Знакомьтесь: дрегстеры!
30 января 2009
Чистая МОЩЬ
Те, кто строит моторы для драгрейсинга, стоят в авангарде мотоспорта. Это единственный вид соревнований, в которых победа в большей степени является заслугой двигателя, а не пилота. Мы выбрали самые известные в Италии атмосферные моторы Top Fuel. € 50000 за подержанный экземпляр. Мы проведём краткий экскурс в конструкцию двигателей и ходовой части мотоциклов для драгрейсинга. Основные мотоциклетные принципы остались прежними, но многие решения в этом секторе (где требуется взрыв мощности на дистанции в четверть мили – около 402 м) кажутся оригинальными и непривычными. Всего лишь чтобы проехать эти 400 метров быстрее шести секунд и на финише достичь скорости в 330 км/ч.
Чтобы понять, как сделан двигатель для драгстера, мы отправились туда, где их создают самые квалифицированные специалисты в Италии. Это Антонио Ферретти, единственный итальянец, выступающий в высшей категории драгрейсинга – Top Fuel, занявший в Европейском чемпионате 2004 года второе место, и Карло Молинаро, механик-моторист, который в течение многих лет занимается исключительно подготовкой драгстеров. Его разработки используются многими командами, участвующими в чемпионате Европы. Его мастерская под названием House of Drag Racing располагается в Корреджио. Она появилась в результате опыта, накопленного в США, где Карло имел возможность познакомиться с этой дисциплиной, и трёх лет работы с разными командами по всей Европе со своим другом Мартино Меззани, специалистом по доводке головок цилиндров, главным образом для моторов класса Pro Stock (атмосферных, с системой закиси). Но его опыт оказался очень востребованным и пилотами Top Fuel (моторы с наддувом, работающие на нитрометане), такими как Эрик Тебуль или Дэйв Холланд, выступающими в классе Funny Bike.
Итальянскому мотористу доверяют звёзды европейского драгрейсинга, и он его оправдывает основательным подходом к проектированию и серьёзными испытаниями своих конструкций, которые стали визитной карточкой House of Drag Racing. Мы внимательно проанализируем конструкцию этих двигателей и рассмотрим особенности ходовой части драгстеров. Моторы классов Pro Stock и Pro Street по регламенту должны быть четырёхтактными, четырёхцилиндровыми, с питанием бензино-метаноловой смесью или бензином в сочетании с системой впрыска закиси азота. Чтобы продемонстрировать качество своей работы, Карло и Мартино демонтировали для нас двигатель, который использовался в гонках прошедшего сезона. Мотор с честью выдержал все старты без единой поломки. За основу был выбран силовой агрегат Suzuki GSX-R1100, который отличается высокой прочностью картера и блока и имеет опоры коленвала на подшипниках вместо традиционных бронзовых вкладышей: последние были бы неспособны выдержать чудовищные механические и термические нагрузки. Двигатель в пике развивает мощность в 302 л.с. и крутящий момент до 260 Нм. Удивительно, что система охлаждения представлена только рёбрами на блоке и головке. Эти моторы испытывают колоссальный стресс лишь в коротком промежутке времени, считанные секунды, поэтому такое решение вполне оправданно: экономится мощность на приводе помпы и вес на охлаждающей жидкости, радиаторе и других компонентах. Под клапанной крышкой мы обнаружили дополнительный натяжитель цепи ГРМ, которого нет на серийном моторе. По мнению специалистов House of Drag Racing, он предохраняет цепь от разрушения, когда она начинает совершать сильные резонансные колебания в начале разгона. Распредвалы Vance&Hines снабжены дополнительными балансирами, закреплёнными на звёздочках привода. У кулачков очень острый профиль, а высота подъёма впускных клапанов увеличена до 13 мм. Слабое место такой конструкции – места крепления постели распредвала, которые испытывают повышенные нагрузки и предельные углы в точке контакта кулачка и клапана, что может привести к заклиниванию. Некоторые компоненты выполнены из титана, например, клапанные шайбы, на которые опираются двойные пружины. Расстояние между осями клапанов было увеличено, как и диаметр самих клапанов по сравнению со стандартными: с 27 мм на впуске и 22 мм на выпуске до 36 мм и 30 мм соответственно. В будущем планируется увеличить до 37,5 и 31 мм. Камеры