/
Text
ББК 75.721.5
Б42
УДК 796.71
Рецензент В. А. Иерусалимский
Бекман В. В.
Б42 Гоночные автомобили.-3-е изд., перераб. и доп.—Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1980.— 320 с., ил.
В пер.: 1 р. 50 к.
В книге рассмотрены вопросы улучшения эксплуатационных качеств гоночных автомобилей; дана классификация и описаны условия их эксплуатации; приведен анализ конструкций гоночных автомобильных двигателей, их деталей и механизмов; рассмотрены принципы компоновки гоночных автомобилей, устройство механизмов трансмиссии, ходовых частей, вспомогательного оборудования, кузовов.
По сравнению с предыдущим изданием (1967 г.) книга отражает новейшие тенденции в конструировании гоночных автомобилей, а также те изменения в технических параметрах и устройстве механизмов, которые получили распространение в автомобилестроении в последнее время.
Книга рассчитана на инженеров-конструкторов — автомобилестроителей, а также на широкий круг читателей, интересующихся вопросами устройства и эксплуатации гоночных автомобилей.
ББК 75.721.5
7А7.3
© Издательство «Машиностроение», 1980 г.
Предисловие
Одна из основных задач советской автомобильной промышленности состоит в повышении качества автомобилей всех типов. Технический опыт автомобильного спорта несомненно может способствовать решению этой задачи.
Автомобильный спорт существенно помог улучшению эксплуатационных качеств автомобиля и, в первую очередь, его динамики. На протяжении 95 лет с момента зарождения автомобильной техники было построено и испытано весьма большое количество всевозможных гоночных и спортивных автомобилей. Изготовление гоночных автомобилей тесно связано с основной автомобильной промышленностью и базируется на общетехнических достижениях. При пройзводстве обычных транспортных автомобилей было бы неправильно игнорировать богатый опыт постройки и эксплуатации гоночных автомобилей. Автомобильный спорт должен быть поставлен на службу развития техники, помогать непрерывной работе над усовершенствованием транспортных автомобилей. Гонки нужны как средство для испытания новых конструктивных элементов, компоновочных схем, улучшенных материалов; они стимулируют повышение эксплуатационных качеств автомобилей.
В нашей стране автомобильные гонки до сего времени не были в надлежащей мере использованы как средство экспериментальной работы. Хотя послевоенный период ознаменовался существенными достижениями в области постройки гоночных автомобилей, последние пока имеют довольно ограниченное распространение, к тому же большинство этих автомобилей не изготовлено автомобильными заводами, а создано ремонтными заводами или клубами, не располагающими полноценной производственной базой.
Несмотря на давность существования автомобильного спорта, изучение гоночных автомобилей еще не ведется систематически. В обширной технической литературе по автомобильной технике
1* 3
содержатся в основном разрозненные материалы, касающиеся гоночных автомобилей.
Предлагаемая работа, не претендуя на исчерпывающую полноту, преследует следующие цели.
1. В дополнение к существующим описательным курсам транспортных автомобилей служить пособием для изучения устройства гоночных автомобилей.
2. Сосредоточить и систематизировать технические и статистические данные о гоночных автомобилях, которые могли бы быть положены в основу разработки технического задания на проектирование скоростного автомобиля и использованы в процессе проектирования.
3. Дать очерк развития конструкции гоночного автомобиля и его технических параметров. Таким путем можно логически обосновать современную конструкцию гоночного автомобиля, проследить его эволюцию и высказать некоторые предположения по поводу дальнейшего усовершенствования.
4. Установить различие между тяговыми расчетами гоночного и транспортного автомобилей и выяснить значение этого различия.
5. Исследовать влияние различных конструктивных факторов на максимальную скорость и максимальное ускорение гоночных автомобилей и установить пределы повышения их быстроходности и приемистости.
Вследствие того что в этой книге затрагиваются только специфические свойства гоночных автомобилей, предполагается знакомство читателя с основами теории и устройством автомобилей транспортного типа.
Глава I
ЗНАЧЕНИЕ
АВТОМОБИЛЬНЫХ ГОНОК
ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА
Приносят ли пользу автомобильные гонки? Эта проблема неоднократно обсуждалась на страницах специальных технических журналов и каждый раз вызывала оживленные споры. История развития автомобильной техники дает положительный ответ на этот вопрос. С момента появления первых автомобилей возникла необходимость в разработке методов сравнительной оценки качеств различных конструкций с целью выявления наилучших типов автомобилей и их отдельных агрегатов. На первом этапе развития автомобилизма единственным средством для получения сравнительных данных служили состязания. Они дали обширный материал для изучения основных качеств автомобиля, в особенности его динамики. Несмотря на то что впоследствии были созданы методы экспериментального исследования автомобиля в лабораторных условиях, автомобильные гонки сохранились до наших дней.
Ценность автомобильных гонок как метода ходовых испытаний заключается в том, что здесь почти все механизмы автомобиля работают с максимальным напряжением, обнаруживая слабые места в течение непродолжительного времени. Многие дефекты, требующие для своего выявления нескольких лет нормальной эксплуатации автомобиля, в экстремальных условиях гонок могут быть обнаружены в течение нескольких часов. Под непосредственным влиянием автомобильного спорта в конструкцию автомобиля был внесен целый ряд изменений и усовершенствований.
Гоночный автомобиль почти всегда являлся воплощением прогрессивной технической мысли: он предопределял дальнейший ход изменения конструкции транспортного автомобиля. Сравнивая техническую характеристику современного легкового автомобиля с характеристикой гоночных автомобилей 1930—1932 гг., нетрудно убедиться в их тождественности по целому ряду пунктов. В качестве примеров можно привести частоты вращения, повышен
5
ную степень сжатия и уменьшение массы поступательно-движу-щихся частей двигателя, достигнутые в настоящее время. Все эти усовершенствования в первую очередь отражаются на динамике автомобиля, увеличивают его быстроходность. С точки зрения автомобилиста этого периода (1930—1932 гг.) современные стандартные автомобили обладают качествами гоночной машины. Очевидно, что и в современных гоночных автомобилях мы можем видеть некоторые детали будущих серийных конструкций.
Проблема автомобильного транспорта не решается одним усовершенствованием механизма автомобиля. Для успешной эксплуатации автомобилей необходимо располагать развитой сетью специальных дорог. В связи с этим появились специальные автомобильные дороги — автострады. Автострады отличаются от обычных дорог отсутствием перекрестков, крутых поворотов, подъемов, спусков и встречного движения, т. е. препятствий, снижающих скорость движения автомобилей. В силу этих особенностей на автострадах можно безопасно развивать скорость 140—160 км/ч. Практика эксплуатации транспортных автомобилей на автострадах выявила целый ряд конструктивных недостатков, связанных с работой на высоких скоростях, в частности недолговечность некоторых деталей и неэкономичность автомобилей с кузовами аэродинамически невыгодной формы. Поэтому возникла необходимость в автомобилях, приспособленных к длительной работе при высокой скорости. При разработке быстроходных автомобилей для автострад был использован многолетний опыт, полученный в работе с гоночными автомобилями, находящимися в аналогичных условиях эксплуатации.
Автомобильный спорт должен быть органически связан с автомобильной промышленностью. Только благодаря этой связи проявлялось полезное влияние автомобильных гонок на развитие конструкции автомобиля. Все автомобили, имевшие успех в больших международных гонках, были спроектированы, построены и подготовлены заводами с солидной технической базой и большим опытом или небольшими фирмами, получавшими помощь от крупных предприятий. Постройка гоночных автомобилей, связанная с большой затратой материальных средств, возможна только при наличии хорошо оборудованных производственных цехов, лабораторий, испытательных станций и опытного инженерно-технического персонала специализированных фирм. Проектирование гоночного автомобиля ведется в расчете на перекрытие всех технических показателей других конкурирующих в гонках автомобилей, следовательно, оно должно учитывать все достижения данного этапа развития техники.
Систематическая работа специалистов над быстроходными гоночными автомобилями при правильно налаженной связи между экспериментальной и производственной базами завода находит свое отражение в продукции стандартного производства, повышая ее эксплуатационные качества.
6
Было бы неправильно утверждать, что влияние на технический прогресс является единственным оправданием для организации автомобильных гонок. Каждые хорошо организованные гонки, в которых участвуют технически подготовленные конкуренты, представляют собой увлекательное зрелище. Международные гонки высшего уровня (чемпионат мира) собирают десятки, а иногда и сотни тысяч зрителей. Такие гонки связаны с большими материальными затратами и должны быть тщательно спланированы в финансовом отношении. В зарубежной практике автомобильным заводам хорошо известен рекламный эффект спортивных достижений и его влияние на коммерческие успехи фирмы.
Наряду с профессионально-техническим автомобильным спортом существует любительский спорт, преследующий совершенно иные цели. Во всех странах, где культивируют автомобильный спорт, имеется большое количество местных автомобильных клубов, объединяющих десятки тысяч любителей, поэтому отличительной чертой любительского спорта является массовость. Автомобильные гонки, организуемые местными клубами, привлекают много участников, но с технической точки зрения не представляются столь ценными, как гонки профессионалов, так как автомобили подготовляются в кустарных условиях, силами и средствами отдельных лиц. Достижение успеха в автомобильных состязаниях возможно только на основе изучения техники. Автомобиль представляет собой сложный механизм; следовательно, автомобилисты, желающие добиться хороших спортивных результатов, должны систематически расширять свой технический кругозор.
Таким образом, любительский автомобильный спорт способствует распространению технических знаний в широких слоях населения и подготавливает квалифицированных автомобилистов.
Автомобилисты-любители обычно используют для гонок не гоночные, а спортивные автомобили. Спортивный автомобиль — это тип автомобиля, промежуточный между гоночным и стандартным. Спортивный автомобиль в известной мере объединяет в себе качества гоночных и стандартных автомобилей, а потому может быть использован как для повседневной работы, так и в гонках местного значения. Результаты работы над специальными гоночными автомобилями в первую очередь переходят на спортивные автомобили, а затем уже применяются в стандартных конструкциях. Благодаря этой последовательности конструктивные принципы, заложенные в гоночных автомобилях, прежде чем проникнуть в массовое производство, подвергаются многократной практической проверке. Подобная проверка приобретает особое значение, потому что спортивные автомобили во многих странах насчитываются десятками тысяч и существуют в самых разнообразных конструктивных формах.
Эти соображения показывают различие в значении профессионально-технического и любительского автомобильного спорта.
7
Обе разновидности существуют на равных началах, так как каждая из них выполняет свои полезные функции.
Автомобильный спорт может содействовать техническому развитию автомобиля только при наличии авторитетных организаций, регламентирующих скоростные состязания. Технические правила определяют свойства автомобилей, допускаемых к состязаниям, и направление прогресса техники гоночных автомобилей. В настоящее время органом, регламентирующим международные автомобильные гонки, является Интернациональная автомобильная федерация (Federation Internationale de I’Automobile — FIA) Ч Эта федерация объединяет представителей центральных автомобильных клубов различных стран, в том числе и Советского Союза. Для разработки технического регламента состязаний и обсуждения всех вопросов, связанных с автомобильными гонками, федерация имеет в своем составе Интернациональную спортивную комиссию (Commission Sportive Internationale — CSI). Работа органов, регламентирующих автомобильные гонки, сводится к тому, чтобы приспособить правила состязаний к нуждам промышленности и способствовать развитию определенных типов автомобилей. Местные автомобильные клубы, согласно международному кодексу, обладают некоторой свободой в отношении регламентации местных состязаний и должны приспосабливать свои правила для вовлечения в спорт максимального количества автомобилистов.
1 До 1946 г. — Интернациональная ассоциация признанных автомобильных клубов (Association Internationale des Automobile Clubs Rcconnus — AIACR).
Г лава 11
КРАТКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ ГОНОЧНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
1. Первые автомобильные гонки
Первое время существования автомобилей (1885—1900 гг.) характеризуется исключительным разнообразием принципов их устройства и отсутствием установившихся конструктивных форм. Кроме двигателей внутреннего сгорания, на многих автомобилях пытались применять паровые машины, электродвигатели, работающие от аккумуляторов, и двигатели, приводящиеся в действие сжатым воздухом.
Для выяснения практичности автомобилей и сравнения различных систем французская газета «Ее Petit Journal» по инициативе П. Жиффара в 1894 г. организовала первое автомобильное состязание по маршруту Париж — Руан — Париж. Фабриканты и конструкторы, желая продемонстрировать качество своих машин, охотно приняли предложение газеты и записали па конкурс 102 автомобиля, в том числе 38 бензиновых, 29 паровых, 5 электрических, 5 действующих сжатым воздухом и 25 других систем. Были даже педальные автомобили, приводившиеся в действие пассажирами. Нужно отметить, что первое состязание не было гонкой; по условиям конкурса автомобили должны были «быть безопасными, легко управляемыми и экономичными». Конкуренты должны были выдержать норму средней скорости от 16 до 17 км/ч. Никакое превышение предписанной нормы скорости в расчет не принималось. Перед самым испытанием техническая комиссия нашла нужным снизить норму до 12,5 км/ч. По совокупности качеств первый приз был присужден на равных основаниях бензиновым автомобилям «Панар-Левассор» и «Пежо».
В 1895 г. состоялись гонки по маршруту Париж — Бордо — Париж. Это были первые гонки в полном смысле этого слова, так как оценка результатов производилась только по времени прохождения полной дистанции. Наилучпшй результат из 46 участвующих автомобилей, среди которых было 29 бензиновых, 15 паровых и 2 электрических, показал двухместный бензиновый
9
Рис. I. Автомобиль «Паиар-Левассор>, занявший первое место’в гоике Париж—Бордо—Париж, 1895 г.
Рис. 2. Автомобиль «Панар-Левассор» (4-цилиндровый, 1G л. с.), занявший первое место в гоике Париж—Бордо, 1899 г.
Рис. 3. Гоночный автомобиль «Рено», занявший первое место в гонке Париж—Вена (класс легких автомобилей), 1902 г.
10
автомобиль «Панар-Левассор» (рис. 1), прошедший дистанцию со средней скоростью 24,42 км/ч. Однако по условиям гонок первый приз мог быть присужден только четырехместному автомобилю, поэтому «Панар-Левассор» получил второй приз.
С этого момента количество гонок увеличивается из года в год: первые два года по одной гонке, в следующем году четыре, затем 7, 21, 30. В настоящее время ежегодно проводятся тысячи автомобильных гонок, если учитывать гонки местного значения.
В 1895 г. был учрежден первый автомобильный клуб — Автомобильный клуб Франции, в дальнейшем сокращенно именуемый АКФ (Automobile Club de France — ACF). Этой организации суждено было сыграть видную роль в развитии автомобильного спорта. Благодаря усилиям АКФ, объединившего в своих рядах лучших представителей промышленности, Франция в течение двадцати лет (с 1894 по 1914 г.) оставалась центром автомобильного спорта. Все крупные автомобильные гонки во Франции до последнего времени проводились под наблюдением АКФ. Заслуживает внимания организационный принцип гонок периода 1894— 1903 гг. Целью первых автомобильных гонок являлось доказательство практической применимости автомобиля как транспортного средства. Поэтому представлялось наиболее целесообразным и показательным устраивать гонки на покрытие расстояния между двумя удаленными один от другого населенными пунктами.
Как видно из табл. 1 *, все значительные автомобильные гонки первого периода имели отправным пунктом город Париж. С 1898 г. гонки становятся интернациональными в том смысле, что маршруты их охватывают уже несколько стран. Образцы гоночных автомобилей первого периода показаны на рис. 2—4.
Технический регламент до 1899 г. отличался крайней примитивностью: автомобили делились на классы в зависимости от
1 В данной книге в таблицах применяются условные обозначения: Ф — Франция; Г— Германия (до второй мировой войны); А— Англия; И— Италия; Б— Бельгия; П— Польша; Я— Япония.
Рис. 4. Гоночный автомобиль <Панар-Левассор» (4-цил нндровыП, 70 л. с.), занявший первое место в гонке Париж — Вена, 1902 г.
11
Т аблаца 1. Результаты гонок между городами а 1894—1903 гг.
5 Маршрут гонки Класс (по числу мест или массе) Фирма автомобиля Мощность, л. с. Дистанция, км к G X о SCLT Ф O-v X Оих Фамилия гонщика
1894 Париж— Руан — «Пежо» (Ф) «Пежо» (Ф) «Папар-Левассор» (Ф) 2,5 126 22,0 21,6 20,8 —
1895 Париж— Бордо-Па риж «Панар- Левассор» (Ф) 4 — 24,42 Э, Левассор
1896 Париж— Марсель— Париж — «Паиар-Левассор» (Ф) 6 1720 25,39 25,3 24,0 Майад Меркель Д’Остен г
1897 Париж— Дьепп /Мотоциклы Автомо- били: двухместные четырех-местные шести -местные «Л. Болле» (Ф) (легкий автомобиль) * «Панар-Левассор» (Ф) «Де Дион-Бутон» (Ф) «Делаэ» (Ф) 8 161 38,1 34,78 37,21 27,0 Жамен Ж- Уржиер Д. Куртуа
1897 Париж— Трувилль — «Л. Болле» (Ф) 8 174 45,78 Жамен
1898 Париж— Бордо — «Панар-Левассор» (Ф) 8 578 38,0 Р. де Книфф
1898 Париж— Амстердам— Париж Двух-.местные «Папар- Левассор» (Ф) 12 — 45,42 Ф. Шарроп
1899 Париж— Бордо Свыше 400 кг «Панар-Левассор» (Ф) 16 587 49,4 Ф. Шаррон
1899 Тур де Франс Свыше 400 кг «Панар-Левассор» (Ф) 15 — 51,3 Р. де Книфф
1900 Париж— Тулуза— Париж Свыше 400 кг До 400 кг «Морс» (Ф) «Рено» (Ф) 24 1348 64,7 42,5 Левег Л. Репо
12
Продолжение табл. 1
1 Маршрут ГОНКИ Класс (по числу мест или массе) Фирма автомобиля Мощность, л. с. к X ч о Ле к й к 5 а ° "я Оо л Фамилия гонщика
Париж- -Бордо «Морс» (Ф) 60 90,0 А. Фурнье
1901 650 кг До 650 кг «Панар-Левассор» (Ф) -- 555 68,0 Э. Жиро
Свыше «Морс» (Ф) 60 69,97 А. Фурнье
1901 Париж— 650 кг До 650 кг «Панар- 12 1193 56,0 Э. Жиро
Берли и Левассор» (Ф)
» 400 кг «Рено» (Ф) 7 58,5 Л. Рено
До 1000 кг «Панар- 70 50,5 А. Фарман
1902 Париж— Левассор» (Ф) 1360 51,59 М. Рено
Вена » 650 кг «Рено»(Ф) 16
» 400 кг «Даррак» (Ф) 12 40,5 Гийом
Париж— До 1000 кг «Морс» (Ф) 70 105,0 Ф. Габриель
1903 Мадрид » 650 кг «Рено» (Ф) 30 552 97,0 Л. Рено
(Бордо) » 400 кг «Клеман»(Ф) — 75,0 Массон
• В гонке Париж -Дьепп )897 г. легкие автомобили были отнесены к классу мотоциклоп.
количества пассажирских мест. По этому признаку они обычно распределялись на три класса:
1) моторные двух- и трехколески (мотоциклы и трициклы);
2) двухместные малые автомобили и легкие автомобили;
3) четырех- и многоместные тяжелые автомобили.
Технические данные автомобиля: масса, мощность и размеры двигателя — совершенно не учитывались. Во время гонок участникам предоставлялась полная свобода в отношении ремонта автомобилей; допускалась даже буксировка поврежденных автомобилей на неограниченное расстояние. Только финиш или окончание этапа (если гонки делились на этапы) должны были происходить при работающем собственном двигателе. Между этапами в ночное время применяли так называемый режим закрытого парка (regime du pare ferme). Иными словами, водители и механики не имели права заниматься ремонтом, регулировкой, заправкой и тому подобными работами в промежутках между двумя этапами. До старта на следующее утро парк находился под особой охраной. Для следования через города и населенные пункты в целях безопасности давали «нейтральное» время, не принимавшееся в расчет при вычислении времени прохождения дистан-
13
ции. Нередко гонщики проезжали города, следуя за лидером-велосипедистом. Последний проверял по хронометру время, отведенное для пробега через населенный пункт.
Уже в первое десятилетие существования автомобильных гонок наметился рост мощности и скорости автомобилей, сохранившийся до наших дней. Табл. 1 показывает, что за 10 лет мощность увеличилась в 28 раз, средняя скорость — в 5 раз. Одновременно уменьшилась удельная масса автомобилей (масса, отнесенная к 1 л. с.). «Панар-Левассор», показавший наивысшую скорость в гонках 1895 г., имел массу 250 кг/л. с.; указанная масса снизилась до 166 кг/л. с. в 1896 г., 120 кг/л. с. в 1897 г., 100 кг/л. с. в 1898 г., 65 кг/л. с. в 1899 г., 40 кг/л. с. в 1900 г., 14 кг/л. с. в 1901 г., 10 кг/л. с. в 1903 и до 7 кг/л. с. в 1906 г.
Гонки того времени породили ряд существенных конструктивных усовершенствований автомобилей. В основном эти усовершен -ствования сводятся к следующему.
1. Введение в 1896 г. пневматических шип вместо железных и сплошных резиновых. Трудно переоценить значение этого усовершенствования, без которого немыслимы высокие скорости движения, в особенности на посредственных дорогах. В 1895 г. в гонках впервые участвовал автомобиль «Молния» на пневматических шинах, построенный одним из пионеров шинной промышленности Мишленом. Шины удерживались на ободе двадцатью предохранительными барашками, имели диаметр профиля 65 мм и выдерживали до полного износа пробег 150 км.
2. Введение цепной и карданной передач вместо ременной. Ременная передача исключала применение мощных двигателей.
3. Применение электрического зажигания вместо трубки накаливания.
4. Переход к применению уравновешенных четырехцилиндровых двигателей вместо одно- и двухцилиндровых. Это касается главным образом класса тяжелых автомобилей. Развитие основных параметров двигателей приведено в табл. 2.
5. Удлинение базы автомобиля (расстояния между осями). Первые автомобили имели короткую базу и по внешнему виду напоминали конные экипажи. Автомобиль «Панар-Левассор» 1895 г. (см. табл. 1) имел базу 1,3 м. Средняя величина базы в гонке Париж — Марсель — Париж 1896 г. составляла 1,7 м, в гонке Тур де Франс — 2 м, в гонке Париж — Тулуза — Париж 1900 г. — 2,25 м, в гонке Париж — Берлин 1901 г. — 2,4 м. Таким образом, автомобили постепенно приобретали свойственную им удлиненную форму, необходимую для получения устойчивости при движении с высокой скоростью.
Начиная с 1898 г., управление рукояткой уступает место необратимому рулевому управлению со штурвалом.
Электрические автомобили и автомобили, работающие на сжатом воздухе, оказались непрактичными и ненадежными; по этим причинам от них отказались примерно к 1902—1903 гг. 14
Таблица 2. Техническая характеристика двигате лей гоночных автомобилей первого периода (1894—1903 гг.)
Литровая мощность, л. с./л 00 05 00 CM 05 <О — О О '-О -Т со см 04 СО CM to — СО О СО Ю -т LO 00 iQ
Средняя скорость поршня, м/с Ш ОО LO 1 Ь- I О 1 I г со см со * со ' со 1 1 1 1 ю со
Рабочий объем одного цилиндра» СМ* О со О LO О 1О о с 04 СО 1Л Ь” >О СЧ *4* <£ соь-сою—*ЮСОС* см СМ СМ — — о о о о >о Ю СО тг 1Q СО —< СЧ
£ ж о « - я 5.Ф s ч «о Э*®*й 2 X и о/в* s S ® и Q СП f“ ** X * S 1< | - | ч | | | 1 ~ °1 со ю п <М ч* со
нин/ро *кинаУпв(1л ею хэ в h ООО о о ю о о 1 ° 15 Г- Г- ь. 1 ОО 1 СМ 1800 1200
‘0 1Г 'niooM’moiv ю CO<OlOCMOOOO<OpOlQOC4 —« —• ео 'Т —«b’-COrFCO—‘
«а О К л К 2 ж х 99 ® Е?» О з * о z s ч 1,87 1,33 1,0 1,0 1,0 1,46 1,27 1 1,0 1,09 1,0 1,0 1,12 1,0
Рабочий объем, см3 ооооооооооооо •^СЧООООЮ’^’^ЮОООО смюсососо — ю^ом-ечсосо — —< 1,0 СМ О <О Ю М< со СО СО см
KW *вн -melon Vox OOOOOOOOtn^-CMpp TfOJLOO'sf'OLOC'lb-'T'lLOOO —< —4 —• *“4
ww ‘edtfiiHir -ИН dlONBIltf LQOOOOOQOOQ^-CNOp t'-OLOOTTCO — СМ <D CM LO 00 05 •—< —« »—« •—i •—< »—»
aodtfiiHir -ИН OITOHh <M . ,, _ °p
Фирма автомобиля e e e e AAA A P. Q. g- g- ООО о О Q о О OU о [_4 У — _ СЧ СП СП _СП Си А са со 2? ш П ~ Й ’S. ГЧ S- г: г: — t- 7- о а & t: « ex ex Ei О- о A oJ а 2- 5 5 A 2 cncnScaSUUO^OUcXxr. 1 TOcnoraKQOJcucnOOEt^ ЕЕизС<Й^а.С:>,>,<^
Год ХГ0005050-- CMC 0050505СПООС OOCOOOOOOOOOC —< —< —< Г-н —-< м СМ СМ СЧ со СО 5 0 0 0 0 0 Т> СП 05 СП о О
15
Паровые автомобили постигла та же участь.Последний крупный успех парового автомобиля относится к 1906 г.
Несмотря на уменьшение удельной массы автомобиля, общая масса его неуклонно возрастала вследствие применения более мощных двигателей. Увеличение массы влекло за собой целый ряд неприятных явлений и в первую очередь быстрый износ шин, долговечность которых оставляла желать лучшего. Масса автомобилей в гонке Париж — Берлин 1901 г. уже превышала 1500 кг.
Учитывая эти обстоятельства, АКФ в 1899 г. решил положить в основу классификации максимальную массу автомобилей и ввел две основные категории: 1) автомобили массой до 400 кг; 2) автомобили массой свыше 400 кг.
Эта классификация применялась на практике в гонках Тур де Франс и Париж — Тулуза — Париж. В 1901 г. классификация по массе получила дальнейшее развитие введением третьей категории с целью лучшего уравнивания условий гонки для разнообразных конкурентов: автомобили массой до 400 кг; от 400 до 650 кг и свыше 650 кг.
Новая классификация с успехом была использована в гонках Париж — Бордо и Париж — Берлин, но не задержала сильного увеличения массы в классе мощных автомобилей, где максимум массы не был ограничен. Поэтому в 1902 г. классификация по массе была еще раз пересмотрена и приняла окончательный вид. Регламент 1902 г. следует считать первой технически обоснованной классификацией, имевшей непосредственное влияние на конструкцию автомобиля. Согласно этой классификации, все автомобили, а также и мотоциклыделились иа пять классов по массе (кг):
1) мотоциклеты до 50;
2) мотоциклы 50—250;
3) малые автомобили (voiturette) 250—400;
4) легкие автомобили (voiture legere) 400—650;
5) большие автомобили (grosse voiture) 650 —1000.
Новые правила не задержали роста мощности автомобилей. При изготовлении автомобилей многие заводы, не выходя за пределы нормы массы в 1000 кг, выпустили гоночные автомобили мощностью 40—50 л. с. в 1902 г., 70—80 л. с. в 1903 г., 90 л. с. в 1904 г., 120 л. с. в 1905 г. и 125—130 л. с. в 1906 г. Увеличение мощности было получено за счет снижения литровой массы и увеличения коэффициента полезного действия двигателя. Благодаря правилам гонок заводы научились строить легкие и в то же время мощные автомобили, экономно расходуя материалы и применяя легкие сплавы. Некоторые фирмы ставили на автомобили массой 1000 кг двигатели с рабочим объемом до 18 л.
Чтобы можно было судить о двигателях автомобилей различных классов, укажем, что средний литраж больших автомобилей (650—1000 кг) составлял 11 —14 л, легких (400—650 кг) 7—10 л и малых (до 400 кг) 3,5—5 л. Быстроходность в различных классах можно себе представить, например, по результатам, показан-16
ным в километровых гонках в 1904 г. автомобилями фирмы «Дар-рак». В конце этого года фирме «Даррак» принадлежали все мировые рекорды скорости. На одной из гонок па 1 км большой автомобиль «Даррак» прошел дистанцию с хода за 25,2 с (143 км/ч), легкий — за 29,4 с (122 км/ч), а малый — за 36,2 с (99 км/ч). Средние скорости дорожных гонок также непрерывно увеличиваются, приближаясь к 100 км/ч; в гонке Criterium de Provence (1900 г.) К. Испатци на автомобиле «Болид» прошел последние 37 км со средней скоростью 92 км/ч. Автомобили постепенно приобретают способность выдерживать высокую скорость и на более длинных дистанциях: так, в 1902 г. во время гонок на кубок Гордон-Беннетта Рене де Книфф на автомобиле «Панар-Левассор» покрыл первый этап длиной 400 км со средней скоростью около 90 км/ч.
До 1900 г. специальных гоночных автомобилей почти не существовало. Автомобили, занимавшие первые места на гонках, могли эксплуатироваться в нормальных условиях в силу того, что они мало отличались или совсем не отличались от промышленных образцов. Эти машины представляли собой естественное развитие нормального автомобиля и после победы па гонках изготовлялись серийным порядком для продажи потребителям. Спортивные достижения таких автомобилей гарантировали покупателю надежность действия и умеренную быстроходность. Максимальная скорость не превышала 80—85 км/ч. После 1900 г., когда средняя скорость на гонках перешла за 70 км/ч, конкуренция заставила автомобильные заводы приступить к постройке специальных гоночных автомобилей, так как это было единственным средством для достижения успеха в открытом состязании. При проектировании таких автомобилей уже не принимали во внимание обычные требования, предъявляемые к транспортным автомобилям: бесшумность, экономичность, комфортабельность. Проектирование с самого начала велось с расчетом сохранить в конструкции только то, что дает выигрыш в скорости.
В 1903 г. состоялись гонки Париж — Мадрид, ставшие переломным пунктом в истории автомобильного спорта. В этих гонках принимало участие огромное количество автомобилей с высокими средними скоростями. Старт приняли 137 больших и легких автомобилей, 33 малых автомобиля и 54 мотоцикла — всего 224 машины. Многие фирмы — «Морс», «Де Дитрих», «Панар-Левассор», «Мерседес» — записали на гонки по 12—15 автомобилей. Средняя скорость впервые перешла за 100 км/ч (см. табл. 1). Автомобиль «Рено» получил второй приз, несмотря на то что это был легкий автомобиль. Его средняя скорость составляла почти 100 км/ч. Автомобили тяжелой категории развивали максимальную скорость 125—130 км/ч. Высокие скорости были причиной многих несчастных случаев, в особенности в населенных местностях, расположенных у шоссейной дороги, по которой следовали автомобили. Во время гонок в Париж непрерывно поступали сведения о несчастных случаях, побудившие издать специальное прави
17
тельственное распоряжение об окончании гонок в Бордо. Следственная комиссия, назначенная парламентом для выяснения причин несчастных случаев, пришла к единодушному заключению, что гонки между городами представляют собой опасную форму автомобильных состязаний.
Начиная с 1903 г., все дорожные гонки проводятся по замкнутым маршрутам ограниченной длины, закрытым для постороннего движения. Попытки возродить гонки между городами, сделанные после войны 1914—1918 гг., каждый раз кончались неудачен.
Сторонники гонок по кольцевым маршрутам существовали и до гонок Париж — Мадрид; они выдвигали идею безостановочных гонок на большую дистанцию без промежуточного нейтрального времени. Таким способом автомобили и водителей хотели подвергнуть более жесткому испытанию. Идя навстречу этим пожеланиям, Бельгийский автомобильный клуб организовал в 1902 г. гонки по замкнутому маршруту в Арденнах (Circuit des Ardennes). Серия гонок в Арденнах сразу стала популярной и привлекла много участников. Она как раз и явилась прототипом всех дальнейших гонок по замкнутым маршрутам ограниченной длины с многократным прохождением круга. Особый успех гонки в Арденнах имели в 1906 г., когда первые пять конкурентов дали среднюю скорость выше 100 км/ч.
Гонки на 1 км для выяснения максимальной скорости и установления абсолютного рекорда скорости начались с 1898 г. История абсолютного рекорда дана в гл. X, здесь же рассматривается развитие дорожных гонок, имеющих более существенное значение для автомобильной техники.
В начале столетия начинаются рекордные заезды на большие дистанции; в них достигают больших скоростей, чем в дорожных гонках. В 1905 г. Флетчер на автомобиле «Лоррен-Дитрих» установил рекорд на 100 миль (160 км), пройдя дистанцию со средней скоростью 123,6 км/ч. Автомобиль «Лоррен-Дитрих» принадлежал к классу 1000 кг и имел четырехцилиндровый двигатель (4 X 155 X 170) мощностью 80 л. с. Каждый цилиндр имел четыре автоматических впускных клапана; зажигание осуществлялось от магнето низкого напряжения на отрыв (с прерывателем внутри камеры сгорания). Трансмиссия состояла из четырехступенчатой коробки передач и цепной передачи к задним колесам.
2. Гонки на кубок Гордон-Беннетта
В 1899 г. Дж. Гордон-Беннетт, владелец газеты «New York Herald» пожертвовал кубок в качестве переходящего приза для международной автомобильной гонки. Характер гонки на кубок Гордон-Беннетта определялся следующими правилами:
1) каждый национальный клуб как представитель своей страны записывает не более трех автомобилей; благодаря этому положению гонки приобретают международное значение;
18
Таблица В. Результаты гонок на кубок Гордои>Беннетта в 1900—1905 гг.
Фирма автомобиля
Время
Маршрут или место гонки
1900 «Панар-
Левассор» (Ф)
1901 «Панар-
Левассор (Ф) 1902 «Непир» (А) *
1903
1904
1905
«Мерседес» (Г) «Бразье» (Ф) «Бразье» (Ф)
566
555
590
593
560
549
9 ч 9 мин
8 ч 51 мин 59 с
10 ч 41 мин 58 с
6 ч 39 мин
5 ч 50^мин 8 с
7 ч 2 мин 42 с
61,80
62,50
55,00
89,18
96,18
78,42
20
40
40
60
80
96
9
4
4
12
18
18
Париж— Лион
Париж— Бордо
Париж— Инсбрук Ирландия Таунус Овернь
5
6 4
9 6
8 6
2) масса автомобиля должна быть в пределах 400—1000 кг;
3) все детали автомобиля должны быть изготовлены в той стране, которая выставляет его на гонки;
4) дистанция гонок составляет 550—650 км, причем гонки не делятся на этапы;
5) дистанция может быть открытой (между двумя городами) или замкнутой; в последнем случае длина одного круга не менее 125 км.
Гонки на кубок Гордон-Беннетта состоялись шесть раз (1900— 1905 гг.). Результаты и технические характеристики двигателей некоторых конкурентов приведены в табл. 3 и 4. Первые три года число участников было ограниченным, зато последние три гонки стали центральным событием автомобильного спорта; число участников достигло возможного максимума, потому что были представлены все страны с развитым автомобильным производством.
Для отбора представителей на гонки Гордон-Беннетта в некоторых странах устраивали предварительные состязания. Во Франции до 1904 г. конкуренты на гонки назначались Торговой палатой по ее усмотрению. Такой способ отбора вызывал много нареканий и усиленный ажиотаж, так как многие фабриканты и конструкторы считали себя вполне подготовленными к защите чести французской промышленности на гонках Гордон-Беннетта. Поэтому во Франции в 1904 и 1905 гг. были сначала проведены отборочные состязания. По техническому составу конкурентов они представляли не меньший интерес, чем самые гонки на кубок.
Первый приз в гонках на кубок Гордон-Беннетта в 1904 г. получил автомобиль «Бразье». Он может считаться типичным представителем специальных гоночных автомобилей первого периода 19
Таб.гица 4, Техническая характеристика гоночных автомобильных двигателей (кубок Гордон-Беннетта, 1900—1905 гг.)
