорения 9000 G

Пиковое давление на днище 100 бар
Среднее давление 15 бар
Температура верхней части 350 градусов
Температура нижней части 200 градусов