сгорания выполнены из бронзы (AMCO 45, номенклатура American Coppers) с поверхностной твёрдостью 300 по Бриннелю. Они были изготовлены отдельно и запрессованы в предварительно отфрезерованную головку блока цилиндров. Таким образом можно менять конфигурацию камеры сгорания, достигая оптимального наполнения цилиндра. Рабочая поверхность клапана сделана круглой, вместо привычной серии конических фасок (обычно 60°–45°–60°, или 70°–60°–45°–30°–20°). По мнению Карло, такое решение позволяет уменьшить сопротивление на впуске, хотя и требует гораздо более высокой точности исполнения: прилегание рабочих поверхностей клапанов не должно быть меньше 98% от окружности. Направляющие втулки клапанов срезаны заподлицо с внутренней поверхностью впускного канала, и сам канал значительно расширен для прохождения максимального количества смеси в цилиндр (здесь важна максимальная мощность, расход топлива никого не волнует).
Измерение сквиш-зоны показало приблизительно 1–1,5 мм, что кажется чрезмерным, но это объясняется тем, что на двигателе использованы усиленные и поэтому тяжёлые поршни весом около 400 г каждый. В максимальных режимах у верхней мёртвой точки они вытягивают шатуны примерно на 1 мм. Таким образом, сквиш при работе мотора сокращается, а благодаря присутствию метанола в топливе детонации не происходит. У поршней, специально изготовленных для этого двигателя, в днище просверлены тонкие отверстия, соединяющие камеру сгорания с канавками колец: давление газа дополнительно прижимает кольца к стенкам цилиндра. Само днище получилось двускатной формы из-за большого угла развала между впускными и выпускными клапанами. Геометрическая степень сжатия почти 19 (достойно дизеля!), но реально она составляет более человеческое соотношение 13, учитывая перекрытие фаз (когда оба клапана оказываются открытыми одновременно). Блок цилиндров из алюминиевого сплава с запрессованными чугунными гильзами американской фирмы АРЕ обеспечивает рабочий объём в 1640 кубов. Облегчённый и заново отбалансированный коленвал вращается в подшипниках, он подлежит замене после каждого 70-го старта, чтобы избежать верной поломки.
В трансмиссии коробка передач функционирует по классической схеме с фронтальным зацеплением, но для ускорения переключений зубчатые колёса снабжены выступами на боковых поверхностях для пневматической системы, помогающей выключить передачу (управляется специальной кнопкой на руле). В момент смены передач поршень пневматики «дожимает» следующую ступень, одновременно выключая предыдущую. Проблема состоит в том, что переключать передачи нужно, не теряя темпа разгона, без выжима сцепления и выравнивания скоростей валов, при этом переключающие вилки коробки испытывают перегрузки и могут сломаться или погнуться. Выступы на шестернях выполнены в направлении, противоположном вращению валов, и при сбросе газа передача вылетает сама. Практически такая система – альтернатива сцеплению. Трансмиссия оснащена сцеплением с системой lock-up, которая внешне похожа на диск с закреплёнными на нём по окружности подвижными молоточками. Под действием центробежной силы они раскрываются (вес грузиков можно подбирать), дополнительно сжимая фрикционные диски, чтобы избежать проскальзывания. Это очень полезный компонент, который позволяет выиграть немного времени в момент старта. Сцепление блокируется, обеспечивая жёсткую связь с колёсами. Самого быстрого итальянца в европейском чемпионате драгрейсинг зовут Антонио Ферретти (www.ferrettiracing.com), он из городка Конселиче, где пользуется большой популярностью и уважением местного населения. Это талантливый пилот и способный механик, он быстро прогрессирует и уже дышит в спину Роэлю Кодэму, который сейчас доминирует в Европе в категории Top Fuel. Монстр на двух колёсах расположился на полу небольшого цеха, пристроенного к семейному автосервису. Рама изготовлена из хромомолибденовых труб, которые обеспечивают высокие характеристики, несмотря на некоторые трудности при сварке. Ферретти применил весь свой опыт, накопленный в предыдущих проектах, стараясь создать конструкцию с очень низким центром тяжести и максимально загрузить переднее колесо. Наклон оси передней вилки составляет 45°, что позволяет сохранять