Средняя скорость поршня, м/с 4,7 4,2 5,0 1 £ 5,6 6,0 5,6 6,0 6,5 £‘9
Литровая мощность, л. с./л со_ со 6,2 6,5 6,2 6,3 1 8,0 7,8 8,6 7,25 UD об 7,6
Й-Фе к х > a-в- х £ Е Q А И СТ. И со □ ,6 5,85 1 1 1 0‘9 5,3 6,4 1.0* О) LO* 5,5
эстота эащо-ния, 5/мин о о со .000 000 1 1 О о о сч О о СЧ О СЧ О о сч о со О со сч
□* СП О
Мощность, л. с. 50 о О со О О 1 S о со о 011 о о 130
। о Si s л о s сз х л а X I ЧЭ н <и о о. ~ о а « о«£= Е z ь Ч 00 о о сч СО 0,93 16'0 0,88 0,83 <э 0,79
Рабочий объем одного цилиндра, л 3,80 । 1,61 I 2,31 00 оГ 2,76 со СП 2,5 3,2 00 с Г 3,8 2,65 4,25
Литраж двига-' теля, л г'5' 6,45 9,24 11,2 о 'ф ю" О 12,82 11,2 15,2 10,6 17,0
Ход поршня, | мм СО 1 - 127 150 ю г- ю см LO 140 ю О LO .50 .50
RW *BCltfHHIf -ни (Гюисий* 165 127 140 145 152 сч •—ч 150 165 160 180 150 190
sodVHHir -И И О1ГЭИ1д ’Ф 00 м-
1 Фирма автомобиля «Непир» (А) «Непир» (А) «Мерседес» (Г) «Морс» (Ф) «Стар» (А) «Винтон» (США) «Бразье» (Ф) «Мерседес» (Г) «Бразье» (Ф) «Фиат» (И) «Рено» (Ф) «Де Дитрих» (ф)
Год 1901 1902 1903 1903 1903 -.903 । 1904 1904 1905 1905 О 1905
2(1
их существования (1900—1910 гг.); некоторые детали его устройства, приведенные ниже, характеризуют конструктивное направление той эпохи. Двигатель «Бразье» — четырехцилиндровый с боковым односторонним расположением клапанов, мощностью 80 л. с. при 1200 об/мин. Цилиндры отлиты попарно в двух блоках. Диаметр цилиндра 150 мм, ход поршня 140 мм, что соответствует литражу около 10 л. Для ограничения частоты вращения был предусмотрен центробежный регулятор. Зажигание — «на отрыв» от магнето низкого напряжения. Охлаждение — водяное, принудительное; насос приводился в действие фрикционным шкивом от маховика двигателя. Тяга воздуха через радиатор поддерживалась вентилятором. Смазку всех трущихся частей двигателя обеспечивал десятиплунжерный лубрикатор, расположенный на передней доске (где обычно помещали контрольные приборы). Передача к лубрикатору от двигателя осуществлялась карданным валиком.
Специальное декомпрессионное устройство облегчало запуск десятилитрового двигателя от руки (операцию, требующую большой физической силы). Сцепление — прямым конусом. При полном отпускании педали сцепления включалась кулачковая муфта, которая разгружала конус от передачи крутящего момента, во избежание буксования и износа кожаной фрикционной обшивки конуса. Коробка передач, укрепленная на раме отдельно от двигателя, имела три передачи, задний ход и главную коническую передачу с дифференциалом, вращение от которой передавалось задним колесам посредством цепей. Пустотелые трубчатые оси из никелевой стали были подвешены на четырех полуэллипти-ческих рессорах к штампованной раме из балок швеллерного сечения.
На автомобиле «Бразье» впервые были применены фрикционные амортизаторы типа «Трюффо». Тормозная система имела два тормоза, один из которых действовал на дифференциал, второй— на задние колеса. Колеса артиллерийского типа с деревянными спицами вращались на шарикоподшипниках (стандартные автомобили часто имели бронзовые втулки). Размер передних шин 810 X 90 мм, задних — 820 X 120 мм. Бак для топлива объемом 125 л одновре.менно служил сиденьем для гонщика и механика и в соответствии с этим имел особую форму. Масса незаправленного автомобиля составляла 950 кг. Максимальная скорость — 135 км/ч. Расход топлива — 25 л на 100 км пути.
Автомобиль «Бразье» отличался исключительной регулярностью хода и надежностью; эти качества облегчили победу в большей степени, чем максихмальная скорость. Разница во времени прохождения каждого из четырех кругов гонок на кубок Гордон-Беннетта была меньше одной минуты.
На рис. 5 показан вариант автомобиля «Бразье», показавший лучший результат в гонке на кубок Гордон-Беннетта в 1905 г.
К 1900 — 1903 гг. конструкция гоночных автомобилей стабилизировалась и, сохраняя сходство с таковой у нормальных авто-21
Рис. 5. Гоночный автомобиль «Бразье», 1905 г.
мобилей, приняла классические формы, не изменявшиеся в течение десятилетий. Различие существовало только в трансмиссиях в зависимости от того, применялись ли цепи или карданный вал. Широкое распространение получило мнение, что для быстроходных и мощных автомобилей предпочтительно иметь цепную передачу. По утверждению сторонников этой идеи, автомобили с цепной передачей лучше держат дорогу, меньше изнашивают шины и дают возможность легче менять передаточное отношение в главной передаче.1 Несмотря на это, многие фирмы, как, например, «Рено» и «Клеман-Байар», упорно использовали карданную передачу.
3. Большой приз Автомобильного клуба Франции до 1914 г.
Международные гонки на кубок Гордон-Беннетта, правильно организованные в спортивном отношении, не вполне соответствовали интересам промышленности. Страны с развитой автомобильной промышленностью были поставлены в одинаковые условия с малыми странами, выпускавшими ничтожное количество автомобилей (Бельгия, Швейцария). В одной только Франции десятки автомобильных фирм стремились участвовать в международных состязаниях. Учитывая эти обстоятельства, АКФ в 1905 г. отказался от дальнейшего участия в гонках, основанных на равенстве числа представителей от каждой страны, и вернул кубок Гордон-Беннетту. Одновременно АКФ объявил о своем намерении организовать в 1906 г. международную гонку под названием Большой приз АКФ (Grand Prix de 1’ACF) без ограничения числа фирм, представляющих одну страну.
Гонки на Большой приз АКФ как международное соревнование существуют поныне. Это наиболее старое автомобильное
1 Несомненно, что при цепной передаче масса ненодрессоренпых деталей была меньше, чем при карданной; впоследствии массу задних мостов с карданной передачей удалось снизить благодаря более рациональной конструкции. К недостаткам цепной передачи следует отнести неравномерность передачи крутящего момента при меняющемся прогибе рессор.
22
состязание классического типа. Поэтому изложение истории автомобильного спорта периода 1906—1978 гг. построено нами на разборе результатов и регламентаций Большого приза АКФ.
Большой приз АК.Ф всегда привлекал технически сильных конкурентов из разных стран. Автомобили, построенные для Большого приза АКФ, обычно принимали участие и в других крупных автомобильных гонках.
Желая использовать автомобильный спорт как экспериментальную базу для промышленности, АКФ занимался разработкой технических ограничений для машин, допускаемых к гонкам. Совокупность технических ограничений, налагаемых па участников состязаний, принято обозначать термином «гоночная формула». Чаще всего гоночная формула ограничивает рабочий объем двигателя (литраж), массу автомобиля, размеры и тип кузова, иногда — расход топлива. Известны периоды, когда ограничению подвергалась часть перечисленных параметров, в некоторых случаях в расчет принимался только один из них. Чтобы дать время для постройки и подготовки автомобилей, гоночную формулу обычно объявляют за 1,5—2 года до гонок. В течение 60 лет АКФ неоднократно менял содержание гоночной формулы в соответствии с запросами автомобильной промышленности. Гоночная формула сыграла существенную роль в развитии конструкции автомобиля.
Гоночная формула для первого Большого приза АКФ в 1906 г. разрешала максимальную массу незаправленного автомобиля в 1000 кг для машин с зажиганием от бобины и 1007 кг при зажигании ог магнето. Такое, на первый взгляд, странное разграничение по системе зажигания было сделано с целью способствовать распространению второй системы, сулившей целый ряд практических преимуществ. Конечно, 7 кг в пользу магнето не были обоснованы; магнето не может весить па 7 кг больше, чем бобина и батарея.
В 1906 г. впервые были применены съемные ободья (автомобиль «Рено» — рис. 6), имевшие большое значение, потому что многие гонщики меняли шины больше десяти раз и, следовательно, теряли на этом много времени. Гонщик Ф. Сис, получивший первый приз, затрачивал на смену съемного обода около I мин 15 с.
Таблица б. Результаты гонок па Большой приз АКФ в 1909—1914 гг.
5 Фирма автомобиля Полная дистанция, км Время Средняя '^скорость, км/ч Число кругов (длина одного круга, км) Количество участвовавших < > Количество участвовавших фирм Мости гонки
1906 «Рено» (Ф) 1238,16 12 ч 14 мин 7с 101,00 12 (103,18) 32 12 Ле Маи
1907 «Фиат» (И) 769,0 6 ч 46 мин 33 с 113,60 10 (76,9) 38 16 Дьепп
1908 «Мерседес» (Г) 769,0 6 ч 55 мин 43,8 с 111,00 10 (76,9) 43 17 Дьепп
1912 «Пежо» (Ф) 1540,0 13 ч 58 мин 2,6 с 110,26 20 (77) 12 5 Дьепп
1913 «Пежо» (Ф) 916,8 7 ч 53 мин 56 с 116,00 29 (31,62) 20 8 Амьен
1914 «Мерседес» (Г) 752,62 7 ч 8 мин 18,2 с 105,50 20 (37,63) 37 13 Липп
При обычных же колесах считалась быстром смена шины за 10 мин при пяти-шести предохранительных барашках (один через каждые две спицы), затруднявших снятие и надевание резины.
Дистанцию гонок разделили на две равные части по 600 км; на каждую половину отвели день, а в промежутке выдерживали режим закрытого парка. Средние скорости на маршруте с длинными прямыми участками и небольшим числом виражей оказались выше, чем в гонках на кубок Гордон-Беннетта. В первый день П. Бара на автомобиле «Бразье» прошел один круг со средней скоростью 118,3 км/ч, на следующий день лучшее'время показал Ф. Наццаро на автомобиле «Фиат» со средней скоростью 128,6 км/ч (на одном круге).
Результаты гонок на Большой приз за 1906- -1914 гг. и технические характеристики двигателей даны в табл. 5 и 6.
В этот период в интернациональных гонках была введена отличительная окраска гоночных автомобилей: французским автомобилям был присвоен синий цвет, английским — зеленый, германским — белый, итальянским — красный; представители других стран пользовались комбинациями двух цветов. Такая окраска стала традиционной и сохранялась в течение нескольких десятков лет.
В период ограничения максимальной массы автомобилей (1902—1906 гг.) умение строить легкие и мощные автомобили было доведено до высокой степени совершенства.
Широко применялись легированные стали и легкие сплавы, практиковалось высверливание многочисленных отверстий для облегчения, придававших рамам н другим деталям кружевной вид. В то же время было отмечено, что размер и мощность двига-24
телей часто находятся в диспропорции с прочностью ходовых частей, от которых зависит безопасность при езде с высокой скоростью. Максимальная скорость лучших образцов автомобилей массой 1000 кг достигала 150 км/ч.
Считая технические возможности автомобилей дайной массы исчерпанными, АКФ в 1907 г. ввел гоночную формулу, основанную на ограничении расхода топлива. Идея такой формулы сводится к выдаче одинакового запаса энергии, заключенной в топливе, всем конкурентам. ВерхЧдерЖивает тот, кто за наиболее короткий промежуток времени сумеет превратить в полезную работу возможно большую часть предоставленного ему запаса энергии, иными словами, получит лучший к. п. д. при максимальной скорости движения. До сих пор многие технические авторитеты рассматривают такой способ регламентации автомобильных гонок как единственно правильный. В качестве нормы расхода топлива назначили 30 л па 100 км. Такая норма позволила сохранить большие 12—15-литровые двигатели, хотя некоторые фирмы сочли необходимым уменьшить литраж, опасаясь застрять в пути из-за недостатка топлива. Победитель «Фиат» после гонки сохранил остаток Ил бензина, второй, «Рено»,—30 л, третий, «Бразье», — 38 л. Сопоставляя эти цифры с литражом двигателей (см. табл. 6), можно заключить, что конструкторы Рено и Бразье недооценили экономичность своих машин.
В гоночной формуле 1908 г. отразилась тенденция к увеличению длннноходности двигателей (увеличение отношения S/D). Требования формулы сводятся к ограничению диаметра цилиндров при полной свободе выбора хода поршня. Для четырехцилиндровых двигателей Dmax — 155 мм, для шестицилиндровых — 127,6 мм и для восьмицилиндровых — 110 мм. Эти значения дают одинаковую общую площадь поршней. Во избежание неоправданной экономии массы автомобиля была установлена минимальная масса — 1100 кг (незаправленный автомобиль). В выборе отношения хода к диаметру конструкторы проявили осторожность: у большинства двигателей S/D немного больше единицы, в отличие от прошлых лет, когда S/D было меньше единицы для получения малой массы двигателя.
К этому времени относится начало применения на гоночных двигателях верхних клапанов в сочетании с полусферическими камерами сгорания («Бенц», «Клеман-Байар»), Тогда же широко вводится в практику зажигание от магнето высокого напряжения на свечи. Один из гоночных автомобилей, построенный по гоночной формуле 1908 г., представлен на рис. 7.
В 1909—1911 гг. гонки на Большой приз АКФ не состоялись вследствие разногласий, возникших при составлении гоночной формулы, и отсутствия достаточной поддержки со стороны автомобильных заводов.
В 1912 г. АКФ был вынужден применить «свободную формулу» (formule libre), т. е. отказаться от каких бы то ни было техпиче-
25
Таблица 6. Техническая характеристика гоночных авто
Год Фирма автомобиля Число ЦИЛИНДРОВ Диаметр цилиндра, мм Ход поршня, мм Литраж двигателя, л Рабочий объем одного цилиндра, л
1906 «Реио» (Ф) 4 165 150 12,80 3,20
1906 «Фиат» (И) 4 185 150 16,10 4,025
1906 «Мерседес» (Г) 4 175 150 14,44 3,61
1906 «Клеман-Байар» (Ф) 4 160 160 12,80 3,20
1906 «Бразье» (Ф) 4 165 150 12,84 3,21
1907 «Фиат» (И) 4 180 150 15,28 3,82
1907 «Рено»(Ф) 4 165 150 12,80 3,20
1907 «Бразье» (Ф) 4 135 140 8,00 2,00
1908 «Мерседес» (Г) 4 155 170 12,80 3,20
1908 «Бенц» (Г) 4 155 165 12,40 3,10
1908 «Клеман-Байар» (Ф) 4 155 185 13,95 3,48
1908 «Бразье» (Ф) 4 155 160 12,1 3,02
1912 «Пежо» (Ф) 4 НО 200 7,60 1,90
1912 «Фиат» (И) 4 150 200 14,10 3,52
1912 «Санбим» (А) 4 80 149 3,00 0,75
1912 «Лоррен-Дитрих» (Ф) 4 155 200 15,1 3,77
1913 «Пежо» (Ф) 4 100 180 5,65 1,43
1913 «Санбим» (А) 6 90 150 5,75 0,96
1913 «Делаж» (Ф) 4 105 180 6,25 1,56
1914 «Мерседес» (Г) 4 93 164 4,50 1,125
1914 «Пежо» (Ф) 4 92 169 4,50 1,125
1914 «Воксхолл» (А) 4 101 140 4,50 1,125
1914 «Делаж» (Ф) 4 94 160 4,50 1,125
1914 «Фиат» (И) 4 100 143 4,48 1,12
Ус л о вине обозначения: б. к. — боковые клапаны; в. к. — верхние пый вал; 2 в. р. в. — два верхних распределительных вала.
26
j- мобильных двигателей (Большой приз АКФ 1908-1914 гг.)
Отношение хода поршня к диаметру цилиндра i Мощность, л. с. Частота вращения, об/мин Среднее эффективное давление, кгс/см2 Литровая мощность, л. с./л о - g&I ё Тип распределительного механизма Максимальная скорость автомобиля, км/ч Призовое место
0,91 105 1200 6,1 8,2 6,0 Б. к. 148,5 I
0,81 135 1300 5,8 8,4 6,5 В. к. 139,5 II
1,86 125 1300 6,0 8,6 6,5 — — —
1 125 1350 6,5 9,8 7,2 Б. к. 124,0 III
0,91 105 1200 6,1 8,2 6,0 Б. к. — —
0,83 130 1300 5,9 8,5 6,5 В. к. — I
0,91 115 1300 6,2 9,0 6,5 Б. к. — II
1,04 115 2080 6,2 14,4 9,7 Б. к. — III
1,1 120 1400 6,0 9,4 7,9 О. н. д. 166,5 I
1,06 118 — — 9,5 — В. к. 162,0 11, III
1,19 138 1450 6,1 9,9 8,9 1 в. р. в. 170,0 —
1,03 119 1350 6,5 9,8 7,2 — —
1,82 175 2200 9,4 23,0 14,7 2 в. р. в. 190 1
1,33 — — — — — 1 в. р. в. 180 II
1,86 72 — — 24,0 — Б. к. 136 III
1,29 190 1650 6,9 12,6 11,0 О. н. д. — —
1,80 124 2200 9,0 22,0 13,2 2 в. р. в. 170 1,11
1,67 — — — — — Б. к. 141 Ill
1,72 118 1800 9,4 18,9 10,8 В. к. — —
1,76 115 3200 7,2 25,5 17,5 1 в. р. в. 190 I, II, 111
1,84 НО 3000 7,3 24,5 16,9 2 в. р. в. 180 —
1,39 120 3000 8,0 27,0 14,0 2 в. р. в. 175 —
1,70 — 3000 — — 16,0 2 в. р. в. 165 —
1,43 135 3000 9,0 30,0 14,3 1 в. р. в. — —
клапаны; о. н. д. — один клапан над другим} 1 в. р. в. — один верхний распределнтель-
27
Рис. 7. Гоночный автомобиль «Бенц» (11 место в гонке на Большой приз
АКФ, 1908 г.)
ских ограничений, чтобы собрать минимально допустимое число участников и провести хоть какие-нибудь гонки. Из технических усовершенствований отметим съемные колеса типа «Рудж Витворт», сократившие до минимума время, необходимое для замены поврежденной резины. Длиниоходность двигателей увеличилась (см. табл. 6). Автомобиль «Пежо» (рис. 8) имел по четыре верхних клапана на цилиндр, управляемых двумя распределительными валами, расположенными над головкой. Эта схема сохраняется до сих пор и остается характерной особенностью конструкции гоночного двигателя.
Борьба между сторонниками цепной и карданной передач закончилась в пользу второй: 14-литровый «Фиат» был последним автомобилем с цепной передачей в гонках на Большой приз АКФ. Вместе с цепной передачей отошли в прошлое большие тихоходные двигатели; впоследствии рабочий объем дорожно-гоночных автомобилей никогда не превышал 6 л.
В 1913 г. АКФ вернулся к ограничению расхода топлива. По гоночной формуле норма расхода была установлена 20 л на 100 км, а масса незаправленного автомобиля 800—1100 кг. К гонке допускались автомобили с числом цилиндров не менее четырех, снабженные двухместным кузовом с цилиндрическим бензиновым баком длиной 1 м за сиденьем водителя. Установка на бак обтекателей для уменьшения сопротивления воздуха не разрешалась.
Участники гонки 1913 г. показали отличную экономичность при высокой средней скорости. Двигатель автомобиля «Пежо»
Рис. 8. Гоночный автомобиль «Пежо» (1 место в гонке на Большой приз АКФ, 1912 г.)
29
28
Таблица 8. Техническая характеристика двигателей некоторых автомо (1900—
Год Фирма автомобиля Число цилнн* дров Диаметр цилиндра, ММ Ход поршня, мм Литраж двигателя, л Рабочий объем одного цилиндра, л
1906 «Сизер-Ноден» (Ф) 1 120 120 1,36 1,36
1907 «Сизер-Ноден» (Ф) 1 100 150 1,18 1,18
1908 «Сизер-Ноден» (Ф) 1 100 250 1,96 1,96
1909 «Лион Пежо» (Ф) 1 100 250 1,96 1,96
1910 «Испано Сюн за» (Ф) 4 65 200 2,65 0,66
1910 «Кор-ла-Ликорн» (Ф) 1 100 300 2,36 2,36
1910 «Лион Пежо» (Ф) 2 80 280 3,45 1,72
1910 «Лион Пежо» (Ф) 4 65 260 2,80 0,70
1910 «Де Базелер» (Ф) 4 69 ПО 1,65 0,41
1910 «Кальторп» (А) 4 65 170 2,26 0,56
1910 «Кальторп» (А) 4 65 150 2,00 0,5
1910 «Кор-ла-Ликорн» (Ф) 1 100 250 1,96 1,96
1911 «Делаж» (Ф) 4 80 149 3,00 0,75
1911 «Грегуар» (Ф) 4 80 149 3,00 0,75
1911 «Пежо» (Ф) 4 78 156 3,00 0,75
1911 «Аррол Джонстон» (А) 4 85 130 3,00 0,75
1911 «Воксхолл» (А) 4 90 118 3,00 0,75
1911 «Альсион» (Ф) 4 85 130 3,00 0,75
1912 «Санбим»(А) 4 80 149 3,00 0,75
1913 «Пежо» (Ф) 4 78 156 3,00 0,75
1913 «Санбим» (А) 4 80 149 3,00 0,75
1914 «Пежо» (Ф) 4 75 140 2,48 0,62
1920 «Бугатти» (Ф) 4 66 100 1,37 0,34
1921 «Тальбо-Даррак» (Ф) 4 65 112 1,49 0,37
1923 «Тальбо» (Ф) 4 67 105 1,48 0,37
Примечание. Автомобили «Лион Пежо» 1910 г. и «Пежо» 1911 г. имеют V-образ
Условные обозначения: б. д. к. — боковые двусторонние клапаны; верхних распределительных вала; о. н. д. — один клапан над другим; 1 в. р. в. — один 30
билей, принимавших участие в гонках на «Кубок малых автомобилей» 1923 гг.)
Отношение хода к диаметру цилиндра Мощность, л. с. Частота вращения, об/мин Среднее эффективное давление, кгс/см3 Литровая мощность, л. с./л Средняя скорость поршня, м/с Тип распределительного механизма Призовое место
1,0 18 2000 6,0 13,2 8,0 О. н. д. 1
1,5 22 2400 7,0 18,6 12,0 — 1
2,5 42 2400 8,0 21,4 20,0 — I
2,5 33 — — 17,0 — — I
3,1 45 2300 6,65 17,0 15,3 Б. д. к. I, III
3,0 38 — — — — — —
3,5 38 — — — — — II
4,0 45 — — — — —-
1,6 34 — — — — — —
2,62 38 -- — — — — —
2,3 36 — — — — — —
2,5 34 — — — — — —
1,86 70 2250 9,30 23,3 11,2 В. к. I, Ill
1,86 70 2500 8,40 23,3 12,4 Б. д. к. —
2,0 66 2400 8,2 22,0 12,5 В. к. II
1,53 50 2000 7,50 16,7 8,7 Б. о. к. —
1,31 75 3000 7,50 25,0 11,8 Б. д. к. —
1,53 75 3000 7,50 25,0 13,0 В. к. —
1,86 72 — — 24,0 — Б. о. к. 1, II, III
2,0 90 3000 9,00 30,0 15,6 2 в. р. в. 1, II
1,86 87 3000 8,7 29,0 14,8 Б. о. к. 111
1.87 80 3000 9,7 32,2 14,0 2 в. р. в. —
1,52 30 2750 7,15 22,0 9,2 1 в. р. в. 1
1,72 50 4000 7,5 33,5 14,9 2 в. р. в. I, II, III
1,57 70 5000 8,5 47,0 17,5 2 в. р. в. I, II
Вое Расположение цилиндров, все остальные — рядное.
вёп»иТ«Ве₽хние клапаны; б. о. к. — боковые односторонние клапаны; 2 в. р. в. — два Рхннй распределительный вал.
31
Рис. 9. Гоночный автомобиль «Мерседес» (( место в гонке на Большой приз АКФ» 1914 г.) -_т
расходовал 188 г/(л. с. ч). Эта цифра выдерживает сравнение с нормами расхода современных автомобильных дизелей. Пришедший первым автомобиль «Пежо» сохранил остаток топлива 22 л, пришедший вторым — 28 л.
Гоночная формула 1914 г. имела основным фактором рабочий объем двигателя. Максимальный объем назначили 4,5 л, максимальную массу 1100 кг.
Состав участников был исключительно сильным количественно и качественно. Двигатели всех фирм имели шатровые камеры сгорания и верхние клапаны, за исключением одного бесклапанного двигателя; десять фирм из тринадцати применяли головки цилиндров с четырьмя клапанами, одна — с тремя и одна — с двумя. У автомобилей четырех фирм были установлены тормоза на передних и задних колесах. Масса автомобилей колебалась между 900 и 1050 кг.
После острой борьбы с «Пежо» первые три приза получил автомобиль «Мерседес» (рис. 9), по быстроходности равноценный «Пежо», но более выносливый и надежный. Торможение всех колес показало свои преимущества: на участках со многими поворотами автомобили с тормозами на всех колесах неизменно показывали более высокую среднюю скорость.
Ограничение литража способствовало очередному увеличению литровой мощности (см. табл. 6).
Кроме Большого приза АКФ, значительный интерес представляли гонки на Кубок малых автомобилей (Coupe des voiturettes), организованные во Франции в 1906—1913 гг. и в 1920—1923 гг. Под малыми автомобилями сначала подразумевали автомобили небольшой массы, преимущественно снабженные одно- или двухцилиндровыми двигателями, отличавшиеся низкой стоимостью и получившие поэтому большое распространение. Уже в ту эпоху утверждали, что основной тип автомобиля — легкая экономичная машина, рассчитанная на массового потребителя. Малые автомобили в то время в большинстве случаев имели рабочий объем двигателя 1,5—3 л. Именно автомобили этой категории следует считать предшественниками гоночных автомобилей, получивших распространение позднее, в периоды 1921 —1934 гг. и 1938— 1939 гг., а также современных гоночных автомобилей, имеющих примерно тот же литраж.
32
В табл. 7 приведены сведения о результатах гонок на Кубок малых автомобилей. Табл. 8 дает представление о росте удельной мощности и быстроходности двигателей автомобилей, принимавших участие в гонках на Кубок малых автомобилей.
4. Большой приз Автомобильного клуба Франции, в период с 1914 до 1939 г.
Во время империалистической войны 1914—1918 гг. автомобильные гонки во всех странах прекратились. В США перерыв продолжался только два года (1917 и 1918 гг.). После войны гонки на Большой приз АКФ возобновились в 1921 г., когда гоночная формула ограничила рабочий объем двигателей 3 л. Лучший результат показал «Дюзенберг» (Дж. Мёрфи). Это единственный крупный успех гоночных автомобилей США в европейских состязаниях. Богатые американские фирмы редко проявляли желание использовать автомобильный спорт как базу для технических экспериментов и исследований. В результате американские гоночные автомобили в то время были менее быстроходны и надежны, чем европейские. Серия гонок на кубок Вандербильта, организованная в США в 1904—1916 гг. и позднее, в 1936—1937 гг., почти во всех случаях кончалась победой представителей Европы.
Такой же характер носили дорожные гонки на Большой приз США, состоявшиеся в период с 1908 по 1916 г. В то время в США усиленно копировали конструкцию европейских спортивных автомобилей. После первой мировой войны дорожные гонки в США надолго прекратились, и вся спортивная деятельность была перенесена на автодромы.
Наиболее способные американские конструкторы спортивных автомобилей (X. Миллер и Ф. Дюзенберг) были лишены финансовой поддержки и не могли успешно сопротивляться европейской конкуренции. Успех американцев в 1921 г. объясняется неподготовленностью европейской промышленности, сильно пострадавшей во время войны. Существенное значение имел и длительный перерыв в работе над гоночными автомобилями; в США, как указано выше, перерыв был кратковременным.
Постановлением A1ACR национальные автомобильные клубы получили право устраивать ежегодно в своей стране одни международные гонки на Большой приз (Grand Prix). Таким путем в период с 1921 по 1930 г. была создана целая система состязаний на Большие призы Германии, Швейцарии, Италии, Триполи, Чехословакии, Туниса, Монако и т. д. Все эти гонки подчинялись международной гоночной формуле, утверждавшейся AIACR. Автомобильные фирмы, строящие гоночные автомобили *, обычно участвовали во всех этих гонках (шесть—десять в сезоне).
1 В дальнейшем изложении под автомобилями типа Grand Prix (сокращенно GP) подразумеваются автомобили, построенные в соответствии с требованиями международной гоночной формулы. В последние годы их называют автомобилями формулы I (сокращенно F1).
2 В. В. Бекман 33
Рис. 10. Гоночные автомобили формул 1922 — 2 7 гг.; вверху «Фиат804» 1922 г. (6-цилиндровый, 2 л), внизу «Дслаж» 1927 г. (8-цилиндровый, 1, 5 л)
В основу организации состязаний на Большие призы положен многолетний опыт АКФ.
С 1922 до 1925 г. включительно применялась гоночная формула, которая установила максимальный литраж 2 л при минимальной массе автомобиля 650 кг. За четыре года существования этой формулы автомобильные заводы выпустили много новых, более совершенных автомобилей; двухлитровые двигатели достигли высокой степени своего развития. Норма массы была введена с целью сохранения сходства между гоночными и транспортными автомобилями. Такая предосторожность оказалась в значительной степени излишней, так как в то время изготовление сверхлегких конструкций еще не было изучено и постройка автомобиля массой менее 650 кг представляла собой большие трудности. Почти все автомобили имели массу на 50—100 кг больше нормы. Исключением был гоночный автомобиль «Фиат 804» (рис. 10, сверху), который не только соответствовал допустимой минимальной массе, но и в течение многих лет оставался образцовой конструкцией как по внешней форме, так и по устройству двигателя. Его копировали европейские и американские фирмы. Основные конструктивные изменения за период действия двухлитровой формулы — переход к 8- и 12-цилиндровым двигателям и применение нагнетателей для принудительного питания двигателей, давшие значительное увеличение мощности. Начиная с 1924 г., когда Большой приз АКФ получил автомобиль «Альфа Ромео», все гонки выявляли преимущество двигателей с наддувом \ в результате чего двигатели без наддува быстро сошли со сцены.
1 Эти двигатели в автомобильной практике иногда называются компрессорными.
34
В 1926—1927 гг. признали целесообразным уменьшить максимальный литраж до 1,5 л и несколько увеличить минимальную массу. В период действия этой формулы борьбу за первенство вели главным образом фирмы «Бугатти», «Тальбо» и «Делаж», причем наибольший успех имела последняя, получившая в 1927 г. звание чемпиона мира (рис. 10, снизу). Автомобиль «Бугатти» обладал несколько меньшей мощностью; автомобиль «Тальбо» не уступал автомобилю «Делаж» в максимальной скорости, но вследствие меньшей надежности чаще останавливался из-за различных неисправностей.
Ограничение литража в промежутке между 1914 и 1927 гг. было основной причиной, вызвавшей быстрый рост литровой мощности и частоты вращения гоночных двигателей. Литровая мощность выросла с 25 до 100 л. с., частота вращения с 3000 до 7000 об/мин.
Малое количество конкурентов в гонках 1926, 1927 гг. заставило отказаться от 1,5-литровых двигателей и лимитировать в 1928 г. массу автомобилей пределами 550—750 кг. Такая замена расширяла круг возможных участников, так как 2—3-литровые автомобили попадали в указанный интервал массы, утвержденный правилами.
Гонки 1928—1931 гг. прошли под знаком заметного превосходства автомобилей фирмы «Бугатти» (рис. 11); почти все более или менее значительные гонки были выиграны этой известной французской фирмой.
1929 г. ознаменовался возвратом к нормированию расхода топлива. Каждый конкурент получал на 100 км 14 кг топлива коммерческого сорта и масла. Учитывая высокую стоимость масла, расход его включили в общую норму. Объем цилиндрического бензинового бака не должен был превышать 120 л. Масса незаправленного автомобиля должна была составлять не менее 900 кг. Ограничение расхода топлива ввели под впечатлением неэкономичности полуторалитровых двигателей с наддувом, тративших до 30 л на 100 км.
Конкуренты 1929 г. разделились на два противоположных лагеря. Одни предпочитали быстроходные восьмицилиндровые двигатели с наддувом'; другие утверждали, что в условиях жесткой
Рио. II. Гоночный автомобиль «Бугатти» (первые места в гонках
на Большой приз АКФ, 1928 и 1930 гг.)
2* 35
Рис. 12. Спортивный автомобиль «Мерседес-Бенц» (б-цилиндровым, 7 л, 300 л. с.)
нормы расхода топлива следует применять сравнительно тихо-ходные (2000—3000 об/мин) четырехцилиндровые двигатели большого литража без наддува, известные своей экономичностью.
Результат гонок (табл. 9 и 10) доказал равноценность обоих технических направлений, хотя и принес победу первому из них. Автомобили «Пежо» и «Бугатти», показавшие наивысшую скорость, уложились в норму расхода н сохранили к финишу по 8 л топлива. «Бугагтн» отличался большой максимальной скоростью на прямых; «Пежо» наверстывал упущенное время лучшей приемистостью при выходе из виражей.
Мировой экономический кризис, разразившийся в 1930 г., подорвал финансовую базу автомобильной промышленности и лишил ее возможности строить специальные машины, соответствующие требованиям гоночной формулы.
Следствием экономического кризиса явилось применение свободной формулы в промежутке времени с 1930 до 1934 гг. Стремясь сохранить превосходство над конкурентами, некоторые фирмы воспользовались свободной формулой и выпустили весьма мощные автомобили, например «Бугатти» 4,9 л, развивавший 300 л. с. Свободная формула открыла доступ к состязаниям большим тяжелым спортивным автомобилям массой до 2000 кг: «Мерседес-Бенц» 7 л (рис. 12), «Бентли» 4,5 л и т. д. В эти же годы получили распространение одноместные кузова (рис. 13), чрезвычайно выгодные вследствие уменьшения лобового сопротивления. Скорости гоночных автомобилей на отдельных участках дистанции достигали 250 км/ч. В 1933 г. AIACR, желая замедлить безудержный
Рис. 13. Гоночный автомобиль «Альфа Ромео» (I место в гоике на Большой приз АКФ, 1932 г.)
36
Таблица 9. Результаты гонок на Большой приз АКФ в 1921—1939 гг. Место гонки J <8 = Е | i И з 1 о & I I s- 1 о о = о И о о t 5 И и « «
Коли-чество Коли- участво- чество вавших участво- автомо* вавших билей фирм — 2 — g л с- 22 g} со со — — <т> ic
Средняя Полная Число кругов скорость, дистан- (длина одного км/ч ция, км круга, км) 125,6 517,86 30 (17,26) 127,6 800,0 60 (13,39) 121,4 799,05 35 (22,86) 114,2 810.0 35 ( 23,1) 112,2 1000,0 80 (12,5) 109,76 509,56 — 126,00 600,0 48 (12,5) 136,56 263,0 — 133,03 605,0 37 (16,36) 145,20 395,87 25 (15,0) 125,8 1258,0 Разное (12,5) 148,56 742,89 » (7,82) 131,14 500,0 40 (12,5) 136,88 500,0 40 (12,5) 124,6 500,0 40 (12,5) 125,29 1000,0 80 (12,5) 132,70 500,0 40 (12,5) 162,75 500,9 64 (7,8) 169,38 398,56 51 (7,8)
Фирма автомобиля Время «Дюзенберг» (США) — «Фиата (И) 6 ч 17 мин 17 с «Санбим» (А) 6 ч 35 мин 19,6 с «Альфа Ромео» (И) 7 ч 5 мин 34,3 с «Делаж» (Ф) 8 ч 54 мин 41,2 с «Бугатти» (Ф) 4 ч 38 мин 43 с «Делаж» (Ф) 4 ч 45 мин 41 с «Бугатти» (Ф) 1 ч 55 мин 32 с «Бугатти» (Ф) 4 ч 33 мин 1,2 с «Бугатти» (Ф) 2 ч 43 мин 18,4 с «Бугатти» (Ф) Юч «Альфа Ромео» (И) 5 ч «Мазерати» (И) 3 ч 48 мин 45,4 с «Альфа Ромео» (И) 3 ч 39 мин 00 с «Мерседес-Бенц» (Г) 4 ч 0 мин 54 с «Бугатти» (Ф) 7 ч 58 мин 53,7 с «Тальбо» (Ф) 3 ч 46 мин 6 с «Мерседес-Бенц» (Г) 3 ч 4 мин 38,5 с «Ауто Унион» (Г 2 ч 21 мин 11,8 с
Год
37
Таблица 10. Техническая характеристика (Большой приз «точных автомобильных двигателей АКФ 1921-1939 гг.)
S Отв о- Среднее
£ а о. Рабочий шеиие Частота Нали- Макси-
а Литраж объем хода эффек- ’я Гип рас- мяльная Призовое
Год Фирма автомобиля о о2 Л Q, s? с с £ двига- одного ЦИЛИН- поршня к днями- и НИИ, об/мин тивнос давле- к л «5 Н к S х т б а ° О о с чие нагнета- предели-тельного скорость автомо-
Чис.и линдр S S s 5 Ход НЯ. м ДРа. л тру цилиндра 31 I*3 ние, кгс/см2 Лнтр< МО1ЦН< л. с./« теля механизма биля, км/ч место
1921 «Дюзеибер г» (США) 8 63,5 117 3,0 0,375 1,84 115 4250 8,1 38 16,6 Нет 1 в. р. в. 160 I
1921 «Балле» (Ф) 8 65,0 112 3,0 0,375 1,72 108 3300 9,8 36 12,3 » 2 в. р. в. II
1922 «Фиат» (И) 6 65,0 100 2,0 0,334 1,54 92 5000 8,0 46 16,7 2 в. р. в. 170 I
1922 «Бугатти» (Ф) 8 60,0 88 2,0 0,250 1,47 76 3500 9,8 38 10,3 » 1 в. р. в. 165 11, III
1922 «Балло» (Ф) 4 69,9 130 2,0 0,500 1,86 80 3800 9,5 40 16,5 > 2 в. р. в. —
1923 «Санбим»(А) 6 67,0 94 2,0 0,334 1,40 108 5200 9,3 54 16,3 » 2 в. р. в. 182 I, и
1923 «Фиат» (И) 8 60,0 87,5 2,0 0,250 1,46 118 5200 10,2 59 15,2 2 в. р. в. 198
1924 «Альфа Ромео» (И) 8 61,0 85 2,0 0,250 1,39 140 5000 12,6 70 14,2 Есть 2 в. р. в. — I
1924 «Делаж» (Ф) V-12 51,3 80 2,0 0,165 1,56 116 6200 8,4 58 16,5 Нет 4 в. р. в. 11, Ill
1924 «Санбим»(А) 6 67,0 94 2,0 0,334 1,40 142 6000 10,6 71 18,8 Есть 2 в. р. в. 212
1925 «Делаж» (Ф) V-12 51,3 80 2,0 0,165 1,56 175 6800 11,6 87,5 18,1 » 4 в. р. в. 210 I, 11
1925 «Санбим» (А) 6 67.0 94 2,0 0,334 — — — — — — 3> 2 в. р. в. 204 111
1925 «Бугатти» (Ф) 8 60,0 88 2,0 0,250 1,47 по 6000 8,2 55 17,6 Нет 1 в. р. в. 186
1925 «Альфа Ромео» (И) 8 61,0 85 2,0 0,250 1,39 155 5400 12,9 77,5 15,3 Есть 2 в. р. в. 215
1926 «Бугатти» (Ф) 8 60,0 66 1,5 0,187 1,10 120 5500 13,1 80 12,1 » 2 в. р. в. — 1
1927 «Делаж» (Ф) 8 55,8 76 1,5 0,187 1,36 150 7000 12,8 100 17,7 » 2 в. р. в. 205 1,11, III
1927 «Тальбо» (Ф) 8 56,0 75,5 1,5 0,187 1,35 160 7000 13,7 107 17,6 » 2 в. р. в.
