Рис. 2. Схема турбонаддува двигателя «Форд» (V-8, 2,8, л):
1 — воздухозаборник; 2 — впрыск топлива; 3 — впускная труба; 4 — выпускное трубы; 5 — перепускной клапан; 6 — газовая турбина; 7 — турбокомпрессор; 8 — компрессор

На двигателе «Оффенхаузер» используется перепускной клапан 2, ограничивающий максимальное давление наддува. Когда давление в нагнетательном трубопроводе 9 достигает заранее установленного значения, мембрана, управляющая перепускным клапаном, прогибается вправо и открывает клапан, выпуская часть отработавших газов непосредственно в выпускную трубу помимо турбины. На воздухо-заборном патрубке установлен фильтр, так как быстроходный центробежный компрессор должен быть защищен от попадания в него даже мелких частиц пыли и грязи.

Существуют системы, в которых перепускной клапан управляется не пневматическим приводом, а электромагнитом, реагирующим на сигналы датчика в нагнетательном трубопроводе.

На двигателе «Форд» V-8 при отпускании акселератора заслонки на входе и выходе компрессора закрываются, что изолирует рабочее колесо компрессора от трубопровода и позволяет колесу вращаться по инерции с минимальным сопротивлением до следующего нажатия на акселератор, что снижает запаздывание получения максимальной мощности. Частота вращения вала турбокомпрессора 100 ООО об/мин. Максимальное давление наддува регулируется перепускным клапаном на выпускном трубопроводе.

На двигателе «Порше 917-10» дроссельные заслонки расположены очень близко от впускных клапанов, что позволяет двигателю немедленно реагировать на закрытие дросселей, так как объем воздуха за ними весьма ограничен. Быстрому получению мощности после открытия дросселей способствуют суженные фазы распределения, повышающие крутящий момент на средних скоростных режимах работы, когда компрессор еще не развивает достаточного давления. Кроме того, в нагнетательном трубопроводе между компрессором и коллектором предусмотрен клапан, соединенный тягами с акселератором. При отпускании акселератора этот клапан открывается, выпускает сжатый воздух в атмосферу и разгружает нагнетательный трубопровод от противодавления. Это позволяет валу турбокомпрессора продолжать вращаться при отпущенном акселераторе с частотой вращения, близкой к максимальной (90 000 об/мин), и обеспечивает немедленную подачу воздуха при следующем нажатии на акселератор. Максимальное давление наддува (1,4 кгс/см2) регулируется перепускным клапаном, как описано выше.

Рис. 3. Схема турбонаддува двигателя «Рено» (2 л):
1 — радиатор воздух—воздух; 2 — сжатый воздух; 3 — цилиндры двигателя; 4 — воздухозаборник; 5 — нагнетатель; 6 — выпуск газов; 7 — турбина; 8 — перепускной клапан; 9 — выпускная труба

Рабочее колесо турбины, подверженное воздействию высокой температуры и значительных центробежных сил, изготовляют из высококачественного никелевого сплава, а корпус турбины из специального чугуна. Материалом для корпуса и колеса компрессора служат алюминиевые сплавы.

Существенный форсирующий эффект обеспечивается охлаждением воздуха, сжатого нагнетателем. С этой целью сжатый воздух пропускают через радиатор, установленный между нагнетателем и двигателем. На автомобиле «Рено» формулы-1 температуру нагнетаемого воздуха снижали таким путем от 150—170 °С до 60 °С с соответствующим увеличением плотности заряда.

Турбокомпрессор устанавливают за двигателем над трансмиссией. На больших V-образных и оппозитных двигателях каждый ряд цилиндров обычно обслуживает самостоятельный турбокомпрессор.

В некоторых гонках (например, Автомобильного клуба США) максимальное давление наддува регламентируется, поэтому перепускные клапаны снабжают винтом для регулирования натяжения пружины. На нагнетательном трубопроводе может быть установлен предохранительный клапан, запломбированный технической комиссией. В гонках по треку в Индианаполисе максимальное давление наддува в последние годы было установлено 2,6 кгс/см2.

Сообразным, особенно если учитывать, что кроме числа остановок увеличивается и время заправки, обусловленное большим объемом баков.