управление до конца дистанции, когда скорость уже выше 300 км/ч. Вилли-бар (хвост из труб, который предотвращает опрокидывание при старте) в длину такой же, как колёсная база (общая длина мотоцикла превышает пять метров) и изготовлен из той же стали, что и рама, а не из алюминиевого сплава. У вилли-бара есть ещё одна функция: на второй половине дистанции, когда опасности опрокидывания уже нет, он работает в качестве стабилизатора, помогая поддерживать прямолинейное движение. Мотоцикл в начале разгона, как правило, балансирует на одном колесе, находясь в весьма неустойчивом положении, и рискует сойти с траектории. Опрокидывающий момент (вокруг оси ведущего колеса относительно точки его контакта с асфальтом) действует постоянно в течение всего разгона, но у тяжёлого и длинного мотоцикла больше момент инерции, что позволяет лучше держать траекторию. С другой стороны, вес и инерция мешают быстро разгоняться. Но самое опасное явление в драгрейсинге, по мнению пилотов, это дриблинг, из которого очень сложно выйти, и здесь длинный и тяжёлый хвост оказался просто незаменимым. Корректировка траектории производится минимальными перемещениями корпуса пилота, не меняя положения руля, который нужен больше для удержания в седле, чем для руления. Стальной вилли-бар весит на пять килограммов больше, чем аналогичный, но выполненный из алюминиевого сплава, что не слишком ощутимо на фоне снаряжённой массы этого мотоцикла в 367 кг (без пилота) и совсем незначительно по отношению к тем преимуществам, которые даёт улучшение управляемости и устойчивости.
Двигатель
У этого мотора Top Fuel четыре цилиндра, по четыре клапана на цилиндр, рабочий объём – 1428 см3, диаметр цилиндра – 83 мм, ход поршня – 66 мм. Нижняя часть, то есть картер, к которому крепятся коленвал и блок цилиндров, сделана (в данном случае английским специалистом) специально для гонок. Внешне картер выглядит очень просто, как кирпич с четырьмя отверстиями, без каких-либо рёбер жёсткости, с толщиной стенок намного больше 10 мм. Только такая конструкция способна выдержать чудовищные нагрузки на изгиб и кручение. Коленчатый вал сделан составным из кованых стальных частей, с дополнительной обработкой методом азотирования поверхностей для повышения твёрдости. На коленвал монтируются мощные шатуны из кованого алюминия с очень широким сечением и вкладышами, взятыми с автомобильных моторов (от BMW коренные, от Chevrolet шатунные). Поршни также спроектированы специально для моторов с наддувом, работающих на нитрометане. Они кованые, изготовлены из алюминиевого сплава с твёрдым покрытием на рабочей поверхности. Юбки у поршней большой толщины (более шести миллиметров), чтобы выдерживать огромные нагрузки во время горения рабочей смеси в камере сгорания (больше похожего на взрыв). Однако поршень не прилегает к цилиндру всей боковой поверхностью: в юбке сделаны вставки из синтетического материала с очень низким коэффициентом скольжения, чтобы снизить потери на трение и избежать тепловых прихватов. Вставки сменные, с рисками на рабочей поверхности, чтобы задерживать масло. Днище поршня вогнутое с кольцевой канавкой, поршневые пальцы сделаны цельными. Геометрическая степень сжатия довольно низкая, всего 6,5. Но благодаря нагнетателю, количество смеси и давление в цилиндре в конце такта сжатия никак не зависит от атмосферного давления. Головка цилиндров позаимствована от дорожного Suzuki GSX750. Благодаря своей прочности и большой толщине стенок, она способна выдержать большие нагрузки и хорошо подходит для доработок. Камера сгорания из бронзы и алюминия спроектирована Ферретти, сёдла для клапанов на том же месте, что и у стандартной, но впускные каналы расширены. Впускной коллектор сделан из алюминия и приварен к головке. Заметно, что коллекторы не полностью отвечают всем требованиям аэродинамики (быть максимально прямыми, с плавными переходами, чтобы исключить турбулентность и т. д). Однако использование нагнетателя высокого давления делает эти аспекты второстепенными, не влияющими на наполнение цилиндра. Из компоновочных соображений, связанных с внушительными размерами компонентов наддува, головка на двигателе развёрнута на 180°, впускной коллектор направлен вперёд, выпускной – назад.