1928 «Бугатти» (Ф) 8 60,0 88 2,0 0,250 1,47 150 5500 12,2 75 16,1 » 1 в. р. в. — I
1929 «Бугатти» (Ф) 8 60,0 100 2,3 0,283 1,66 135 5500 9,6 59 18,3 » 1 в. р. в. 200 1, III
1929 «Пежо» (Ф) 4 97,0 135 4,0 1,000 1,39 — — 1 — Нет Гильзовый — 11
1930 «Бугатти» (Ф) 8 60,0 88 2,0 0,250 1,47 — — — •—- — Есть 1 в. р. в. — I, 111
1931 «Бугатти» (Ф) 8 60,0 100 2,3 0,283 1,66 200 6500 12,0 87 21,6 » 2 в. р. в. I
1931 «Альфа Ромео» (И) 8 65,0 88 2,34 0,292 1,35 165 5400 11,8 71 15,8 2 в. р. в. 215 II
1932 «Альфа Ромео» (И) 8 65,0 100 2,65 0,332 1,51 210 5600 12,7 79 18,7 » 2 в. р. в. — I, II, III
1933 «Мазерати» (И) 8 69,0 100 2,99 0,374 1,45 210 5600 11,3 70 18,7 » 2 в. р. в. 250 1
1934 «Альфа Ромео» (И) 8 68,0 100 2,9 0,363 1,47 255 5400 14,6 88 18,0 » 2 в. р. в. — I, II, III
1935 «Мерседес-Бенц» (Г) 8 82,0 94,5 3,99 0,499 1,15 430 5800 16,7 107,5 18,3 » 2 в. р. в. 300 I, II
1935 «Ауто Унион» (Г) V-16 72,5 75 4,95 0,31 1,035 375 4800 14,2 76 12,0 > 1 в. р. в. 280—300
1936 «Бугатти» (Ф) 8 72,0 100 3,3 0,407 1,39 140 4600 8,3 42 15,3 Нет 2 в. р. в. 212 1
1936 «Делаэ» (Ф) 6 84,0 107 3,56 0,592 1,27 140 4600 7,7 40 16,4 » В к. 200 II, III
1937 «Тальбо» (Ф) 6 90,0 104,5 3,99 0,665 1,16 200 4800 ',4 50 16,7 Нет В к. 215 I, II, III
1938 «Мерседес-Бенц» (Г) V-12 67,0 70 2,96 0,250 1,04 430 7500 17,4 145 17,5 Есть 4 в. р. в. 275 I, II, III
1939 «Ауто Унион» (Г) V-12 65,0 75 2,99 0,250 1,15 450 6000 22,6 150 15,0 » 3 в. р. в. 305 1,11
1939 «Мерседес-Бенц» (Г) V-12 67,0 70 2,96 0,250 1,01 483 7800 18,8 163 18,2 » 4 в. р. в. 305
—
Условные обозначен* я] в. к. — верхние клапаны с нижним распре верхних распределительных вала) 3 в. р. в. или 4 в. р. в. — три или четыре верхних 38
Др«^“едмнтелаьнь“; вала. Р’ ~ °ЛИН верхннй] Распределительный; вал; 2 в. р. в. - два
39
Рис. 14. Гоиочный’автомобиль «Ауто Унвоп» (16-цилиндровый, 3 л) типа GP, 1934 г.
рост мощности и скорости, выходящий за пределы практического интереса, разработала новую гоночную формулу. Эта формула, действительная для 1934—1937 гг., ограничила участников состязаний максимальной массой 750 кг (без воды, топлива, масла и резины), оставляя все остальные элементы на усмотрение конкурентов. Ожидалось, что введение новой формулы вызовет уменьшение литража, а следовательно, мощности и скорости, так как автомобили, конкурировавшие в соревнованиях по свободной формуле, имели массу более 750 кг. Однако уже 1934 г. показал ошибочность этого предположения. Автомобильные заводы использовали опыт изготовления легких конструкций в авиации и, несмотря па жесткую норму массы, выпустили гоночные автомобили с 4—6-литровыми двигателями. Основными конкурентами выступили автомобильные фирмы «Бугатти», «Альфа Ромео», «Мазерати», «Ауто Унион» (рис. 14) и «Мерседес-Бенц». Работа над двигателями большого литража привела к увеличению их удельной мощности и быстроходности (см. табл. 10). К концу срока действия формулы 6-литровые двигатели («Мерседес-Бенц», «Ауто Унион») давали до 100 л. с. па 1 л при 6000 об/мин. Как результат гоночной формулы 1934—1937 гг. появились автомобили, в которых незначительная масса сочеталась с высокой мощностью, обеспечивающей максимальные скорости 300—320 км/ч.
Французская автомобильная промышленность пассивно отнеслась к гоночной формуле 1934—1937 гг.; в связи с этим АКФ в 1936 и 1937 гг. решил провести гонки на Большой приз для автомобилей спортивного типа с минимальными отклонениями от стандартных промышленных образцов. Благодаря такому решению гонки на Большой приз временно утратили международный характер и выпали из категории состязаний, подчиненных международной гоночной формуле. По техническим требованиям АКФ автомобили должны были иметь двухместные кузова с крыльями и ветровым стеклом, полное электрическое оборудование, т. е. осветительную систему, сигнал и стартер, и получали от технической комиссии стандартное топливо в неограниченном количестве (смесь спирта, бензина и бензола). Применение нагнетателей не допускалось. Ограничения двигателей по верхнему пределу литража в 1936 г. не было, но всех конкурентов разделили на три следующие самостоятельные категории: 1) с литражом до 2 л;
40
2)2—4 л; 3) свыше 4 л. Лучшие результаты показали участники категории 2—4 л.
Правила АКФ 1937 г. отличались только ограничением литража пределами 1,1—4,5 л и введением минимальной массы автомобиля: 480 кг для 1,1 л и 1019 кг для 4,5 л. Двигателям промежуточных размеров соответствовали промежуточные значения минимальной массы. Спортивные автомобили стандартных типов показали отличные результаты. Однако часть из них («Бугатти») представляла собой замаскированные гоночные конструкции, лишенные нагнетателя.
В конце 1936 г. была утверждена международная гоночная формула для 1938—1940 гг С помощью этой формулы также была сделана попытка уравнять условия гонки для машин с различным литражом путем предписания соответствующей нормы массы и, кроме того, создать возможность конкуренции между двигателями с наддувом и без наддува. Для двигателей без наддува минимальный объем был установлен в 1 л, максимальный — 4,5 л, для двигателей с наддувом соответственно 0,666 и 3 л.
Гонки 1938 г. обнаружили, что надбавка массы для автомобилей с большими двигателями совсем не уравнивает шансы малолитражных автомобилей. В то же время выяснилась полная невозможность конкуренции 4,5-литровых двигателей без наддува с 3-литровыми двигателями с наддувом. Лучшие двигатели без наддува («Тальбо», «Делаэ») давали 250—260 л. с.; 3-литровые с наддувом — 400—485 л. с. Вследствие этого все соображения относительно возможности одновременного участия автомобилей с разным литражом и разными системами питания двигателя фактически потеряли реальный смысл, и все состязания 1938, 1939 гг. оказались под силу только 3-литровым двигателям с наддувом. Наиболее активное участие в гонках приняли фирмы «Тальбо», «Делаэ», «Мазерати», «Альфа Ромео», «Мерседес-Бенц» (рис. 15) и «Ауто Унион»; последние четыре отдали предпочтение 3-литровым двигателям с наддувом.
В этот период была проделана’болыпая работа по улучшению системы подвески автомобилей и переходу на независимую подвеску колес. Улучшение подвески в первую очередь отразилось на устойчивости хода и способности брать повороты с большой скоростью. В результате усовершенствования подвески, улучшения обтекаемости и уменьшения площади лобового сопротивления
Рис. 15. Гоночный автомобиль «Мерседес-Бенц» (12-цилиндровый, 3 л) типа GP, 1939 г.
41
3-литровые гоночные автомобили мало уступали 6-литровым, построенным согласно гоночной формуле 1934—1937 гг., не только по средней скорости, но и по максимальной, развивая до 300 км/ч, несмотря на меньшую мощность.
б. Большой приз Автомобильного клуба Франции после 1946 г.
Как видно из табл. 10, в течение 15 лет (1924—1939 гг.) поощрялось применение на гоночных автомобилях типа GP двигателей с наддувом, литровая мощность которых в 1939 г. достигала 160 л. с./л. В то же время усовершенствование двигателей без нагнетателей, более нужных для автомобильной промышленности, не вызывало интереса с точки зрения использования возможностей, предоставляемых гоночной формулой; в результате литровая мощность двигателей без наддува в тот же период едва достигала 60 л. с./л.
В целях стимулирования развития двигателей без наддува интернациональная автомобильная федерация ввела на период 1947—1953 гг. гоночную формулу, объединявшую на равных основаниях автомобили с двигателями в 1,5 л, имеющими наддув, и автомобили с двигателями в 4,5 л без наддува. Следовательно, соотношение между рабочими объемами двигателей с различными системами питания изменилось от 1 : 1,5 до 1 : 3 в пользу двигателей без наддува. Но и в этих условиях двигатели с наддувом долго сохраняли превосходство: только в конце срока действия рассматриваемой гоночной формулы (в 1951 г.) появились автомобили с двигателями без наддува («Феррари»), которые успешно конкурировали в гонках с автомобилями, имевшими нагнетатели.
В 1951 г. были достигнуты литровые мощности порядка 300 л. с./л; однако участие автомобильных заводов в основных гонках типа GP начало резко сокращаться вследствие технически необоснованного направления развития гоночных двигателей в сторону крайне сложных, чрезвычайно дорогих и весьма неэкономичных конструкций с двухступенчатым наддувом. Это заставило международную автомобильную федерацию принять меры для устранения ненормальной ситуации.
Еще во время действия основной гоночной формулы периода 1947—1953 гг. была учреждена второстепенная гоночная формула для автомобилей с двигателями в 2 л без нагнетателей и с двигателями 0,5 л, имеющими наддув, т. е. было принято соотношение рабочих объемов для двигателей с различными системами питания, равное 1 : 4. Эта формула привлекла к активному участию в гонках многие заводы почти всех европейских стран и направила усилия конкурентов на усовершенствование двухлитровых двигателей без наддува. Фактически второстепенная топочная формула (гоночная формула 2) вытеснила основную гоночную формулу 1 в такой степени, что серия гонок типа GP на первенство 42
Рис. 16. Гоночные автомобили с двигателями 2,5 л: а — «Мерседес-Бенц» (8-цилиндровый); б — «Феррари» (4-цилиндровый); в — «Ланчиа» (8-цилиидровый); г — «Мазерати» (6-цилиндровый)
мира (в том числе Большой приз АКФ) в 1952 и 1953 гг. была проведена для автомобилей с двухлитровыми двигателями без нагнетателей.
В 1954 г. вступила в действие гоночная формула, утвержденная на период с 1954 по 1960 г., согласно которой к гонкам допускали автомобили с двигателями в 2,5 л без наддува (рис. 16) и с двигателями 0,75 л, по имеющими нагнетатель (соотношение рабочих объемов 1 : 3,3). По этой формуле практически все гоночные автомобили были построены с двигателями без нагнетателей.
Таким образом, после 1951 г. произошло резкое изменение направления развития гоночных двигателей в сторону исключительного использования двигателей без наддува, а двигатели с нагнетателями совершенно вышли из употребления.
С 1959—1960 гг. почти на всех гоночных автомобилях двигатель устанавливают перед задней осью. Такая компоновка обеспечила технические преимущества, которые были наглядно продемонстрированы английской фирмой «Купер», наиболее успешно выступавшей в гонках 1959 и 1960 гг. Такая же компоновка применялась еще перед войной на известных автомобилях «Ауто Унион».
43
В гоночной формуле 1 1961—1965 гг. ФИА уменьшила допустимый рабочий объем двигателя до 1300—1500 см3, причем нагнетатели были запрещены. Минимальная допускаемая масса автомобиля была принята 450 кг. Уменьшением литража двигателя хотели несколько задержать возрастание быстроходности гоночных автомобилей. Автомобили этой гоночной формулы показаны на рис. 17. Ныне действующая гоночная формула рассматривается в следующей главе. В течение длительного периода ее применения (1966—1979 гг.) мощность 3-литровых двигателей без наддува возросла с 330 до 520 л. с. Существенному усовершенствованию подверглись шины, что в сочетании с устройствами для аэродинамической нагрузки осей автомобиля привело к дальнейшему повышению его ходовых качеств (рис. 18).
Результаты гонок на Большой приз АКФ послевоенного периода, а также технические характеристики двигателей автомобилей типа GP приведены в табл. 11 и 12. В виде исключения гонки на Большой приз АКФ были проведены в 1949 г. для спортивных автомобилей (в двух классах — до 2 л и более) и не подчинялись интернациональной гоночной формуле.
С 1968 г. гонки проводятся под руководством Французской федерации автомобильного спорта (FFSA) на Большой приз Франции.
Следует отметить, что параллельно с развитием двигателей всегда продолжались усовершенствования в области рациональной схемы расположения механизмов, конструкции кузовов, подвески и тормозных систем, способствовавшие улучшению динамических качеств гоночных автомобилей. Благодаря этому в последние годы на всех гоночных маршрутах типа GP были достигнуты более высокие средние скорости, чем перед войной, когда в период действия гоночной формулы 1934—1937 гг. мощность двигателей была больше.
Рис. 17. Автомобили формулы 1 1961- 1965 гг.: сверху «Вробсм» (V-8, 1,5 л) I9G-I г.; спилу «Лотос» (V-8, 1,5 л) 1965 г.
44
Рис. J8. Автомобили формулы I 1966—1980 гг.: сверху «Хонда» (V-12, 3 л) 1969 г; снизу « Бребем-Репко» (V-8, 3 л) 1969 г.
Таковы в самых общих чертах основные этапы технического развития гоночных автомобилей под влиянием применявшихся гоночных формул.
Обзор технического развития дорожно-гоночных автомобилей на протяжении 80 лет позволяет сделать ряд выводов.
1. Максимальная скорость дорожпо-гопочпых автомобилей выросла от 100 до 300 км/ч. Литровая мощность увеличилась с 5—8 л. с./л до 150—170 л. с./л, а для двигателей с наддувом почти до 400 л. с./л. Рост мощности был обусловлен повышением быстроходности двигателей с 1000 1200 об/мин до 9000— 12 500 об/мин и увеличением среднего эффективного давления от 5—6 кгс/см2 до 13 —14 кгс/см2 (для двигателей с наддувом до 30 кгс/см2).
Рис. 19. Гоночный .иг!..мобиль формулы I 1978 г. «Лотос»
45
Таблица 11. Результаты гонок на Большой приз АКФ и на Большой приз Франции в 1947—1978 гг.
Год Фирма автомобиля Полная дистанция» км Время Средняя скорость, км/ч Число кругов (длина одного круга, км) Количество участвовавших автомобилей Количество участвовавших фирм Место гонки
1947 «Тальбо» (Ф) 506 4 ч 3 мин 40,7 с 125,66 70 (7,2) 18 5 Лион
1948 «Альфа Ромео» (И) 500,16 3 ч 1 мин 7,5 с 165,69 64 (7,81) 18 7 Реймс
1949 «Делаэ» (Ф) 506 3 ч 34 мин 2,2 с 141,49 46 (11) 22 8 Сен-Годан
1950 «Альфа Ромео» (И) 500,2 2 ч 57 мин 52,8 с 168,72 64 (7,82) 17 5 Реймс
1951 «Альфа Ромео* (И) 604 3 ч 22 мин 11 с 178,7 77 (7,82) 23 5 Реймс
1952 «Феррари» (И) 387 3 ч 129,0 Разное (5,1) 19 6 Руан
1953 «Феррари» (И) 500 2 ч 44 мин 18,6 с 183,0 60 (8,35) 24 8 Реймс
1954 «Мерседес-Бенц»(ФРГ) 500 2 ч 42 мин 47,9 с 186,64 60 (8,35) 23 5 Реймс
1956 «Феррари» (И) 506 2 ч 34 мин 23,4 с 196,8 61 (83) 19 5 Реймс
1957 «Мазерати» (И) 507 3 ч 7 мин 46,4 с 161,0 77 (6,6) 15 5 Руан
1958 «Феррари» (И) 415 2 ч 3 мин 21,3 с 201,8 50 (8,3) 21 6 Реймс
1959 «Феррари» (И) 415 2 ч 1 мин 26,5 с 205,0 50 (8,3) 21 5 Реймс
1960 «Купер» (А) 415 1 ч 57 мин 24,9 с 212,1 50 (8,3) 21 7 Реймс
1961 «Феррари» (И) 431 2 ч 14 мин 17,5 с 192,8 52 (8,3) 26 7 Реймс
1962 «Порше» (ФРГ) 353 2 ч 7 мин 35,5 с 163,9 54 (6,54) 17 5 Руан
1963 «Лотос» (А) 439 2 ч 10 мин 54,3 с 201,6 53 (8,3) 19 8 Реймс
Продолжение табл- И
Год Фирма автомобиля Полная .дистанция, км Время Средняя скорость, км/ч Число кругов (длина одного круга, км) Количество участвовавших автомобилей Количество участвовавших фирм Место гонки
1964 «Бребем» (А) 373 2 ч 7 мин 49 с 175,1 57 (6,54) 17 5 Руан
1935 «Лотос» (А) 322 2 ч 14 мин 38,4 с 143,5 40 (8,55) 17 8 Клермон-Ферран
1966 «Бребем» (А) 398,5 1 ч 48 мин 31,3 с 220,2 48 (8.3) 17 9 Реймс
1967 «Бребем» (А) 353,7 2 ч 13 мин 21,3 с 159,1 80 (4,42) 15 7 Ле Маи
1968 «Феррари» (И) 393 2 ч 25 мин 4,9 с 161,7 60 (6,53) 18 9 Руан
1969 «Матра» (Ф) 306 1 ч 56 мин 47,4 с 157,2 38 (8,05) 13 5 Овернь
1970 «Лотос» (А) 306,9 1 ч 55 мин 57 с 158,4 38 (8,05) 20 8 Овернь
1971 «Тиррелл» (А) 319,5 1 ч 46 мин 41,7 с 179,7 55 (5,81) 23 10 Поль Рикар
1972 «Тиррелл» (А) 306 1 ч 52 мин 21,5 с 163,3 38 (8,05) 24 9 Овернь
1973 «Лотос» (А) 313,7 1 ч 41 мин 36,5 с 185,2 54 (5,8) 25 11 Поль Рикар
1974 «Лотос» (А) 263,1 1 ч 21 мин 55 с 192,7 80 (3,29) 22 12 Дижон
1975 «Феррари» (И) 313,7 1 ч 40 мин 18,8 с 187,7 54 (5,81) 26 16 Поль Рикар
1976 «Мак Ларен».(А) 313,7 1 ч 40 мин 58,6 с 186,4 54 (5,81) 26 14 Поль Рикар
1977 «Лотос» (А) 304 1 ч 39 мин 40,1 с 183,0 80 (3,8) 24 15 Дижон
1973 «Лотос» (А) 313,7 1 ч 38 мин 51,9 с 190,4 54 (5,81) 26 15 Поль Рикар
1979 «Рено» 304 1 ч 35 м 20,4 с 191,3 80 (3,8) Дижон
Таблица 12. Техническая характеристика гоночных автомобильных двигателей Большой приз ЛК.Ф и Большой приз Франции в 1947—1976 гг.
Год Марка 1 Число ЦИЛИНДРОВ Диаметр цилиндра, мм ?Ход поршня, мм Литраж двигателя, л Рабочий объем одного цилиндра, л Отношение хода поршня к диаметру цилиндра — — 1 Частота вращения, об/мин Степень сжатия Среднее эффективное давление, кгс/см- Литровая мощность, л. с./л Средняя скорость поршня, м/с • Наличие нагне-.тателя Тип распределительного механизма Максимальная ( скорость авто- | мобиля, км/ч 11ризо-пое место
о Ч ё о вс =г о £
1947 «Тальбо»(Ф) 6 93 110,0 4,5 0,750 1,18 210 4 200 8,0 10,0 47 15,4 Нет В. к. — I, III
1947 «Мазерати» (И) 4 78 78,0 1,5 0,375 1.0 225 7 500 — 18,0 150 19,6 Есть 2 в. р. в. — II
1948 «Альфа Ромео» (И) 8 58 70,0 1,5 0,185 1,21 260 7 500 7,0 21,1 175 17,5 » 2 в. р. в — I, 11, III
1949 «Делаэ» (Ф) 6 84 107,0 3,55 0,592 1,27 — — — — — — Нет В. к. — I
1950 «Альфа Ромео» (И) 8 58 70,0 1,48 0,185 1,21 300 8 500 — 21,5 202 19,8 Есть 2 в. р. в. — I, н
1951 «Альфа Ромео» (И) 8 58 70,0 1,48 0,185 1,21 385 9 500 — 24,6 260 22,1 » 2 в. р. в. 305 1
1951 «Феррари» (И) V-12 80 74,5 4,5 0,375 0,93 380 7 500 12,5 10,1 84,5 18,6 Нет 2 в. р. в 300 If, HI
1952 «Феррари» (И) 4 90 78,0 1,98 0,495 0,87 180 7 000 12,0 П,7 91,0 18,2 2 и. р. и. — 1, II, 111
1953 «Феррари» (11) 4 90 78,0 1,98 0,495 0,87 185 7 000 — 12,0 93,5 18,2 » 2 в. р. в — 1
1953 «Мазерати» (И) 6 75 75,0 2,0 0,332 1,0 200 8 000 15,0 11,2 100 20,0 2 в. р. в. — 11, 111
1954 «Мерседес-Беиц» (ФРГ) 8 76 68,8 2,5 0,311 0,9 260 8 500 — 11,0 104 19,5 2 в. р. в. 270 1,11
1956 «Феррари-Ланчиа» (И) V-8 76 68,5 2,5 0,310 0,9 280 8 500 — 11,9 112 19,4 » 4 в. р. в. — 1,11
1957 «Мазерати» (И) 6 84 75,0 2,5 0,415 0,89 275 7 600 11,7 13,0 ПО 19,0 » 2 в. р. в. 300 I
1958 «Феррари» (И) V-6 85 71,0 2,41 0,403 0,83 290 8 300 9,0 13,0 120 19,6 4 в. р. в. — 1
1960 «Ковентр и - Кл а й м икс» (А) 4 94 89,9 2,5 0,624 0,96 240 6 750 12,0 12,8 96 20,2 » 2 в. р. в. 280 1
1961 «Феррари» (И) V-6 73 58,8 1,5 0,25 0,81 190 9 500 9,8 12,0 127 18,6 » 4 в. р. в. - 1
1962 «Порше» (ФРГ) 8 66 54,6 1,5 0,187 0,83 180 9 300 — 11,6 120 16,9 » 4 в. р. в. — 1
1963 «Ковентри-Клан макс» (А) V-8 68 51,5 1,5 0,187 0,76 200 9 800 — 12,3 133 16,8 » 4 в. р. в. — 1
1965 «Ковентри-Клаймакс» (А) V-8 68 51,5 1,5 0,187 0,76 210 10 500 — 12,0 140 18,0 » 4 в. р. в. 280 1
1966 «Репко» (А) V-8 85 66,0 3,0 0,375 0,78 300 8 000 — 11,2 100 17,6 » 2 в. р. в — 1, HI
1968 «Феррари» (И) V-12 77 53,5 3,0 0,250 0,69 410 10 600 11 11,6 137 18,9 Нет 4 в. р. в — 1
1970 «Форд-Кос порт» (А) V-8 85,6 64,4 3,0 0,375 0,75 450 10 500 — 12,8 150 22,5 » 4 в. р. в. — I
1971 «Матра» (Ф) V-12 79,7 50 3,0 0,250 0,63 435 11 000 11 11,9 145 18,3 » 4 в. р. в. — —
1975 «Феррари» (И) 12 80 49,6 3,0 0,250 0,62 500 12 200 11,5 12,3 167 20,1 » 4 в. р. в. 295 1
1976 «Форд-Косворт» (А) V-8 85,7 64,8 3,0 0,375 0,76 465 10 500 И,1 13,3 155 22,6 » 4 в. р. в. — 1
Условные обозначения: в. к. — верхние клапаны с нижним распре тыре верхних распределительных вала.
48
Делительным валом; 2 в. р. в. — два верхних распределительных вала; 4 в. р. в. — че-
49
2. Трансмиссия и ходовая часть автомобиля (рама, подвеска, колеса, шины, управление) подверглись усовершенствованию в соответствии с требованиями, обусловленными увеличившейся скоростью.
3. Повышение скорости привлекло внимание конструкторов к разрешению вопросов, связанных с уменьшением потерь от сопротивления воздуха и использованием аэродинамических сил для улучшения сцепления колес с дорогой. В результате были разработаны рациональные внешние формы гоночных автомобилей (рис. 19).
4. Общая компоновка механизмов обеспечила очень низкое расположение центра тяжести, благодаря чему увеличились устойчивость автомобиля и его безопасность на поворотах при высокой скорости.
5. Развитие конструкции гоночных автомобилей является следствием обшетехиического прогресса и применения гоночных формул, способствовавших техническому совершенствованию автомобилей. Вместе с тем, как показывает анализ применявшихся гоночных формул, при их составлении в некоторых случаях были допущены ошибки.
В настоящее время гоночные автомобили изготовляются почти исключительно небольшими специализированными фирмами («Феррари», «Лотос», «Бребем», «Мак Ларек», «Тиррелл» и др.). Большинство из них получает двигатели от крупных моторостроительных заводов и пользуется поддержкой предприятий, выпускающих шины, колеса, топливную аппаратуру, коробки передач и другие детали и узлы автомобилей. За рекламные надписи на автомобилях некоторые коммерческие предприятия, не имеющие отношения к автомобильной промышленности, выделяют значительные субсидии.
Глава III
РАЗНОВИДНОСТИ
АВТОМОБИЛЬНЫХ ГОНОК И ТИПЫ
ГОНОЧНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
Автомобильные скоростные состязания могут быть разделены на несколько основных категорий: 1) дорожные гонки; 2) трековые гонки; 3) горные гонки; 4) рекордные заезды.
Каждый вид состязаний имеет свои специфические условия и определяет характер работы механизмов автомобиля.
6. Дорожные гонки
Для дорожных гонок используют замкнутые кольцевые маршруты, составленные из дорог нормального транспортного назначения с ровным и твердым покрытием, позволяющим развивать высокую скорость. Используются также кольцевые дороги, специально построенные для гонок в соответствии с требованиями ФГ1А. Дорожное кольцо состоит из прямых участков, крутых и отлогих поворотов, подъемов и спусков. Такой характер дороги обеспечивает всестороннее испытание автомобилей. Полная дистанция дорожной гонки типа Grand Prix обычно принимается в пределах 300—320 км. Длина одного круга редко превышает 20 км, а чаше заключается в пределах 3—15 км. Как показал опыт последних Десятилетии,-организация гонок на сравнительно коротких дорожных кругах имеет целый ряд преимуществ. Ограниченная длина круга дает возможность вести постоянное наблюдение за дорогой, что способствует безопасности гонщиков и зрителей. Работа судейского аппарата упрощается, технический контроль участников гонок по требует многочисленного персонала. Автомобили имеют возможность часто пользоваться услугами своего ремонтно-заправочного бокса. Сокращается период тренировки участников гонок для изучения ими круга. Для международных гонок это очень существенно, так как конкуренты, приехавшие из разных стран, обычно имеют в своем распоряжении всего несколько дней. “° время гонок участники легче определяют свое относительное
51
положение и непрерывно получают соответствующие сигналы от своих помощников, ведущих учет времени. Наконец, гонка может быть использована как спортивное зрелище; интервалы между проходами автомобилей сводятся к минимуму и не утомляют зрителей.
Все эти соображения привели к тому, что дорожные круги длиной в 50—100 км, часто применявшиеся до 1914 г., были оставлены.
Старт в дорожных гонках всегда дают общий (всем автомобилям сразу). При общем старте автомобили выстраиваются на дороге в несколько рядов, по две-три машины в каждом ряду. Места в первых рядах получают автомобили, показавшие наивысшую скорость в официально проверенной тренировке или при сдаче квалификационной нормы скорости, если таковая предусмотрена. Дорожно-кольцевые гонки чемпионата мира являются соревнованиями на высшем уровне в автомобильном спорте. В чемпионат мира в последние годы входит 15—17 гонок, утвержденных ФИА. Такие гонки проводились в Аргентине, Бразилии, ЮАР, па западе США, в Японии, Испании, Монако, Бельгии, Швеции, Франции, Англии, ФРГ, Австрии, Голландии, Италии, на востоке США и в Канаде. Результат чемпионата определяется по сумме очков, начисляемых гонщикам и фирмам по следующей шкале: за 1,2, 3, 4, 5 и 6-е места соответственно 9, 6, 4, 3, 2 и 1 очко. Кольцевые дороги, используемые для гонок чемпионата, весьма разнообразны, и поэтому средние скорости колеблются от 125 до 220 км/ч. Наиболее высокие средние скорости достигаются на кольцевых дорогах Италии (Монца) и Австрии (Цельтвег).
В дорожных гонках типа Большой приз гоночные автомобили не распределяются на классы и все участвуют на равных началах. Критерием для допуска автомобилей к участию в гонках является гоночная формула, определяющая технические данные машины. В настоящее время действуют три международные гоночные формулы.
1. По формуле 1 допускаются автомобили массой не менее 575 кг с двигателями 3 л без наддува или 1,5 л с наддувом, работающими на коммерческих сортах бензина; число цилиндров не более 12. Кроме того, на равных основаниях формула 1 допускает автомобили с газотурбинными двигателями и роторными двигателями тппа Ванкель. Литраж роторного двигателя определяется по объему одной рабочей камеры, умноженному на два. Газовые турбины объединяют с поршневыми двигателями, вычисляя условный рабочий объем газовой турбины по формуле Спира и Пении
С = Л (3,1/? - 7,63)70,09625,
где Л — площадь сечения соплового аппарата на выходе из статора; /? — степень сжатия в компрессоре.
При многоступенчатом компрессоре величина R представляет собой произведение степеней сжатия всех ступеней, причем для каждой центробежной ступени степень сжатия принимается равной •1,25, а для осевой — 1,15.
В последней формуле 1 ФИЛ впервые предприняла попытку предусмотреть возможность участия в гонках автомобилей с разнообразными типами двигателей. Это сделано с целью поощрения заводов, разрабатывающих двигатели принципиально нового устройства.
Увеличение литража поршневых двигателей по сравнению с условиями предыдущей формулы 1 было принято ФИА на основании рекомендаций многих заинтересованных организаций, известных специалистов и гонщиков. Накопленный опыт не подтверждает увеличения аварийности в гонках при использовании более мощных двигателей, а наличие запасов мощности повышает маневренность автомобиля, что способствует безопасности его эксплуатации.
2. К гонкам по формуле 2 допускаются автомобили с двигателем до 2 л. Наддув не разрешен, число цилиндров должно быть не более шести, число передач не более пяти, число ведущих колес не более двух. Масса автомобиля не менее 500 кг.
3. Формула 3 предписывает использование блока цилиндров и головки блока от серийного автомобиля, выпускаемого в количестве не менее 5000 шт. в год. Число цилиндров не более четырех, рабочий объем двигателя не более 2 л. Наддув не допускается, а весь воздух, поступающий в двигатель, должен проходить через дросселирующую шайбу с проходным сечением диаметром 24 мм и длиной 3 мм. Масса автомобиля не менее 440 кг.
Формула 3 рассчитана на то, чтобы организовать соревнования сравнительно простых и дешевых гоночных автомобилей. Такие автомобили по устройству ближе к серийным моделям, и их эксплуатация может дать сведения, полезные для усовершенствования автомобилей массового производства. Меньшая быстроходность автомобилей формулы 3 позволяет использовать их для начальной подготовки гонщиков.
Следует заметить, что формулы 2 и 3 оставляют достаточно широкие возможности форсирования двигателей. В результате автомобили этих формул отличаются высокими динамическими качествами.
По условиям всех трех формул автомобили должны иметь открытое расположение колес. Кроме того, предъявляется ряд требований, обусловленных соображениями безопасности: применение автоматического пускового устройства, раздельного привода передних и задних тормозов от тормозной педали, установка оредохранителыюй дуги за сиденьем водителя и т. п. Эти требования устанавливаются и систематически дополняются в так пазы-||1,|,ложеппи .1 международного спортивного кодекса
53
7. Треновыэ гонки
Трек, или автодром, представляет собой специальное дорожное сооружение, рассчитанное на движение автомобилей с высокой скоростью. В большинстве случаев трек состоит из двух пряхмых, соединенных закруглениями (виражами) большого радиуса, и имеет в плане более или менее правильную овальную форму. Длина треков колеблется в пределах 1,5—4 км; измерение длины производится по средней линии; ширина дорожки 15—30 м.
Виражи имеют наклон внутрь по направлению к центру поворота; превышение наружной кромки виража над внутренней доходит до 9—12 м. Уклон, минимальный в месте сопряжения прямой с виражом, постепенно достигает максимума в средней части поворота. В поперечном сечении виража уклон также не сохраняет постоянную величину, а увеличивается к внешней кромке; такое распределение уклона придает поперечному сечению виража вогнутый вид; профиль этого сечения обычно выполняется по параболе третьей или четвертой степени. Назначение наклонных виражей состоит в том, чтобы освободить автомобиль на повороте от боковых усилий. При наклонном положении автомобиля равнодействующая от силы тяжести и центробежной силы должна быть нормальной к поверхности трека. Так как центробежная сила зависит от скорости движения, то и наклон виража должен быть переменным сообразно скорости: чем больше скорость автомобиля, тем выше он должен идти по виражу, вдоль полосы с более сильным наклоном. В противном случае автомобиль будет подвержен боковому действию центробежной силы.
В плане только средняя часть виража строится как дуга окружности радиусом 250—500 м. Эта дуга сопрягается с прямыми при помощи соединительных участков, выполненных по спирали с постепенным изменением радиуса поворота от г — оо в месте сопряжения с прямой до постоянного радиуса дуги окружности, по которой построена средняя часть виража. Такая конструкция трека обеспечивает плавный вход и выход из виража на высоких скоростях.
Отсутствие крутых плоских поворотов позволяет автомобилям идти по треку на полном газе и развивать более высокие средние скорости, чем в дорожных гонках. Все же скорость на треке не равна максимально достижимой на прямом участке, так как при движении автомобиля по наклонному виражу увеличивается сопротивление качению под влиянием дополнительной нагрузки от центробежной силы.
Дистанция трековых гонок изменяется в весьма широких пределах — от 160 до 800 км. Автомобили классифицируются по литражу их двигателей или в соответствии с требованиями специальных формул. Трековые гонки распространены в США, располагающими несколькими подходящими автодромами.
