В последние годы все чаще можно услышать, что Формула-1 не соответствует статусу «Королевы автоспорта», так как болиды слишком медленные по современным меркам. Однако, в прошедшем сезоне машины Ф-1 поехали как-никогда быстро, обновив рекорды практически на всех трассах.
Для начала, короткое введение для тех, кто бросил смотреть Формулу-1 после первого этапа сезона 2014 года. Нет, современные болиды по-прежнему звучат как пылесосы (а Honda – как старый пылесос), но теперь они выглядят круто (хотя правильнее сказать выглядели, привет, Halo!) и, что самое важное, едут невероятно быстро. Если бы существовала машина времени, то Михаэлю Шумахеру и Рубенсу Баррикелло на непобедимой Ferrari F2004, попади они на современный Гран При, пришлось бы бороться за проход во второй сегмент квалификации.
Прошло уже четыре сезона с момента, как Формула-1 перешла на гибридные силовые установки. Они представляют из себя V-образные 6-цилиндровые бензиновые двигатели внутреннего сгорания рабочим объемом до 1600 см³ с одним турбонагнетателем, непосредственным впрыском топлива и двойной системой рекуперации энергии: кинетической (MGU-K, запасающей энергию от торможения) и тепловой (MGU-H, от выхлопных газов). Основные параметры ДВС строго регламентированы: максимальная частота вращения коленчатого вала – 15000 об/мин, угол развала блока – 90°, число клапанов – 24, диаметр цилиндра и ход поршня – 80 × 53 мм и даже такие вещи, как минимальные размеры шеек коленчатого вала (43,95 мм – для коренных и 37,95 мм – для шатунных), минимальные массы поршня (300 г в сборе с кольцами, поршневым пальцем и стопорными клипсами), шатуна (300 г вместе с вкладышами и болтами) и коленчатого вала (5,3 кг). Минимальная масса силовой установки в сборе без батарей — 145 кг. Ограничены так же давление распыла форсунки – 500 бар при одной форсунке на цилиндр, массовый расход топлива – 100 кг/ч и запас топлива на гонку – 105 кг (до 2017 года – 100 кг). При этом на давление наддува нет никаких ограничений, но с оглядкой на расход топлива оно не превышает 3,5 бара. В 2017 году можно было использовать не более четырех основных компонентов СУ (ДВС, турбина, MGU-K и MGU-H) на сезон, поэтому теоретический пробег одного мотора может запросто превышать несколько тысяч километров.
Практически все материалы, применяемые моторостроителями в ДВС, остались неизменными со времен атмосферных V8: блок цилиндров, головки цилиндров и поршни из алюминиевого сплава, стальные валы и шестерни, масляный резервуар и впускной коллектор из углепластика, шатуны и клапана из титана. Материалом для колеса одноступенчатого компрессора турбонагнетателя служит алюминиевый сплав. Колесо турбины, имеющей два входа для отработанных газов (по одному от каждой тройки цилиндров), отливают из инконеля с высоким содержанием никеля, керамика запрещена. На холодной части допускается применение изменяемой геометрии направляющих лопаток. Использование перепускного клапана обязательно в целях безопасности.
В основе гибридной составляющей лежат мотор-генераторы постоянного тока, имеющие водяное охлаждение. Кинетический модуль запасает свободную энергию вращения коленчатого вала на торможении и отдает ее в виде дополнительного момента при разгоне – аналог системы KERS, применявшийся ранее. Во всех силовых установках он установлен сбоку от блока под выпускным коллектором и соединен с коленвалом посредством шестеренчатых передач. Тепловой модуль запасает энергию вращения турбины и помогает компенсировать турбояму, раскручивая вал турбонагнетателя.
