Гоночный дизель?

Гоночный дизель?

Нет, разумеется не для Формулы 1 [Хотя в «формульных» анналах навсегда записан pole, который в 1952 году завоевал в Grand Prix США (Индианаполис) американец Fred Agabashian за рулем трекового болида Kurtis Kraft. С 6,57-литровым дизелем Cummins JSX (см. «С воспламенением от сжатия», «Турбо», 2001, №11); с тех пор такие моторы в автогонках не отличались.]. Однако разговоры о том, что через год-два на 24-часовые гонки в Le Mans выйдут прототипы с дизельными двигателями, продолжаются. Ну и зачем, спрашивается?

Из экономии, естественно, – по топливу. То есть, по числу pit-стопов; ведь в ходе суточного марафона болидам приходится дозаправляться каждые 12-13 кругов. Победитель обычно проходит около 370 кругов (по 13,65 км) – так что за 24 часа 30 дозаправок! А с прошлого года технический регламент ACO (Automobile Club d’Ouest) особо оговаривает дизели с наддувом – рабочим объемом до 5,5 л. Надо сказать, «формула Le Mans» удивительно разумна: она допускает практически любые двигатели самого разного литража. В том числе и роторно-поршневые. С наддувом или без, но с одним ключевым условием: на впуске ставится шайба-рестриктор с калиброванным отверстием. Тем самым количество воздуха, которое получает мотор в секунду, ограничено сверху. А значит, и горючего в единицу времени (в стехиометрической смеси) удается сжечь не больше, чем… Практически установлен потолок для мощности – независимо от того, 4-литровый двигатель или 5-литровый, с наддувом или бескомпрессорный. Так что лучшие из них развивают до 450 кВт/612 л.с. – при умеренных оборотах, а выше трудно.

Прикиньте: экономичный дизель позволит дозаправляться, скажем, через 15 кругов трассы de la Sarte, то есть, болид сделает на 5 pit-стопов меньше, чем с бензиновым двигателем. Потери времени на каждой дозаправке – не меньше 35 сек. (торможение, стоянка, разгон); всего за сутки 175 сек. Около 3 минут; убедительное превосходство.

Конструкторы давным-давно видели заманчивую возможность. Так, еще в 1950 году на старт в Le Mans вышли аж две французские модели с дизелями: Delettrez Diesel и MAP. Обе DNF (не финишировали); а теперь сразу несколько команд готовят к 24-часовым гонкам болиды, оснащенные двигателями с воспламенением от сжатия. Среди них, говорят, Peugeot… А скажем, английская Judd, которая поставляет V-образные гоночные «десятки» для ряда команд [Например, 5-литровые 40-клапанники для Pescarolo C60, один из которых финишировал нынче 2-м], уже обнародовала 10-цилиндровый 4,6-литровый дизель, разработанный совместно с британской же Ricardo Engineering. С bi-турбонаддувом мотор развивает за 600 л.с. при невероятных для дизеля 6000 мин-1! Крутящий момент достигает 850 Нм при 4-5 тыс. оборотов.

Ведь двигатели с воспламенением от сжатия ограничены по частоте вращения вала – в силу своей природы. Дело тут, во-первых, в слишком высокой степени сжатия. Из-за нее объем камеры сгорания настолько мал, что под клапанами невозможно предусмотреть углубления – для открытия впускных до в.м.т. и закрытия выпускных после. То есть, не получается расширять фазы впуска-выпуска, отчего и оборотность невелика. Редко какой из серийных дизелей развивал максимальную мощность при 5000 мин-1 (или выше); потолок.

Во-вторых, в особенностях смесеобразования. Ведь у дизелей топливовоздушная смесь образуется не в ходе впуска-сжатия, а в те последние миллисекунды, когда горючее впрыскивается форсункой – перед самой в.м.т. Оно просто не успевает испариться – даже в раскаленном сжатом воздухе; вместо того чтобы сгореть, капельки дизтоплива мгновенно подвергаются пиролизу и закоксовываются; образуется сажа. Отсюда неизбежное дымление двигателей с воспламенением от сжатия, – даже когда мы не замечаем.