54
g
I
Таблица 13. Результаты 500-мильных гонок по треку в Индианаполисе в 1911
(200 кругов по 4 км, дистанция 800 км)
СО . - 00 со — CN СО — со
О b-'t СЧ О rf - 00 со
СО —* 04 ’Г сч СО 00 04
СО rf -чГ ТГ1Л 5Г LQ со LO
CONOO ° t< о г- —Г ю со ю <о
55
Продолжение табл- 13
Год Гоночная формула Фирма автомобиля Характеристика двигателя: количество цилиндров (рабочий объем) Бремя Средняя скорость, км/ч
1934 Ограничение расхода топлива «Миллер» (США) 4 (3,6 л) 4 ч 46 мин 5,2 с 168,71
1935 (17,7 л/100 км) То же «Миллер» (США) 4 (4,3 л) 4 ч 42 мин 22,7 с 170,92
1936 )> «Миллер» (США) 4 (4,2 л) 4 ч 35 мин 2 с 175,49
1937 Рабочий объем не более 6 л, «Оффенхаузер» (США) -1 (4,2 л) 4 ч 24 мин 7,8 с 182,00
1938 нагнетатели допускаются Рабочий объем до 3 л с на- «Миллер» (США) 4 (4,4 л) 4 ч 15 мин 58,4 с 188,7
1939 гнетателем; до 4,5 л без нагнетателя Рабочий объем до 3 л с на- «Мазерати» (И) 8 (3 л) с нагнетателем 4 ч 20 мин 47,4 с 185,09
1940 гнетателем; до 4,5 л без нагнетателя То же «Мазерати» (И) 8 (3 л) с нагнетателем 4 ч 22 мин 31,2 с 183,98
1941 » «Оффенхаузер» (США) 4 (4,5 л) 4 ч 20 мин 36,2 с 185,22
1946 » «Торн» (США) 6 (3 л) с нагнетателем 4 ч 21 мин 16,7 с 184,74
1947 » «Оффенхаузер» (США) 4 (4,45 л) 4 ч 17 мин 52,2 с 187,93
1948 » «Оффенхаузер» (США) 4 (4,4о л) 4 ч 10 мин 23 с 192,78
1949 «Оффенхаузер» (США) 4 (4.4 л) 4 ч 7 мин 16 с 195,21
1950 }) «Оффенхаузер» (США) 4 (4,4 л) 2 ч 46 мин 55 с 199,52
1951 /> «Оффенхаузер» (США) 4 (3,95 л) 4 (4.5 л) 4 (4,43 л) (345 миль) 3 ч 57 мин 38 с 203,12
1952 » «Оффенхаузер» (США) 3 ч 52 мин 42 с 207,56
1953 «Оффенхаузер» (США) 3 ч 53 мин 1,7 с 207,14
1954 » «Оффенхаузер» (США) 4 (4,5 л) 3 ч 49 мин 17,3 с 210,46
1955 » «Оффенхаузер» (США) 4 (4.5 л) 3 ч 53 мин 59,5 с 206,30
1956 1957 » Рабочий объем до 2,8 л с на- «Оффенхаузер» (США) «Оффенхаузер» (США) 4 (4,5 л) 4 (4,2 л) 3 ч 41 мин 14,25 с 206,20 218,18
1958 гнетателем; до 4,2 л без нагнетателя То же «Оффенхаузер» (США) 4 (4,2 л) 3 ч 44 мин 13,8 с 215,26
Продолжение табл- 13
Год Гоночная формула Фирма 2ВТО?40бИЛЯ Характеристика двигателя: количество цилиндров (рабочий объем) Время Средняя скорость, км/ч
1959 Рабочий объем до 2,8 л с на- «Оффенхаузер» (США) 4 (4,2 л) 3 ч 40 мин 49,2 с 218,59
гнетателем; до 4,2 л без на-
гнетателя
1960 То же «Оффенхаузер» (США) 4 (4,2 л) 3 ч 36 мин 11,36 с 223,28
1961 » «Оффенхаузер» (США) 4 (4,2 л) 3 ч 35 мин 37 с 223,86
1962 » «Оффенхаузер» (США) 4 (4,2 л) — 225,72
1963 » «Оффенхаузер» (США) 4 (4,2 л) 3 ч 29 мин 35 с 230,30
1964 » «Оффенхаузер» (США) 4 (4,2 л) — 237,08
1965 » «Лотос» (А) 8 (4,2 л) 3 ч 19 мин 5,34 с 242,45
1966 » «Лола» (А) 8 (4,2 л) 3 ч 27 мин 52 с 232,35
1967 » «Койот-Форд» (США) 8 (4,2 л) 3 ч 18 мин 24 с 243,50
1968 » «Игл» (США) 4 (2,8 л) 3 ч 16 мин 14 с 246,04
1969 Рабочий объем до 2,64 л с на- «Хаук-Форд» (США) 8 (2,64 л) — 252,8
гнетателем; до 4,2 л без на-
гнетателя
1970 То Же «Колт-Форд» (США) 8 (2,64 л) 3 ч 12 мин 37 с 250,65
1971 » «Колт-Форд» (США) 8 (2,64 л) 3 ч 10 мин 11 с 253,84
1972 » «Мак Ларен» (А) 4 (2,64 л) 3 ч 3 мин 31 с 263,00
1973 » «Игл» (США) 4 (2,64 л) — 256,00
1974 «Мак Ларен» (А) 4 (2,64 л) 3 ч 9 мин 10 с 254,30
1975 «Игл» (США) 4 (2,64 л) — 240,50
1976 » «Мак Ларен» (А) 4 (2,64 л) — 239,34
1977 » «Койот-Форд» (США) 8 (2,64 л) 3 ч 5 мин 259,6
1978 » «Чеперрел» (США) 8 (2,64 л) 3 ч 5 мин 54 с 259,68
1979 » «Пёнске Косворт» 8 (2,64 л) 3 ч 8 мин 48 с 255,65
Примечание. В графе о фирме автомобиля марки «Оффенхаузер» и «Миллер» относятся к марке двигателя.
Приведем краткие сведения о некоторых известных автомобильных треках.
Трек Лина Монлери в окрестностях Парижа, построенный в 1925 г.: длина 2,5 км; имеет хорошее бетонное покрытие и правильную овальную форму; ширина около 18 м, скорость прохождения отдельных кругов достигала 238 км/ч.
В Европе новейшим является трек в Монца (Италия); его капитальная реконструкция, рассчитанная на повышение скоростей, была закончена в 1955 г. Длина трека составляет 4,25 км, высота виражей 6 м, уклон виражей достигает 38°. В гонке на 800 км на этом треке в 1958 г. была достигнута средняя скорость 268 км/ч (на отдельных кругах до 282 км/ч).
США ..располагают, треком в Индианаполисе длиной 4 км, шириной 15 м. В плане трек имеет прямоугольную форму с закругленными углами. Уклон виражей незначительный — 9° 12'. Прямые участкиАимеют длину соответственно 1000 и 200 м. Покрытие — хороший асфальт. На этом треке ежегодно устраивается 500-мильная гонка. Большинство автомобилей, участвующих в этих гонках, имеет двигатели мощностью 800—900 л. с. Средняя скорость в последние годы составляет 240—264 км/ч (табл. 13); в конце прямой скорость достигает 360 км/ч. Трек в Дайтоне (США) имеет в плане триовальную форму (с дополнительным отлогим поворотом на одной из сторон овала), длина 4 км. Уклон основных виражей 31°, дополнительного 18°. На треке Талладега (США) с высокими виражами и длиной 4,28 км в 1975 г. была зарегистрирована скорость для одного круга — 355,922 км/ч (М. Донохью на гоночном автомобиле «Порше Турбо 917-30», 1150 л. с.).
8. Горные гонки
Горные гонки имеют незамкнутый маршрут длиной 1—20 км. Дорога выбирается в гористой местности и всегда состоит из целого ряда поворотов с минимальными прямыми участками между ними. Угол поворота часто составляет 180°. Начиная от старта, расположенного у подножия горы, дорога непрерывно идет вверх; финиш на 100—1600 м выше старта, в зависимости от дистанции.
Характер дороги позволяет развивать среднюю скорость обычно не больше 100—130 км/ч. Стартуют конкуренты всегда раздельно, и следующий автомобиль пускают после окончания пробега дистанции предыдущим.
Классификация конкурентов производится по литражу двигателей или международным формулам.
9. Рекордные заезды
Особое место в автомобильном спорте занимают рекордные за" езды. Рекордом называется высшая скорость, когда-либо зареги" стрированная на данной дистанции или в данный промежуток 58
времени. Регистрируются рекорды на дистанциях 0,4; 0,5; 1; 10; 100; 500; 1000; 5000; 10 000; 25 000; 50 000; 100 000 км и на промежутках времени в 1; 6; 12; 24 ч. Кроме того, регистрируются рекорды на дистанциях, измеряемых в английских милях (1 миля = = 1,609 км).
Рекорды на малых дистанциях доступны только специальным гоночным автомобилям. Сравнительно редко обновляются рекорды на больших дистанциях, измеряемых десятками и сотнями тысяч километров. Эти рекорды, установленные на автомобилях стандартного типа с некоторыми незначительными модификациями, демонстрируют не только скорость, ио и долговечность современного автомобиля. Для регистрации рекордов AIACR разработала классификацию автомобилей, в основу которой положен рабочий объем двигателя. Эта классификация была утверждена AIACR в 1924 г.
По международной классификации предусмотрено И интернациональных классов автомобилей:
Класс А .... Рабочий объем свыше 8000 см3
» В .... » » 5000 до 8000 СМ3 вкл.
С . . . . » » 3000 » 5000 »
» D .... » » в 2000 » 3000 » »
» Е .... » » 1500 » 2000 » »
F . . . . » » » 1100 » 1500 » »
» G .... » » » 750 » 1100 » »
Н .... » 500 » 750 в
> I .... » 350 » 500 »
» J .... » в » 250 » 350 » »
к .... » » До 250 см3
Кроме того, предусмотрены специальные классы автомобилей с дизелями и газовыми турбинами.
Рекорды автомобилей с дизелями регистрируются отдельно, ввиду того что при современном состоянии техники они еще не могут состязаться с двигателями, работающими по циклу Отто. Для них тоже применяется вышеприведенная классификация по литражу двигателя.
Гоночные автомобили с газовыми турбинами служат главным образом для экспериментов и пока довольно малочисленны, поэтому их классификация находится в зачаточном состоянии. Она сводится к разделению таких автомобилей на три класса по общей массе: А — свыше 1000 кг; В — свыше 500 кг, но не более 1000 кг; С — не более 500 кг.
С 1964 г. регистрируются рекорды на автомобилях с реактивными двигателями, но разделение на классы для них пока не предусмотрено.
Абсолютный рекорд скорости представляет собой наивысшую скорость, достигнутую машиной с любыми техническими данными, но движение которой сопряжено с взаимодействием с поверхностью земли.
59
Таблица 14. Результаты заездов на 1 км с хода
Различают рекорды классов и мировые рекорды. Рекордом класса называется высшая скорость, когда-либо зарегистрированная па данной дистанции или в данный промежуток времени для автомобилей того или иного интернационального класса. Мировым рекордом называется высшая скорость на данной дистанции или за данный промежуток времени независимо от класса машины. По вполне очевидным причинам часть мировых рекордов принадлежит автомобилям класса А.
Наиболее высокую скорость автомобили всех классов развивают на малых дистанциях: 1 км и 1 милю. Абсолютный рекорд в последние годы принадлежит автомобилю с реактивным двигателем. В табл. 14 приведены результаты некоторых заездов, регистрировавшихся в качестве рекордов, которые дают возможность судить о предельных скоростях автомобилей различных классов. Местом для установления рекордов на большие дистанции служат треки; для рекордов на короткие дистанции (1—5 км) используют участки автострад шириной не менее 30 м при условии, что максимальная скорость автомобиля не больше 450 км/ч. Этим же целям иногда служили естественные треки.
Для абсолютных рекордов скорости наиболее приемлемыми остаются естественные треки, как, например, дно высохшего Соляного озера (Salt lake) в штате Юта и отмель Дайтонского побережья (США), вследствие их большой длины и ровной твердой поверхности. Очень хороший естественный трек на Соляном озере расположен на высоте 1200 м над уровнем моря. Имеются естественные треки в СССР, Австралии и Южной Америке.
Как отмечено выше, разделение по литражу применяется также в дорожных и трековых гонках; однако в этих условиях не всегда придерживаются пределов рабочего объема, предусмотренных для установления рекордов. Наивысшего технического развития достигают классы автомобилей, соответствующие или близкие по литражу интернациональной формуле для гонок типа GP и другим формулам, принятым для дорожных гонок. Автомобили этих классов распространены особенно широко.
10. Типы гоночных автомобилей
В основных видах гонок имеют место существенные различия в условиях работы автомобиля и его механизмов. Во время дорожной гонки периоды движения с максимальной постоянной скоростью кратковременны и часто сменяются интенсивным торможением, взятием поворотов с уменьшенной скоростью и разгоном. Гоночный автомобиль для дорожных состязаний должен обладать комплексом качеств, аналогичных качествам обычных автомобилей. Это свойство дорожных гонок представляет большой практический интерес, так как дает возможность использовать технический опыт эксплуатации гоночных автомобилей для нормальных конструкций.
60
61
Рис. 20. Дорожно-гоночный автомобиль «Феррари» (3 л)
Рис. 21. Дорожно-гоночный автомобиль «Тиррелл-Форд» (3 л)
Трековые гонки требуют от автомобиля длительной работы на максимальной скорости; скорость разгона имеет второстепенное значение, торможение во время гонки вообще не производится.
В горных гонках максимальная скорость на высшей передаче совсем не используется, зато двигатель часто работает с высокой частотой вра:цепия па промежуточных передачах. Большое значение имеют поворотливость, эффективность торможения и приемистость.
Рекорды па большие расстояния создают для автомобиля такие же условия работы, как трековые гонки. При установлении рекордов на короткие расстояния с хода (1—10 км) машина движется с максимальной скоростью по прямой линии; при ограниченной длине дороги здесь тоже требуется интенсивный разгон и быстрое торможение. Маневренность в данном случае имеет меньшее значение. Существенную роль играет способность автомобиля держать прямое направление при действии сильного давления воздуха и порывов бокового ветра, а также сохранять правильное распределение нагрузки на оси.
Различия в условиях работы находят свое отражение в конструкции автомобиля, приспособленной к определенному типу состязаний. В связи с этим гоночные автомобили [69, 75] делятся на дорожно-гоночные (рис. 20, 21 и 22), горно-гоночные и рекордные (рис. 23).
Общим для всех типов является стремление к возможно большей мощности в пределах ограничений, поставленных формальной классификацией. Наиболее форсированные двигатели ставятся па рекордные автомобили для малых дистанций, так как надежность в длительной работе, как правило, уменьшается при переходе к очень высокой удельной мощности. Дорожно-гоночные автомобили имеют очень эффективные тормозные устройства 62
к обтекаемые кузова с открытыми колесами. Рекордные автомо-били для коротких дистанций отличаются тщательностью разработки конструкции обтекаемого кузова, охватывающего колеса, и нередко отсутствием тормозов па передних колеса::; угол поворота управляемых колес весьма ограничен; запас топлива невелик, в соответствии с дистанцией. На горно гоночных автомобилях часто отказываются от установки обтекаемы;; кузовов; особое внимание уделяют снижению массы машины; расстояние между осями уменьшают для увеличения поворотливости. Трековые автомобили можно рассматривать как промежуточный тип между дорожно-гоночными и рекордными. Из практики автомобильных гонок известно, что не исключена возможность успешного использования одной и той же машины в дорожных, трековых и горных состязаниях. В большинстве случаев посредством незначительных модификаций шасси и двигателя (передаточных отношений коробки передач и главной передачи, степени сжатия, размера диффузора и т. п.) автомобиль может быть приспособлен для определенного типа гонок. В силу этого классификация гоночных
'Трис- Диухлестиий гоночный автомобиль «Порше 917-30» (5,1 л)
Рис. 23. Рекордный автомобиль «Харьков-Л» (СССР; 0,25; 0,35; 0,5 и 0,75 л)
63
автомобилей по назначению приобретает довольно условный характер.
Исключением являются автомобили класса А для рекордов па небольшие дистанции, совершенно непригодные для продолжительной работы и движения на поворотах вследствие недолговечности их шин, огромного расхода топлива, большой массы, неповоротливости и значительных габаритных размеров, обусловленных количеством и мощностью двигателей (один — четыре двигателя общей мощностью 2000—5000 л. с.). Такими же особенностями отличаются рекордные автомобили с реактивными двигателями.
Особую группу составляют и так называемые дрегстеры (dragster) — автомобили для гонок на короткие дистанции со стартом с места. Эти гонки широко распространены в США; дистанция обычно 400 м (V4 мили), реже 800 м (*/2 мили) или 1 км. Для дрег-стера характерны облегченная конструкция, большой литраж двигателя, необтекаемая форма и высокая статическая загрузка задней оси (до 80% силы тяжести).
Оценка результатов гонок производится, как правило, по средней скорости, показанной участниками. Однако в некоторых гонках оценка результатов, показанных автомобилями разных классов, производится по коэффициенту отдачи, вычисляемому по так называемым квалификационным формулам. Например, в 24-часовых гонках в Ле Ман коэффициент отдачи вычисляли по формуле
где Dk — фактически пройденное за 24 ч расстояние, км; D — заданное расстояние, км,
D = 4000 (Ул - 150)/(/л - I- 150);
—литраж двигателя, см3 (при наличии наддува Ил умножают на 1,3).
Постоянные коэффициенты этой^формулы периодически изменялись на основе анализа результатов гонок и технических характеристик автомобилей.
Технические результаты гонок в Ле Ман оценивают также по «энергетическому коэффициенту /». Его определяют так:
/ = E-JE2,
где/Ej = 2,5 -h Ра3/2- 10s; Р — масса автомобиля, т; v — средняя скорость, показанная автомобилем, км/ч; Е2 — расход топлива, л/100 км.
В заключение необходимо отметить различие между гоночными и спортивными автомобилями, хотя последние в настоящей работе и не рассматриваются.
Согласно установившимся в автомобильной технике понятиям, гоночным считается автомобиль, спроектированный и изготовленный специально для использования в гонках; такой автомобиль всегда непригоден для обычной эксплуатации по целому 64
ряду технических и экономических соображений. Под спортивным автомобилем принято понимать автомобиль с повышенными динамическими качествами, пригодный как для скоростных соревнований, ограниченных определенной регламентацией, так и для нормальной транспортной эксплуатации. Однако эти весьма общие определения совершенно недостаточны для отнесения определенного автомобиля к той или другой категории.
Классификация спортивных автомобилей, позволяющая четко отделить их от гоночных автомобилей, представляет значительные затруднения; по сути дела эта проблема, существующая десятки лет, не решена в полной мере по сей день. Обычно к спортивным автомобилям предъявляют различные требования в отношении устройства кузова, электрооборудования, сорта применяемого топлива и т. п., определяющие пригодность автомобиля для транспортной эксплуатации. Специальный гоночный автомобиль может быть переоборудован дополнительно, для того чтобы он удовлетворял всем этим требованиям, но, по существу, он [при этом остается специальным гоночным автомобилем и даже может быть изготовлен с единственной целью выиграть определенную гонку или серию гонок.
В 1965 г. ФИА ввела всеобъемлющую классификацию автомобилей, используемых в скоростных соревнованиях. Она сохранилась до настоящего времени без особых изменений. Классификация предусматривает разделение автомобилей на следующие группы: группа 1— легковые автомобили серийного производства (минимальный выпуск 5000 шт. в год); группа 2 — легковые автомобили (минимальный выпуск 1000 шт. в год); группа 3 — серийные автомобили большого туризма (минимальный выпуск 1000 шт. в год); группа 4 — автомобили большого туризма (минимальный выпуск 400 шт. за два года); группа 5 — специальные легковые автомобили, производные от автомобилей групп 1—4; группа 6— двухместные гоночные автомобили; группа 7 — гоночные автомобили международных формул; группа 8 — гоночные автомобили «свободной формулы».
В этих группах автомобили делятся на классы по рабочему объему двигателя, причем, если используется наддув, то фактический рабочий объем умножается на коэффициент 1,4; в группах, содержащих гоночные формулы, рабочий объем устанавливается техническими требованиями формул.
Под автомобилями большого туризма подразумеваются автомобили с повышенной динамикой и комфортабельностью. В автомобилях групп 1 и 3 по правилам ФИА допускаются только незначительные изменения конструкции при подготовке к гонкам; для групп 2 и 4 таких ограничений гораздо меньше. Автомобиль группы 5 должен в основном сохранять внешнее сходство с базовой моделью («силуэтная» формула) и может подвергаться капитальным конструктивным изменениям в основных механизмах, что приближает его по быстроходности к гоночным автомобилям.
з В. В. Ьекмаи ^5
Поскольку автомобили рассмотренных выше формул 1, 2 и 3 (группа 7) по требованиям ФИА имеют открытое расположение колес, автомобили группы 6 помимо наличия второго сиденья отличаются от автомобилей группы 7 более обтекаемым кузовом, охватывающим колеса. К группе 8 относятся гоночные автомобили, изготовленные в соответствии с требованиями различных национальных формул, отличающимися от требований ме?кдународных формул. Например, известны формулы Автомобильного клуба США (для гонок в Индианаполисе) и формула Фау (для автомобилей из агрегатов марки «Фольксваген»), а также другие.формулы, базирующиеся на использовании механизмов определенной марки. Таким образом, группа 8 по сути дела не относится к автомобилям «свободной» формулы в ее историческом смысле.
По современным масштабам минимальные объемы производства, требуемые для автомобилей групп 1—4, весьма невелики и поэтому шансы на успех в гонках имеют не автомобили массового изготовления, а модели, в которых заложены конструктивные элементы спортивного типа.
Некоторые фирмы используют экспериментальные гоночные автомобили, спроектированные не для соревнований, а для испытания новых деталей, механизмов и компоновочных схем. Примером может служить гоночный автомобиль «Мерседес-Бенц» C111-III с обтекаемым закрытым двухместным кузовом и 5-цилиндровым дизелем (3 л, 230 л. с.), установивший в 1978 г. ряд мировых рекордов на больших дистанциях со средними скоростями 314— 321 км/ч. Вариант этой модели C111-IV 1979 г. с бензиновым двигателем V-8 (500 л. с.) прошел один круг на треке Нардо (Италия) с высшей для кольцевого маршрута скоростью 403,81 км/ч.
Глава IV
ГОНОЧНЫЕ
АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
11. Общие принципы форсирования двигателей
Из многочисленных требований, предъявляемых к транспортным двигателям внутреннего сгорания, наиболее важными для гоночного автомобиля являются: 1) высокая мощность и хорошая приемистость; 2) малая масса; 3) надежность в пределах ограниченного срока службы.
Первое требование должно считаться следствьем назначения гоночного автомобиля; только увеличение мощности наряду с уменьшением сопротивления движению может обеспечить максимальную скорость. Второе требование также радикально влияет па динамические качества, находящиеся в прямой зависимости от отношения мощности к массе. Чем меньше общая масса автомобиля, значительная часть которой приходится на двигатель, тем выше, при прочих равных условиях, его скорость и лучше приемистость. Масса двигателя становится предметом особого внимания, если гоночная формула лимитирует максимум массы автомобиля. В этом случае всякая полученная экономия массы двигателя может быть обращена на увеличение его рабочего объема, т. е. при данной массе литраж двигателя может быть больше. Надежность необходима, чтобы избежать вынужденных остановок, поломок и аварий во время гонок. Интервалы между первыми тремя автомобилями на финише даже при дистанции 300—320 км обычно измеряются секундами, а иногда и долями секунды. Поэтому остановка, вызванная самой незначительной причиной, совсем ничтожной в условиях обычной эксплуатации, может привести лидирующий гоночный автомобиль к неожиданному поражению. Остальные требования, касающиеся долговечности, стоимости, экономичности, простоты ремонта и ухода, отходят на задний план. Они могут быть принесены в жертву развитию первых трех качеств. Впрочем, иногда и расход топлива Должен приниматься в расчет: автомобиль, способный пройти полную дистанцию с минимальным количеством остановок для
3* 67
принятия запасов топлива, показывает более высокую среднюю скорость.
Мощность двигателя определяется количеством тепловой энергии, переведенной в механическую работу в единицу времени, т. е. расходом топлива в единицу времени. Работа двигателя, как работа всякой машины, связана с целым рядом потерь. Поэтому мощность двигателя зависит также от к. п. д., который характеризует полноту перехода тепловой энергии в механическую работу. Основная задача конструктора гоночного двигателя заключается в получении максимально возможного количества полезной работы в единицу времени и, следовательно, в увеличении общего расхода топлива и к. п. д. Как будет показано в дальнейшем, оба средства применяются для получения высокой мощности, хотя тот или другой фактор может превалировать в зависимости от принятой конструкции. Влияние различных потерь на мощность двигателя характеризуется его к. п. д.
Эффективная мощность четырехтактного двигателя (л. с.) может быть выражена формулой
Ne = 0,0000475T]„1T)gT]/T]J'/l/7g/z; (1)
для двухтактного двигателя
Ne 0,000095т],„rigrpijj7///?' (2)
В этих формулах: т)т — механический к. п. д., характеризующий потери па трение и насосные потери; T]g— относительный к. п. д., определяющий потери теплоты через стенки камеры сгорания и цилиндра в действительном цикле; r)z—термический к. п. д., характеризующий потерю вследствие неполноты расширения продуктов сгорания в идеальном цикле (в нетеплопроводном цилиндре); т]а — коэффициент наполнения, определяющий совершенство наполнения цилиндра горючей смесью, т. е. отношение действительной массы свежего заряда к теоретической массе заряда при давлении и температуре атмосферы; Vfl — литраж двигателя, л; Нг — теплотворная способность 1 м3 рабочей смеси при нормальном давлении и температуре и при коэффициенте избытка воздуха а = 1 ккал/м3; п — частота вращения коленчатого вала, об/мин.
На основании формул (1) и (2) литровая мощность: для четырехтактных двигателей
Л/л = NJVh = 0,0000475т],nT]gT]zTi0//g«; (3)
для двухтактных двигателей
Nn = 0,000095r]mr]gr]zr]o/7gn. (4)
Двухтактные двигатели встречаются на гоночных автомобилях как редкое исключение (например, на рекордном автомобиле «Звезда НАМИ»), поэтому ниже более детально рассматривается только формула (3). По ней можно вычислить максимальное зна-68
чение литровой мощности, если правильно оценить работу двигателя, выбрав наиболее благоприятные и в то же время реальные значения факторов правой части уравнения. Определим по этой формуле максимальную литровую мощность двигателей бее наддува и с наддувом па основании оптимальных реализованных значений к. п. д. и при высокойкчастоте вращения, свойственней гоночным конструкциям. /
1. Двигатель без наддува. Выберем следующие численные значения: r]m = 0,65, такой механический к. п. д. был получен при испытании высококачественного гоночного двигателя NSU (125 см3), развивающего максимальную мощность при 10 000— 11 000 об/мин; т)„ = 0,7 — по Рикардо это значение относительного к. п. д. характеризует тепловые потери гоночных моторов с камерами сгорания весьма выгодной шатровой формы; т]0 = = 1,25, при соответствующем подборе размеров всасывающего тракта двигателя можно добиться значений т|0, превышающих единицу, за счет использования колебаний горючей смеси, поступающей в цилиндр, в частности при испытании гоночного мотора NSU (0,25 л) было зафиксировано значение т|0 = 1,3; r|z = 0,64 при степени сжатия е = 12; частота вращения п — 12 200 была практически осуществлена на многих гоночных двигателях; Hg — теплотворная способность горючей смеси, для всех видов жидкого топлива почти одинакова; средней величиной можно считать Hg = 825 ккал/м3.
Подставляя эти значения в формулу (3), получим N„ = = 174 л. с./л. Этот результат подтверждается испытаниями гоночных двигателей формулы 1.
Практика мотоциклостроения доказывает возможность дальнейшего усовершенствования автомобильных двигателей без наддува.
2. Двигатель с наддувом. Для двигателя с приводным нагнетателем принимаем т|,„ = 0,5. Низкий механический к. п. д. получается как вследствие быстрого возрастания потерь на трение с увеличением частоты вращения, так и вследствие затраты мощности на привод нагнетателя.
Форма камер сгорания двигателей с наддувом мало отличается от формы камер сгорания двигателей без нагнетателей, поэтому тепловые потери оцениваем тем же значением коэффициента т]г = = 0,7. Коэффициент гр = 5 осуществим прп высоких давлениях наддува 1 (на двигателе BRM 1,5 л около 5 кгс/см2); тр = 0,52 при степени сжатия е — 6. Высокое давление наддува обязывает к снижению степени сжатия по сравнению с двигателями без наддува, во избежание чрезмерного повышения температуры в конце
1 В данном ориентировочном расчете коэффициент наполнения отнесен к атмосферным условиям. Обычно этот коэффициент относят к состоянию воздуха или смеси после нагнетателя, учитывая повышение их удельного веса в нагнетателе.
69
хода сжатия и появления детонации; Hs = 825 ккал/м3; п = = 11 000 об/мин.
Подставляя принятые значения в формулу (3), получим Л/л = = 390 л. с./л. Результат соответствует максимальной литровой мощности двигателей с наддувом 1 посредством приводного нагнетателя.
Двигатель с турбонаддувом не требует отбора мощности от коленчатого вала. Поэтому его механические потери можно оценить более высоким значением т]от = 0,7. Если принять т]и = = 3,5, п = 9000 об/мин, а остальные коэффициенты, как в предыдущем примере, то по формуле (3) определим N„ = 315 л. с./л, что приблизительно соответствует удельной мощности известного двигателя «Оффенхаузер» 2,64 л.
Разумеется, вычисленные по формуле (3) литровые мощности не являются физическим пределом, а только показывают предельные возможности на данном этапе развития техники вследствие того, что при вычислении были использованы результаты экспериментального исследования существующих двигателей. Непрерывная работа над форсированием двигателей несомненно приведет к дальнейшему росту их литровой мощности.
Сравнивая двигатели с наддувом и без наддува и возвращаясь к положению, согласно которому мощность зависит от расхода топлива в единицу времени и от к. п. д., нетрудно усмотреть между этими категориями двигателей существенное различие.
Двигатель без наддува работает с более высоким механическим к. и. д. и высокой степенью сжатия; поэтому здесь обеспечены хорошее теплоиспользование (высокий t]z) и малый удельный расход топлива; мощность двигателя ограничена более низким коэффициентом наполнения.
Двигатель с наддувом посредством приводного нагнетателя работает с более низким механическим к. п. д. и низкой степенью сжатия, обусловливающей посредственное теплоиспользование (низкий 1]/) и повышенный удельный расход топлива; при турбонаддуве механические потери меньше, но снижение степени сжатия также необходимо; вместе с тем любой способ наддува резко увеличивает коэффициент наполнения, чем определяется значительный общий расход топлива в единицу времени. Большой расход энергии (топлива) в данном случае обеспечивает высокую литровую мощность, несмотря на плохое теплоиспользование.
Рассматривая гоночные двигатели без наддува, Г. Р. Рикардо определил их значение в обширной семье различных двигателей внутреннего сгорания следующими словами: «Гоночный двигатель представляет собой не более/и (не^менее.’как высококачественный двигатель внутреннего сгорания, который тщательно спроектирован на чисто научных основаниях и работа которого с точки зрения
1 Большая литровая мощность была получена за счет высокого давления наддува — 4,7 кгс/см3.
70
термодинамической должна считаться совершенно нормальной».
О теплоиспользовании в обоих типах двигателей можно судить по эффективному к. п. д.
= ЛРкПи = 632 • lQ3/(qeHu), где qe— удельный расход топлива, г/(э. л.с. ч); //„—низшая теплотворная способность топлива, ккал/кг.
Еще в 1929 г. двигатели «Пежо» без наддува, принимавшие участие в гонке на Большой приз АКФ, показали удельный расход 179 г/(э. л. с. ч), что при низшей теплотворной способности бензина Ни = 10 500 ккал/кг соответствует эффективному к. п. д., приблизительно равному 0,34. Низкий расход бензина, показанный гоночным автомобилем «Пежо», все же не является рекордным. На некоторых двигателях впоследствии удалось добиться расхода qe — 140 г/(э. л. с. ч) при степени сжатия е = 10, т. е.
увеличился до 0,43.
В противоположность этому удельный расход топлива у гоночных двигателей с наддувом посредством приводного нагнетателя, работающих на алкогольных смесях с низшей теплотворной способностью Ни = 4000 ккал/кг, нередко составляет 700 — 800 г/(э. л. с. ч), а в некоторых конструкциях доходит до 1800 г/(э. л. с. ч), что соответствует т]й менее 10%. Более экономичны двигатели с турбонаддувом. Двигатель «Порше 917-10» такого типа расходовал 230—260 г бензина на 1 э. л. с. ч.
Таким образом, эффективный к. п. д. двигателя с наддувом ниже, чем у двигателя без наддува, вследствие более низкой степени сжатия, а при наддуве приводным нагнетателем — и вследствие более низкого механического к. п. д.
Вышеизложенные соображения заставляют многих специалистов автомобильной промышленности считать наиболее правильной регламентацию гонок по расходу топлива. В истории автомобильных гонок, в том числе и на Большой приз АКФ, известны периоды, когда применение нагнетателей было запрещено техническими правилами. С чисто же спортивной точки зрения двигатели с наддувом, обладая высокой литровой мощностью, имеют бесспорное преимущество перед другими.
Формула (3) представляет литровую мощность как произведение ряда факторов. В гоночном двигателе каждый из этих факторов должен быть увеличен до максимума соответствующими конструктивными мероприятиями. Перечислим главные средства, которыми оперирует конструктор для получения высокой литровой мощности.
1. Термический к. п. д. (т],) двигателя, работающего по идеальному циклу, принятому в качестве первого приближения к любому действительному двигателю, зависит от степени сжатия (или, вернее, степени расширения, имеющей то же численное значение). При увеличении степени сжатия термический к. п. д. возрастает. Следовательно, гоночные двигатели должны работать
71
с высокой степенью сжатия. Повышение степени сжатия сопровождается сначала быстрым, а затем прогрессивно замедляющимся увеличением термического к. п. д. Увеличение степени сжатия ограничено приближением температуры конца хода сжатия к температуре самовоспламенения и появлением детонации.
2. Относительный к. п. д. двигателя (т|в) зависит от тепловых потерь в процессе горения. Последние могут быть снижены прежде всего выбором рациональной формы камеры сгорания. На всех гоночных двигателях, как правило, применяются камеры сгорания компактной формы. Для уменьшения теплопередачи от продуктов горения к поверхности камеры сжатия и днищу поршня последние подвергают' тщательному полированию. Увеличение степени сжатия, уменьшая поверхность камеры сгорания, способствует сокращению тепловых потерь. Повышение частоты вращения также снижает тепловые потери, так как уменьшается продолжительность соприкосновения газов со стенками камеры сгорания.
При повышении частоты вращения относительный к. п. д. увеличивается, хотя и незначительно.
3. Коэффициент наполнения (т]0) в первую очередь зависит от скорости движения смеси во впускной трубе и клапанной щели. Потеря давления и связанное с ней ухудшение наполнения по законам гидродинамики пропорциональны квадрату скорости смеси. Для уменьшения скорости смеси гоночные двигатели имеют короткие всасывающие трубы большого сечения без крутых изгибов, впускные клапаны большого диаметра с увеличенным подъемом и фазы распределения, рассчитанные на продолжительное открытие клапана.
В настоящее время все гоночные двигатели независимо от числа цилиндров имеют самостоятельный впускной патрубок для каждого цилиндра, а если используются карбюраторы, то каждый цилиндр питает самостоятельная смесительная камера. Только по условиям гоночной формулы 3 система питания имеет общий впускной коллектор для нескольких цилиндров.
Для увеличения коэффициента наполнения число впускных клапанов увеличивается до двух в каждом цилиндре. Для уменьшения трения потока смеси о стенки и ослабления вихреобразова-ния, отрицательно действующего на наполнение, внутренние поверхности впускного патрубка, диффузора, впускной трубы и впускного канала в головке полируются.
На коэффициенте наполнения сказывается также тепловое состояние двигателя. Чем больше нагревается смесь при входе в цилиндр от соприкосновения с горячими деталями, тем больше уменьшается ее плотность, поэтому в гоночных двигателях головки, цилиндры, поршни и впускные трубы изготовляются из теплопроводных материалов (алюминиевые сплавы). Теплопроводность материала в сочетании с интенсивным охлаждением снижает среднюю температуру деталей, подверженных сильному 72
нагреванию. При увеличении частоты вращения коэффициент наполнения начинает падать вследствие увеличения скорости потока смеси. Если принять все меры для уменьшения сопротивления потоку смеси, то сильное падение коэффициента наполнения наступает только при высокой частоте вращения. Однако, как было
Рис. 24. Изменение коэффициента на полнения в зависимости от частоты вра щен и я коленчатого вала
упомянуто выше, путем подбора длины и проходного сечения впускного тракта можно использовать колебания потока смеси
в определенном диапазоне высоких частот вращения для улучшения наполнения цилиндра, что подтверждается экспериментальными данными. На рис. 24 показано изменение коэффициента наполнения двигателя «Мазерати» 2,5 л типа GP в зависимости от частоты вращения. Как видим, в диапазоне 6000—7000 об/мин т)и превышает 100%.
Наиболее активным средством для увеличения наполнения является переход к принудительному питанию двигателя смесью от нагнетателя. В этом случае при высоких давлениях наддува наполнение может быть значительно большим.
4. Увеличение механического к. п. д. (т]т) осуществляется за счет снижения потерь на трение. На многих гоночных двигателях широко применяли шарико- и роликоподшипники вместо подшипников скольжения. В этом отношении весьма характерным примером является полуторалитровый восьмицилиндровый двигатель «Делаж» (рис. 25). Не только коренные и шатунные подшипники, но и все вспомогательные механизмы этого двигателя снабжены подшипниками качения. Скользящее трение сохранено только в подшипниках поршневых пальцев и масляном насосе.
В результате лабораторного испытания гоночного двигателя NSU было установлено следующее распределение механических потерь (%) при п = 10 000 об/мин:
Насосные потери (газообмен) .......................... 15,8
Трение поршневых колец............................... 13,2
» поршня ....................................... 36,7
» в подшипниках шатуна .......................... 6,6
Привод распределительного механизма ................. 11,2
» магнето ....................................... 4,0
» масляного насоса............................... 3,3
Трение в коренных подшипниках и торможение разбрызгиваемым маслом.......................................... 9,2
100,0
Следовательно, трепие поршня и поршневых колец составляет половину всех потерь на трение. Боковая нагрузка на поршень в значительной степени определяется силами инерции поступательно движущихся частей. Для уменьшения инерционной
73
Рис. 25. 8-цилиндровый двигатель «Делаж» (1,5 л типа GP)
74
нагрузки прибегают к облегченной конструкции поршней, поршневых колец н шатунов. Снижение массы поступательно движущихся частей уменьшает силу трения поршня, благоприятно отзываясь на механическом к. п. д. Для уменьшения трения все трущиеся поверхности подвергаются тщательной механической обработке (суперфиниш, лаппинг, алмазная обработка) или взаимной притирке. Наружная поверхность шатунов и нерабочие поверхности коленчатого вала также подвергаются полированию не только для повышения механической надежности, но и для уменьшения вентиляционных потерь (затраты энергии на перемешивание воздуха и трение о воздух в картере).