Сцепление работает по принципу lock-up, аналогично рассмотренному на примере мотора класса Pro Stock. В момент старта фрикционные диски проскальзывают очень короткое время, затем жёстко блокируются центробежным механизмом, передавая весь крутящий момент без потерь на коробку, включённую на первую передачу. Через 150 метров после старта кнопкой на рукоятке пилот включает пневматическую систему, которая втыкает вторую ступень трансмиссии, на этот раз без использования сцепления. Двухскоростная трансмиссия построена по автомобильному принципу: планетарный механизм (как в классических автоматах) с одним наружным зубчатым колесом и двумя внутренними. Фрикционы поочерёдно блокируют одно из внутренних зубчатых колёс, включая первую или вторую передачу (задний ход здесь не предусмотрен). Система смазки с сухим картером содержит пять литров масла, которые постоянно перекачивают помпы: одна подаёт смазку под давлением в каналы, и две откачивают излишки из поддона. Бензонасос смонтирован на оси масляной помпы в головке цилиндров. Давление масла в системе примерно 15 баров (точнее, между семью и 18-ю барами), давление топлива достигает 21-го бара. За 400 метров пути это чудовище проглатывает больше десяти литров горючего. Масло подлежит замене после каждого старта, потому что в него попадает много топлива: уплотнители насосов просто не выдерживают такого высокого давления. Сердце этого мотора – нагнетающий компрессор Sprintex с механическим приводом, который считается более надёжным и эффективным. Его рабочий объём примерно 1800 см3, компрессор производится в Австралии специально для наддува двигателей на нитрометане. Роторы компрессора со спиральными лопастями фрезерованы из цельного куска металла, очень тяжёлые, в рабочем режиме отбирают целых 80 лошадиных сил у мотора, но оно того стоит: давление наддува достигает 2,8 бара. Эти моторы запускают, распыляя метанол вручную прямо во всасывающий воздухозаборник. Нитрометану требуется более высокая температура для воспламенения, в то время как бензин имеет склонность к замерзанию на заслонках и детонации. После запуска двигателя на метаноле в камеры сгорания поступает нитрометан. Система зажигания имеет по одной свече на цилиндр и питается от магнето Mallory. Напряжение настолько высоко, что буквально сжигает электроды свечей за 400 метров дистанции. Что касается выхлопа, то он полностью свободный и никак не рассчитывался. Коллекторы сделаны прямыми, их основная функция – отвести подальше от пилота выхлопные газы и не создавать лишнего сопротивления. В приёмную трубу вблизи головки установлены термопары для контроля температуры газов, в зависимости от которой регулируется качество горючей смеси.
Максимальная мощность, которую удаётся снять с подобных моторов, в итоге не самая важная величина, главное, насколько эффективно удаётся её реализовать, чтобы затратить как можно меньше времени на прохождение дистанции. Кроме того, нет таких стендов, способных измерить мощность мотора, которая исчисляется тысячами лошадиных сил!