Даже в условиях столь жестких ограничений регламента, направленных на уравнивание характеристик и снижение расходов, конструкторы смогли создать двигатели, отличающиеся друг от друга. В первую очередь речь идет о размещении турбокомпрессора и гибридных составляющих. Изначально инженеры, проектировавшие СУ Mercedes, выбрали отличающуюся от Ferrari и Renault концепцию. Они разместили компрессор со стороны свободного конца коленвала, турбину – со стороны маховика, а модуль MGU-H – в развале блока V6 на валу, соединяющим обе части турбонагнетателя. В Ferrari и Renault использовали классическую схему с турбиной и компрессором, расположенными рядом на общем коротком валу. В таком случае узел размещается со стороны маховика, а MGU-H в развале блока за компрессором. Правда, в 2016 году инженеры «Скудерии» поставили тепловой мотор-генератор между турбиной и компрессором, но весь узел в сборе по-прежнему остался за блоком цилиндров.
Решение, примененное в Mercedes, во-первых, позволило исключить нежелательный теплообмен между горячей и холодной частями турбонагнетателя, во-вторых, понизило центр тяжести. В 2015 году бывший инженер Ferrari Клаудио Ломбарди высказывал предположение, что турбонагнетатель «Мерседесовской» СУ имеет муфту, которая разобщает турбину и компрессор, чтобы при раскрутке последнего от MGU-H не возникало сопротивления от газовой части. Впрочем, эта догадка до сих пор не подтвердилась – в Брэкли умеют хранить секреты. При этом инженеры Mercedes High Performance Powertrain смогли решить проблему с вибрацией длинного вала, чего не скажешь об их коллегах из Honda, мучившихся с отказами турбонагнетателей и MGU-H в течение всего прошедшего сезона. Для своей первой гибридной силовой установки для Ф-1 японцы выбрали похожую концепцию с разделенными частями турбонагнетателя и MGU-H между ними, но изначально вал был коротким и компрессор находился в развале блока. К сезону 2017 по примеру Mercedes вал был удлинен, а компрессор вынесен за пределы блока, что позволило опустить его ниже.
В 79 Гран При, состоявшихся в гибридную эру, двигатели «Мерседес» принесли 63 победы в гонках и 72 поул-позиции. Одной из технологий, позволившей добиться столь внушительного преимущества, стала система турбулентного реактивного зажигания (Turbulent Jet Ignition – TJI). Специалисты Mercedes HPP изначально разработали двигатель с TJI, в то время как Ferrari в сотрудничестве с Mahle внедрили ее к 2015 году, мотористы Honda попыталась использовать в этом сезоне, а в ДВС Renault она предположительно должна появиться лишь со следующего.
Во время гоночных уик-эндов можно было заметить, что в финале квалификации гонщики «Серебряных стрел» получают дополнительное преимущество, около 0,1-0,15 с, за счет перевода мотора в другой режим. Долгое время магическая кнопка не давала спокойно спать конкурентам, но не так давно обнаружилась еще одна особенность двигателя Mercedes. Перед началом сезона в FIA поступил официальный запрос команды Red Bull с просьбой разъяснить правила по поводу использования в качестве топлива моторного масла. В FIA ответили, что это запрещено, так как противоречит одному из основополагающих пунктов технического регламента, касающегося расхода топлива. Правда, в середине сезона было выпущено официальное уточнение, что максимально допустимый расход масла не должен превышать 0,9 л/100 км (около 2,7 л на гонку) и не касается уже заявленных в чемпионат версий СУ. Именно последнее исключение в команде Mercedes довольно хитро использовали, представив новую версию двигателя за один Гран При до введения лимита, что вызвало резонанс в паддоке.
Обеспокоенность австрийской конюшни можно понять. Следом за Mercedes в использовании масла в качестве топлива стали подозревать и Ferrari, в то время как представители Renault, поставщика СУ для Red Bull, открыто заявили, что не собираются тратить миллионы евро на исследования в области, которая противоречит не только букве, но и духу регламента. Со следующего года FIA обещает прекратить практику сжигания масла в камере сгорания, установив более жесткий контроль.