Сила трения, возникающая при скольжении трущихся поверхностей, отделенных одна от другой слоем смазки (жидкостное трение), пропорциональна скорости скольжения. В связи с этим наблюдается падение механического к. п. д. при увеличении частоты вращения.
5. Подбор горючей смеси с повышенной теплотворной способностью в целях форсирования двигателя не может быть осуществлен, так как она почти одинакова для смесей всех видов углеводородных топлив с воздухом. Для гоночных двигателей выбирают топлива, способные выдерживать работу с высокой степенью сжатия без детонации. Следовательно, подбор горючего косвенным образом влияет на форсирование двигателя. Однако для дорожно-гоночных автомобилей выбор топлива весьма ограничен, так как последние гоночные формулы предписывают использование коммерческих сортов бензина. Существенное увеличение мощности (до 40%) может быть получено от таких топлив, как нитрометан, в молекулах которого содержится кислород, используемый для сжигания большего количества топлива. Нитрометан в смеси с метанолом применяют на двигателях для трековых гонок и рекордных заездов.
6. Из предыдущего ясно, что повышение частоты вращения нельзя рассматривать как независимый фактор, позволяющий увеличивать литровую мощность. Частота вращения увеличивает мощность только в том случае, если при этом увеличивается произведение т)т'По«> несмотря на уменьшение первых двух множителей (незначительным влиянием частоты вращения па относительный к. п. д. пренебрегаем) 1. Падение механического к. п. д. и коэффициента наполнения при некотором скоростном режиме перестает компенсироваться увеличением частоты вращения, и мощность начинает падать.
Все конструктивные мероприятия, которые увеличивают коэффициент наполнения и механический к. и. д., одновременно дают повышение частоты вращения, соответствующей максимальной мощности, так как при этом произведение т],п т]и с увеличением
1 Здесь также не учитывается изменение щ с частотой вращения двигателя, которое практически есть функция состава смеси.
75
РисЛ26. Характеристики идеального и действительного двигателей: А^Ид — мощность идеального двигателя; АО — индикаторная мощ. иость; Ng — эффективная мощность; А'ф — эффективная мощность форсированного двигателя
частоты вращения уменьшается медленнее. Зависимость между т]т, т]0 и п определяет характер кривой, графически представляющей изменение мощности по частоте вращения, т. е. характеристики двигателя. Идеальный двигатель работает без потерь наполнения, механических и тепловых потерь, поэтому его мощность увеличивается пропорционально частоте вращения и выражается прямой наклонной линией, проведенной из начала координат (рис. 26).
Угол наклона прямой зависит только от степени сжатия: чем
больше степень сжатия, тем больше угол. Мощность действительного двигателя, подверженного тепловым потерям и потерям наполнения, выражается кривой линией, расположенной ниже характеристики двигателя, работающего по идеальному циклу, и в отличие от последней ограничена точкой перегиба, обусловленной падением коэффициента наполнения. Ввиду того что здесь не учтены механические потери, эта кривая дает изменение индикаторной мощности. Механические потерн приводят к дальнейшему уменьшению мощности действительного двигателя; характеристика эффективной мощности располагается еще ниже, и ее точка перегиба перемещается влево благодаря быстрому увеличению механических потерь с увеличением частоты вращения. Форсирование двигателя уменьшает потери и приближает его характеристику к идеальной, другими словами, как бы выпрямляет кривую и отдаляет ее точку перегиба в область высоких частот вращения (кривая Мф).
Сравнение гоночных и обычных двигателей показывает, что характеристика гоночного двигателя больше приближается к прямой. В интервале средних частот вращения характеристика гоночного двигателя по сравнению с транспортным обычно имеет очень незначительную кривизну, а точка перегиба выражена более резко.
Перейдем к рассмотрению основных технических и конструктивных параметров современных гоночных двигателей (табл. 15 и 16).
1. Литраж устанавливается в соответствии с международной классификацией или гоночной формулой (гл. II и III). Наибольшее распространение имеют двигатели I—3 л.
2. Литровая мощность двигателей с наддувом характеризуется следующими значениями (л. с./л):
При рабочем объеме 5 -8 л............................... 200—280
» » » 2 —3 л ............................До 375
» » » 1,5.1.............................. » 400
76
Для двигателей без наддува литровая мощность колеблется
в следующих пределах (л. с./л):
Формула 1 (3 л) ...............................150—180
»’ 2(2л) ...............................До 155
» 3 (2 л) ............................... » 80
Высшую литровую мощность показал гоночный двигатель BRM 1,5 л — почти 400 л. с./л (табл. 16). Близкую к этой мощность развивали некоторые варианты трековых двигателей («Оффен-хаузер» и «Форд» 2,64 л) с турбонаддувом. Следует иметь в виду, что по литературным данным мощность гоночных автомобилей часто бывает преуменьшенной или преувеличенной. Преуменьшение объясняется нежеланием фирм открыть истинные причины высоких скоростей, развиваемых их автомобилями. Преувеличение действительной мощности используется с рекламными целями. Поэтому известны случаи, когда наибольшие скорости реализовались при помощи двигателей с относительно небольшой номинальной мощностью.
3. Числом цилиндров решается важный для гоночного двигателя вопрос о рабочем объеме одного цилиндра. Чем меньше рабочий объем цилиндра, тем больше может быть форсирован рабочий процесс двигателя увеличением степени сжатия и давления наддува. С уменьшением объема цилиндра увеличивается отношение поверхности камеры сжатия и цилиндра к его объему, благодаря чему создаются выгодные условия охлаждения.
Малые цилиндры обеспечивают интенсивный отвод теплоты от самых горячих частей двигателя — выпускного клапана и днища поршня. Уменьшение средней температуры этих деталей позволяет увеличить, в известных пределах, степень сжатия или давление наддува, не опасаясь появления детонации. При небольших цилиндрах легче бороться с увеличением механических напряжений в поступательно движущихся деталях. По этим причинам наиболее высокие литровые мощности при достаточной надежности работы развивают двигатели с малым объемом отдельного цилиндра, и в гоночном моторостроении всегда существовала достаточно ярко выраженная тенденция к увеличению числа цилиндров. В период действия всех основных гоночных формул наблюдался постепенный переход от сравнительно простых двигателей с небольшим числом цилиндров к более сложным много-цнлиндровым конструкциям (рис. 27).
К положительным качествам многоцилиндровых двигателей следует отнести их уравновешенность и равномерность крутящего момента. Эти свойства способствуют спокойному ходу автомобилей и препятствуют возникновению вибрации при высоких частотах вращения.
Рабочий объем одного цилиндра у большинства современных гоночных двигателей европейского производства заключается в пределах 250 500 см3. В США, где распространены двигатели 77
Таблица IS. Техническая характеристика гоночных
Год выпуска Марка двигателя Число ЦИЛИНДРОВ Диаметр цилиндров D, мм Ход поршня S, мм Отношение S/D Рабочий объем двигателя, см3
1968 «Форд» F2 (США) 4 85,7 69,1 0,81 1596
1973 «Форд» F3 (А) 4 — — —- 1598
1973 «Альпин Рено» F3 (Ф) 4 — — —- 1599
1974 «Рено»(Ф) 4 82,0 84,0 1,02 1774
1974 «Абарт» (И) 4 88,9 80,0 0,90 1981
1969 «Феррари» (И) 12 опп. 65,0 50,0 0,77 1991
1973 «Текно»(И) 8 опп. 80,9 48,4 0,60 1997
1973 «Рено Гордини» F2 (Ф) V-6 86,0 57,3 0,67 1997
1974 «Крайслер» F2 (Ф) 4 92,0 75,0 0,81 1998
1975 «Форд» F3 (Л) 4 — — —- 1998
1975 «Тойота» F3 (Я) 4 — — — 1999
1976 BMW F2 (ФРГ) 4 89,2 80,0 0,90 2000
1975 «Опель» F2 (ФРГ) 4 95,0 69,8 0,73 2000
1968 «Хонда» F1 (Я) V-12 78,0 52,2 0,67 2992
1968 «Репко» F1 (Л) V-8 88,9 60,2 0,68 3000
1968 «Хонда» F1 (Я) V-8 88,0 61,4 0,70 2987
1969 «Феррари» F1 (И) V-12 77,0 53,5 0,69 2990
1972 BRM Г1 (Л) V-12 76,4 57,2 0,75 2998
1972 «Матра» F1 (Ф) V-12 79,7 50,0 0,63 2999
1972 «Форд-Коспорт» F1 (Л) V-8 85,7 64,8 0,76 2990
1972 «Феррари» F1 (И) 12 опп. 78,5 51,5 0,66 2991
1972 «Альфа Ромео» (И) V-8 86,0 64,4 0,75 2994
1976 «Матра» F1 (Ф) V-12 79,7 50,0 0,63 2993
1977 «Феррари» F1 (И) 12 опп. 80,0 49,6 0,62 2992
1977 «Форд-Косворт» F1 (А) V-8 86,5 64,8 0,75 2993
1975 «Альфа Ромео» F1 (И) 12 опп. 77,0 53,6 0,70 3000
1968 «Реп ко» (Л) V-8 96,1 71,8 0,75 4200
1971 «Порше» (ФРГ) 12 опп. 86,0 70,4 0,82 4907
1971 «Порше» (ФРГ) 16 опп. 80,0 62,0 0,77 4982
1969 «Порше» (ФРГ) 12 опп. 85,0 66,0 0,78 4494
1971 «Шевроле» (США) V-8 101,6 76,2 0,75 4950
1973 «Репко» (А) V-8 100,5 77,7 0,77 4950
1971 «Шевроле» (США) V-8 113,5 101,6 0,90 8250
Условные обозначения: опп. — оппозитный; в. к. — верхние клапаны четыре верхних распределительных валя.
78
автомобильных двигателей без наддува
и——’ Частота вращения, об/мин Среднее эффективное давление, к гс/см2 Степень сжатия Средняя скорость поршня, м/с Литровая мощность, л. с./л Поршневая мощность, л. с./см2 Тип распределительного механизма
Мощность, л. с.
222 9 000 13,9 П.о 20,7 139 0,96 2 в. р. и.
130 6 500 11,2 — — 81 — —
130 6 500 11,2 — — 81 — —
200 7 500 13,5 —• 21,0 ИЗ 0,94 2 и. р. в.
280 9 000 14,1 11,5 24,0 141 1,13 2 в. р. в.
300 11 800 11,5 11,0 19,7 150 0,76 4 в. р. в
293 10 800 12,2 10,8 17,4 147 0,71 4 в. р. в.
285 9 800 13,1 11,4 18,7 142 0,82 4 в. р. в.
285 9 400 13,7 — 23,5 142 1,07 2 в. р. в.
160 6 100 11,3 — — 80 -- ....
160 5 700 12,7 • — 80 —
304 9 250 14,8 Н,2 24,6 152 1,22 2 в. р. в.
217 7 000 14,0 — 16,3 108 0,76 2 в. р. в.
450 10 500 12,8 11,5 18,3 150 0,78 4 и. р. в.
400 8 500 14,1 11,0 17,1 133 0,81 4 в. р. в.
430 10 500 12,3 11,5 21,5 143 0,88 4 в. р. в.
436 10 500 12,5 11,0 18,7 145 0,78 4 в. р. в
440 10 750 12,3 — 20,5 147 0,81 4 в. р. в.
450 10 700 12,6 — 17,8 150 0,75 4 в. ]). в.
450 10 000 13,5 — 21,6 150 0,97 4 в. р. в.
450 10 800 12,5 — 18,5 150 0,77 4 и. р. в.
440 9 800 13,5 — 21,0 147 0,95 4 в. р. в.
500 11 600 13,0 11,0 19,3 167 0,83 4 в. р. в.
500 12 300 12,2 11,0 20,3 167 0,83 4 в. р. в.
465 10 500 13,4 11,1 22,7 155 0,98 4 в. р. в.
525 12 000 13,1 11,0 21,5 175 0,94 4 в. р. и.
500 8 500 12,6 13,5 20,3 119 0,86 4 в. р. в.
600 8 400 13,1 — 19,7 122 0,86 4 в. р. в.
690 9 200 13,6 — 19,0 138 0,86 4 в. р. в.
580 8 400 13,8 10,5 18,5 129 0,85 4 в. р. в.
455 7 200 11,5 — 18,3 92 0,70 В. к.
500 7 800 11,6 11,8 20,2 101 0,79 В. к.
731 6 800 11,7 — 23,0 89 0,90 В. к.
с нижними распределительными налами; 2 в. р. в. п -1 и. р. в. — соответственно два и
79
Таблица 16. Техническая характеристика гоночных автомобильных двигателей с наддувом
Годы Марка двигателя Число цилиндров Диаметр цилиндров D, мм Ход поршня S, мм Отношение S/D Рабочий объем дли гя-TC.'IH, см8 Мощность, л. с. Частота вращения, об/мин Среднее эффективное давление. кгс/см1 Степень сжатия Средняя скорость поршня, м/с Л итро-вая мощность, Л. с./л Поршневая мощность, л. с./см2 Тип распределительного механизма
1955 Л-250 (СССР) 2 .—. — 250 50 10 000 18,0 — — 200 -- 2 в. р. в.
1956 NSU (ФРГ) 2 63,0 80,0 1.27 500 112 8 500 23,7 — 22,6 224 1,8 2 в. р. в.
1962 «Харьков-Л» (СССР) 9 72,3 68,0 0,94 568 100 8 000 19,8 18,1 176 1,22 2 в. р. в.
1977 «Порше» (ФРГ) 6 ОПП. — — — 1425 370 8 000 29,2 — — 259 — 2 в. р. в.
1946 «Альфа Ромео» (И) 12 огш. 54,0 54,0 1,00 1484 330 8 600 23,2 — 15,5 222 1,20 4 в. р. в.
1949 «Феррари» (И) V-12 55,0 52,5 0,95 1498 310 7 500 24,8 — 13,1 206 1,09 4 в. р. в.
1951 «Альфа Ромео» (И) 8 58,0 70,0 1,20 1479 430 8 500 30,8 9,0 19,8 290 2,03 2 в. р. в.
1953 BRM (А) V-16 19,5 18,3 0,97 1488 585 10 500 33,6 6,0 16,9 393 1,90 4 в. р. в.
1977 «Рено» (Ф) V-6 86 42,8 0,50 1192 510 11 000 28,0 7,5 15,7 312 1,46 4 в. р. в.
1961 «Темнеет» (США) 4 90,5 76,2 0,81 1961 420 7 400 26,0 — 18,8 214 1,62 В. к.
1976 «Рено Гордини»(Ф) V-6 86,0 57,3 0,67 1997 490 9 900 22,2 7,5 18,9 245 1,11 4 в. р. в.
1977 «Альфа Ромео» (И) 12 они. — — — 2100 720 10 000 30,8 — — 343 — 4 в. р. в.
1976 «Порше» (ФРГ) 6 они. 83,0 66,0 0,79 2142 520 8 000 27,2 6,5 17,6 243 1,60 2 в. р. в.
1977 BMW (ФРГ) 4 — — — 2140 600 9 000 28,0 — — 280 — 2 в. р. в.
1970 «Форд» (США) V-8 93,0 48,3 0,52 2620 650 8 500 26,3 — 13,7 248 1,19 4 в. р. в.
1970 «Форд» (США) V-8 95,5 45,7 0,48 2620 700 8 500 28,2 •— 12,9 267 1,22 4 в. р. в.
1976 «Оффенхаузер» (США) 4 108,5 69,9 0,64 2640 800 9 000 30,3 — 21,0 303 2,16 2 в. р. в.
1964 «Нови» (США) V-8 81,0 66,0 0,81 2760 742 8 200 29,5 8,0 18,0 269 1,80 4 в. р. в.
1966 «Нови» (США) V-8 81,0 66,0 0,81 2760 837 9 000 30,4 — 19,8 303 2,03 4 в. р. в.
1977 «Порше» (ФРГ) 6 ОПП. 92,0 70,4 0,77 2857 630 8 000 24,8 6,5 18,8 220 1,59 2 в. р. в.
1956 «Уинфильд» (США) V-8 79,5 75,0 0,94 2980 600 7 500 24,2 13,0 18,7 201 1,51 4 в. р. в.
1971 «Тойота» (Я) V-8 102,0 76,0 0,74 4986 800 8 000 18,1 — 20,2 160 1,22 4 в. р. в-
1973 «Порше» (ФРГ) 12 опп. 86,8 70,4 0,81 4999 1000 7 800 23,0 — 18,3 200 1,41 4 в. р. в.
1973 «Порше» (ФРГ) 12 опп. — 5374 1100 7 800 23,6 — 205 4 в. р. в.
У слонные обоз н а че И я; опп. — оппозитный; в. к. — верхние клапаны с нижними распределительными валами- 2 в. р. в. и 4 В. р- и, __ соответственно два и
четыре верхних распределительных вала.
Рис. 27. 12-цилиндровый оппозитный двигатель «Альфа Ромео» (3 л)
большего литража (до 8,2 л), рабочий объем одного цилиндра составляет 600—1000 см3. Некоторые гоночные формулы заранее устанавливают число цилиндров и литраж двигателя. При числе цилиндров более четырех двигатели обычно имеют V-образное или оппозитное расположение цилиндров, что позволяет выполнить силовой агрегат более компактным и легким.
4. Степень сжатия для двигателей без наддува колеблется в пределах 9—14. Если все участники гонки получают одинаковое топливо от технического комитета, допустимая степень сжатия зависит от антидетонационных качеств этого топлива. У двигателей с наддувом степень сжатия ниже: в зависимости от давления подаваемой смеси опа обычно колеблется в пределах 5—9.
5. Частота вращения, соответствующая максимальной мощности, у больших гоночных двигателей (4—5 л) редко превышает 9000 об/мин. Двигатели среднего литража (2—3 л) развивают максимальную мощность при 9000—12 500 об/мин.
Некоторое значение имеет способность двигателей выдерживать высокую частоту вращения за перегибом характеристики. В условиях дорожной гонки бывают моменты, когда разгон выгодно закончить на промежуточной передаче, переходя за частоту вращения, соответствующую максимуму мощности. Многие двигатели выдерживали без повреждений испытания при 14 000 об/мин.
6. Наряду с частотой вращения исключительно важным параметром является среднее эффективное давление ре (кгс/см2). Литровая мощность подсчитывается по формулам для четырехтактных двигателей
Мл = Ре«/900;
для двухтактных
А/л = peti/450.
82
Среднее эффективное давление в большинстве случаев может служить критерием для оценки форсирования рабочего процесса Ч Для четырехтактных двигателей с наддувом среднее эффективное давление составляет от 18 до 30 кгс/см1 2, а у отдельных конструкций превышает 30 кгс/см2. Двигатели без наддува имеют среднее эффективное давление 11 —14 кгс/см2.
7. Отношение хода поршня к диаметру цилиндра (S/D) всегда привлекало внимание конструкторов и, как отмечено в историческом обзоре, даже служило предметом регламентации. Наблюдается ясно выраженная тенденция к уменьшению S/D. Для большей части гоночных двигателей S/D заключается в пределах 0,7—0,9. Переход к применению короткоходных двигателей имеет целый ряд причин. Короткоходные двигатели легче, так как поверхность рабочей части цилиндра при данном объеме достигает минимума при S/D = 1. Следствием большого отношения S/D является высокая нагрузка нижнего шатунного подшипника из-за увеличения центробежной силы вращающихся масс. Эта нагрузка не компенсируется уменьшением силы инерции поступательно движущихся частей, обусловленным малой массой поршня. Шатунный подшипник является одним из самых напряженных мест быстроходного двигателя, поэтому его перегрузка — крайне нежелательное явление.
Работу по исследованию влияния отношения S/D па динамику двигателя выполнил Дж. Сарторис, произведя сравнение двух двигателей с одинаковыми рабочим объемом, степенью сжатия, частотой вращения и отношением длины шатуна к радиусу кривошипа (V/, 250 см3; е -- 5,8; п — 7000 об/мин; X — 4,5),
но с различным отношением S/D. Для одного двигателя было принято S/D - 2, для другого S/D - 0,5. Результаты исследования говорят в пользу короткоходного двигателя, для которого средняя нагрузка на шатунный подшипник оказалась почти вдвое меньше. Весьма существенным преимуществом короткоходных двигателей следует считать возможность размещения относительно больших клапанов благодаря увеличению диаметра цилиндра. Следовательно, уменьшение S/D способствует увеличению коэффициента наполнения и литровой мощности. Средняя скорость поршня, которая определяет механические потери, больше для длиниоходных двигателей. В упомянутом исследовании средняя скорость поршня длинноходного двигателя в 2,5 раза больше, а боковая нагрузка поршня на 15% больше, чем у короткоходного. Отсюда можно прийти к заключению, что механический к. п. д. при малом S/D должен быть выше.
8. Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна (л) у гоночных двигателей не имеет отличительных особенностей. Численное значение % колеблется от 1 : 3,5 до 1 : 4,5. Более
1 Среднее эффективное давление при форсированном рабочем процессе
может быть низким, если механические потери ненормально велики.
83
короткие шатуны необходимы на двигателях большого литража во избежание увеличения высоты двигателя и вместе с ней площади лобового сопротивления автомобиля.
9. К числу мало меняющихся параметров следует отнести среднюю скорость поршня. По табл. 10, 12, 15 и 16 нетрудно убедиться, что средняя скорость поршня в течение последних 45 лет не выходила из диапазона 16—23 м/с, несмотря на значительное увеличение частоты вращения. Дальнейшее повышение средней скорости поршня связано с быстрым возрастанием механических потерь. Поэтому увеличение частоты вращения оказалось возможным только за счет уменьшения отношения S/D и перехода на цилиндры малого объема, т. е. использования малых значений хода поршня S.
10. Существенный интерес представляет мощность двигателя, отнесенная к единице площади поршней, т. е. поршневая мощность. Этот параметр, характеризующий степень форсированности двигателя, пропорционален произведению средней скорости поршня на среднее эффективное давление. Действительно, средняя скорость поршня
vm = S/2/3O, откуда
S = 30цт/п.
Подставляя значение S (м) в формулу для эффективной мощности двигателя, получим (л. с.)
Ne — Vhpen/9(X) = inD2Spen!(A 900) = 300),
где i — число цилиндров.
Далее, обозначая площадь лО2/4 = F, определим поршневую мощность (л. с./см2)
Nn^Ne/(iF)^Peum/3Q0.
Если считать, что для vm имеется практически осуществимое предельное значение (20—23 м/с), то эффективная мощность двигателя может быть представлена выражением
Ne = AiFpe,
где А — постоянный коэффициент (при vm = const), причем А = ип1/300.
Произведение Аре представляет собой поршневую мощность. Отсюда видно, что для увеличения мощности двигателя следует форсировать рабочий процесс, т. е. увеличивать ре, и стремиться к увеличению суммарной площади поршней; последнее достигается увеличением числа цилиндров и уменьшением отношения S/D (при заданном классификацией или гоночной формулой литраже двигателя). На рис. 28 показано изменение диаметра цилиндра D, рабочего объема одного цилиндра VhH, суммарной площади поршней IF и частоты вращения в зависимости от числа цилиндров для двигателя 1,5 л с отношением S/D --- 1, работающего со сред-84
Рис. 28. Изменение параметров двигателя в зависимости от числа цилиндров
ней скоростью поршня 20 м/с. Поршневая мощность для гоночных двигателей без наддува составляет 0,7—1,2 л. с./см2, при наличии наддува 1,2—2 л. с./см2.
11. Литровая масса двигателя, несмотря на применение легких сплавов, лишь немногим меньше, чем у транспортных автомобилей, и равна 40—120 кг/л. Меньшая цифра соответствует большим двигателям (Рл = 4 4-5 л), верхний предел относится к двига-
Таблица 17. Масса гоночных двигателей
Марка двигателя Число цилиндров Литраж, л Литровая масса, кг/л Удельная масса, кг/л. с. Масса двигателя, кг Наличие наддува
«Рено»(Ф) V-6 1.5 130 0,38 195 Есть
«Феррари» (И) V-6 1,5 68 0,54 102 Нет
BRM (А) V-16 1.5 122 0,31 183 Есть
BRM (А) V-8 1,5 77 0,58 116 Нет
«Альфа Ромео» (И) 8 1.5 120 0,4 180 Есть
«Форд» F2 (А) 4 1,6 74 0,53 118 Нет
«Ковентри-Клаймакс» (А) 4 2,5 52 0,55 131 »
«Феррари» (И) V-6 2,5 51 0,44 128 »
«Нови» (США) V-8 2,8 77 0,29 214 Есть
«Редко» F1 (А) V-8 3,0 54 0,40 161 Нет
«Хонда» F1 (Я) V-12 3,0 60 0,40 179 »
«Феррари» F1 (И) 12 опп. 3,0 55 0,33 165 »
«Альфа Ромео» F1 (И) 12 опп. 3,0 60 0,34 181 »
«Форд-Косворт» F1 (А) V-8 3,0 54 0,36 162
«Матра» F1 (Ф) V-12 3,0 58 0,41 173
«Оффенхаузер» (США) 4 4,1 41 0,37 170
*Форд» (США) V-8 4,2 43 0,42 180 »
«Феррари» (И) V-12 4,5 45 0,49 204 »
«Репко» (А) V-8 5,0 45 0,45 225 »
«Порше» (ФРГ) 12 опп. 5,0 56 0,28 280 Есть
«Порше» (ФРГ) 12 опп. 5,4 53 0,26 285 »
85
телям объемом в 1,5 л с нагнетателями. Сравнительно большая литровая масса гоночных двигателей объясняется их сложностью: наличием нагнетателя, нескольких карбюраторов, двух распределительных валов и т. п. Удельная масса (масса, приходящаяся на 1 л. с.) примерно равна 0,26—0,4 кг/л. с. для двигателей с наддувом и 0,33—0,6 кг/л. с. для двигателей без наддува. В табл. 17 даны литровые и удельные массы гоночных двигателей.
12. Конструкция двигателей
Расположение клапанов. Камеры сгорания. Общая конструктивная схема двигателя в значительной степени зависит от конструкции распределительного механизма. Наполнение цилиндра, радикально влияющее на мощность, определяется размером и расположением клапанов, а также формой впускных каналов в головке цилиндра. В то же время впуск смеси и выпуск отработавших газов у четырехтактных двигателей всегда производится через верхнюю часть цилиндра, и, следовательно, конструкция распределительных органов тесно связана с формой камеры сжатия и обусловливает тепловые потери и характер протекания процесса горения. Таким образом, вопрос о выборе типа распределительного механизма охватывает многие факторы, имеющие существенное значение для получения высокой мощности. Поэтому вполне понятно, что как раз в системе газораспределения гоночных двигателей заключаются характерные особенности, редко встречающиеся в общепринятых стандартных конструкциях.
Усовершенствование распределительного механизма характеризуется сложной эволюцией, изменившей как внешнюю форму двигателя, так и его внутреннее устройство. Основные этапы этого процесса развития показаны на рис. 29. Здесь представлены только главные конструктивные улучшения, значительно изменившие в свое время эксплуатационные качества двигателей гоночного типа.
Необходимость повышения коэффициента наполнения за счет увеличения проходного сечения клапанов была понятна конструкторам еще в первое время существования автомобилей (до 1905 г.), когда считали целесообразным применять автоматические впускные клапаны, открывающиеся под действием атмосферного давления. Поэтому в тот период появились двигатели с несколькими впускными клапанами — тремя, четырьмя (двигатель «Непир») и даже пятью (двигатель «Де Дитрих»). Увеличение числа клапанов было обусловлено также тем, что автоматический впускной клапан может работать только с относительно небольшим ходом (около 3 мм). Двигатель такого типа с тремя впускными клапанами, схематически представленный на рис. 29, А, был построен в 1902 г. фирмой «Панар-Левассор» для дорожно-гоночного автомобиля. Боковое расположение выпускного клапана в сочетании с расположенными над ним впускными клапанами автоматиче-86
87
ского типа приводило к невыгодной вытянутой форме камеры сгорания Ч
Существенным шагом вперед явился переход на клапаны с механическим приводом. Они могли удовлетворительно работать на более высоких частотах вращения и допускали большую величину максимального подъема. Уже задолго до первой мировой войны были сконструированы двигатели с верхним расположением клапанов, обеспечившим одновременно компактную камеру сгорания и газовые каналы с меньшим сопротивлением потоку горючей смеси. Эти конструктивные особенности дали повышение мощностных показателей как за счет улучшенного питания цилиндров, так и благодаря снижению тепловых потерь. Расположение распределительного вала на головках цилиндров способствовало резкому сокращению возвратно движущихся масс распределительного механизма и повышению частоты вращения двигателя. Верхиеклапанный двигатель такого устройства (рис, 29, В) был сконструирован французской фирмой «Клеман-Байар» в 1908 г. для гоночного автомобиля типа Grand Prix, который отличался высокой максимальной скоростью. Для быстроходных двигателей чрезвычайно важно, чтобы в конце хода сжатия-имелось вихревое движение смеси. Только в этом случае возможно полное и достаточно быстрое сгорание при средних скоростях поршня 16—20 м/с. Как показал опыт, скорость распространения пламени в неподвижной смеси не превышает нескольких метров в секунду. Двигатели с верхним расположением клапанов обеспечивают интенсивное завихрение, благодаря чему получается хорошее перемешивание смеси и высокая скорость сгорания, а также увеличивается допустимая степень сжатия.
После перехода на механический привод впускных клапанов многие конструкторы остались сторонниками применения нескольких клапанов. В частности, известные длинноходные двигатели «Пежо», разработанные конструктором Мишо, принадлежали к этому типу. Одноцилиндровый гоночный двигатель «Пежо» 1909 г. имел три впускных и три выпускных горизонтальных клапана. Гоночный 4-цилиндровый двигатель «Бенц» (рис. 29, С) был выполнен с четырехклапанными головками цилиндров и шатровыми камерами сгорания более выгодной формы.
Наиболее крупный вклад в разработку гоночных двигателей сделала фирма «Пежо» в 1912 г. На ее автомобиле типа Grand Prix впервые появился двигатель с двумя верхними распределительными валами (рис. 29, D). В этом двигателе были объединены конструктивные элементы, которые до настоящего времени наи-
1 До 1913 г. на гоночных автомобилях иногда встречались двигатели с боковыми механически управляемыми впускными и выпускными клапанами, которые могли быть расположены на разных сторонах цилиндра (Т-образная головка) или с одной стороны, как это было принято в течение нескольких десятков лет на большинстве двигателей массового производства.
88
более характерны для гоночных конструкций: четырехклапанные головки цилиндров, компактные камеры сгорания шатровой формы и максимально облегченный привод клапанов. Такое устройство способствовало существенному снижению потерь наполнения и тепловых потерь. Как видно из приведенных выше сведений, отдельные элементы рассматриваемой конструкции были применены ранее на различных двигателях, но на двигателе «Пежо» они были использованы все вместе и позволили создать прототип, остающийся образцом в течение шестидесяти лет. Идею применения двух верхних распределительных валов приписывают П. Цуккарелли — одному из гонщиков фирмы «Пежо». Совместно с двумя другими гонщиками этой фирмы: Ж. Буалло и Ж. Гу —- он был инициатором постройки вышеупомянутого автомобиля. К разработке деталей конструкции и изготовлению чертежей был привлечен швейцарский инженер Э. Анри (Е. Henry, 1885—1950 гг.), который сконструировал получившие широкую известность гоночные автомобили «Пежо» 1912—1914 гг., а также гоночные автомобили французской фирмы «Балло» с двигателями 5 и 3 л (1919—1921 гг.). Двигатели всех этих автомобилей имели газораспределительные механизмы с двумя верхними кулачковыми валами. Конструкции Э. Анри изучали и копировали (даже в мелких деталях) многие европейские и американские автомобильные фирмы.
К началу 1914 г. литровая мощность лучших гоночных двигателей достигла 25—30 л. с./л, что было следствием усовершенствования процесса газообмена и, в частности, повышения эффективности питания цилиндров горючей смесью при повышенных частотах вращения.
Фактором, лимитировавшим мощностные показатели двигателей до 1914 г., несомненно, было питание всех цилиндров одним карбюратором, из которого горючая смесь всасывалась через длинный разветвляющийся трубопровод довольно сложной конфигурации.
В двадцатых годах литраж гоночных двигателей был значительно сокращен (сначала до 2 л, а затем до 1,5 л) предписаниями международной ассоциации, регламентировавшей автомобильные соревнования. Эти решения привели к появлению новых двигателей, причем особый интерес представлял шестицилиндровый рядный двигатель «Фиат» 2 л (рис. 29, Е), оказавший сильное влияние на проектирование гоночных двигателей в течение следующих 30 лет. В отличие от довоенных конструкций его головки цилиндров принадлежали к двухклапанному типу. Клапаны были установлены в полусферических камерах сгорания с большим углом развала (более 90°). Это позволило применить клапаны с головками большого диаметра и сохранить центральное расположение свечи; кроме того, поверхность у камеры сгорания полусферической формы меньше, чем у шатровой, принятой в конструкциях Э. Анри.
89
В процессе доводки мощность двухлитрового двигателя «Фиат 804» превысила 100 л. с., т. е. впервые в автомобильной технике была получена литровая мощность 50 л. с./л. Этот двигатель был разработан конструкторами Бертарионе, Кавалли, Беккиа и Каппа под руководством инженера Форнака. Впоследствии некоторые нз этих конструкторов перешли к другим фирмам, что способствовало распространению опыта завода «Фиат». Так, например, гоночный автомобиль «Санбим» типа Grand Prix 1923 г., сконструированный Бертарионе, представлял собой почти точную копию гоночного автомобиля «Фиат» 1922 г., что относится в первую очередь к двигателю.
Следует заметить, что двигатель «Фиат» 2 л имел в своей базовой схеме существенный недостаток. Из-за большого угла развала клапанов газовые каналы головки цилиндра довольно сильно изогнуты и обращены вниз, что предопределяет повышенное сопротивление потоку горючей смеси. В двадцатых и тридцатых годах этому не придавали особого значения, так как автомобильная техника в то время ориентировалась на двигатели с наддувом, использование которых ничем не ограничивалось. Систематическое повышение мощностных показателей гоночных двигателей в тот период осуществлялось главным образом за счет перехода ко все более высоким давлениям наддува, тогда как форме впускного тракта в целом уделяли меньше внимания, чем его проходным сечениям.
Таким образом, конструктивная схема «Фиат» долго оставалась основой при проектировании гоночных двигателей. Ее элементы были заложены, например, в известном восьмицилиндровом двигателе «Делаж», на котором в 1927 г. впервые удалось получить литровую мощность 100 л. с./л (конструктор А. Лори). На основе этой же схемы в течение многих лет фирмы «Альфа Ромео», «Мазерати» и многие другие, изготовляли гоночные двигатели.
Следующий этап в развитии гоночных двигателей наступил после 1945 г. и, главным образом, после отказа от наддува в начале пятидесятых годов. При работе без наддува открылась возможность форсирования рабочего процесса повышением степени сжатия, а для улучшения наполнения цилиндров представлялось целесообразным выпрямить впускные каналы. Эти требования невозможно выполнить, если придерживаться вышеописанной схемы двигателя «Фиат», из-за высокого гидравлического сопротивления газовых каналов. Кроме того, высокий выступ на поршне, обусловленный большим углом развала клапанов, приводит к расчлененной форме камеры сгорания в виде шаровой оболочки, не обладающей преимуществами полусферической камеры.
Для устранения этих недостатков гоночное моторостроение возвратилось к схеме с меньшим углом развала клапанов, выпрямленными газовыми каналами и более компактными камерами сгорания в виде шарового сегмента (рис. 29, F). Такое устройство двигателя без наддува обеспечивало более активный процесс 90
Рис. 30. 12-цилиндровый двигатель «Матра» (3 л) с четырехклапанными головками
газообмена и достаточно полное и быстрое сгорание топлива на высоких частотах вращения.
Конструктивное выполнение двигателя по схеме F, в принципе довольно близкой к схеме D, было усовершенствовано во многих деталях. Необходимо также иметь в виду, что если до 1914 г. и в начале двадцатых годов двигатели обычно имели сложный впускной коллектор п только один (редко два) карбюратор, то после 1945 г. двигатели без наддува, как правило, изготовлялись с самостоятельным карбюратором для каждого цилиндра. Последнее способствовало выпрямлению впускного тракта и снижению его гидравлического сопротивления, а также создавало благоприятные условия для использования эффекта резонансного наддува.
Разновидностью схемы F следует считать схему G (рис. 29), согласно которой впускной канал размещен между распредели-91
тельными валами, что обеспечивает почти полное выпрямление впускного тракта; эта схема применялась как при двух-, так и при четырехклапанных головках цилиндров. Она была положена в основу некоторых двигателей «Мерседес-Бенц», «Матра», «Феррари», «Хонда» и др. (рис. 30 и 31). Конструктивное выполнение двигателя по схеме G, но с двухклапанными головками цилиндров, показано на рис. 32.
Наконец, схема Н, принятая на многих гоночных двигателях, характеризуется компактной неглубокой камерой сгорания шатровой формы, поршнем с плоским днищем, четырехклапанными головками цилиндра и малым углом развала клапанов (около 30°), допускающим значительное выпрямление впускных каналов и в то же время позволяющим сохранить центральное расположение свечи. Эту схему многие специалисты теперь считают оптимальным вариантом устройства гоночного двигателя. Возврат к четырехклапанным головкам, по утверждению японских конструкторов (К. Накагава, И. Накамура), позволяет улучшить наполнение цилиндров, а уменьшение массы клапанов и деталей их привода составляет обязательное условие для нормальной
Рио. 31. 8-цилиндровый двигатель «Форд» (4,2 л) о четыреаклапанными головками
92
Рис. 32.
