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 без наддува и с наддувом на основании оптимальных реализованных значений к. п. д. и при высокой частоте вращения, свойственной гоночным конструкциям.

1. Двигатель без наддува.

Практика мотоциклостроения доказывает возможность дальнейшего усовершенствования автомобильных двигателей без наддува.

2. Двигатель с наддувом.

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. п. д. и высокой степенью сжатия; поэтому здесь обеспечены хорошее теплоиспользование (высокий г|,) 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 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.

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.

1. Термический к. п. д. (%) 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 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 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 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 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

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 не 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.

Рис. 1. Изменение коэффициента наполнения в зависимости от частоты вращения коленчатого вала

4. Увеличение механического к. п. д. 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». 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.

Следовательно, трение 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 нагрузки прибегают к облегченной конструкции поршней, поршневых колец и 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).

Рис. 2. 8-цилиндровый двигатель «Делаж» (1,5 л типа GP)

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, несмотря на уменьшение первых двух множителей (незначительным влиянием частоты вращения на относительный к. п. д. пренебрегаем) 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. п. д., одновременно дают повышение частоты вращения, соответствующей максимальной мощности, так как при этом произведение с увеличением частоты вращения уменьшается медленнее.

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 потери 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.

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.

1. Литраж устанавливается в соответствии с международной классификацией или гоночной формулой. Наибольшее распространение имеют двигатели 1—3 л.

Рис. 3. Характеристики идеального и действительного двигателей:

Высшую литровую мощность показал гоночный двигатель BRM 1,5 л — почти 400 л. с./л. 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 многоцилиндровым конструкциям.

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 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.

Рис. 4. 12-цилиндровый оппозитный двигатель «Альфа Ромео» (3 л)

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 она 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

Среднее эффективное давление в большинстве случаев может служить критерием для оценки форсирования рабочего процесса 1. для четырехтактных двигателей с наддувом среднее эффективное давление составляет от 18 до 30 кгс/см2, 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 0j—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 на динамику двигателя выполнил Дж. Сарторис, произведя сравнение двух двигателей с одинаковыми рабочим объемом, степенью сжатия, частотой вращения и отношением длины шатуна к радиусу кривошипа, 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 длинноходных 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 у гоночных двигателей не имеет отличительных особенностей.

Численное значение X колеблется от 1 : 3,5 до 1 : 4,5. Более 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.

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. Поршневая мощность для гоночных двигателей без наддува составляет 0,7—1,2 л. с./см2, при наличии наддува 1,2—2 л. с./см2.

Рис. 5. Изменение параметров двигателя в зависимости от числа цилиндров

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 (Vh = 4-5 л), верхний предел относится к двигателям объемом в 1,5 л с нагнетателями. Сравнительно большая