Формула-1 / FIA Formula One World Championship

Двигатель Cosworth CR-3L, который ставился на болиды ф1 командой Mинарди в 2004 году.
Днища поршней отполированы до зеркального блеска. Отполированные детали имеют меньшую площадь поверхности (не геометрическую, а на микроскопическом уровне.) Раскаленные газы при сгорании, меньше нагреют поршень и больше энергии перейдет в полезную работу.

Впускные клапана имеют Т образную форму а выпускные тюльпанообразную. Впускные клапана имеют больший диаметр, поэтому их делают максимально облегченными или пустотелыми.

Дроссельная заслонка сделана так, что в полностью открытом состоянии образует цилиндрическое отверстие без каких либо помех, полностью пропуская весь воздушный поток.

Распредвал сделан пустотелым, причем диаметр его довольно большой, зато толщина стенки не превышает 2 мм.

Впуск двигателя отличается от общепринятого многодроссельного. Мало того, что вместо дросселя здесь применяется золотниковое устройство для открытия воздушного потока, так еще и на каждый впускной клапан сделана своя впускная труба с отдельным золотником.

Форсунок также по две на цилиндр. Впрыск осуществляется в додроссельное пространство, в отличии от обычных авто в которых форсунка стоит после дросселя.

Двигатель имеет очень большие рабочие обороты. До 18500 об/мин в номинальном режиме. Основную роль в успешной работе на столь высоких оборотах, играет малый ход поршня. Во всех подобных ДВС он не более 40-42 мм

Рабочий объем 3.0 литра
Схема цилиндров V 10
Развал блока цилиндров 72 гр
Мощность 840 лс
Максимальные обороты 18500 об/мин
Масса 97 кг

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.

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 иметь 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.

На самом деле поршни ф-1 не являются самыми совершенными изделиями своего рода, используемые в ДВС. Связано это с запретами на использование других материалов в конструкции поршневой группы. 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 ф-1 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 ф-1 не все команды ее используют, достаточно просто качественной (гладкой) обработки поверхности.

Самые высокие обороты двигателей допущенных к участию в ф-1 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.

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 практически не остается. К примеру, при ходе поршня 40 мм и степени сжатия 13:1 зазор в верхней точке 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 алюминиево-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 в процессе производства.

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.

1999 Ferrari F399, 3 литровый, атмосферный V10, мощность 790 лс. при 16300 об/мин

Honda F1 RA806E V8

Свечи зажигания отличаются от обычных, в том числе они отличаются и от свечей зажигания спортивных и даже гоночных автомобилей.

Из-за особенностей конструкции камера сгорания получается настолько компактной, что для выступа под боковой электрод просто не остается места и применяется свеча без бокового электрода.

Свечи болида формулы один практически не выступают в камеру сгорания, благодаря компактному строению. Разряд электрического тока происходит между центральным электродом и внутренней поверхностью корпуса свечи. Так как нет конкретного места разряда и пробой тока может происходить в любую из сторон вокруг электрода, отпадает проблема изменения рабочего зазора свечи при эксплуатации, так как если в какой-то точке происходит выгорание части металла, искра автоматически будет пробиваться, по наименьшему пути, двух сближенных точек электродов.

Черные ящики иначе именуемые "регистраторами аварийных данных" в болиды F1 стали устанавливать с 1997 года.

Сбор данных берется с двух акселерометров, измеряющих величину замедления болида, а также с уже имеющихся датчиков положения дроссельной заслонки, рулевого управления, скорости итд. Данные постоянно анализируются и если значение ускорений при сильной аварии превысят 18G система ADR запускает медицинское предупреждение. Загорается светодиод в верхней части кокпита, который сигнализирует маршалам о состоянии перенесенной пилотом перегрузки, если полот без сознания.

Два акселерометра используются для измерений разных величин ускорений. Один меряет до 250G в очень короткий промежуток времени, другой до 50G учитывая более длительное замедление. Оба прибора имеют трех-осевое строение, позволяя измерять ускорение во всех плоскостях. Данные с датчиков поступают на рекордер, который записывает и анализирует все данные состояния болида.

Как и в авиационных черных ящиках, данные можно полностью проанализировать после полного разрушения болида, понять причины поломки, узнать места первоначального контакта и сделать соответствующие выводы о безопасности и эффективности систем пассивной защиты либо любых других узлов болида. В общем ADR помогает усовершенствовать болид в дальнейшем, и в целом развивать системы безопасности и мониторинга аварий.

Количество применяемых композитных материалов постоянно растет и если бы не ограничения технического регламента, то они наверное практически вытеснили бы все остальные материалы. Примером могут служить, разработанные для ф1, но пока в ней не применяемые, элементы крепежа, наполовину состоящие из металла и углепластика. Одна из британских компаний разработала шпильки крепления головок блока цилиндров, которые вы видите на фото, после чего эта технология была объявлена недопустимой для конструирования двигателей формулы один.

Хоть изобретение пока и не используется в ф1 но может использоваться в других гоночных сериях, если команды смогут себе позволить такие технологии.

Конструкция крепежного элемента довольно проста, резьбовая часть по прежнему выполнена из металла, а стержень изготовлен из высокопрочного карбонового состава.