12-цилиндровый двигатель
«Мазерати» (3 л) с двухклаияппыми головками
работы распределительного механизма при повышенных частотах вращения. Удваивая число клапанов, можно облегчить их температурный режим работы, так как тарелки клапанов малого диаметра находятся в более выгодных условиях охлаждения и в связи с этим меньше нагреваются. Сближение осей верхних распределительных валов изменило традиционный внешний вид гоночного двигателя. Вместо отдельных картеров и крышек для каждого распределительного вала весь распределительный механизм закрывают сверху одной крышкой. На рис. 33 показан поперечный разрез одного из двигателей, выполненных по схеме Н (рис. 29).
Последовательное усовершенствование гоночных двигателей в течение 75 лет привело к увеличению частоты вращения в 8— 10 раз; за этот период коэффициент наполнения возрос на 70— 100%. Теплоиспользование (термический к. п. д.) увеличилось на 25—30% благодаря повышению степени сжатия, а переход к более рациональным формам камер сгорания обеспечил увеличение относительного к. п. д. примерно на 20%. Несмотря на
93
значительное повышение частоты вращения, значения механического к. п. д. остаются приблизительно на одном уровне. В результате такой эволюции показателей работы гоночного двигателя его литровая мощность возросла в 20—30 раз.
Таким образом, для гоночных двигателей характерны неглубокая шатровая или полусферическая‘камеры сгорания. Форма камеры сгорания зависит от формы полости головки цилиндра и от формы днища поршня. Если камеру сгорания выполнить точно в виде полусферы, то дно поршня будет плоским, а степень сжатия при S/D = 1 будет равна всего лишь 4. Чтобы увеличить степень сжатия, дно поршня делают выпуклым, но это связано с некоторыми недостатками: нарушается полусферическая форма камеры сгорания, обладающая весьма малой повер.хностыо при заданном объеме; увеличивается поверхность поршня, восирини-
Рис. 33. 4-цилиндровый двигатель «Форд-Косворт» (1,6 л) с четырехклапаиными головками
94
Рис. .'И. 8-цилинд1>оиып двигатель «Мерседес-Бенц» (3 л) с углом между клапанами 94"
мающая теплоту; возрастает температура поршня; при значительной выпуклости дна поршня ухудшается продувка камеры сгорания в период перекрытия клапанов. Во избежание этих недостатков центр сферической полости головки цилиндра нередко располагают ниже плоскости разъема. Тогда камера сгорания при плоском дне поршня приобретает форму шарового сегмента; однако и в этом случае при высоких степенях сжатия приходится делать дно поршня выпуклым. Чтобы воспрепятствовать появлению детонации, нужно придать камере сгорания по возможности компактную форму. Этому условию, по-видимому, лучше всего соответствует выступ дна поршня в виде шарового слоя или усеченного конуса, который входит в полость головки с минимальным кольцевым зазором; впрочем форма этого выступа неизбежно нарушается' выемками напротив клапанов, необходимыми во избежание соприкосновения последних с поршнем.
При полусферических камерах сгорания и центральном впускном канале угол между клапанами может достигать 90 и даже 100° (рис. 34), что позволяет использовать клапаны большого размера с увеличенным проходным сечением. При большом наклоне клапанов форма боковых впускных каналов получается
95
менее плавной и. кроме того, трудно обеспечить хорошие условия охлаждения нижнего сектора головки выпускного клапана п нижней части выпускного канала, особенно у двигателей со съемной головкой цилиндра. Применение камер сгорания в виде шарового сегмента связано с уменьшением угла между клапанами и уменьшением размеров клапанов и их проходных сечений, но зато изгиб впускного канала па входе в головку цилиндра уменьшается, что чрезвычайно важно для увеличения коэффициента наполнения.
Размеры клапанов в некоторой степени компенсируются за счет применения уменьшенных значений отношения S/D, так как при увеличении диаметра цилиндра можно несколько увеличить диаметры головок клапанов.
Из предыдущего видно, что конструктивные меры, обеспечивающие хорошее наполнение, с одной стороны, и благоприятные условия сгорания, с другой, — в известной степени противоречивы.
Для двигателей без наддува с двухклапанными головками и для двигателей с наддувом, имеющих пониженную степень сжатия, характерен угол развала клапанов 50—60°; для двигателей без наддува с четырехклапанными головками и высокой степенью сжатия угол развала клапанов обычно составляет 20—40°.
Практика показала, что выгоднее впускные клапаны большего диаметра, чем у выпускных. Соблюдение этого условия при оптимальном использовании поверхности камеры в виде шарового сегмента или шатровой формы для размещения клапанов наибольшего размера приводит к несимметричной конструкции; наклон выпускного клапана должен быть больше. Выпускной канал может иметь более крутой изгиб без ущерба для динамических показателей; впускной канал, наоборот, должен быть выпрямлен, что влечет за собой удлинение впускного клапана и дополнительную асимметрию распределительного механизма. Последняя хорошо заметна на рис. 35, где представлен разрез двигателя «Ланчиа» автомобиля «Феррари» типа GP.
Несимметричный наклон клапанов (от оси цилиндра) иллюстрируется следующими примерами:
Наклон Наклон впускного выпускного клапана....* клапана.... °
«Ковентри-Клаймакс» 1,5 л........... 32
BRM 1,5 л, V-8.......................... 34
«Мазерати» 2 л.......................... 36
«Ковентри-Клаймакс» 2,2 л........... 32
BRM 2,5 л .............................. 36
«Мазерати» 2,5 л........................ 39
«Мерседес-Бенц» 3 л .................... 43
«Альфа Ромео» 1,5 л, 12 цилиндров 45
«Порше» 4,5 л........................... 30
«Рено Гордини» 2 л, V-6.................. Ю
34
42
41
34
43
41
51
50
35
11,3
96
Рис. 35. Разрез 8-цилиндрового двигателя «Ланчиа» (2,5 л)
Для лучшего завихрения рабочей смеси, поступающей в цилиндр, ось впускного канала нередко смещают вбок от вертикальной плоскости симметрии камеры сгорания.
Нагрузка клапанных пружин. Привод клапанов. Среди различных факторов, ограничивающих частоту вращения, существенное значение имеют инерционные силы деталей распределительного механизма. На подавляющем большинстве современных гоночных двигателей открытие клапана происходит принудительно под действием кулачка, а закрытие производится пружинами. Пружины должны обладать достаточной силой для того, чтобы возвратно движущиеся детали распределительного механизма следовали в своем движении за контуром кулачка, не отрываясь от него.
Клапанные пружины должны обеспечивать точную работу распределительного механизма па всех режимах вплоть до частоты вращения, несколько превышающей частоту вращения при максимальной мощности, так как на практике при интенсивном разгоне двигатель иногда достигает этого режима работы. При недостаточной силе клапанных пружин на высокой частоте вращения может произойти нарушение кинематической связи между кулачком и толкателем под действием инерционной нагрузки, что повлечет за собой появление перебоев и снижение мощности, а у двигателей с верхними клапанами может вызвать поломки механизмов вследствие задевания головки клапана за поршень.
4 В. В. Бекман 97
Подобные дефекты наблюдаются иногда у быстроходных двигателей в результате появления остаточных деформаций пружин или при случайной работе двигателя вразнос.
Силы инерции деталей распределительного механизма увеличиваются пропорционально квадрату угловой скорости кулачкового вала и пропорционально массе возвратно движущихся деталей. Существующие схемы распределительных механизмов автомобильных двигателей, представленные па рис. 36, отличаются большим разнообразием по оценке массы их возвратна движущихся элементов.
Схема а — верхнее расположение клапанов с приводом посредством одноплечих рычагов, толкателей, толкающих штанг и коромысел.
Схема б — отличается от предыдущей схемы отсутствием толкателей; одноплечие рычаги действуют непосредственно на толкающие штанги.
Схема в — одноплечих рычагов нет, кулачки действуют на толкатели.
Схема г — верхний распределительный вал, действующий на клапаны через коромысла.
Схема д — два верхних распределительных вала, действующих на клапаны через короткие толкатели.
Схема е — два верхних распределительных вала, действующих непосредственно на клапаны. Тарельчатые наконечники ввернуты в стержни клапанов.
Схема зю — два верхних распределительных вала, действующих на клапаны через одноплечие рычаги.
Схема з — является разновидностью схемы д. Толкатели выполнены в виде тонкостенных поршеньков, охватывающих клапанные пружины.
Схемы г, д, зю, з особенно часто применяются в двигателях гоночного типа.
Достоинства и недостатки перечисленных схем по влиянию на инерционную нагрузку клапанных пружин довольно очевидны, но могут быть правильно оценены только на основе конкретных цифровых данных. Из всех изображенных на рис. 36 схем наиболее общий характер имеет схема а, так как в ней содержится максимальное количество возвратно движущихся деталей; остальные схемы можно считать частными случаями схемы а. Сила инерции, которую должна преодолеть клапанная пружина механизма по схеме а, может быть вычислена по следующему выражению:
= / [т + J/b2 ф- mra2/b2 (5)
где Р] — сила инерции; / — ускорение клапана; т — суммарная масса клапана с шайбой и трети клапанной пружины (или пружин, если их несколько); mt — суммарная масса толкателя и толкающей штанги; J — момент инерции коромысла относительно 98
Рис. 36. Схемы распределительных механизмов
Рис. 37. Кинематическая схема привода клапана на двигателе с нижним распределительным валом и максимальным числом промежуточных деталей;
а и b —плечи коромысла; с — плечо промежуточного рычага
4*
99
оси вращения; — момент инерции промежуточного рычага относительно его оси вращения; а, b и с — размеры по рис. 37.
Выражение в скобках представляет собой массу возвратно движущихся деталей распределительного механизма, отнесенную к оси клапана, т. е.
Мпр = т -1 Jib2 m^lb2 -| - J^/(bV). (6)
Здесь первый член правой части уравнения — приведенная масса клапана с пружинами, второй член — приведенная масса коромысла, третий — приведенная масса толкателя и толкающей штанги и четвертый — приведенная масса промежуточного рычага.
В табл. 18 даны общие приведенные массы распределительных механизмов, выполненных в ряде двигателей по различным схемам. Как видно, прямой связи между /Илр, рабочим объемом цилиндра и количеством звеньев механизма не наблюдается; все зависит от конструктивной проработки механизма и скоростного режима, на который он рассчитан.
В последнее время между шестернями коленчатого и кулачкового валов часто вводят промежуточные шестерни с целью сокращения длины толкающих штанг и уменьшения их массы; кроме того, повышенное положение кулачковых валов достигается путем применения в распределительных механизмах цепных передач.
Если два двигателя имеют распределительные механизмы с различной приведенной массой, то нетрудно сравнить их предельные частоты вращения при условии, что они имеют клапанные пружины одинаковой силы и кулачки одинакового профиля. При достижении такими двигателями предельной частоты вращения сила инерции, уравновешиваемая клапанными пружинами,
Pj = /i'«i = /2/пг; т^т.! = /i//2,
Таблица 13. Приведенные массы возвратно движущихся деталей распределительных механизмов
Схема механизма (по рис. 36) Рабочий объем цилиндра, см* Полная приведенная масса Л1пр, г.с*/см Схема механизма (по рис, 3G) Рабочий объем цилиндра, см’ Полная приведенная масса Мпр> г-с’/см
б 350 —0,25 д 175 —0,13
б 600 —0,35 д 250 —0,14
в 200 —0,17 е 330 —0,19
в 250 0,17—0,22 ж 125 0,065-0,11
в 350 —0,32 ж 174 —0,10
в 375 —0,27 3 125 —0,15
в 500 —0,24 3 250 —0,20
г 125 —0,11 3 400 —0,15
д 125 —0,11 3 575 —0,23
100
где Д и тг — ускорение клапана и приведенная масса распределительного механизма первого двигателя; /2 и т2 — ускорение клапана и приведенная масса распределительного механизма второго двигателя.
Как известно, ускорения клапана пропорциональны квадратам частот вращения, т. е.
/j//2 = и, следовательно,
tn2hnt — nj/nfr, nL/n2 — У
Отсюда определяется предельная частота вращения второго двигателя, если известны значения приведенных масс и т2 и предельная частота вращения первого двигателя nlt
(7)
Диапазон частот вращения точной работы распределительного механизма значительно расширяется при переходе к схемам с верхними распределительными валами: г, д, е, ж, з (рис. 36).
На основании вышеприведенной таблицы и исследования деталей приведенные массы распределительных механизмов двигателей с рабочим объемом цилиндра около 350 см3, выполненных по разным схемам, можно оценить следующими значениями Л4пр (г-с’/см):
По схеме а.................................................. 0,27
» » г................................................. 0,22
» s д—-з.......................................... • 0,18
Форсированный двигатель с верхними клапанами и толкающими штангами (по схеме в) может надежно работать при — = 6500 об/мин. Приняв это значение как предельное для двигателя по схеме в и пользуясь формулой (7), а также имея в виду вышеуказанные приведенные массы, получим предельные значения п (об/мин) для двигателей с распределительными механизмами по схемам г и <5—з (при той же силе клапанных пружин):
Для схемы в................................... 6500
» » г......................... 7200 (увеличение на 11%)
» » д—з....................... 7950 (увеличение на 22%)
Полученные цифры характеризуют сравнительные качества схем распределительных механизмов с верхними клапанами для возможности получения высоких частот вращения при ограниченной силе клапанных пружин. Однако эти цифры не следует рассматривать как абсолютные пределы, так как фактическая предельная частота вращения зависит от качества конструктивного выполнения схемы, допускающей применение деталей различных размеров и форм (например, шпилечных пружин вместо винтовых).
Распределительные механизмы двигателей с двумя верхними распределительными валами при небольших объемах цилиндров
101
работают с очень большими частотами вращения без нарушений кинематической связи; механизм двигателя BRM 1,5 л работал удовлетворительно при 18 000 об/мин.
Рассматривая здесь предельную частоту вращения, при которой сохраняется точная работа привода клапанов, необходимо отметить, что инерционная нагрузка распределительного механизма представляет собой только один из факторов, ограничивающих увеличение быстроходности как средства увеличения мощности; частота вращения, соответствующая максимальной мощности, зависит, в первую очередь, от характера возрастания потерь наполнения и механических потерь. Поэтому применение той или иной схемы распределительного механизма без учета влияния других факторов не может обеспечить максимального увеличения частоты вращения и мощности.
В практике эксплуатации гоночных двигателей бывает необходимо установить предельную частоту вращения, допустимую при разгоне автомобиля на промежуточных передачах, без риска поломки деталей механизма вследствие задевания клапанов за поршни. Эту частоту вращения нетрудно определить, если известна сила клапанных пружин при открытом клапане, масса возвратно движущихся деталей распределительного механизма и некоторые размеры деталей.
Максимальная сила инерции, которую должна уравновесить сила клапанных пружин при полном открытии клапана,
Р = Mj, где М — масса возвратно движущихся деталей, приведенная к оси клапана; /— максимальное ускорение клапана.
Максимальное ускорение клапана при толкателе с плоской тарелкой
/ = {>5(£>к/«;
максимальное ускорение клапана при толкателе с роЛиком или закругленным концом
7 = Ml + s/(r 4- р)] а£/а, где b — длина плеча коромысла со стороны клапана; а — длина плеча коромысла со стороны толкателя; s — расстояние от центра начальной окружности кулачка до центра дуги закругления вершины кулачка; сок — угловая скорость кулачка лл/(30-2); п — частота вращения коленчатого вала; г — радиус ролика или закругления конца толкателя; р — радиус дуги закругления вершины кулачка.
Следовательно, для толкателя с плоской тарелкой
Р = Mbs(n/60)a/i2/fl = 0,00274A4bs/i2/a, отсюда
п = УРа1(Р,00274 Msb).
102
Аналогичным путем получим предельную частоту вращения при толкателе с роликом или закругленной головкой
л== j/ Pa/[0,00274M6s(l + 7^)] •
Сила пружины кроме силы инерции преодолевает трение в деталях распределительного механизма. Чтобы учесть это обстоятельство, в полученные формулы вместо полного усилия пружин следует подставлять 0,8Р, считая, что 20% силы пружин затрачиваются на преодоление трения. Частота вращения, вычисленная по приведенным формулам, характеризует предельный скоростной режим работы двигателя, при котором возвратно движущиеся детали распределительного механизма не будут терять контакта с кулачком. Например, для двигателя, имеющего распределительный механизм с верхними клапанами, коромыслами, толкающими штангами и толкателями с плоской пятой: М = 0,0272 кгсс2/м; Р = 66 кгс; s = 0,0137 м; а = 0,0255 м; b = 0,034 м;
т/ 0,8-66-0,0255 сопл л/
п— У 0,00274 0,0272-0,034-0,0137 ~ 6200 об/мин.
Точке перегиба характеристики этого двигателя соответствует частота вращения 5200—5500 об/мин. Следовательно, двигатель имеет запасной диапазон частот вращения, равный 700— 1000 об/мин на случай затяжного разгона автомобиля на промежуточных передачах.
В связи с увеличением частот вращения внимание конструкторов привлекает применение так называемых десмодромных механизмов с принудительным движением клапанов в обе стороны, хотя почти все современные гоночные двигатели имеют клапанные механизмы с посадкой клапанов при помощи пружин.
Наиболее известным примером десмодромного клапанного механизма является конструкция, использованная фирмой «Мерседес-Бенц» на автомобилях с непосредственным впрыском топлива, занявших первое место в первенстве мира 1954 и 1955 гг. Принцип действия механизма показан на рис. 38; для закрытия и открытия клапана имеются самостоятельные кулачки.
Пружины для выбирания температурного зазора оказались ненужными: прижатие клапана к седлу обеспечивается давлением газов. Механизм успешно выдержал 50-часовое испытание при Ю 000 об/мин. Десмодромный механизм позволяет осуществлять открытие и посадку клапана с большими ускорениями, чем достигается увеличение фактора время—сечение. В конструкции «Мерседес-Бенц» положительное ускорение достигает 17 000 м/с2, отрицательное — 8000 м/с2. Это значительно превышает ускорения, которые допускаются при посадке клапанов пружинами: например, у двигателя «Нортон» 0,5 л максимальное положительное ускорение клапана 8000 м/с2, отрицательное — 5000 м/с2;
103
Рис. 38. Устройство Десмодромпого клапанного механизма «Мерседес-Бенц»: / — толкатель; 2 — регулировочная шайба; 3 — направляющая толкателя;
•/ - направляюпщя клан а и а
Рис. 39. Схема десмодромного клапанного механизма «Нортон»
104
у двигателя «Форд-Косворт» соответственные значения — 12 400 м/с2 и 3340 м/с2. Другой тип десмодромного механизма показан на рис. 39. Здесь для закрытия клапанов используются промежуточные кулачковые валы, действующие на коромысла.
Полный контроль процесса движения клапанов при десмо-дромном механизме дает возможность добиться постоянства отношения между мгновенными значениями проходного сечения клапана и скорости поршня двигателя, что является необходимой предпосылкой к хорошему наполнению цилиндра.
В конструкциях распределения по схеме Цуккарелли в результате нецентрального приложения силы и наличия трения между кулачком и концом клапана возникает довольно значительное боковое усилие на направляющую клапана. В первых конструкциях двигателей с двумя верхними распределительными валами старались устранить боковое давление на клапан, сохраняя между кулачком и клапаном специальные толкатели. У некоторых двигателей боковое усилие на клапан от кулачка воспринимает клапанная направляющая, которая должна быть приспособлена к повышенной нагрузке.
Для уменьшения удельного давления на направляющую стержень клапана делается большего диаметра. Стержень клапана высверливают и снабжают внутренней резьбой, в которую завинчивают резьбовой хвостовик тарелки, воспринимающей усилие от кулачка. Соединение на резьбе позволяет регулировать величину зазора между нажимной тарелкой и кулачком. Во избежание произвольного изменения зазора должны быть предусмотрены стопорные приспособления, препятствующие поворачиванию тарелки относительно стержня клапана. Простейший способ за-контривания (рис. 40) заключается в том, что радиальные зубчики, выполненные на нижней кромке тарелки, сцепляются с такими же зубчиками упорной шайбы, посаженной на шлицы стержня клапана; клапанная пружина пе дает зубчикам выйти из зацепления.
Боковое давление на клапан от кулачка может быть уменьшено введением промежуточного одноплечего рычага (рокера), как это принято на многих гоночных автомобилях, например «Порше» (рис. 41), «Ланчиа», а также на серийных двигателях
Рис. 40. Устройство клапана с непосредственным приводом оТараспределительного вала
105
Рис. 41. Промежуточный одноплечий рычаг в приводе клапана двигателя «Порше»; рычаг с полушаровой опорой в точке качания
ВАЗ. Регулирование зазора в подобных конструкциях осуществляется подкладыванием тонких металлических шайб под колпачок на конце стержня клапана.
Несколько иной метод разгрузки клапана от бокового усилия использован на гоночных двигателях «Матра» (см. рис. 30) и «Форд» (см. рис. 33). Здесь кулачок действует на толкатель, движущийся в направляющей и выполненный в виде тонкостенного, очень легкого поршенька. Очевидно, что в этом случае боковое давление целиком воспринимается толкателем и не передается на клапан.
Для передачи вращения верхним распределительным валам существуют четыре основных конструктивных варианта.
1. Коленчатый вал с помощью пары конических шестерен вращает вертикальный промежуточный вал, который, в свою очередь, передает вращение распределительным валам через вторую коническую пару и цилиндрические шестерни. Некоторое упрощение получается в том случае, если передача кулачковым валам от вертикального вала производится при помощи винтовых шестерен. Такое устройство теперь применяют редко.
2. Передача состоит из ряда цилиндрических шестерен, как показано на рис. 42. Эта система принята у многих фирм («Мерседес-Бенц», BRM, «Оффенхаузер» и др.). К преимуществам такого варианта относятся простота изготовления цилиндрических шестерен и удобное присоединение вспомогательных механизмов — нагнетателя, масляной и водяной помп и др.
3. Передача вращения производится роликовой цепью или двумя роликовыми цепями (рис. 43), если по конструктивным соображениям вводится промежуточный валик для привода вспомогательных механизмов, а также во избежание слишком длинных цепей. В последние годы вместо цепей часто используют армированные зубчатые ремни из эластичной пластмассы.
4. Существует вариант, представляющий собой комбинацию двух предыдущих: коленчатый вал передает вращение цепью промежуточному валику, соединенному шестернями с распределительными валами. Такая схема была принята на некоторых моделях автомобилей «Альфа Ромео».
100
M
fC Q. 5
= a
o2<u g я 3
2 2 s « о
107
Передача к распределительному механизму от переднего конца коленчатого вала облегчает сборку и замену поврежденных деталей. Несмотря на это предпочитают помещать иногда передачу к распределительному механизму на заднем конце двигателя, вблизи от маховика, где при крутильных колебаниях имеют место меныпие амплитуды деформаций. Таким путем устраняются вредные последствия вибрации распределительных валов — быстрый износ деталей механизма и явления усталости металла.
Для 12- и 16-цилиндровых V-образных или оппозитных двигателей имеет смысл помещать передачу к распределительному механизму в середине, чтобы уменьшить деформации скручивания длинного и сравнительно тонкого распределительного вала. На таких двигателях для предохранения коленчатого вала от крутильных колебаний отбор мощности для передачи на трансмиссию производится от средней коренной шейки. Это позволяет конструктивно объединить передачу к распределительным валам с передачей для отбора мощности.
Распределительный механизм V-образных (рис. 44) и оппозитных (рис. 45) двигателей также может быть выполнен по схеме Цуккарелли. Тогда оба ряда цилиндров имеют по два распредели-
Рис. 43, Двигатель «Репо» (V-8, 3 л) с приводом'распределительпых валов посредством двух цепей
108
Рис. 44. Гоночный двигатель <Форд-Косворт> (V-8, 3 л)
тельных вала, передача к которым осуществляется таким же способом, как и для двигателей рядного типа [35, 68].
Вообще говоря, всякие отклонения конструкции распределительного механизма от схемы Цуккарелли нежелательны, так как неизбежно приводят к увеличению массы движущихся частей и тем самым уменьшают максимально возможную частоту вращения. Отказ от двух распределительных валов и разнообразные упрощения механизма в ущерб динамике двигателя всегда объясняются экономическими соображениями и встречаются на автомобилях спортивного типа серийного производства.
Весьма существенно для гоночного двигателя, чтобы клапан мог поворачиваться вокруг своей оси во время работы; такое движение способствует равномерному нагреву клапана, увеличивает его надежность и, по мнению некоторых специалистов, позволяет несколько увеличить степень сжатия. У двигателей с винтовыми клапанными пружинами в большинстве случаев наблюдается медленное вращение клапанов. При шпилечных клапанных пружинах и зажатии клапана сухариками поворачивание клапана невозможно. Чтобы обеспечить поворачивание клапанов, применяют специальные конструктивные меры. Если имеется грибо-
109
видный толкатель или толкатель в виде поршенька, то достаточно сместить кулачок по отношению к толкателю, чтобы вызвать вращение толкателя, а вместе с ним и клапана (при винтовых клапанных пружинах). Другие методы обеспечения поворачивания клапана показаны на рис. 46. По левой схеме сухарики перестают сжимать клапан в момент его открытия. Правая схема, по которой между упорной шайбой пружины и клапаном вводится промежуточная втулка, применяется и при винтовых пружинах.
Клапаны и клапанные пружины. Пропускная способность клапанов. Клапаны изготовляются из жаропрочных сталей с большим содержанием специальных примесей.
В английской практике хорошие результаты получены с клапанами гоночных двигателей из стали КЕ-965 следующего химического состава (%): 0,41 С; 0,92 Si; 0,79 Мп; 14,7 Ni; 14,0 Сг;
Рис. 46. Устройства, обеспечивающие возможность поворачивания клапана во время работы
110
2,07 W. Хромоникелевольфрамовые стали такого типа сохраняют хорошие механические качества при высокой температуре и мало подвержены образованию окалины. Такими же свойствами обладает хромоникелевый сплав типа Nimonic-80, применявшийся для выпускных клапанов гоночных двигателей воздушного охлаждения. Его состав (%): 0—0,1 С; 18—21 Сг; 0—5,0 Fe; до 1 Si; 1,8—2,7 Ti; 0—2,0 Со; до 1 Мп; 0,5—1,8 А!; остальное Ni. Сплав устойчив против коррозии.
В ФРГ для изготовления выпускных клапанов высокофорсированных двигателей используют жаропрочную сталь, имеющую следующий состав (%): 0,4—0,5 С; 17—19 Сг; 2—3 Si; 0,8— 1,5 Мп; 8—10 Ni и 0,8—1,2 W. Для впускных клапанов применяют другие сорта специальных сталей, например никелевую или ко-бальтохромовую. Успешно применялись впускные клапаны из легкого сплава титана.
В конструкции выпускного клапана часто предусматривается внутреннее охлаждение. Стержень клапана, а иногда и его головку делают пустотелыми (см. рис. 40). Полость клапана частично заполняют веществами с низкой температурой плавления и высокой теплоемкостью, например азотнокислыми солями натрия и калия или металлическим натрием. При возвратном движении клапана расплавленная соль взбалтывается и переносит теплоту от головки клапана в верхнюю часть стержня, где она отводится через направляющую втулку. Такое охлаждение имеет большое значение для высокофорсированных двигателей, так как выпускные клапаны в этом случае работают, как правило, в состоянии темно-красного каления (800—900° С). Если охлаждение такого типа предусмотрено только в стержне клапана, то снижение температуры головки клапана составляет около 110° С; при наличии охлаждения стержня и головки температура последней уменьшается приблизительно на 260° С. Уменьшение температуры выпускного клапана позволяет увеличить степень сжатия.
Для получения высокого коэффициента наполнения впускные клапаны гоночных двигателей делают большего диаметра, чем выпускные (табл. 19).
Как известно, наполнение, цилиндра зависит от диаметра клапана, высоты его подъема, формы профиля кулачка н продолжительности открытия клапана. Пропускная способность распределительного органа характеризуется фактором время—сечение (т. е. площадью, заключенной между осью абсцисс и кривой, изображающей изменение проходного сечения клапана но времени (или углу) поворота коленчатого вала.
Конструкция распределительного механизма гоночного двигателя подчинена требованию получения возможно большего фактора время—сечение за счет увеличения диаметра клапанов, высоты их подъема н крутизны профиля кулачка, а также за счет расширения фаз распределения.
Ill
Таблица 19. Размеры клапанов гоночных двагателей
На рис. 47 даны диаграммы время—сечение и подъема клапана гоночных двигателей различного типа. Несмотря на то что гоночные двигатели развивают максимальную мощность при более высоких частотах вращения, численные значения их фактора время—сечение, отнесенного к единице рабочего объема, нередко получаются выше, чем у двигателей дорожных автомобилей; этим в значительной степени объясняется хорошее наполнение гоночных двигателей на высоких частотах вращения. Время— сечение при режиме, соответствующем максимальной мощности, должно быть в пределах 10—15 мм’-с/л. Большие значения относятся к впускным клапанам.
Показателем, характеризующим пропускную способность распределительных органов, является отношение площади клапана (или клапанов) к рабочему объему цилиндра (табл. 19). Диаметр головки клапана зависит от величины проходного сечения впускного или выпускного каналов. Если максимальный подъем клапана равен или превышает V4 диаметра канала, то проходное сечепие клапанной щели получается не меньше проходного сечения канала. В четырехклапанпых головках цилиндра суммарная длина периферии головок двух клапанов может быть существенно больше, чем у одного клапана в двухклаиаиной конструкции. Это благоприятствует улучшению наполнения цилиндра горючей
Рис. 17. Диш рам мы: а время -сечепие одноцилиндрового двигателя «Нортон» (0,5 л); б - подъем впускного клапана двигателя «Мазерати» (6-цилиндровый, 2,5 л)
из
112
Рис. 49. Схема к определению проходного сечения клапана
смесью и его очистки от отработавших газов в периоды неполного открытия клапанов.
На рис. 48 показан эффект замены двухклапанных головок цилиндров четырехклапанными на гоночном двигателе «Форд» V-8, 4,2 л; пропускная способность двух клапанов новой головки значительно больше.
Проходное сечение клапана представляет собой боковую поверхность усеченного конуса с образующей ас (рис. 49) и определяется из выражения
f = л (ft-Mg а)2.
Проходные сечения клапанной щели должны быть по возможности больше, с тем чтобы получить более низкие значения скорости движения горючей смеси, так как гидравлические потери возрастают пропорционально квадрату ее скорости. Для увеличения сечения клапанной щели, особенно впускного клапана, на гоночных двигателях часто принимают угол фаски, равный 30°.
Хорошим критерием для оценки проходных сечений распределительного механизма может служить средняя скорость горючей смеси, определенная на основании уравнения неразрывности потока смеси, vcf = vmF; откуда vc vmF/f, где щ — средняя скорость горючей смеси в клапанной щели пли канале; vm — средняя скорость поршня, равная 5л/30; F — площадь поршня; f — проходное сечение клапана или канала.
Средние скорости смеси во впускном канале (50—70 м/с) у гоночных двигателей не выше, чем у двигателей дорожных автомобилей. Это обстоятельство способствует сохранению высо-114
кого коэффициента наполнения, несмотря на большие частоты вращения гоночных двигателей.
Фазы распределения быстроходного двигателя должны быть установлены с учетом инерции газов, движущихся в выпускном и впускном трубопроводах. При правильном подборе моментов открытия и закрытия клапанов инерция газов может быть использована для улучшения процессов наполнения и очистки цилиндра. Фазы распределения гоночных двигателей приведены в табл. 20.
Разумеется, все инерционные явления оказывают положительное влияние при большой частоте вращения, а на промежуточных режимах позднее закрытие впускного клапана может давать отрицательный эффект вследствие обратного выталкивания смеси. По этой причине многие гоночные двигатели слабо тянут при средних скоростях и начинают «оживать» только после перехода на скорость 4000—5000 об/мин. По этим же причинам некоторые гоночные двигатели при медленном поворачивании коленчатого вала от руки обнаруживают посредственную компрессию, несмотря на высокую степень сжатия.
Так называемое перекрытие клапанов, обусловленное опережением открытия впуска и запаздыванием закрытия выпуска, достигает 100—120° по углу поворота коленчатого вала. Величина
Таблица 20. Фазы распределения гоночных автомобильных двигателей (в градусах угла поворота кривошипа)
Фирма или модель двигателя Литраж двигателя Опережение открытия впускного клапана (до в. м. т.) Запаздывание закрытия впускного клапана (после н. м. т.) Опережение открытия выпускного клапана (до н. м. т.) Запаздывание закрытия выпускного клапана (после в. м. т.) Перекрытие клапанов Полный угол открытия клапана Наличие нагнетателя
впускного выпускного
Л-250 (СССР) 0,25 60 40 40 60 120 280 280 Есть
«Харькон-6» (СССР) 2,0 30 50 50 30 60 260 260 »
«Порше» (ФРГ) 1,5 81 71 81 51 132 332 312 Нет
«Делаж» (Ф) 1,5 18 50 58 25 43 248 263 Есть
«Ковентри-Клаймаке» (А) 1,5 45 65 65 45 90 290 290 Нет
«Форд-Косворт» (А) 1,6 58 82 82 58 116 320 320 »
BMW (ФРГ) 2,0 61 81 78 58 119 322 316 »
«Лотос» (А) 2,0 45 75 75 45 90 300 300 »
«Альфа Ромео» (И) 2,0 50 70 68 68 118 300 316 »
«Рено Горднни»(Ф) 3,0 55 75 68 47 102 310 295
«/Мерседес-Бенц» (ФРГ) 3,0 20 55 60 0 20 255 240 »
«Форд-Косворт» (А) 3,0 58 82 82 58 116 320 320
«Порше» (ФРГ) 4,5 104 104 105 75 179 388 360 »
Примечание. Доигатель «Мерседес-Бенц» имеет десмодромкый распределительный механизм. Частота вращения приведенных двигателей 8000—10 000 об/мин.
115
фаз распределения в основном определяется быстроходностью двигателя: чем больше частота вращения, тем больше должно быть опережение открытия и запаздывание закрытия клапанов. Поэтому углы открытия клапанов гоночного двигателя значительно больше. Наиболее выгодный момент открытия и закрытия клапанов зависит не только от частоты вращения, но и от целого ряда конструктивных факторов (формы и длины трубопроводов, расположения клапанов и т. д.). В связи с этим фазы распределения двигателя окончательно устанавливаются после испытания нескольких вариантов на тормозной установке.
На гоночных двигателях иногда применяются клапанные пружины шпилечного типа (рис. 50). По сравнению с винтовыми пружинами они обладают многими преимуществами: масса их возвратно движущейся части меньше, в двигателях воздушного охлаждения они лучше охлаждаются, удобнее заменяются при повреждениях и меньше подвержены явлениям резонанса, так как частота их собственных колебаний больше, чем у винтовых пружин. Вместе с тем они занимают больше места.
Суммарная сила клапанных пружин одного клапана в зависимости от типа распределительного механизма, размеров клапанов и быстроходности двигателя колеблется в пределах от 50 до 100 кгс, достигая в отдельных конструкциях 225 кгс.
Направляющие втулки клапанов изготовляются из алюминиевой бронзы или хромоникелевого чугуна. Направляющие втулки иногда непосредственно омываются водой, циркулирующей в рубашке головки цилиндров («мокрые» втулки).
Кривошипно-шатунные механизмы. В старых конструкциях двигателей, с распределением по схеме Цуккарелли, распределительные валы помещались в отдельные алюминиевые картеры, которые затем прикреплялись к головкам цилиндров на специальных стойках или приливах; стержни клапанов и пружины оставались снаружи и были подвержены загрязнению. В настоящее время распределительные валы помещают непосредственно в головке цилиндров. Согласно современным методам проектирования, опоры нижних половин подшипников распределительного вала отливаются вместе с головкой. Головки цилиндров в верхней части имеют с обеих сторон корытообразное сечение и охватывают стержни клапанов, пружины и кулачковый вал. Сверху весь механизм закрывается легкими алюминиевыми крышками. Такие конструкции представлены на рис. 25 и 33. Здесь все детали хорошо защищены от внешних влияний, и возможность появления течи даже при обильной циркуляционной смазке исключается.
Блоки цилиндров еще и теперь иногда отливают из чугуна *, что приводит к увеличению их массы, но зато при производстве имеет преимущества. Заметная экономия массы получается при
1 Тонкостенный (3,5—4 мм) чугунный блок цилиндров с азотированными стальными мокрыми гильзами имел двигатель «Репо» Г'1 1,5 л.
116
Рис. 50. Разрез 16-цилиндрового двигателя BRM(1,5 л),имеющего шпилечные клапанные пружины
Рш.*. 51. Разрез 12-цилиндрового двигателя <Мер седее-Бенц» (3 л) с четырехклапап-пымл головками цилиндров
117
отливке блоков и головок из алюминиевых сплавов. Тогда рабочей поверхностью блока служат чугунные или стальные гильзы; в головку запрессовывают или ввертывают стальные клапанные седла. У гоночных автомобилей «Феррари» мокрые гильзы цилиндров были ввернуты на резьбе в головку блока.
Помимо малой массы применение алюминиевых сплавов для головок обеспечивает быстрый отвод теплоты вследствие высокой теплопроводности и, следовательно, уменьшает нагрев клапанов и свечей. Снижение средней температуры самых горячих деталей увеличивает допустимую степень сжатия. В качестве материала для головок может быть использована и бронза (например, у фирмы MG). Бронза обладает хорошей теплопроводностью и высокими механическими качествами, поэтому бронзовые головки могут работать без вставных клапанных гнезд. Впрочем, и у некоторых гоночных двигателей с головками из алюминиевых сплавов («Альфа Ромео», «Гуцци») клапаны имели гнезда, выполненные непосредственно в металле головки.