Для автомобилей формулы 1 ФИА установила максимальный объем баков 250 л, причем по соображениям пожарной безопасности объем каждого бака не должен превышать 80 л.

Все гоночные двигатели работают с высокой степенью сжатия или с низкой степенью сжатия, но с высоким давлением наддува. И в том и в другом случае в конце хода сжатия горючая смесь приобретает повышенные температуру и давление, и создаются условия, которые могут вызвать детонацию. Появление детонации сопровождается целым рядом общеизвестных отрицательных последствий и нарушает нормальную работу двигателя. Помимо конструктивных мер, рассмотренных выше, для устранения детонации большое значение имеет выбор топлива с повышенными антидетонационными качествами или примешивание к нормальным топливам специальных антидетонаторов.

В гоночной практике способность топлива выдерживать высокую степень сжатия является самым главным качеством. Критерием для оценки антидетонационных качеств топлив служит октановое число. Для чистого изооктана октановое число условно принято за 100. Если детонационная стойкость топлива выше, чем у изооктана, то ее оценивают «сортностью» топлива. Под сортностью топлива подразумевают число, показывающее в процентах, какую мощность может развивать двигатель на данном топливе по сравнению с мощностью, развиваемой при работе на изооктане. Необходимое октановое число топлива для какого-либо определенного двигателя не представляет собой постоянной величины; оно зависит от режима работы — дросселирования, изменения давления наддува и изменения частоты вращения. По мере увеличения частоты вращения падает коэффициент наполнения й уменьшается давление сжатия, а потому снижается необходимое октановое число.

Поскольку гоночные двигатели, как правило, работают на высокооборотных режимах, требования к октановому числу топлива для них несколько ниже, чем можно было бы ожидать.

Все антидетонаторы можно разделить на три основные категории:
1) слабые антидетонаторы, прибавляемые к основному топливу в количестве нескольких десятков процентов;
2) средние антидетонаторы, прибавляемые к основному топливу в количестве до 10%;
3) сильные антидетонаторы, прибавляемые к основному^топ-ливу в десятых долях процента.

К первой категории относятся такие антидетонаторы, как бензол (С6Н6), толуол (С7Н8), ксилол (С8Н10), метиловый спирт (СН3ОН) и этиловый спирт (С2Н5ОН). Под основным топливом здесь подразумевается бензин. Очень часто топливо состоит только из антидетонаторов (например, смесь из спирта и бензола). Поэтому понятие об «основном» топливе имеет число условное значение и, в сущности говоря, применимо только к двум последним категориям антидетонаторов. Иногда к числу антидетонаторов причисляют только вещества, упомянутые в п. 3, которые не могут служить топливом. Роль небольшой примеси бензина в спирто-бензоловых смесях сводится к облегчению запуска двигателя и ускорению процесса сгорания.

Из перечисленных слабых антидетонаторов наименее активным является бензол; несколько лучше действуют толуол и ксилол; наиболее активен спирт.

Весьма существенное значение для антидетонационных качеств топлива имеет его скрытая теплота испарения. Процесс испарения начинается в карбюраторе, продолжается во впускной трубе и заканчивается в цилиндре при ходе сжатия. Теплота испарения заимствуется от частиц воздуха и всех деталей, соприкасающихся с капельками топлива. Таким путем достигается снижение температуры горючей смеси в конце хода сжатия перед вспышкой и охлаждение наиболее нагретых частей двигателя — поршней и клапанов. Эти явления неоценимы, когда тепловой режим работы очень напряжен, как это всегда бывает у гоночных двигателей. Спирт обладает наиболее высокой скрытой теплотой испарения и потому принят за основу гоночного топлива, предназначенного для самых форсированных машин, несмотря на большой недостаток, отмеченный выше, — малую теплотворную способность (большой расход). Кроме того, топливо с малой теплотворной способностью требует меньшего количества воздуха на полное окисление, а значит количество топлива в заданном объеме горючей смеси больше. В 1 л воздуха при теоретически правильном составе смеси содержится 0,085 см3 бензина, или 0,097 см3 бензола, или 0,143 см3 спирта. Таким образом, более высокое охлаждающее действие спирта обусловливается не только высокой скрытой теплотой испарения, но и большим содержанием его в горючей смеси.