Немного химии
Топливо – это субстанция с определёнными физико-химическими характеристиками, такими как молекулярная масса, удельная масса, точка кипения, летучесть (способность испаряться), теплотворная способность (или минимальное количество энергии, которое можно получить, сжигая один килограмм вещества). Это важные данные для проектировщика: теоретически, чем выше теплотворная способность, тем большую отдачу можно получить от мотора. В действительности всё несколько сложнее, потому что приходится учитывать множество других аспектов, снижающих эффективность сжигания топлива. Изначально современные моторы проектируются для работы на обычном бензине без каких-либо добавок. Существуют два основных пути, позволяющих повысить эксплуатационные показатели: увеличить объём воздуха, поступающего в камеру сгорания, и повысить температуру горения топлива. Первый путь ведёт в царство систем наддува (обычно это турбокомпрессоры), тут всё ясно. Второй – в страну магов горючего, которые пользуются формулами нитрометана, метанола, закиси азота и другими, более экзотическими, недоступными нам, простым смертным, привыкшим к унылой панораме заправочной станции со списком октановых чисел бензина, которые влияют только на цену, но никак не на его теплотворную способность.
Начнём с алкоголя. На практике в качестве топлива используется только метанол (CH3OH, объёмная масса 0,79 относительно воды). Многие ошибочно полагают, что у альтернативного топлива теплотворная способность должна быть выше, чем у бензина. Это не так, у смесей на спиртовой основе она составляет менее половины бензиновой! С другой стороны, алкогольные типы горючего потребляют меньше кислорода при горении (у них уже есть один атом кислорода в каждой молекуле), к тому же их летучесть делает горючую смесь более холодной, позволяя плотнее заполнять камеру сгорания (больше массы топлива при равенстве объёма). Из-за меньшей вдвое, чем у бензина, теплотворной способности при равной мощности расход получается вдвое больше. При переходе на метанол появляется необходимость в инжекторах большей производительности или установки дополнительных форсунок. Отношение воздуха и топлива в горючей смеси метанолового мотора должно быть в пределах от 7:1 до 9:1 по сравнению с 14:1 – 15:1 у бензинового, кроме того, скорость горения метанола намного ниже. Эти моторы действительно очень прожорливы. Однако у метанола есть одно большое преимущество – минимальная склонность к детонации, что позволяет поднять степень сжатия до дизельных 15–19, а это уже серьёзная возможность повысить эксплуатационные характеристики. Известно, чем больше мощности получаешь, тем больше её рассеивается, таким образом, требования к системе охлаждения двигателя возрастают. Метаноловая смесь при испарении поглощает больше тепла, чем бензиновая, клапаны и поршни нагреваются меньше. С другой стороны, свечи нужны самые «горячие», чтобы их не заливало сплошным потоком горючего. Если автомобили серии Indy сжигают чистый метанол, драгстеры чаще потребляют смесь метанола с нитрометаном (CH3NO2, объёмная масса 1,13 относительно воды).
Нитрометан, по сути, является жидким взрывчатым веществом с теплотворной способностью вдвое выше, чем у бензина (или в четыре раза выше, чем у метанола). У него средняя склонность к детонации, что ограничивает степень сжатия максимум в 14 для современных короткоходных моторов. Нитрометан даёт большое количество энергии, но требует большого угла опережения зажигания, так как скорость горения у него ниже, чем у метанола. Когда процент нитрометана в смеси возрастает, количество кислорода в процессе горения остаётся неизменным и достаточно высоким для поддержания реакции. Этот эффект по своему действию напоминает наддув (так называемый эффект химического наддува). Отпадает необходимость готовить горючую смесь в нужной пропорции, а максимальная мощность зависит только от количества топлива, которое удастся закачать в камеры сгорания. Нитрометан может составлять до 98% в топливе (остальное – присадки, как видно в таблице). Добавка закиси азота – другая разновидность «химического наддува». Это вещество способно выделять большое количество кислорода, позволяя сжечь больше горючего.
текст: Рикардо Капаччионе, Джорджо Скалино МотоРевю 2008