Своеобразный метод для изготовления блоков гоночных двигателей был принят у фирмы «Мерседес-Бенц» (рис. 51). Каждый цилиндр вместе с головкой вытачивался отдельно из стальной болванки. При помощи приварки общей водяной рубашки из листовой стали три или четыре цилиндра объединялись в блок, который затем подвергался окончательной механической обработке.
Этот способ изготовления цилиндров полностью устраняет черные, необработанные поверхности и позволяет ограничить толщину всех стенок размерами, соответствующими воспринимаемым нагрузкам. В конечном итоге получается очень легкая конструкция. Таким образом, 12-цилиндровый двигатель состоит из четырех блоков, по два блока в каждом ряду цилиндров. Однако последние гоночные двигатели «Мерседес-Бенц» имели литые блоки из алюминиевого сплава.
Некоторые фирмы применяют цилиндры из алюминиевых сплавов без гильз, тогда рабочая поверхность цилиндров подвергается хромированию («Порше» 1,5 л).
Кроме «Мерседес-Бенц» и некоторые другие фирмы считали целесообразным отказаться от съемных головок. Наличие плоскости разъема и медно-асбестовой прокладки затрудняет отвод теплоты от головки цилиндра в нижнюю часть блока. Между тем в форсированных двигателях должны быть использованы все средства, чтобы быстро отвести наибольшее количество теплоты, передаваемой продуктами сгорания головкам, и предупредить перегрев этих деталей. Кроме того, нарушение герметичности разъема часто бывает причиной неполадок при высоких давлениях вспышки, свойственных гоночным двигателям (100— 120 кгс/см2 и выше). Тем не менее большинство современных гоночных двигателей имеет съемные головки цилиндров.
В двигателях гоночного типа применяется разнообразное расположение цилиндров — рядное при числе цилиндров от 2 118
до 8, V-образное и оппозитное при 2—16 цилиндрах. В последние годы при числе цилиндров более четырех особенно часто используют V-образное расположение цилиндров. Оно позволяет сделать двигатель более компактным. Лобовая площадь двигателя должна быть по возможности меньше, так как при почти горизонтальном положении гонщика она в значительной степени определяет лобовую площадь автомобиля.
Кривошипно-шатунный механизм несет большие нагрузки как от давления газов, так и от сил инерции. Для уменьшения сил инерции поступательно движущихся частей и соответствующих потерь на трение конструкторы стремятся к облегчению шатунов и поршней. Однако возможность снижения массы без ущерба для прочности весьма ограничена, в особенности у двигателей с наддувом.
Основные требования, предъявляемые к поршням, это прочность, жесткость и наличие достаточных сечений для быстрого отвода теплоты; через поршень непрерывно движется интенсивный поток теплоты по направлению к стенкам цилиндра, поршневому пальцу и шатуну.
Материалом для поршней служат наиболее качественные алюминиевые сплавы, приспособленные для изготовления поршней методом штамповки. Повышение температуры должно мало отражаться на механических свойствах материала. В качестве примера можно назвать известный сплав «уай» («Y — alloy»), получивший широкое распространение. Наряду со штампованными поршнями применяют также поршни, отлитые в кокиль.
Высокие давления в цилиндрах обязывают к установке не менее двух-трех поршневых колец. При меньшем числе колец утечка газов может вызвать заметное падение мощности. Высота колец обычно 1,5—2 мм даже для цилиндров большого диаметра. При высоких частотах вращения иногда наблюдается вибрация поршневых колец, сопровождающаяся прорывом газов и нередко поломкой колец. Это явление возникает, когда сила инерции поршневого кольца превышает давление газов в конце сжатия; тогда кольцо отделяется от нижней стенки канавки поршня. Чтобы избежать вибрации колец, их массу уменьшают за счет уменьшения высоты сечения. Ориентировочные предельные ускорения поршня, при которых поршневые кольца сохраняют контакт с нижней плоскостью канавки, составляют (м/с2):
При высоте кольца 3,2 мм
» » » 2,4 мм
» » » 1,6 мм
» » » 1,2 мм
............................. 12 000
.............................1G200
............................. 24 400
............................. 32 200
Разумеется, эти предельные ускорения зависят от давления в конце сжатия (или от е). На некоторых гоночных двигателях ускорения поршня превышают вышеуказанные пределы (BRM F2 и «Ковептри-Клаймакс» F1 —около 40 000 м/с2).
119
Хорошо работают на быстроходных двигателях поршневые кольца углового сечения (рис. 52). Низкая часть профиля кольца входит в канавку поршня с меньшим зазором, чем высокая часть, поэтому за высокую часть профиля проникают газы. Разжимая кольцо, они способствуют перекрытию зазора между поршнем и ци-
Рис. 52. Поршневые кольца углового сече- ЛИНДрОМ.
ния Шатуны и коленчатые валы
изготовляют из особопрочных легированных сталей с соответствующей термической обработкой. Для изготовления шатунов применяют также сплавы титана. В некоторых случаях использование этого прочного и легкого материала давало уменьшение массы возвратно-движущихся деталей, таких как шатуны, впускные клапаны и коромысла, достигавшее 44%.
Для разгрузки коренных подшипников от центробежных сил вращающихся масс щеки коленчатых валов в обязательном порядке снабжают противовесами, как это видно из рис. 53. Наряду с прочностью, основное требование, предъявляемое к коленчатому валу, заключается в том, чтобы он работал с минимальными деформациями. При сборке все подшипники подвергают тщательной пригонке и предварительной приработке, после чего проверяют легкость вращения коленчатого вала. Малое сопротивление при проворачивании от руки еще не гарантирует минимума потерь в работе двигателя, если вал недостаточно жесткий, так как под большой нагрузкой он будет прогибаться, заклиниваться в подшипниках и вызывать дополнительную затрату мощности на преодоление трения. При этом возникает большая опасность задира подшипников.
Коренные и особенно шатунные подшипники представляют собой одно из самых ответственных мест всего двигателя. Способность этих подшипников длительно выдерживать большие силы
и частоты вращения имеет решающее значение для надежности автомобиля в условиях гонки. По конструкции подшипники делятся на две принципиально различные группы: подшипники качения и подшипники скольжения (табл. 21). Замена скольжения качением
Рис. 53. Коленчатый вал сборной конструкции (типа «Хирт»)
120
121
сокращает механические потери и уменьшает требования к смазке. В то же время такая конструкция сложнее в монтаже и производстве. Коленчатые валы на роликоподшипниках выполняются составными из частей, соединенных запрессовкой или торцевыми зубьями с затяжкой болтами (система «Хирт», рис. 53), а иногда сплошными. Первая группа дает возможность использовать неразъемные обоймы для роликов. Вторая, более распространенная группа, возможна только при разъемных головках шатуна и разъемных коренных подшипниках. Ввиду того что усилие передается от роликов к обоймам через очень небольшие площадки, на рабочих поверхностях возникают значительные контактные напряжения. Стык на рабочей поверхности обостряет эти явления и сильно ограничивает срок службы подшипника. Своевременной заменой деталей можно предупредить последствия усталости металла — выкрашивание поверхностного слоя (питтинг) и образование трещин; некоторые фирмы меняли ролики и разъемные обоймы после каждой гонки на дистанцию около 500 км.
Если ролики опираются непосредственно на шейки коленчатого вала, то они подвергаются термической обработке — цементации или поверхностной закалке — с целью получения твердой поверхности, необходимой для всех типов подшипников качения. Такой же обработке, наряду с азотированием, подвергаются коленчатые валы, работающие с подшипниками скольжения.
Подшипники скольжения дают вполне удовлетворительные результаты даже на самых форсированных и быстроходных двигателях (BRM, «Феррари»); в последние годы подшипники с тонкостенными вкладышами применяют почти на всех гоночных двигателях.
В качестве материала для подшипников применяют стойкие антифрикционные сплавы, в частности свинцовистую бронзу. На некоторых гоночных двигателях были использованы подшипники с вкладышами из легких сплавов на алюминиевой основе. Такие вкладыши изготовляют отливкой с последующей механической обработкой. Они соприкасаются непосредственно с закаленными шейками коленчатого вала без какой-либо заливки антифрикционным сплавом. Обязательным условием для успешного применения вкладышей из легких сплавов является весьма точная и чистая обработка трущихся поверхностей, а также их обильная, надежная смазка чистым, фильтрованным маслом. Для изготовления вкладышей был использован, например, алюминиевый сплав, известный под маркой RRAC9, следующего химического состава (%): 5,5—7 Sn; 1,5—1,8 Ni; 0,6—0,9 Си; 0,7—1 Mg; 0,15—0,3 Si; 0,2—0,45 Fe; остальное — Al. Этот сплав соединяет в себе лучшие свойства других материалов для подшипников. Он также мало подвержен явлениям усталости, как и свинцовистая бронза, и обладает антифрикционными и антикоррозионными качествами баббита. К его преимуществам также следует отнести малую массу, втрое большую теплопроводность, 122
чем у стали, и сохранение твердости при повышении температуры до 150° С. На двигателе «Ковентри-Клаймакс» V-8, 1,5 л тонкостенные вкладыши из сплава 80% А1 и 20% Sn проработали в течение целого сезона без повреждений и замены. Успешно применялись на гоночных двигателях и стандартные трехслойные тонкостенные вкладыши (BMW 2 л).
Существуют и двигатели с подшипниками различных типов: па 12-цилиндровом оппозитном двигателе «Феррари» 3 л концевые коренные шейки работают на подшипниках качения, а средние — на подшипниках скольжения.
Независимо от типа принятых подшипников коленчатые валы обычно выполняются для уменьшения их деформации многоопорными, т. е. с коренными подшипниками, расположенными по обе стороны каждого колена. Впрочем при достаточной жесткости вала нередко допускаются исключения из этого правила без каких-либо вредных последствий (см. рис. 53). Так, вышеупомянутый двигатель «Феррари» с четырехопорным коленчатым валом развивал большую мощность, чем с семиопорным вариантом, вследствие снижения механических потерь.
На V-образных восьмицилиндровых двигателях часто применяют коленчатые валы с расположением колен в одной плоскости, как у четырехцилиндровых рядных двигателей. При таком устройстве такты выпуска равномерно чередуются в каждом ряду цилиндров, что позволяет упростить форму выпускных труб, сохраняя вместе с тем эффективность их работы. Некоторое ухудшение уравновешенности сил инерции практического значения не имеет.
Интенсивная циркуляционная смазка подшипников препятствует нагреванию шеек вала, сохраняет механические качества материала вкладышей, правильные зазоры и смазывающие свойства масла. Иногда употребляется дополнительное водяное охлаждение верхней части коренных подшипников. В этом случае в картере над подшипниками предусматриваются соединенные с рубашкой цилиндров полости, в которых циркулирует вода. Особое внимание уделяется повышению жесткости картера. У двигателя «Форд-Косворт» 3 л поперечные стенки нижней половины картера выполняют функции крышек коренных подшипников. Эта деталь представляет собой весьма жесткую отливку из легкого сплава. На двигателе «Оффенхаузер» применяли картер туннельного типа без разъема. Коленчатый вал вводится в него с торца, шатуны монтируются через боковые люки.
Смазка и охлаждение. Система смазки обеспечивает сокращение механических потерь и, что особенно важно в условиях гоночной эксплуатации, осуществляет внутреннее охлаждение двигателя, т. е. отвод теплоты, получившейся в результате работы трения.
Как показали лабораторные опыты, масло уносит 75—85% теплоты, полученной в результате работы трения в подшипниках. Кроме того, масло охлаждает нижнюю часть цилиндров, поршни и
123
шатуны, т. е. воспринимает часть тепловых потерь процесса горения. Поддержание температуры основных деталей в допустимых пределах и вообще работа современных гоночных двигателей со свойственными им большими литровыми мощностями были бы невозможны без интенсивной циркуляции масла. Количество циркулирующего масла для двигателей 1,5—3 л, составляет 45— 90 л/мин; верхний предел относится к двигателям с наддувом.
Конструктивное выполнение смазочных устройств базируется на применении обыкновенной циркуляционной смазки под давлением или системы, известной под названием «смазка с сухим картером». В первом случае картер служит масляным резервуаром. Масло забирается насосом из картера, подается под давлением через сверления в коленчатом вале к коренным и шатунным подшипникам и, вытекая из них, смазывает разбрызгиванием цилиндры, поршни и поршневые кольца, а затем стекает в картер, где после фильтрации снова попадает в приемник насоса. Система смазки с сухим картером характеризуется наличием отдельного масляного бака, установленного на шасси автомобиля, и масляного насоса с двумя секциями — нагнетающей и откачивающей. Нагнетающая секция забирает из бака масло и заставляет его циркулировать по тому же пути, что и в предыдущей системе. Масло, стекающее в картер, сразу захватывается откачивающей секцией и отводится в бак. Для смазывания верхнего распределительного механизма масло подается по ответвлению нагнетающей магистрали к распределительным валам, шестерням и их подшипникам; избыток масла стекает в картер по специальным каналам в блоке или по наружным трубопроводам.
Большая производительность откачивающей секции насоса не допускает скопления масла в картере, чем и оправдывается название системы «смазка с сухим картером». Масляные насосы почти всегда принадлежат к шестеренному типу. Производительность откачивающих секций может в 10 раз превышать производительность нагнетающей секции, что обусловлено сильным вспениванием масла. Многие двигатели для этого имеют по несколько откачивающих насосов — для картера коленчатого вала и картеров распределительных валов; так, 12-цилиндровый двигатель «Порше 917» имеет один нагнетающий и шесть откачивающих насосов. Целесообразно не объединять нагнетающий и отсасывающий насосы в общем корпусе, а устанавливать их отдельно, чтобы избежать нагрева масла, поступающего в двигатель, горячим маслом, возвращающимся в бак.
Преимущества сухого картера для гоночных двигателей очевидны. Циркуляция вне двигателя способствует снижению температуры масла и сохранению его смазывающих свойств (вязкости), тем более, что для усиления охлаждения теплота рассеивается во встречном воздухе масляными радиаторами. Такой радиатор включается в циркуляционную систему при помощи гибких шлан-124
Рис. 54. Схема смазки двигателя «Порше»:
/ — картер; 2 — два откачивающих насоса; 3 — масляный фильтр; 4 — прсдохрипн-тельный клапан; 5 — редукционный клапан; 6 — четыре откачивающих насоса; 7 — четыре распределительных вала; 8 — подвод масла к шатунам; 9 — масляный радиатор;
Ю — термостат (85° С); 11 — масляный бак; 12 — нагнетающий насос
гов и может быть расположен в переднем обтекателе автомобиля, сбоку на кузове или за двигателем над трансмиссией.
Для уменьшения износа деталей и увеличения долговечности двигателя в систему смазки многих гоночных автомобилей включены полнопоточные фильтры. На рис. 54 показана схема системы смазки 12-цилиндрового двигателя «Порше 917» 4,5 л. Нагнетающий насос подает масло из бака в фильтр и далее к коленчатому и распределительным (показаны два из четырех) валам. Осевой подвод масла к шатунным подшипникам позволяет работать при сравнительно низком давлении масла, что невозможно при радиальном подводе через коренные подшипники. Перед фильтром установлен предохранительный клапан, а за фильтром редукционный клапан, отрегулированный на давление 5 кгс/см2. Два насоса откачивают масло из картера коленчатого вала и четыре — из картеров распределительных валов. В зависимости от температуры масла термостат направляет часть масла, возвращающегося из двигателя, в радиатор и затем в бак.
Конструкция водяных и масляных радиаторов в большинстве случаев почти одинакова. Пример расположения радиаторов на гоночном автомобиле [74] показан на рис. 55. По замерам, 125
Рис. 55. Расположение радиаторов на трековом автомобиле «Игл-Оффен хаузср»: / — масляный радиатор коробки передач; 2 — масляный радиатор двигателя;
.7 -- водяные радиаторы двигателя
произведенным на гоночном автомобиле в условиях дорожной гонки, несмотря на охлаждение масла в радиаторе, его температура остается на 80° С выше температуры внешнего воздуха.
Для гоночных двигателей наиболее приемлемым смазочным материалом является касторовое масло, так как оно выдерживает большие удельные давления (не выдавливается из подшипников) и не разлагается при довольно высокой температуре. Касторовое масло хорошо проникает во все зазоры и не теряет вязкости даже в сильно нагретом состоянии. Его температура вспышки около 300° С. Касторовое масло не применяется в чистом виде, а смешивается с различными минеральными маслами и подвергается облагораживанию специальными присадками и технологическими процессами. Такая обработка улучшает его качество и устраняет недостатки, к которым, в первую очередь, относится образование липкого нагара в камерах сгорания.
Подавляющее большинство гоночных двигателей имеет жидкостное охлаждение; исключением являются одно- и двухцилиндровые двигатели мотоциклетного типа для малолитражных классов, на которых более распространено воздушное охлаждение. При воздушном охлаждении обдув двигателя осуществляется встречным воздухом; для подвода воздуха при заднем расположении двигателя предусматриваются воздухоприемные воронки и соответствующие трубопроводы. Только при числе цилиндров более двух, например на известных четырех-, восьми- и двенадцатицилиндровых оппозитных двигателях «Порше» (рис. 56), для охлаждения устанавливают специальную воздуходувку с приводом от двигателя. Воздуходувка осевого типа поглощает до 3% мощности двигателя. Количество подаваемого воздуха составляет 3—4 л/(с-л. с.).
Наравне с водяным охлаждением двигателя иногда употребляют охлаждение высококипящими жидкостями (температура жидкости поддерживается около 100° С). Повышение температуры охлаждающей жидкости снижает вязкость масла и, следовательно, 126
потери па трение; теплоотдача в стенки цилиндра уменьшается (меньше разность температур), а теплоотдача радиатора увеличивается. Последние два фактора позволяют уменьшить поверхность и массу радиатора. Таким образом, можно добиться уменьшения лобового сопротивления системы охлаждения и улучшить обтекаемую форму передней части автомобиля. Стой же целью применяют баки со льдом для охлаждения воды. Это уменьшает поверхность радиатора благодаря использованию скрытой теплоты плавления льда. Такие устройства возможны на автомобилях, предназначенных для рекордных заездов па короткие дистанции (1 —10 км). Конструктивная реализация систем охлаждения не имеет особых отличий: циркуляция воды между рубашкой и радиатором осуществляется при помощи центробежных помп. При больших скоростях движения гоночных автомобилей необходимость в вентиляторах для иросасывания воздуха через радиатор отпадает, поэтому они на автомобилях гоночного типа не устанавливаются. Особое внимание уделяется подводу охлаждающей жидкости к наиболее нагретым частям двигателя — выпускным каналам и направляющим выпускных клапанов (см. рис. 50).
Система выпуска отработавших газов. Конструкция выпускного трубопровода существенно влияет на мощность двигателя. Лучшие результаты удается получить при самостоятельных выпускных трубах для каждого цилиндра, хотя у многих гоночных автомобилей выпускные патрубки соединяются в общую трубу с постепенно увеличивающимся сечением в направлении от первого цилиндра к последнему.
Движение отработавших газов в выпускной трубе представляет собой колебательный процесс, который может быть согласован экспериментально с колебательным процессом движения горючей смеси во всасывающем тракте с таким расчетом, чтобы улучшить очистку цилиндра от отработавших газов и его наполнение свежей смесью. Давление в выпускной трубе подвержено резким колебаниям в течение всего периода выпуска. В первый момент после открытия выпускного клапана продукты сгорания устремляются в выпускную трубу с весьма высокой скоростью, превышающей скорость распространения звука. Быстрое удаление более 50% продуктов сгорания влечет за собой образование в цилиндре разрежения, которое может доходить до 0,5 кгс/см2. Точно так же и в выпускной трубе образуются периоды пониженного давления.
Эксперименты с выпускными трубами доказали, что длина трубы не влияет на эффективность очистки цилиндра в первой стадии процесса выпуска, но зато с увеличением длины трубы в известных пределах увеличивается длительность периода, в течение которого поддерживается разрежение. Важную роль играет конечное давление в момент достижения поршнем в. м. т. в конце хода выпуска; если в этот момент давление ниже атмосферного, то количество остаточных газов в камере сжатия уменьшается. Следовательно, полезно, чтобы выпускной клапан закрывался,
127
5 В. В» Бекман
Рис. 56. установка осевого вентилятора на оппозитном 12-цилиндровом двигателе «Порше*
продуктов горения
Рис. 57. Подсасывание горючей смеси в цилиндр в период перекрытия кла панов
когда в выпускной системе давление понижено. Если к тому же впускной клапан открывается с опережением, а давление во всасывающей системе выше, чем в выпускной, то наполнение цилиндра горючей смесью улучшается, благодаря тому что процесс впуска начинается за счет разности давления в обеих системах раньше, чем поршень начнет двигаться к н. м. т. Такой момент работы двигателя изображен на рис. 57.
С изменением частоты вращения период пониженного давления в выпускной системе не только изменяется по длительности и величине разрежения, но и смещается по углу поворота коленчатого вала. Поэтому каждому режиму работы двигателя соответствует определенная оптимальная длина выпускной трубы.
Экспериментальным путем было найдено, что выпускную трубу полезно заканчивать коническим расширяющимся насадком, так называемым мегафоном. Такие мегафоны часто применяют на двигателях с отдельными выпускными трубами при числе цилиндров до четырех; при большем числе цилиндров размещение мегафонов затруднительно. Мегафон устанавливают также на общую выпускную трубу, обслуживающую до четырех цилиндров. На больших частотах вращения мегафон усиливает отсасывающий эффект выпускной системы при условии, что выпускной клапан закрывается со значительным запаздыванием — не менее 30° после в. м. т. Следовательно, мегафон помогает лучше очистить цилиндр от остаточных газов и начать наполнение цилиндра в период перекрытия клапанов, но этот эффект может быть получен только на ограниченном диапазоне высоких частот вращения при определенных конструктивных размерах мегафона и определенной длине выпускной трубы, а на пониженных частотах вращения мегафон может дать отрицательный результат — понижение мощности на средних режимах работы, так называемое явление мега-фонита, сужающее диапазон рабочих частот вращения двигателя. 130
Удачно подобранный мегафон требует, как правило, некоторого обогащения смеси по сравнению с той регулировкой карбюратора, которая была принята во время работы с обыкновенной выпускной трубой.
Выпускные трубы всех цилиндров должны быть одинаковой длины. Это условие приводит к довольно сложной конструкции общего выпускного трубопровода (рис. 58). Особые трудности возникают при изготовлении выпускных труб для многоцилиндровых оппозитных двигателей, поскольку устанавливаются они по возможности низко, а вся выпускная система у них расположена под цилиндрами («Феррари», «Порше», «Альфа Ромео»).
Электрооборудование. Если прежде на гоночных автомобилях применяли только зажигание от магнето, то в настоящее время даже на весьма быстроходных двигателях применяют и батарейное зажигание.
На гоночных автомобилях часто используют транзисторные системы зажигания. Они позволяют отказаться от механического прерывателя, ненадежно работающего на высоких частотах вращения из-за большой инерционной нагрузки молоточка (рычажка подвижного контакта). Кроме того, в этих системах сохраняется постоянство напряжения искры при высоких частотах вращения; система фирмы «Лукас», принятая на многих гоночных двигателях, обеспечивает до 1000 искр в секунду. Начальный импульс зажигания создается электромагнитными датчиками, установленными в картере маховика. Магнитная цепь датчиков замыкается железными сердечниками, закрепленными на маховике (рис. 59). На многоцилиндровых двигателях предусматривают самостоятельные цепи зажигания для групп нескольких цилиндров. Так,
5»
Рис. 58. Выпускные трубы гоночного двигателя «Форд» (V-8, 4,5 л)
131
-цилиндровый двиг «Порше 917» имеет четыре цепи зажигания, обслуживающие по три цилиндра. Индуктивные датчики начального импульса смонтированы в корпусах двух распределителей.
Свечи гоночных двигателей тщательно подбирают так, чтобы они выдерживали высокую температуру, не перегреваясь и не вызывая преждевременных вспышек или детонации. Для тепло-
Рис. 69. Индукционные датчики транзисторной системы зажигания двигателя «Порше»
стойких (холодных) свечей характерна укороченная юбочка изолятора, охватывающая нижний конец центрального электрода и соприкасающаяся с продуктами сгорания. При уменьшении поверхности изолятора, омываемой горячими газами, уменьшается поглощение теплоты юбочкой и снижается ее температура; в результате уменьшается и нагрев центрального электрода. Одновременно применяют массивные электроды, менее склонные к прокаливанию.
Центральный электрод изготовляют из металлов с высокой теплопроводностью — меди или серебра (срок службы медных электродов меньше). Фирма «Чемпион» использует центральный электрод из сплава золота и палладия. При достаточной теплостойкости электродов целесообразно, чтобы они были расположены ближе к камере сгорания, что ускоряет воспламенение смеси. В качестве материала для изоляторов используют керамику с высокой теплопроводностью (на базе окиси алюминия).
При малой поверхности изолятора возрастает возможность коротких замыканий от попадания масла, так как сокращается путь утечки тока. Поэтому свечи гоночных двигателей работают хорошо только на больших частотах вращения, когда температура изолятора достаточно высока для быстрого сжигания случайно попавших на него капелек масла. Наоборот, при снижении частоты вращения самоочистка ухудшается, и свечи дают перебои.
Большую помощь в борьбе с перегревом изоляторов и обгоранием электродов оказал переход на малые свечи с диаметром резьбы 14 и 10 мм. Малые свечи более универсальны, потому что не так чувствительны к высокой температуре и в то же время меньше замасливаются при неполной нагрузке двигателя. В компактных полусферических головках цилиндров переход на малые свечи освобождает часть поверхности камеры сгорания, благодаря чему могут быть увеличены клапаны. С другой стороны, улучшаются условия охлаждения головки из-за уменьшения местного скопления металла в месте установки свечи. Последнее особенно 132
существенно при двухискровом зажигании, когда размещение двух свечей в компактной камере сгорания иногда представляет некоторые трудности. Двухискровое зажигание, применяемое довольно часто, в особенности при большом диаметре цилиндра, увеличивает мощность за счет быстроты и полноты сгорания заряда, а также повышает надежность двигателя.
Согласно техническим требованиям ФИА, все дорожно-гоночные автомобили должны иметь стартеры. Как правило, устанавливаются электрические стартеры, питаемые аккумуляторной батареей. Для запуска двигателей трековых автомобилей иногда применяются переносные электрические стартеры. Применение такого способа запуска двигателей рекордных автомобилей бывает затруднено недоступностью двигателя, заключенного в сложный обтекаемый кузов. В этих случаях операция запуска выполняется разгоном автомобиля силами людской команды (два-три человека), после того как гонщик займет свое место и включит передачу. С этой ?ке целью при запуске мощных гоночных автомобилей с авиационными двигателями используют грузовик-толкач. Толкач действует на специальные упоры в задней части кузова гоночного автомобиля.
Полная система электрооборудования необходима на двухместных гоночных автомобилях для больших дистанций. Автомобиль «Порше 917» для 24-часовых гонок в Ле Маи имел в качестве источников электроэнергии два альтернатора по 880 Вт и батарею емкостью 45 А-ч. Они обслуживали следующие потребители электроэнергии: две фары дальнего света (200 Вт), две фары ближнего света (110 Вт), четыре габаритных фонаря (18 Вт), один люминесцентный щиток номерного знака (28 Вт), один задний фонарь (15 Вт), освещение щитка приборов (8 Вт), два стоп-сигнала (36 Вт), три подкачивающих топливных насоса (128 Вт), один стеклоочиститель (96 Вт), четыре цепи зажигания (240 Вт), а также потребители кратковременного действия: стартер, указатели поворотов и различные контрольные лампы.
Глава V
СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ
ГОНОЧНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
13. Карбюраторы
Требования, предъявляемые к карбюраторам для гоночных двигателей, выявились постепенно в процессе многолетней эксплуатации быстроходных автомобилей.
Основным требованием является максимальная пропускная способность воздушного тракта карбюратора, который должен оказывать потоку воздуха и горючей смеси возможно малое сопротивление, благодаря чему достигается повышенное наполнение цилиндров двигателя.
Горючая смесь, подаваемая в гоночный двигатель, должна быть относительно «влажной», т. е. частицы топлива не должны быть распылены слишком мелко и должны попадать в цилиндры в жидком виде с тем, чтобы теплота испарения заимствовалась от горячих деталей двигателя, способствуя их охлаждению. Было замечено, что некоторые карбюраторы, обеспечивавшие очень тонкое распиливание топлива и его почти полное испарение до попадания в цилиндры, не давали удовлетворительных результатов, так как не способствовали облегчению напряженного температурного режима работы форсированного двигателя.
Регулировка карбюратора, как правило, должна быть рассчитана на обогащенную горючую смесь 1 как для получения максимума мощности, так и во избежание перегрева двигателя, имеющего весьма неприятные последствия в условиях форсированных режимов, связанных преимущественно с работой на высоких частотах вращения при больших нагрузках (прогар поршней и их
1 При относительно небольшой численности гоночных автомобилей и кратковременности их использования состав отработавших газов и загрязнение ими атмосферы не имеют практического значения. Кроме того, четырехклапанные гоночные двигатели с компактными камерами сжатия, как показали испытания двигателя «Дженсен-Хили», отличаются полнотой сгорания топлива и минимальным количеством вредных эмиссий. Такой двигатель еще в 1974 г. без каких-либо дополнительных устройств удовлетворял жестким требованиям к составу выхлопа по нормам США.
134
заедание, обгорание клапанов и т. п.). Карбюратор должен автоматически поддерживать необходимый состав горючей смеси на всех режимах работы двигателя; исключением в этой части может быть только пусковой режим, который может регулироваться от руки посредством соответствующего приспособления. Карбюратор должен обеспечивать автомобилю хорошую приемистость и плавный быстрый переход от одного режима работы двигателя к другому.
Получение оптимальных показателей гоночных двигателей требует более тщательной регулировки карбюратора и более частого изменения регулировки при изменении атмосферных и дорожных условий. Поэтому в конструкции карбюратора должна быть предусмотрена возможность удобной и быстрой замены регулируемых элементов, в первую очередь жиклеров.
Как любая составная часть автомобиля, рассчитанного на получение высоких динамических качеств, карбюратор должен обладать по возможности малой массой.
Если двигатель должен отличаться высокой удельной мощностью, то к его топливной экономичности обычно не предъявляют строгих требований. В соответствии с этим и качества карбюратора, влияющие на экономичность гоночного двигателя, имеют второстепенное значение (в основном при малых дистанциях гонок).
Все карбюраторы, устанавливаемые на форсированных двигателях, подвержены воздействию сильной вибрации, неизбежной при высоких частотах вращения; это относится прежде всего к двигателям с небольшим числом цилиндров. В связи с этим конструкция карбюратора должна быть по возможности приспособлена к работе в таких условиях без нарушения нормального смесеобразования, а резьбовые соединения некоторых типов карбюраторов должны иметь приспособления, препятствующие их самопроизвольному развинчиванию под влиянием тряски.
Установка карбюратора и особенно его поплавковой камеры, которая иногда устанавливается отдельно, должна по возможности предохранять их от вибрации, вызывающей образование пены в топливе. Кроме того, карбюратор должен быть защищен от чрезмерного нагревания горячими деталями двигателя, вызывающего нарушение смесеобразования в карбюраторе, затруднения при пуске в ход горячего двигателя, а в некоторых случаях даже кипение топлива в поплавковой камере.
При подборе карбюратора к гоночному двигателю исключительно важное значение имеет установление максимального допустимого сечения смесительной камеры, поскольку оно определяет пропускную способность впускного тракта, а вместе с ней и максимальную мощность двигателя. Для нормальной работы карбюратора необходимо, чтобы в нем действовало разрежение не менее 60—100 мм вод. ст. Этим обусловлен предел допустимого расширения воздушного тракта карбюратора. Ввиду того что для полу-
135
Рис. 60. Изменение разрежения’ в карбюраторе 1 ^зависимости от частоты вращения двигателя:
1 — при низком форсировании; 2 — при среднем форсировании; 3 при высоком форсировании
На гоночных двигателях с целью
чения высокой мощности двигатель должен работать на больших частотах вращения, разрежения, необходимые для устойчивой работы и хорошего наполнения цилиндров, тоже должны действовать при этих скоростных режимах. Это показано на рис. 60, где представлен график зависимости разрежения в карбюраторе от частоты вращения для трех двигателей: с низким, средним и высоким форсированием.
повышения коэффициента
наполнения обычно устанавливают самостоятельный карбюратор
на каждый цилиндр. Движение горючей смеси во впускном тракте представляет собой сложный колебательный процесс, связанный
с изменениями как давления смеси, так и ее скорости. Поэтому на практике оценка пропускной способности карбюратора при вышеуказанных способах его использования производится по условной средней скорости горючей смеси, вычисляемой в зависимости от средней скорости поршня,
иг — 0,0424 nV hid2,
где иг — средняя скорость горючей смеси в смесительной камере, м/с; п — частота вращения коленчатого вала, об/мин; — рабочий объем одного цилиндра, см3; d— диаметр смесительной камеры, мм.
Если задано предельное допустимое значение средней скорости горючей смеси, то отсюда можно определить необходимый диаметр смесительной камеры.
В карбюраторах гоночных автомобильных двигателей иг = = 40 : 70 м/с. Здесь следует иметь в виду, что на автомобильных двигателях обычно применяют карбюраторы с диффузором, диаметр проходного сечения которого составляет 0,7—0,8 диаметра смесительной камеры. Поскольку скорость горючей смеси обратно пропорциональна квадрату диаметра проходного сечения, достаточно разделить полученные значения для иг автомобильных карбюраторов на 0,752, чтобы получить значения средней скорости в диффузоре. Пределы этих значений приблизительно равны 45—120 м/с.
Продолжительность периода впуска по углу поворота коленчатого вала у двухтактных двигателей значительно меньше, чем 136
у четырехтактных. Поэтому на двухтактных двигателях обычно устанавливают карбюраторы большого проходного сечения. Специальные карбюраторы для форсированных автомобильных двигателей изготовляются фирмами «Вебер» (Италия), «Солеке» (Франция), SU (Англия) и «Зенит—Стромберг» (Англия). На гоночных автомобильных двигателях почти исключительное распространение получили карбюраторы фирмы «Вебер». Карбюраторы фирмы «Солеке» и SU используются на автомобильных двигателях с меньшим форсированием.
На гоночных двигателях устанавливаются карбюраторы с одной, двумя или тремя смесительными камерами, причем каждая камера обслуживает только один цилиндр. Особенно распространены карбюраторы двухкамерного типа. Специальные карбюраторы для гоночных двигателей изготовляются как с горизонтальными, так и вертикальными смесительными камерами. Первые применяются на двигателях с вертикальным расположением цилиндров, а второй тип более приспособлен для двигателей с V-образным или оппозитным расположением цилиндров. Такое применение карбюраторов способствует выпрямлению впускного тракта и, следовательно, уменьшает сопротивление потоку горючей смеси.
Многие карбюраторы, предназначенные для гоночных двигателей, не имеют специальных пусковых устройств; в условиях эксплуатации этих двигателей достаточно надежный пуск обеспечивается обогащением горючей смеси за счет нажатия на акселератор для впрыска топлива ускорительным насосом в смесительную камеру перед проворачиванием коленчатого вала двигателя.
Экономайзерные устройства предусматриваются не во всех карбюраторах гоночного типа, так как к двигателям с высоким форсированием не предъявляют высоких требований по топливной экономичности; кроме того, это может быть обусловлено тем, что в некоторых гонках почти непрерывно поддерживается режим, близкий к полной нагрузке.
Ускорительный насос также не считается обязательным элементом карбюратора гоночного двигателя; он особенно необходим при длинных впускных трубах сложной конфигурации. Если же карбюратор обслуживает только один цилиндр, впускной тракт имеет небольшую длину, а более интенсивная пульсация в диффузоре при полностью открытом дросселе способствует необходимому обогащению горючей смеси.
В отличие от карбюраторов обычного типа с присоединением системы холостого хода за главным жиклером на карбюраторах форсированных двигателей встречается независимое питание системы холостого хода из поплавковой камеры, а также одновременное питание этой системы из поплавковой камеры и эмульсионного колодца за главным жиклером (некоторые типы карбюраторов фирмы «Вебер»), Поскольку воздухоочистители на гоночных двигателях не применяются во избежание дополнительного сопро-
137
тивления потоку воздуха, карбюраторы выполняются, как правило, без обычной балансировки поплавковых камер.
Карбюраторы снабжаются сменными расширяющими воздухозаборными патрубками смесительных камер, уменьшающими вихреобразование на входе в карбюратор и позволяющими подбирать длину впускного тракта двигателя с целью оптимального использования колебаний потока горючей смеси для повышения коэффициента наполнения.
Принципиальная схема карбюраторов фирмы «Вебер», как горизонтальных, так и вертикальных, одинакова: все они относятся к эмульсионному типу, т. е. корректирование горючей смеси достигается за счет пневматического торможения топлива. Диффузоры двойные, причем малый диффузор большинства карбюраторов снабжен длинным трубчатым насадком, входящим в воздухозаборный патрубок. Насадок поддерживает постоянство потока воздуха у распылителя, сглаживая пульсацию, вызванную периодическим всасыванием смеси, что способствует получению более однородной смеси и уменьшает потери от выбрасывания топлива из воздухозаборного патрубка. Для улучшения наполнения цилиндров двигателя использованием динамического напора воздуха последний на многих быстроходных автомобилях подводится к карбюраторам по специальному трубопроводу, передний конец которого выведен навстречу воздушному потоку. В связи с этим на некоторых карбюраторах фирмы «Вебер» предусмотрена возможность присоединения к крышке поплавковой камеры специальной трубки, соединяющей пространство над поплавком с воздухопроводом; этим достигается необходимая в данном случае балансировка поплавковой камеры.