Мощность силовых установок составляет около 900 л.с., где на долю ДВС приходится в районе 750 л.с. Предыдущее поколение двигателей, атмосферные 2,4-литровык V8 с частотой вращения коленвала в 18000 об/мин имели мощность в пределах 750 – 775 л.с. без учета KERS, но куда меньший крутящий момент. Чтобы реализовать потенциал силовых установок в полной мере команды используют 8-ступенчатые (плюс одна задняя) полуавтоматические коробки передач (эта терминология укрепилась в Ф-1 еще с первого поколения подобных трансмиссий, хотя по принципу работы они ближе к роботизированным КПП) с сухим двухдисковым углепластиковым сцеплением. Mercedes, Ferrari, Red Bull, Williams, Renault и McLaren строят КПП самостоятельно, Toro Rosso использует коробки Xtrac с картером собственного производства, а Force India, Haas и Sauber покупают их вместе с СУ. При этом большинство предпочитает строить картер коробки передач из углепластика, исключение составляют Williams (алюминиевый сплав) и Renault (титановый сплав).
Переход на новый технический регламент был вызван желанием организаторов приблизить технологии Ф-1 к серийному производству и тем самым привлечь новых производителей. Такой фокус сначала с успехом прошел с ле-мановскими прототипами высшего класса LMP1, но с «Королевскими гонками» все оказалось не так просто. Дело в том, что техника многочасовых марафонов в силу специфики соревнований технологически всегда была ближе к обычным машинам. Так, благодаря Audi непосредственный впрыск топлива появился в Ле-Мане еще в 1999 году, а семь лет спустя «Четыре кольца» вывели на Сартэ гоночный дизель. О таких вещах в Формуле-1 в то время даже не задумывались и вызвано это было вовсе не упрямым желанием отставать от прогресса (это ведь не NASCAR). Веками основным способом поднятия мощности двигателей Ф-1 в условиях строгого ограничения рабочего объема (а позже и количества цилиндров) было повышение частоты вращения коленчатого вала. Когда турбированный двигатель с непосредственным впрыском Audi R8, победившей в Ле-Мане в 2001 году, выдавал максимальную мощность при 6500 об/мин, атмосферные V10 болидов Ф-1, оснащенные распределенным многоточечным впрыском раскручивались свыше 18000 об/мин, а при таких оборотах прямой впрыск в цилиндр неосуществим.
В условиях повсеместной борьбы за экологию и увлечения автопроизводителей «даунсайзингом» технологическая гонка Формулы-1 уводила моторы гоночных болидов все дальше от своих дальних родственников, предназначенных для дорог общего пользования. Многие технологии, например, пневматический привод клапанов, заменивший более привычные витые пружины, оказались просто бессмысленными для обычных автомобилей. Сработал ли план FIA, когда она заставила производителей тратить огромные средства на СУ нового поколения? Чемпионат потерял Cosworth, независимого производителя относительно недорогих гоночных двигателей, машины стали тяжелыми и медленными, звук стал просто ужасным, а чемпионат превратился в заранее обреченную погоню разноцветного пелотона за двумя «Серебряными стрелами».
Плюсы? Возвращение Honda, на которое возлагали такие большие надежды, лишь отпугнуло других потенциальных участников – крупные автоконцерны. Да, термодинамическим КПД гибридных СУ, составляющим около 47%, можно восхищаться. Ф-1 действительно стала ближе к серийным автомобилям, Mercedes-Benz даже выпустил дорожный суперкар Project ONE с силовой установкой практически без изменений перекочевавшей с чемпионского W05. Но это ли нужно «Большому цирку»? Может быть обкатку серийных технологий оставить уделом Ле-Мана, Формулу-Е сделать ярким шоу борьбы за чистоту окружающей среды, а Формула-1 просто должна быть самой быстрой гоночной серией планеты, где сильнейшие в мире гонщики спорят между собой за звание лучшего?