Мотор генератор, установленный на валу двигателя, при торможении болида ф1 переключается в режим генератора и накапливает электроэнергию в литий ионной аккумуляторной батарее. При необходимости прибавки мощности, пилот нажимает кнопку BOOST на руле и электроэнергия подается на мотор генератор, переключаемый в режим электро-двигателя мощностью 80 лс, которая прибавляется соответственно к основному (ДВС) Батареи сильно грелись и требовали дополнительного охлаждения. В связи с этим вместо аккумуляторной батареи, некоторые команды применяли супер-конденсаторы лишенные этого недостатка.

Механическая система рекуперации энергии KERS Flybrid состояла из блока накопления энергии KERS, основанного на раскрутке маховика массой 5 кг до высоких оборотов (64500 об/мин)
Энергия торможения через многоступенчатый редуктор уходила на раскрутку маховика в вакууме через быстродействующий вариатор Torotrak CVT.

Тороидальный вариатор Torotrak CVT обеспечивает передачу потока мощности от силовой установки на маховик и обратно, с минимальными потерями энергии. Всего за 50 миллисекунд он способен изменить передаточное отношение с 6:1 до 1:1

Стальной, либо карбоновый маховик, массой 5 кг, диаметром 240 мм, раскрученный до 64500 об/мин, развивал необходимые 400 кДж, что в пересчете на мощность, составляло 80 лс с длительностью 6.75 секунд на каждом круге гонки. Вся система имела вес в 24 кг и занимала объем 13 литров.

В стальную поверхность деталей интегрирован магнитный неодимовый порошок и более крупные упорядоченные постоянные магниты, скрепленные прочнейшей эпоксидной смолой. Вращение маховика вызывает разнонаправленное вращение внешнего ротора муфты, соединенного с тороидальным вариатором Torotrak с передаточным числом от 10:1 до 1:1. Для достижения максимальной эффективности бесконтактного зацепления стенку корпуса маховика пришлось сделать чрезвычайно тонкой — зазор между двумя вращающимися элементами муфты составляет всего 2 мм. По заявлению разработчиков, КПД магнитной передачи необычайно высок — 99,9%.

Существовало несколько разновидностей электромеханических систем KERS, но всех их объединял принцип накопления энергии не в аккумуляторных батареях, а в раскрутке небольшого маховика до огромных оборотов. Чем выше обороты раскрутки маховика, тем меньше по габаритам и массе может быть маховик при запасе одной и той-же энергии. Зачастую главным ограничением здесь служит, прочность самого маховика, который может разорвать.

С 2011 года в конструкцию рычагов подвески должны быть внедрены специальные тросы, удерживающие колесо от путешествия по треку, в случае жесткой аварии. Каждое колесо должно страховаться двумя тросами, так как при прежних правилах, вступивших в силу с 1998 г. с одним страховочным тросом, отрыв колес все таки случался.

Расположение тросов не регламентировано, главное чтоб они прочно соединяли монокок или трансмиссию с корпусами ступичных подшипников колес. Тросы располагают либо внутри рычага либо снаружи, снабжая его в этом варианте специальным обтекателем. По регламенту они должны выдерживать 5500 кг нагрузки каждый.

Тросы изготовляют из сверхпрочного материала под названием Zylon. Этот полимер обладает невероятными прочностными свойствами. Он в два раза крепче кевлара, начинает разлагаться при температуре превышающей 780°С. Боится ультрафиолетовых лучей, поэтому должен быть защищен от их воздействия. Помимо этого, он обладает еще одним интересным свойством: при понижении температуры, он не сужается как все материалы, а наоборот расширяется, причем процесс расширения продолжается вплоть до температуры жидкого гелия -260 °С

Нити Zylon сплетают в пучки до приобретения ими необходимой прочности на разрыв свыше 5500 кг. При этом создают петли для болтового крепления их к болиду F1. Так как материал волокнистый, это не сложно сделать. Тросы обматывают материалом защищающим их от ультрафиолета, после чего они готовы к установке на подвеску формулы 1.

Сцепление формулы один имеет многодисковую конструкцию, благодаря которой можно значительно увеличить площадь поверхностей трения и при этом сохранить малые размеры и малый диаметр сцепления в сборе.

Существуют диски двух типов.

Одни диски являются рабочими и жестко соединены с коленчатым валом по внутреннему диаметру, через стальную втулку на шлицах. Другие соединены с внешней обоймой сцепления по внешнему диаметру и жестко связаны с первичным валом коробки переключения передач.

И те и другие диски могут свободно перемещаться вдоль оси, но жестко связаны против радиальных перемещений. Нажимная пружина сжимает пакет из дисков создавая тем самым трение, необходимое для соединения коленвала и КПП.

Если пружину ослабить, диски разойдутся и валы смогут свободно вращаться без жесткой сцепки.

Рабочих дисков сцепления в пакете всегда на один меньше чем ведомых. Если используется 4 дисковое сцепление, то это говорит о том что оно имеет 5 ведомых и 4 рабочих дисков сцепления. Так как рабочие диски зажаты с двух сторон, получается 8 поверхностей трения. Давление нажимной пружины распределяется равномерно на все поверхности, сколько бы их не было. И если нужно сцепление с большим передаваемым моментом, можно поставить больше дисков без увеличения жесткости нажимной пружины.

Диски изготовлены из углеродных или углеродно-керамических материалов, наподобие тех, что используются в производстве тормозных дисков.

Немного цифр.

Один рабочий диск диаметром 97 мм способен передавать крутящий момент до 225 н/м

Рабочая температура поверхностей может достигать 900 градусов Цельсия.