Специальная труба для подвода воздуха извне непосредственно к карбюратору позволяет питать двигатель холодным воздухом (т. е. с температурой окружающей атмосферы), что способствует увеличению мощности; подавать воздух из подкапотного пространства менее целесообразно, так как воздух в нем всегда имеет повышенную температуру.
Литые детали всех карбюраторов фирмы «Вебер» изготовляются из специального алюминиевого сплава, обеспечивающего наряду со снижением массы конструкции повышенную антикоррозионную стойкость, имеющую существенное значение при использовании различных смесей топлив. Наиболее широкое применение имеют карбюраторы серий’ВСО и DCOE. Эти двухкамерные карбюраторы обычно устанавливаются по два па четырехцилиндровых и по три па шестицилиндровых рядных двигателях, причем каждая камера питает один цилиндр.
Карбюратор серии DCOE представлен на рис. 61. Как и в других карбюраторах фирмы' «Вебер», жиклеры вывинчиваются вверх, и поэтому доступ к ним весьма удобен. Отверстие в крышке поплавковой камеры над держателями жиклеров закрыто легкосъемным колпачком, удерживаемым барашковой гайкой. Каждая 138
Рис. G1. Двухкамерный горизонтальный карбюратор «Вебер» DCOE:
1 — пружина ускорительного насоса; 2 — эмульсионная трубка; 3 — главный воздушный жиклер; 4 — подвод воздуха; 5 — держатель жиклера холостого хода; 6 — эмульсионный канал системы холостого хода; 7 — воздушный канал системы холостого хода; S — пробка фильтра; 9 — фильтрующий элемент; 10 -- подвод топлива; II — седло топливного клапана; 12 — топливный клапан; 13 — ось поплавка; 14 — жиклер холостого хода; 15 — поплавок; 16 — воздухозаборный патрубок; 17 — поплавковая камера; 18 — впускной клапан ускорительного насоса; 19 — впускной канал ускорительного насоса; 20 — главный жиклер; 21 — распылитель; 22 — малый диффузор; 23 — выпускной канал ускорительного насоса; 24 — большой диффузор; 25 — рычаг привода ускорительного иасоса; 26 — дроссель; 27 я 28 — выводные отверстия системы холостого ходи; 29 винт .малых оборотов; 30 — форсунка ускорительного насоса; 31 — поршень ускорительного насоса; 32 — выпускной клапан ускорительного насоса; 33 — штифт; 34 — шток привода ускорительного иасоса
смесительная камера имеет самостоятельные дозирующие элементы, кроме общего для обеих камер ускорительного насоса. Поплавковая камера с двойным поплавком 15 расположена между смесительными камерами. Бензин поступает в поплавковую камеру через топливный клапан 12, который опирается на рычаг поплавка 15 через шарик, нагруженный пружинкой и расположенный в осевом сверлении клапана. В топливоподводящем штуцере установлен фильтр 9. В главный жиклер 20 и жиклер холостого хода 14 бензин поступает непосредственно из поплавковой камеры 17. В главную дозирующую систему воздух подается через главный воздушный жиклер 3, в систему холостого хода — по каналу 7. К выводным отверстиям 27 и 28 системы холостого хода эмульсия поступает по каналу 6. Качество горючей смеси регулируется на холостом ходу винтом 29, количество — упорным винтом, ограничивающим закрытие дроссельной заслонки.
139
Ускорительный насос всасывает бензин из поплавковой камеры 17 через шариковый клапан 18 и канал 19. При движении поршня 31 насоса вниз бензин подается по каналу 23, открывает выпускной шариковый клапан 32, проходит по второму каналу 23 к форсунке 30 и впрыскивается в большой диффузор 24. Производительность ускорительного насоса регулируется установкой седла впускного клапана 18 с боковым разгрузочным отверстием соответствующего диаметра; через это отверстие во время рабочего хода поршня насоса излишек топлива перетекает обратно в поплавковую камеру. Ускорительный насос выполняет функции обогатительного устройства для режимов высокой мощности (экономайзера), так как при высоких разрежениях за диффузором через выпускной шариковый клапан 32 насоса, нагруженный штифтом 33, подсасывается топливо, т. с. здесь обогащение смеси осуществляется при больших расходах воздуха как для полного, так и для прикрытого дросселя.
Пусковое приспособление, которым водитель управляет посредством кнопки па щитке приборов, показано на рис. 62, из которого видно, что приспособление выполнено сдвоенным, причем каждая половина обслуживает одну из смесительных камер. Приспособление представляет собой простейший вспомогательный карбюратор. Рычаг 25 посредством зубчатых секторов 24 и 26, имеющих поводки 22, поднимает пусковые клапаны 18, выполненные в виде пустотелых цилиндрических золотников. При запуске холодного двигателя, когда клапаны полностью подняты (рис. 62, А, В), из пускового жиклера 10 подсасывается топливо, образующее эмульсию с воздухом, поступающим из атмосферы через отверстие 8. По каналам 9 эмульсия попадает к отверстиям 12 и 14 под пусковым клапаном. Пройдя через эти отверстия, эмульсия смешивается с воздухом, поступающим из атмосферы через фильтр 19 и сверления 20. В канале 17 образуется готовая горючая смесь, всасываемая в задроссслыюе пространство. При рассматриваемом положении пускового клапана (схема /1) отверстие 6 в верхней части канала 9 перекрыто. Пусковой колодец 13 содержит резерв топлива, необходимый в первые моменты работы двигателя. После запуска двигателя, на период его прогрева, пусковой клапан наполовину опускают (рис. 62, схема С). При этом отверстие 12 и верхнее отверстие 20 закрываются, а отверстие 6 начинает открываться и пропускать атмосферный воздух через отверстие 4 и отверстие упора пружины 5 в канал 9. В результате горючая смесь, подаваемая пусковым устройством, обедняется, что и требуется, после того как двигатель начал работать. По окончании прогрева двигателя водитель нажимает до отказа на кнопку, управляющую пусковым клапаном, и полностью его закрывает (рис. 62, схема D), выключая пусковое приспособление.
Карбюраторы серии DCOE можно устанавливать с наклоном под углом до 15°. Карбюраторы серии DCO мало отличаются по своему устройству от серии DCOE. Они нс имеют пускового 140
Рис. 62. Пусковое приспособление карбюратора фирмы «Вебер» DCOE:
1 — винт крепления тяги; 2 — крышка; 3 — пружина; 4 — подвод воздуха; 5 — упор пружины; 6 — подвод воздуха для обеднения смеси; 7 — эмульсионный жиклер; 8 — подвод воздуха; 9 — эмульсионный канал; 10 — пусковой жиклер; 11 — поплавковая камера; 12 и 14 — эмульсионные отверстия; 13 — пусковой колодец; 15 — большой диффузор; 16 — дорссель; 17 — выходной канал; 18 — пусковой клапан; 19 — фильтр; 20 — воздушные отверстия; 21 и 27 — оси зубчатых секторов; 22 — поводок; 23 — возвратная пружина; 2-1 и 26 — зубчатые секторы; 25 — рычаг
141
приспособления, а конструктивные различия касаются главным образом ускорительного насоса.
Двухкамерные карбюраторы для питания каждого цилиндра самостоятельной смесительной камерой обычно имеют увеличенное межосевое расстояние смесительных камер, позволяющее выпрямить впускные патрубки между карбюратором и головкой цилиндров, поскольку в этом случае разность межосевых расстояний карбюратора и впускных каналов головки блока меньше, а иногда может быть сведена к нулю. К таким карбюраторам относятся двухкамерные вертикальные модели фирмы «Вебер» DCNL и IDM. Карбюратор типа DCNL с межосевым расстоянием 90 мм показан па рис. 63. Здесь предусмотрен только один поплавок. Поплавковая камера расположена рядом со смесительными камерами. В конструкцию включено пусковое устройство такого же типа, как у карбюраторов типа DCOE. Показанная на рис. 63 главная дозирующая система и остальные дозирующие системы соответствуют аналогичным элементам других карбюраторов
Рис. 68. Двухкамерный вертикальный карбюратор фирмы «Вебер» DCNL:
1 *- еедло топливного клапана; 2 — топливный клапан; 3 — поплавок; 4 — главный воздушный жиклер; 5 — распылитель; б — малый диффузор; 7 — эмульсионная трубка; 3 — большой диффузор; 9 — колодец эмульсионной трубки; 10 — главный жиклер;
11 - подвод топлива из поплавковой камеры; 12 — поплавковая камера
142
Рис. 64. Двухкамерный горизонтальный карбюратор фирмы «Солеке» 48ADDН с постоянным уровнем топлива, поддерживаемым сливными трубками:
/ — подвод топлива; 2 — камера постоянного уровня; 3 — сливные трубки; 4 — отвод топлива
фирмы «Вебер». Заслуживает внимания установка оси дроссельных заслонок на шарикоподшипниках с уплотнительными манжетами, применяемая также на карбюраторах типа DCOE. Хорошо работают на гоночных двигателях карбюраторы, в которых постоянный уровень топлива поддерживается без поплавка при помощи сливных трубок [47 J. Такой карбюратор фирмы «Солеке» 48ADDH показан на рис. 64. Топливо подается насосом непосредственно в камеру постоянного уровня. Избыток топлива через сливные трубки возвращается в бак. Высота уровня топлива определяется высотой сливных трубок. Этот конструктивный вариант исключает неполадки, возникающие в поплавковом механизме при сильной вибрации двигателя.
На автомобилях с карбюраторными двигателями топливо подается из бака к карбюраторам при помощи механических или электрических насосов диафрагменного типа. Иногда для подачи топлива служат шестеренные насосы.
14. Системы впрыска топлива
Системы питания впрыском топлива получили широкое распространение на гоночных автомобилях. Эти системы полностью вытеснили карбюраторы на гоночных автомобилях основных международных формул.
143
Распространение систем впрыска топлива на гоночных автомобилях обусловлено некоторыми преимуществами такого способа питания, несмотря на его относительную сложность и высокую стоимость. Прежде всего отметим увеличение мощности по сравнению с соответствующими показателями карбюраторных двигателей, хотя выигрыш в мощности не так велик, когда сопоставление рассматриваемых систем питания производится по отношению к конструкциям двигателей с самостоятельным карбюратором для каждого цилиндра. Увеличение мощности может достигать 3%. Повышение мощности при впрыске топлива обусловлено его хорошим распылением и более полным сгоранием, а также тем, что отпадает сопротивление диффузора карбюратора и, кроме того, конструктор располагает большей свободой в выборе формы впускного тракта.
Равномерное распределение топлива по цилиндрам позволяет несколько повысить степень сжатия. В некоторых случаях впрыск бензина увеличивает экономичность двигателя, что позволяет сократить ходовую массу автомобиля или уменьшить продолжительность остановок для заправки. Питание впрыском топлива увеличивает «эластичность» двигателя, отпадают «провалы», которые иногда наблюдаются у карбюраторных двигателей. Большое значение имеет нечувствительность систем питания впрыском топлива к воздействию на них инерционных нагрузок, возникающих в процессе движения быстроходных автомобилей. При разгоне гоночных автомобилей достигаются ускорения 8—12 м/с2 (большее значение при четырехколесном приводе пли при большой загрузке ведущей оси), а при торможениях — замедления, иногда превышающие 12 м/с2. Еще больших значений достигают центростремительные ускорения на поворотах —до 20 м/с2. При неконтролируемых заносах автомобиля и его повторном вращении вокруг вертикальной оси центростремительные ускорения могут превысить и эту величину. При карбюраторном питании в таких условиях возникают нарушения нормального смесеобразования, ведущие к перебоям, провалам, а иногда и к полной остановке двигателя. Этих недостатков можно избежать, применяя впрыск топлива.
Некоторые системы впрыска топлива отличаются компактной конструкцией, что способствует уменьшению лобовой площади автомобиля; в противоположность этому довольно громоздкие карбюраторы не всегда удается хорошо вписать в поперечное сечение гоночного автомобиля.
На автомобилях гоночного типа применяли разнообразные системы впрыска топлива: периодическую подачу топлива непосредственно в камеры сгорания или во впускные патрубки и непрерывный впрыск во впускные патрубки.
Непосредственный впрыск для гоночных автомобилей был совместно разработан фирмами «Мерседес-Бенц» и «Бош». Впрыск топлива производился восьми плунжерным насосом «Бош» дизельного типа через форсунки, установленные сбоку у верхнего края 144
цилиндров, причем в положении верхней мертвой точки поршни перекрывали форсунки, ограждая их от непосредственного воздействия газов во время вспышки. Факел распыла был направлен в сторону выпускного клапана для его охлаждения. Топливо впрыскивали
во время хода сжатия в течение 120° поворота коленчатого вала. Расход топлива (спиртовая смесь) составлял 280—320 г/(л. с. ч).
Для смазки и уплотнения плунжеров насоса в их втулках предусмотрены по две канавки: в нижнюю
Рис. 65. Схема впрыска топлива по системе «Бот»:
/ — дроссель; 2 — пружина; 3 — диафрагма;
4 — трубки к форсункам; 5 — рейка; 6 — вал насоса; 7 — капсула
подается масло из системы смазки двигателя, а из верхней отво-
дятся просочившиеся масло и топливо.
Количество поступающего к форсункам топлива регулируется изменением момента отсечки подачи путем поворота плунжеров зубчатой рейкой. Схема регулирования подачи показана на рис. 65. К регулирующей диафрагме с одной стороны подводится разрежение из впускной трубы, с другой стороны диафрагма связана тягой с рейкой топливного насоса. Прогибанию диафрагмы под действием разрежения противодействует пружина. При уменьшении разрежения пружина отталкивает диафрагму вправо и посредством тяги и рейки поворачивает плунжеры для увеличения подачи топлива. В системе предусмотрено устройство, компенсирующее влияние колебаний атмосферного давления посредством капсулы, соединенной рычажками с рейкой. Изменения атмосферного давления создают на поверхности капсулы дополнительное усилие, действующее па рейку. Если, например, атмосферное давление увеличивается, то оно не меняет положения диафрагмы непосредственно, так как действует на нее с обеих сторон, но зато оно сжимает капсулу, благодаря чему рейка перемещается в сторону увеличения подачи. При пуске двигателя рейка устанавливается в положение максимальной подачи с места водителя посредством тяги и ма-нетки.
Водитель регулирует работу двигателя, изменяя подачу воздуха дросселем, установленным в начале впускной трубы и соединенным с акселератором; подача топлива регулируется автоматически. Для обеспечения необходимого состава смеси при различных режимах работы изменение положения дросселя вводит в действие компенсационные отверстия, влияющие на величину разрежения у диафрагмы.
145
Рис. 66. Схема питания двигателя «Мерседес-Бенц» с непосредственным впрыскохМ топлива
Схема расположения приборов питания представлена на рис. 66. Подкачивающий насос подает топливо из бака к фильтру и далее — к впрыскивающему насосу. Часть топлива через редукционный клапан возвращается в бак; таким образом, подкачивающий насос подает избыток топлива, необходимый для равномерного заполнения впрыскивающего насоса и во избежание образования паровых пузырей. Из впрыскивающего насоса топливо подается по трубопроводам к цилиндрам.
Топливная аппаратура фирмы «Бош» применялась также на гоночных двигателях «Боргвард» типа RS. При четырехклапанных головках цилиндров и камерах сгорания шатровой формы форсунка имела центральное расположение. Впрыск заканчивался через 62° после в. м. т. во время хода впуска. Аппаратуру аналогичного типа устанавливали и на гоночные двигатели BMW 500 см3. Непосредственный впрыск производился перед концом хода впуска под давлением не менее 40 кгс/см2.
Система впрыска, аналогичная принятой на автомобиле «Мерседес-Бенц», была использована и на гоночных автомобилях «Феррари». На их V-образных 8-цилипдровых двигателях восьмиплунжерные насосы дизельного типа были установлены между рядами цилиндров в перевернутом положении. Привод иасоса осуществлялся посредством армированного зубчатого ремня, изготовленного из специальной пластмассы.
Тем не менее наибольшее распространение на гоночных автомобилях получили системы впрыска топлива во впускные патрубки; такого устройства придерживаются в Англии, где соответствующая аппаратура для периодической подачи топлива была разработана фирмой «Лукас» и принята на многих гоночных автомобилях, а также на некоторых автомобилях спортивного типа. В других странах Европы на гоночных двигателях, работающих с впрыском топлива, такая аппаратура тоже встречается очень часто.
Схема питания двигателя по системе фирмы «Лукас» показана на рис. 67. Топливо всасывается насосом 7 из бака 1 и подается под
146
давлением около 7 кгс/см* в плунжерный дозатор-распределитель 3. Отсюда топливо подается по трубкам 4 к форсункам, установленным во впускных патрубках двигателя. Трубка 2 служит для возвращения излишка топлива в бак 1. Узел 6 представляет собой устройство, регулирующее цикловую подачу дозатора-распределителя в зависимости от разрежения во впускных патрубках. Разрежение сообщается узлу 6 через трубку 5.
Акселератор управляет воздушной заслонкой, выполненной в виде длинной задвижки с рядом отверстий, по диаметру соответствующих впускным патрубкам двигателя. При нажатии на акселератор до отказа отверстия заслонки совпадают с сечениями патрубков, что соответствует режиму максимальной нагрузки; при отпускании акселератора сечения патрубков перекрыты заслонкой. Для уменьшения трения заслонка, имеющая приблизительно такую же длину, как блок цилиндров, работает на роликах. При закрытом положении заслонки ее монтажные зазоры достаточны для питания двигателя воздухом во время холостого хода. Таким образом, посредством акселератора регулируют поступление воздуха в двигатель; подача топлива регулируется дозатором-распределителем автоматически.
Топливный насос 7 шестеренного типа имеет привод от конструктивно объединенного с ним электромотора; к нижней части корпуса насоса крепится топливный фильтр. В корпус насоса вмонтирован редукционный клапан, поддерживающий постоянное давление топлива, подаваемого в дозатор-распределитель. Электропривод позволяет расположить насос в непосредственной близости от бака и дальше от двигателя, что наравне с непрерывной циркуляцией топлива препятствует образованию паровых пробок в системе топливоподачн. Электромотор включается одновременно с зажиганием. Если двигатель остановился, а зажигание осталось включенным, то электромотор выключается специальным термореле.
Схематическое устройство дозатора-распределителя представлено на рис. 68. В неподвижной втулке 1 расположен трубчатый ротор 7, получающий вращение от двигателя. В продольном
Рис. 67. Схема системы впрыска топлива фирмы «Лукас»
147
сверлении ротора могут скользить два свободных плунжера 5. Их осевое перемещение ограничивается двумя упорами — постоянным 4 и регулируемым 6. Ротор имеет три радиальных сверления для впуска и выпуска топлива. Втулка 1 снабжена радиальными впускными и выпускными сверлениями для прохода топлива.
Показанный па рис. 68 дозатор-распределитель рассчитан
на питание топливом трех цилиндров. Три схемы рис. 68 соответствуют трем последовательным положениям вращающегося ротора 7. В первом положении топливо по-
Рис. G8. Схе^ар^дозатора^-рас11ределите/1Я даеТСЯ НЭСОСОМ Через ОТВврСТИв 3 втулки 1 в полость между упором 4 и правым плунжером 5. Благодаря давлению эта полость наполняется топливом; одновременно плунжеры 5 перемещаются влево до упора 6. При этом из полости между упором 6 и левым плунжером 5 топливо вытесняется через отверстие 2 втулки 1 и впрыскивается через трубопровод и форсунку во впускной патрубок первого цилиндра. Через угол поворота 120° ротор занимает положение согласно средней схеме. Топливо поступает в полость между плунжерами, причем правый плунжер перемещается вправо и, вытесняя топливо нз правой полости, подает его к форсунке второго цилиндра. Дальнейший поворот ротора на 120° приводит к положению ротора по третьей схеме. Теперь топливом заполняется левая полость; левый плун
жер движется вправо и подает топливо к форсунке третьего цилиндра нз средней полости. Для питания шести цилиндров при-
меняют два параллельных дозатора-распределителя, в каждом из которых работают по два свободных плунжера, как описано выше.
Регулирование цикловой подачи производится перемещением упора 6, что изменяет ход плунжеров, а следовательно, и количество подаваемого топлива.
Понятие о регулирующем механизме дает рис. 69. Концы регулируемых упоров 5 (6 по рис. 68), выступающие из ротора 6, касаются толкателя 7, который, в свою очередь, опирается на наклонную поверхность рычага 3. Давление топлива в роторе уравновешивается пружиной 4 с таким расчетом, чтобы толкатель нажимал на рычаг 3 с небольшой силой. Рычаг 3 опирается на неподвижную пластину 12 и обогатительный рычаг 1. Рычаг 3 соединен поводком 11 с поршнем 10 вакуумного цилиндра, сооб-
148
вдающегося через трубку 8 с впускными патрубками двигателя за воздушной заслонкой. Разрежение во впускных патрубках заставляет перемещаться поршень 10 и преодолевает усилие возвратных пружин 9. Одновременно рычаг 3 передвигается по пластине 12 и рычагу /; при этом наклонная поверхность рычага 3 передвигает толкатель 7 и упоры 5. Это влечет за собой изменение цикловой подачи топлива в соответствии с изменением нагрузки двигателя.
При пуске двигателя и его прогреве, когда требуется обогащение горючей смеси, обогатительный рычаг 1 поворачивают при помощи ручного привода в положение, показанное на правой схеме рис. 69. Это влечет за собой перемещение рычага 3, толкателя 7 и упоров 5 влево и увеличивает подачу топлива приблизительно в четыре раза. Ручной привод рычага 1 при пуске двигателя одновременно открывает воздушный клапан для подачи дополнительного количества воздуха во впускную трубу. По мере прогрева двигателя обогатительный рычаг 1 постепенно возвращают в исходное положение.
Клиновидная опора 2 обогатительного рычага 1 соединена с барометрической капсулой. При снижении барометрического давления воздуха опора 2 передвигается вниз (по стрелке), что влечет за собой поворот рычагов 1 и 3 вправо и, следовательно, уменьшает подачу топлива.
Рис. 69. Схема регулирования цикловой подачи топлива фирмы «Лукас»
149
Рис. 70. Расположение форсунок:
/ — на двигателе BRM; 2 — па двигателе «Ковентри-Клаймакс»; 3 — на двигателях «Мазерати» и «Ягуар»; 4 — на двигателях «Мерседес-Бенц» и «Феррари»
В конструкцию дозатора-распределителя включен небольшой плунжерный насос, непрерывно накачивающий масло под давлением 7,5 кгс/см2 в кольцевые канавки, расположенные на концах наружной поверхности ротора. Масло в этих канавках выполняет функции гидравлического затвора, предупреждая утечку топлива через зазоры.
Система впрыска фирмы «Лукас» доказала свою работоспособность применительно к гоночным автомобилям. В первое время ее эксплуатации на некоторых двигателях возникали неисправности, связанные с образованием паровых пробок. Поэтому особое внимание уделяют расположению приборов питания, обеспечивающему их охлаждение встречным потоком воздуха, и защите системы топливоподачи от теплоизлучения двигателя.
В качестве привода дозатора-распределителя часто используют армированные зубчатые ремни из эластичной пластмассы. Для впрыска топлива во впускные патрубки применяют также многоплунжерные насосы дизельного типа. Положение рейки, управляющей отсечкой подачи топлива, регулируется механическим путем в зависимости от положения воздушной заслонки (BMW F2) или пространственным кулачком, связанным с воздушной заслонкой и центробежным регулятором («Порше 917»). В первом варианте цикловая подача зависиттолько от нагрузки двигателя, во втором — от нагрузки и скоростного режима. На двигателе «Порше 917-30» с наддувом в систему питания вводится третий регулирующий параметр —• давление наддува.
Расположение форсунок в системах питания впрыском топлива отличается некоторым разнообразием и вряд ли может считаться установившимся. Известно, что фирмы, изготовляющие гоночные 150
двигатели, много экспериментировали в этом направлении. На рис. 70 показано несколько вариантов расположения форсунок, применявшихся в последние годы. Как видно из рисунка, топливо впрыскивали во впускные патрубки как по направлению потока воздуха, так и навстречу ему, причем форсунки устанавливали за воздушной заслонкой или до нее.
В связи с этим наблюдаются значительные различия в расстояниях между форсункой и впускным клапаном. Так, например, на двигателях «Ковентри-Клаймакс» форсунки были расположены в начале удлиненных воздухозаборных насадков, рассчитанных на использование эффекта резонансного наддува, тогда как па двигателях «Оффенхаузер» форсунки устанавливают непосредственно перед впускными клапанами. Последняя схема (рис. 70) относится к непосредственному впрыску на двигателях «Мерседес-Бенц» и «Феррари».
В США на гоночных автомобилях часто используют системы питания с непрерывным впрыском топлива во впускные патрубки и упрощенными регулирующими устройствами; последнее объясняется тем, что в трековых гонках колебания нагрузки двигателя сравнительно невелики и почти все время поддерживается мощность, близкая к максимальной.
Один из вариантов распространенной в США системы впрыска топлива «Хилборн-Треверс» был применен на трековом автомобиле «Лотос-Форд» (рис. 71). Топливо из бака 1 поступает через фильтр 2 в топливный насос 3 и редукционный клапан 4, поддерживающий в системе питания постоянное давление 4 кгс/см2. Излишек топлива отводится от редукционного клапана обратно в бак. Кроме того, от редукционного клапана топливо подводится через запорный клапан 5, регулирующий золотник 6 и калиброванные ограничители 8 к калиброванным распределителям 9 и далее к калиброван-
151
ным форсункам 10. Золотник 6 связан с восемью заслонками в воздухозаборных патрубках 7. При открывании заслонок золотник поворачивается и увеличивает подачу топлива. Для регулирования состава смеси в зависимости от колебаний атмосферных условий предусмотрен золотник 14 и три дренажных отверстия 15 различного размера. Выпуская из системы питания за редукционным клапаном часть топлива через одно из отверстий 15, можно получить обедненную, нормальную или обогащенную смеси. Золотником 14 управляют от руки. Второй золотник 12 и перепускной клапан 13 позволяют уменьшить подачу топлива при работе двигателя на частичных открытиях дросселя 11 в случае прекращения гонки. Эта довольно простая система вполне удовлетворительна для трековых гонок, где частота вращения не выходит из диапазона 6700—8300 об/мин и колебания нагрузки невелики.
Непрерывный впрыск топлива применяется также на гоночных двигателях с наддувом. Такие двигатели, преимущественно V-об-разного 8-цилиндрового типа, применяются, например, в США для гонок на приемистость. В условиях этих гонок для кратковременной работы с полной нагрузкой двигателя не требуются сложные системы регулирования. В этом отношении типична система впрыска, выпускаемая специализированной мастерской «Эндерле». Система состоит из трех основных частей: литого воздухозаборного патрубка с форсунками и воздушной заслонкой, устанавливаемого на нагнетателе роторного типа, топливного золотника, управляемого осью воздушной заслонки, и топливного насоса, который имеет привод посредством ремня клиновидного сечения и подает топливо к топливному золотнику под давлением 5—9 кгс/см2. Топливный золотник регулирует подачу топлива в соответствии с величиной открытия воздушной заслонки. Система впрыска «Эндерле» рассчитана на эксплуатацию с нагнетателями GMC типов 3-71, 4-71 и 6-71. Воздухозаборные патрубки для них имеют прямоугольную форму с сечением соответственно 130, 193 и 258 см2.
Успешное использование впрыска топлива на гоночных автомобилях дает основание предполагать, что эта система питания окончательно вытеснит карбюраторы на высокофорсированных двигателях. Однако карбюраторы будут и впредь применяться на автомобилях, которые по предписаниям гоночной формулы должны сохранять конструктивную аналогию с базовой моделью автомобиля массового производства.
Глава VI
ПРИМЕНЕНИЕ НАГНЕТАТЕЛЕЙ НА ГОНОЧНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
16. Значение наддува в работе двигателей
Весьма активным средством форсирования двигателей является использование наддува, т. е. подачи горючей смеси в цилиндры посредством нагнетателя, который приводится в действие от самого двигателя. Коэффициент наполнения при этом может быть больше единицы. Давление в конце хода впуска больше атмосферного и у некоторых двигателей достигает 4—5 кгс/см2. Плотность смеси при прочих равных условиях (при неизменной температуре) пропорциональна ее давлению, а значит, и количество топлива, вводимого в цилиндр при каждом ходе впуска, увеличивается с повышением давления наддува. В этом и заключается основная причина высокой литровой мощности, развиваемой двигателями с наддувом. Полуторалитровый двигатель при давлении наддува, равном 1 кгс/см2, приблизительно эквивалентен трехлитровому без наддува (если не учитывать затрату мощности на нагнетатель).
Влияние установки нагнетателя на работу двигателя сводится к тому, что среднее эффективное давление увеличивается по всему диапазону изменения частоты вращения вследствие увеличения количества теплоты, выделяющейся при каждой вспышке. Таким образом, переход на принудительное питание дает возможность форсировать рабочий процесс двигателя.
Фирмами, впервые разработавшими автомобильные двигатели с наддувом, были «Мерседес-Даймлер» в 1921 г., «Фиат» и «Санбим» в 1922—1923 гг. Первые крупные победы автомобили с такими двигателями одержали в 1923 г. — Большой приз Европы («Фиат») — ив 1924 г., выиграв Большой приз автомобильного клуба Франции («Альфа Ромео») и гонки «Тарга Флорио» («Мерседес-Даймлер» 2 л).
Уже в самом начале применения нагнетателей удалось добиться увеличения мощности на 50—75% по сравнению с лучшими
153
Рис, 72. Основные этапы развития двигателей гоночного типа
показателями автомобилей без нагнетателей. Теперь при достаточно высоком давлении наддува мощность может быть увеличена в 3—4 раза.
Из предыдущего ясно, что для увеличения мощности нужно стремиться к возможно большему давлению наддува, чтобы вводить в цилиндр большее количество горючей смеси. Развитие двигателей с наддувом шло именно по такому пути: давление наддува систематически увеличивали, чем и объяснялся в основном рост литровой мощности.
На рис. 72 представлены схемы, характеризующие основные этапы развития автомобильных двигателей гоночного типа; решающую роль в направлении этого развития сыграла классификация гоночных автомобилей по рабочему объему двигателя, применяв-154
шаяся в течение долгих лет в дорожных кольцевых гонках и безоговорочно остающаяся в силе по сей день при регистрации рекордов. Эта классификация стимулировала развитие главным образом одного параметра — литровой мощности.
Схема I (1898—1903 гг.) изображает тихоходный двигатель низкого сжатия с автоматическими впускными клапанами; в двигателях по схеме II (1905—1906 гг.) быстроходность была увеличена за счет введения управляемых впускных клапанов; схема III (1908—1910 гг.) иллюстрирует распространение верхних клапанов и камер сгорания, допускающих более высокие степени сжатия; схема IV (1912—1924 гг.) даст представление о специальном гоночном двигателе высокого сжатия с распределительным механизмом по системе Цуккарелли. Перечисленные этапы развития конструкции двигателей сопровождались повышением эффективного к. п. д. наряду с возрастанием литровой мощности.
Схема V (1925—1938 гг.) относится к периоду широкого распространения двигателей с наддувом. Однако нужно заметить, что наряду с весьма важными преимуществами применение нагнетателей имеет существенные недостатки. С увеличением давления наддува возрастают давление и температура смеси в конце сжатия, и в связи с этим двигатель может начать детонировать. Для устранения детонации приходится прибегать к уменьшению степени сжатия в цилиндре, несмотря на крайнюю нежелательность такого мероприятия, сопряженного с уменьшением теплоиспользовання и возрастанием расхода топлива.
Плохое теплоиспользовапие увеличивает долю теплоты, подлежащую удалению из цилиндра с охлаждающей водой и отработавшими газами, а следовательно, усиливается нагрев двигателя — его тепловое состояние становится более напряженным.
Дальнейший этап развития по схеме VI (1938—1940 гг. и 1947— 1952 гг.) характеризуется введением двухступенчатого наддува, позволившего получить весьма высокие литровые мощности, но при значительном снижении топливной экономичности двигателя. Ввиду того что эта тенденция не соответствует требованиям автомобильной техники, имеющей целью гармоническое развитие всех эксплуатационных качеств автомобиля, ИА ввела сначала комбинированные классификации, поощрявшие применение двигателей без наддува, а с 1961 г, двигатели с наддувом па дорожногоночных автомобилях были совсем запрещены. Эго привело к быстрому усовершенствованию двигателей высокого сжатия без наддува, имеющих теперь почти исключительное распространение на дорожно-гоночных автомобилях.
С 1966 г. формула 1 снова допускает использование наддува. Кроме того, наддув всегда оставался принадлежностью рекордных автомобилей. Широко применяется наддув в США на автомобилях для гонок на приемистость (дрегстерах), а также в трековых гонках. Наддув успешно используется и на автомобилях групп 5 и 6 по современной классификации ФИА. При этом рабочий
155
объем двигателя с наддувом умножается на коэффициент 1,4, после чего его включают в соответствующий класс автомобилей.
Таким образом, изучение наддува как средства форсирования двигателя остается актуальной задачей.
Основной причиной низкой топливной экономичности форсированных двигателей с наддувом являются большие потери теплоты с отработавшими газами. Этот недостаток может быть устранен путем использования энергии отработавших газов в газовой турбине, используемой для привода центробежного нагнетателя. Такая система питания называется турбопаддувом и нередко применяется па гоночных автомобилях (рис. 72, схема VII).
При турбонаддуве не всегда удается использовать все количество отработавших газов двигателя. Дальнейшим шагом в повышении к. п. д. двигателя является схема VIII. Здесь часть отработавших газов используется в турбине для привода двухступенчатого центробежного нагнетателя, а другая часть — во второй турбине, отдающей свою мощность коленчатому валу двигателя. Такая комбинированная установка может работать экономично и давать большую мощность, так как поршневой двигатель приспособлен для получения механической работы от относительно небольших количеств газа, имеющего высокие давление и температуру, тогда как турбины, наоборот, позволяют эффективно извлекать механическую энергию из относительно больших объемов отработавших газов, имеющих более низкие давление и температуру. С увеличением давления наддува приходится все больше уменьшать степень сжатия; при этом эффективный к. п. д. поршневого двигателя снижается, а роль турбины как тягового двигателя все увеличивается.
Были предложены проекты силовых установок для гоночных автомобилей, в которых двухтактный двигатель с высоким наддувом не был соединен с трансмиссией и служил только генератором газа, используемого в тяговой турбине. По-видимому, логическим завершением этого процесса развития является переход к газовой турбине.
Комбинированные силовые установки до сего времени на гоночных автомобилях не применялись, а газовые турбины устанавливали, в основном, для накопления опытных данных, а не для участия в гонках, хотя имеется несколько рекордов, зарегистрированных для автомобилей с газовыми турбинами. Наиболее удачным оказался опыт применения газовых турбин в трековых гонках (Индианаполис). Мощность турбин лимитировали в 60-х годах допускаемым сечением воздухозаборной части. После трехкратного последовательного уменьшения этого сечения Автомобильный клуб США запретил участие газотурбинных автомобилей в трековых гонках, так как использование двигателей вертолетов могло привести к полному вытеснению поршневых двигателей, и тогда автомобильные гонки в значительной степени потеряли бы связь со своей базовой промышленностью.
156
Необходимое при введении наддува снижение степени сжатия можно пояснить следующим примером: если двигатель удовлетворительно работал на данном топливе при степени сжатия е = 11 без наддува, то после перехода на принудительное питание под давлением 1 кгс/см2 степень сжатия должна быть снижена до 7,8, а при давлении 2 кгс/см2 — до 6,3. Необходимое понижение степени сжатия может быть легко определено по формуле Помероя, полученной на основании экспериментальных данных,
(}1/е2 -= / pjpr,
где 8j и е2 — максимально допустимая степень сжатия при работе без наддува и после перехода на работу с наддувом; рх — атмосферное давление, равное 1 кгс/см2 (абсолютное); р2 — давление наддува, кгс/см2 (абсолютное).
Как известно, термический к. п. д. двигателя определяют по формуле
т], = 1 — 1/е*-1,
где /г — показатель линий сжатия и расширения.
После введения наддува при условии сохранения того же давления в конце сжатия, ограниченного детонационной стойкостью топлива, термический к. п. д. определится выражением
T1J-1 --•(1/е)/{-1(РЖ)('-')/й,
где е — степень сжатия двигателя без наддува; р'а и ра — давление в конце хода впуска с наддувом и без наддува.
На сколько наддув снижает гр, можно судить по табл. 22, где приведены значения т], для двух исходных значений степени сжатия и двух показателей линий сжатия и расширения.
Установка приводного нагнетателя влечет за собой ухудшение механического к. п. д., так как часть выигрыша мощности, полученного от принудительного питания двигателя, затрачивается
Таблица 22, Значения термического к. п. д> при различных давлениях наддува и одинаковом давлении в конце хода сжатия (по Бораччи)
Показатель ЛИНИЙ сжатия и расширения Степень сжатия при отсутствии наддува Питание без наддува Л/ при давлении наддува, кгс/см1
0.5 1 1,5 2 2,5
1,41 8 7 0,574 0,550 0,52 0,48 0,48 0,45 0,42 0,38 0,40 0,36 0,37 0,33
1,30 8 7 0,547 0,506 0,51 0,44 0,47 0,42 0,41 0,36 0,39 0,35 0,36 0,33
157