И если обороты повысить, скажем, от обычных 4 тыс. до 8 тыс., то время смесеобразования – и без того крайне малое – сократится еще вдвое. Поразительно поэтому, что гоночный турбодизель Judd развивает максимальную мощность якобы при 6000 мин-1; неслыханно. Однако не все так безнадежно; «во-первых» относится только к дизелям с клапанным газораспределением. А почему не вспомнить хорошо забытое старое: 2-тактные конструкции со щелевым распределением – безо всяких клапанов? Так, еще в 30-е годы немецкие заводы Junkers выпускали авиационные 2-тактные дизели – Jumo 205/207, а к началу II мировой войны там разработали и вовсе экзотический 24-цилиндровый 48-поршневой Jumo 223. Так сказать, счетверенный 207–й – по сторонам квадрата; соответственно 4 коленвала.

Гоночный дизель
Знаменитый Jumo 205/207: 2 коленвала связаны шестеренной передачей. Транспортные самолеты с 2-тактными дизелями летали еще до II мировой войны

«Юнкерсы» работали со встречно-движущимися поршнями (ВДП): в каждом цилиндре 2 поршня идут навстречу друг другу. Один управляет продувкой цилиндра, другой – выпуском. Между поршнями камера сгорания – одна на двоих. По углу поворота вала поршни смещены один относительно другого так, что продувочный отстает от выпускного на 12–15°. Выпуск начинается – и заканчивается – раньше, чем продувка; несимметричные фазы. И продувка – так называемая прямоточная (продольная) – самая эффективная; куда там возвратно-петлевой в простеньких мотоциклетных 2–тактах.

Отсутствие клапанов (с их приводом, коромыслами, пружинами и пр.) само по себе благо. А для быстроходного дизеля жизненно важно, поскольку фазы газораспределения не ограничены здесь из-за высокой степени сжатия. Так что 29-литровый Jumo 223 развивал 2200 л.с. при 4400 оборотов! В 1944-м; говорят, после войны уникальный двигатель оказался в нашей стране, где с ним экспериментировали советские конструкторы авиамоторов. Однако тут как раз подошли газотурбинные двигатели, и работы с 24-цилиндровым монстром свернули.

А сегодня вполне реален 2-тактный дизель со встречно-движущимися поршнями, скажем, на 5500 мин-1. Например, по схеме 3- и 4-цилиндровых двигателей Commer [В конструкции Commer сняты затруднения с синхронизацией 2-коленчатых валов, присущие схеме Jumo. Их приходилось связывать между собой шестеренной передачей – дорогой, сложной и склонной к вибрациям. А тут один-единственный коленвал; правда, появились вспомогательные коромысла и вторичные шатуны… Между прочим, моторы Commer отличались редкой безотказностью], которые британская Rootes выпускала для коммерческих автомобилей с середины 50-х. Надо сказать, именно такая конструкция позволит по полной реализовать те преимущества, которые ожидаются от дизеля на гоночной трассе. Ведь 2-тактный дизель с ВДП особенно экономичен – по ряду причин. Прежде всего благодаря камере сгорания, общей для 2-х поршней. У нормального д.в.с. – что 4-, что 2-тактного, – верхний торец цилиндров, так сказать, свободен: поверхность, через которую полезное тепло уходит в систему охлаждения. А у цилиндров 2-такта с ВДП свободного торца нет, поэтому камеры сгорания такого дизеля вообще обходятся без охлаждаемой поверхности! Поршни сближаются в в.м.т. до миллиметрового зазора, и воздух практически весь сжимается в полости, образованной в их днищах.

Гоночный дизель
Автомобильный 2–такт Commer от британской Rootes. Изумительно изящная конструкция:

Гоночный дизель
a) сжатие;

Гоночный дизель
b) воспламенение

Гоночный дизель
c) рабочий ход;