Другим преимуществом спирта следует считать его способность воспламеняться от электрической искры при изменении состава горючей смеси в широких пределах. Карбюраторы регулируются на обогащенную смесь в расчете на то, что избыток топлива для спиртовых смесей (а = 0,5н-0,7) хотя и не сгорит в цилиндре, но зато даст охлаждающий эффект в процессе предварительного сжатия. Подобная регулировка карбюраторов отчасти объясняет высокий расход топлива гоночных автомобилей. В данном случае повышение расхода топлива оправдывается облегчением температурного режима работы наиболее нагретых деталей.

Охлаждающее действие спирта может быть поддержано некоторыми конструктивными мероприятиями: в частности, желательно, чтобы впускная труба была по возможности короткой или совсем отсутствовала, как это иногда принято у двигателей без наддува, снабженных несколькими карбюраторами. Тогда процесс испарения топлива протекает почти целиком в цилиндре двигателя и скрытая теплота испарения заимствуется от внутренних горячих деталей, а не от впускной трубы; короткие впускные трубы содействуют снижению температуры выпускных клапанов и поршней.

Отсутствие предварительного испарения во впускной трубе позволяет ввести в цилиндр дополнительное количество воздуха, соответствующее неиспаренной части топлива.

Уменьшение температуры горючей смеси в конце хода впуска при использовании спирта в качестве топлива приводит к увеличению плотности заряда и улучшению коэффициента наполнения двигателя. В этом заключается «компрессорный» эффект от применения спиртовых смесей. Следствием компрессорного эффекта является увеличение мощности двигателя. Если допустить, что вся скрытая теплота испарения спирта заимствуется от воздуха, то температура горючей смеси, по теоретическим подсчетам, должна быть приблизительно на 140° С ниже температуры внешнего воздуха, которая обычно принимается равной около 288 К (или 15° С), т. е. примерно вдвое больше вышеупомянутой температуры горючей смеси из паров спирта и воздуха. Плотность заряда горючей смеси обратно пропорциональна его температуре и, стало быть, после испарения спирта должна увеличиться вдвое. В той же пропорции, казалось бы, должна увеличиться и мощность двигателя, пропорциональная плотности горючей смеси. В действительности охлаждение смеси получается незначительным, так как скрытая теплота испарения сообщается топливу от горячих деталей двигателя. Тем не менее наличие компрессорного эффекта и увеличение мощности от применения спирта доказаны лабораторными испытаниями; прирост мощности составляет около 5%, так как коэффициент наполнения увеличивается при переходе с бензина на спирт.

Особенности компрессорного эффекта относятся и к впрыску топлива в цилиндр или во всасывающую трубу, так как и в этом случае испарение топлива также происходит в значительной части за счет теплоты воздуха.

Возрастание коэффициента наполнения в результате использования спирта и обогащенной смеси ведет к увеличению среднего эффективного давления. Обогащение смеси также позволяет форсировать двигатель по давлению наддува без изменения октанового числа топлива.

Температура самовоспламенения топлива хотя и влияет на антидетонационные качества, но не может служить мерилом для их оценки. Температура самовоспламенения бензола 570° С, спирта только 370° С, а все-таки спирт выдерживает более высокие степени сжатия благодаря сильному охлаждению во время перехода в парообразное состояние; повышение температуры горючей смеси в процессе сжатия значительно меньше в случае использования спирта.

Усиление внутреннего охлаждения двигателя можно получить добавлением к топливу небольшого количества воды. Вода вводится путем впрыска или непосредственным примешиванием к топливу; по данным Л. Помероя, в Англии сильно форсированные двигатели работали на смеси из 60% спирта, 30% бензола, 5% бензина (плотность 0,680 г/см3) и 5% воды. В Германии гоночные автомобили «Мерседес-Бенц» и «Ауто Унион» работали на смеси из метилового спирта, нитробензола и воды. Теплотворная способность такой смеси около 4000 ккал/кг, октановое число 110. К недостаткам спиртовых смесей относится затруднительность запуска двигателя, обусловленная высокой теплотой испарения топлива и образованием конденсата на электродах свечи. Запуск облегчается небольшой примесью эфира или авиационного бензина. Иногда запуск и прогрев производятся на обыкновенных сортах горючего, после чего двигатель переключают на спиртовую смесь.