Гоночный дизель
d) продувка

Гоночный дизель

Потери тепла минимальны, экономичность наивысшая [Лет 20-25 назад в воздухе носилась идея так называемого «адиабатического» двигателя. Суть в том, что 4-тактный дизель работает без системы охлаждения; горячая поверхность камеры сгорания отбирает меньше тепла от рабочих газов, к.п.д. заметно выше. Однако детали, работающие без охлаждения (клапаны, днища поршней) подвергались колоссальной термической нагрузке, и их приходилось выполнять из керамики. Идея заглохла, а 2-тактный дизель с ВДП дает примерно то же, но без заморочек с клапанами (их вообще нет) и пр. Поверхность камеры сгорания не нужно охлаждать просто потому, что охлаждаемые поверхности отсутствуют. Порой гениальное так просто]. Кроме того, нет механических потерь на привод клапанного ГРМ; тоже плюс. Наконец, кривошипно-шатунный механизм с промежуточными коромыслами заметно уменьшает потери трения в паре поршень-цилиндр [Коромысла не оборачиваются на 360° (как обычный кривошип), а только покачиваются, поэтому наклон шатунов невелик. Соответственно, боковые силы, прижимающие поршень к зеркалу цилиндра, на порядок меньше, чем у нормального мотора. А на пару поршень (с кольцами)/цилиндр приходятся 50% всех потерь трения в двигателе; считайте] (см. «Долгий путь к себе», «Турбо», 2002, №№1-3); в общем к.п.д. такого мотора чрезвычайно высок. Вот только кривошипно-шатунный механизм сложноват: для 5-цилиндрового двигателя 10 коромысел + 10 вторичных шатунов… А конструктивная простота ценна не только сама по себе; уменьшение количества деталей кривошипно-шатунного механизма означает не только сокращение потерь трения, но и надежность [Обратите внимание, что мотор с ВДП обходится даже без прокладки стыка между блоком и головкой цилиндров. Цельные гильзы цилиндров (спецчугун) заливаются в (легкосплавный) блок двигателя – вот и все. А прогорание термически нагруженной прокладки – обычная неприятность и для гоночных, и для гражданских двигателей], переоценить значение которой в гоночном марафоне трудно. Однако есть совершенно радикальное решение, которое упрощает механизм до смешного: аксиально-поршневая схема (см. «Долгий путь к себе», «Турбо», 2002, №9).

Гоночный дизель
Аксиально-поршневая схема для 2-тактного дизеля: еще компактней, еще проще, еще эффективнее

Цилиндры располагаются вдоль оси вала по окружности – как патроны в барабане револьвера. Такие двигатели и называют иногда «револьверными» (barrel); на концах вала установлены 2 «косые» (наклонные) шайбы, на которые действуют шатуны поршней. Шайбы не вращаются (проворачиванию препятствует особое устройство), а только волнообразно покачиваются на Z-образной шейке вала. Нутация, как говорят физики. Продольный вал органично соединяет 2 шайбы и синхронизирует поршни; ни одной лишней детали. Мало того, только центральный вал совершает полные обороты на 360°; у него две Z-образные шейки и 4 коренных подшипника. Все, а остальные шарниры (шатунные) – неполнооборотные; потери трения сводятся к наименьшему уровню, какой только мыслим для поршневого двигателя с кривошипно-шатунным механизмом. Исключительная экономичность и надежность – как раз то, что нужно для победы в Le Mans.

Замечательно, однако трудности со смесеобразованием у 2-тактного дизеля те же, что и у 4-тактного. Тут на помощь приходят современные системы подачи горючего common-rail III поколения (Bosch и др.) с цифровым электронным управлением, обеспечивающие многоразовый впрыск тяжелого топлива под давлением 1600 бар. Насос-форсунки (VW) с пьезоэлектрическими клапанами и давлением впрыска за 2000 бар, – и все такое. Во всяком случае, 4-тактный гоночный дизель Judd-Ricardo развивает максимальную мощность при 6 тыс. оборотов, так что 5500 мин-1 для 2-такта заведомо достижимы.

Гоночный дизель
Гоночный 4-тактный турбодизель Judd-Ricardo. Цельноалюминиевая 40-клапанная конструкция весит лишь 180 кг – при мощности за 600 л.с.

Прикиньте: 5 цилиндров, 10 поршней. При диаметре цилиндров и ходе поршней, скажем, 78,8 х 82 мм рабочий объем двигателя – 4 л. С приводным (центробежным) нагнетателем [Он необходим для продувки цилиндров при пуске двигателя, когда турбоагрегаты еще не включились. С набором оборотов приводной нагнетатель отходит на второй план] и парой турбоагрегатов его крутящий момент доводится где-то до 875 Нм при 3-4 тыс. оборотов [У 2-такта двойная частота рабочих ходов, поэтому и крутящий момент у него в идеале удваивается по сравнению с 4-тактным двигателем равного рабочего объема. По ряду причин удвоение не получается; положим, 4-литровый 4-такт выдает примерно 535 Нм. Как видите, ничего особенного.
И еще раз о крутящем моменте двигателя и его мощности. Нередко говорят, что дело не в мощности, а в моменте; расхожее недоразумение. Допустим, продаете вы картошку и приговариваете, что главное – взять хорошую цену. Ладно, пару-тройку ведер удалось сбыть по 80 руб., но и все – не берут. А по 45 руб. разойдется влет; тут-то и выясняется, что главное все-таки не цена за ведро, а общая выручка. И продать вы хотите несколько десятков ведер, а не 2-3 – даже по высокой цене.
Так и с мощностью: вы настаиваете на крутящем моменте? Нет ничего проще: понижающий редуктор увеличит момент хоть в 3 раза, хоть в 30. Вопрос подбора зубчатых пар. Правда, и обороты на выходе редуктор понизит соответственно – в 3 (в 30) раз; золотое правило механики. Нет, оказывается, вы хотите высокий крутящий момент без потери оборотов вала; иными словами, вам нужна именно мощность (а уж редуктор даст требуемый момент). Простое правило:
Ne = a х M х n, где Ne – мощность в л.с., M – крутящий момент в кгм, n – обороты вала в мин-1, коэффициент пропорциональности a = 1/716,2; в кВт и Нм пересчитайте самостоятельно.
То есть, если двигатель (неважно – д.в.с., паровой или электрический) развивает 612 л.с./450 кВт при 5500 мин-1, значит, он выдает (при тех же оборотах) 79,7 кгм/781,6 Нм крутящего момента. Арифметика. Наибольший крутящий момент не меньше того, какой мотор развивает при максимальной мощности. И поскольку у нашего дизеля крутящий момент достигает 875 Нм (при оборотах ниже 5,5 тыс.), то все сходится]
. Тогда вполне реальна максимальная мощность (с рестриктором!) в 450 кВт/612 л.с. при 5500 мин-1 – на уровне лучших бензиновых турбомоторов ACO с рестриктором же. Вроде дело за малым.

И все же дьявол (как говорят англичане) кроется в деталях. В техническом регламенте ACO есть скромная оговорка насчет дизелей: они не должны оставлять после себя заметного на глаз дымного следа. Пустяк, а… Уже известно, что кое-кто испытывает спортпрототип на шасси Lola с «дозаряженной» турбодизельной «десяткой» от VW. Пятилитровый мотор выдает (с рестриктором) за 500 л.с., и болид показывает на гоночной трассе совсем неплохое время. Но! Чтобы исключить сильное дымление (а пиролиз горючего и сажеобразование характерны как раз для работы дизеля с резко переменной нагрузкой – условия гонки) конструкторы применили в системе выпуска мощные сажевые фильтры. И что же? Год назад спортпрототип вывели на знаменитую трассу Silverstone, Великобритания, где проводится один из заездов международной серии LMES. Десяток кругов – и двигатель стал терять мощность; фильтры быстро забиваются сажей. Гоночные условия ярко высвечивают истинный характер дизеля, не так бросающийся в глаза в повседневной эксплуатации. Так что, с одной стороны – с другой стороны.

Гоночный дизель
Спортпрототип с 5-литровым турбодизелем на гоночной трассе

О дымлении разговор отдельный. И кстати, кто сказал, что 2-тактный (аксиально-поршневой) дизель с ВДП предназначен исключительно для гонок? А для катеров, для легкомоторной авиации? Представьте дальность перелета 4-местного аэроплана с 2-я турбодизелями; сказка. И безотказность… Для автомобилей – легковых, коммерческих и автобусов. Да мало ли.

Тот же, кто построит такой дизель и решит задачу дымления под высокой переменной нагрузкой, выиграет 24-часовые гонки в Le Mans – в абсолютном зачете, безо всяких скидок на особенности конструкции и сорт горючего. Может, вы?