К антидетонаторам второй группы принадлежат анилин (C6H5NH2), ксилидин (C8H„NH2) и толуидин. Эти антидетонаторы не получили распространения в качестве примеси к гоночным топливам.

Среди сильных антидетонаторов наиболее известен тетраэти-ловый свинец — РЬ(С2Н5)4. Сильные антидетонаторы не имеют охлаждающих свойств спиртовых смесей и потому сфера их применения ограничена менее форсированными двигателями без наддува; иногда такие антидетонаторы употребляют в сочетании с антидетонаторами первой категории (спирт, бензол). Тетраэти-ловый свинец, смешанный с топливом в чистом виде, вызывает освинцовывание клапанов, клапанных седел, свечей и камеры сгорания. Этот дефект можно частично устранить, смешивая тетраэтиловый свинец с двубромэтиленом и с монохлор нафталином. Подобная смесь носит название этиловой жидкости. Дополнительные компоненты действуют химически на тетраэтиловый свинец в момент вспышки и способствуют его удалению из цилиндра вместе с продуктами горения.

В США для двигателей без наддува со степенями сжатия до 12 применяли смесь на бензиновой основе из 80% бензина и 20% бензола с добавкой этиловой жидкости в количестве от 2 до 5 см3 на 1 л. Сортность смеси около 108. Увеличение содержания сильных антидетонаторов свыше нескольких десятых процента бесполезно, потому что оно не увеличивает октанового числа топлива.

В послевоенные годы в гоночные смеси стали вводить азотистые топлива — нитробензол (CeH5N02), нитрометан (CH3N02) и нитро-пропан (C3H7N02), обладающие сильным форсирующим эффектом за счет окисления топлива кислородом молекулы N02 во время процесса сгорания и результирующего повышения температуры и давления. Азотистые топлива, особенно нитрометан, взрывоопасны и поэтому требуют осторожного обращения. Добавлением азотистых топлив к метанолу удавалось повысить мощность двигателей на 40%; однако при содержании азотистых топлив свыше 20% нередко наблюдаются поломки поршней, коленчатых валов и обго-рание клапанов.

Нитрометан и нитробензол применяют также в смеси с бензолом.

На дорожно-гоночных автомобилях «Мазерати» использовали смесь из 14% нитрометана, 12% изобутилового спирта, 33% метилового спирта, 40% бензина (о. ч. 100) и 1% воды. Автомобили «Феррари» работали на смеси из 40% метанола, 30% бензола, 30% авиабензина с небольшой добавкой воды и касторового масла. В гоночной практике была известна смесь «динамин» — из 20% этилового спирта, 30% бензола, 49% бензина и 1% касторового масла. Под этой же маркой применялась смесь 98% метилового спирта и 2% воды с добавкой 0,3% касторового масла.

В качестве окислителя к смеси топлив иногда добавляли небольшое количество перекиси водорода (Н202), освобождающей большое количество кислорода. Перекись водорода нестабильна, что представляет известную опасность. К нитрометану прибавляли также немного концентрированной азотной кислоты или твердых окислителей. Использование таких продуктов требует немедленной промывки системы питания после гонки.

Известны случаи применения твердых топлив — нафталина, пикриновой кислоты, тринитробензола и родственных им соединений. Твердые топлива приготовляют в виде суспензии в жидком топливе. Такие топлива быстро изнашивают дозирующие устройства систем питания.

Специальные смеси топлив стоят дорого. Кроме того, расход этих смесей значительно больше. В заездах на 400 м с места расход специальных смесей иногда достигал 3,8 л, т. е. 950 л на 100 км пройденного пути.

Сильный кратковременный форсирующий эффект можно получить (на дрегстерах) впрыском закиси азота (N20 — веселящего газа), содержащей кислорода на 50% больше, чем в воздухе. Закись азота остается жидкой при небольшом давлении и нормальной температуре, что облегчает ее использование. Она не вызывает стуков в двигателе и дает увеличение мощности до 40%.

В большинстве случаев состав гоночных топлив считается производственным секретом нефтяных компаний. Чтобы затруднить конкурирующим фирмам проведение анализа, в топливо нередко прибавляют камфору, нафталин или ароматические вещества. Последние иногда помогают устранить неприятный запах отработавших газов.