Четвъртък, 31 Май 2007 02:28   
Осемцилиндрови V-образни двигатели на Мерцедес
Полезна информация - Техника и механика

Mercedes V8 enginesОсемцилиндровите V-образни двигатели са задължителни във Формула 1 и състезанията от DTM, a при серийните автомобили конструктивната схема V8 е символ на престиж, мощ и лукс. Мерцедес е единствената марка, представена и в трите области. Кое е общото между трите осемцилиндрови мотора освен емблемата със звездата?
Осем цилиндъра, атмосферно пълнене и принадлежност към голямото семейство на Мерцедес. C това общите черти на три от най-съвършените двигатели на концерна Daimler като че ли се изчерпват и наяве излизат индивидуалните им особености, поставящи ги сред лидерите в съответната област на приложение.

Както вече казахме, тримата братя си приличат твърде малко, а най-голямата разлика определено е в продължителността на експлоатационния им живот. „Серийният V8 е длъжен да издържа без проблеми и забележки най-малко 300 000 километра", пояснява Антон Валтнер, шеф на развойния отдел за шест- и осемцилиндрови V-образни двигатели на Мерцедес. В автомобилния спорт изискванията в това отношение са доста по-скромни - двигателите за DTM са длъжни да издържат един сезон, т. е. около 5000 километра, а на един отбор с два автомобила е позволено да използва само три мотора.

„Капакът на клапаните и ваната на картера са пломбирани", споделя Герхард Унгар, технически ръководител на заводския отбор HWA в DTM, „но два пъти годишно имаме право да регулираме клапаните."
Във Формула 1 правилата не са чак толкова строги (статията е от 2007 год). Според въведения от началото на 2005 година с цел икономия регламент всеки агрегат трябва да издържи два състезателни уикенда. На практика това означава пробег от около 1000 километра. „Длъжни сме обаче да включим в сметките известен резерв, който да гарантира надеждността" -споделя Ола Келениус, шеф на отдела High Performance Engines в Мерцедес. В елитното звено, снабдяващо с двигатели отбора във Формула 1, се трудят 460 души, а производственият му капацитет е между 70 и 80 мотора годишно. „За състезанията и тестовете са ни нужни около 50 двигателя", споделя Келениус, „към които се прибавят и моторите, работещи на изпитателните стендове."
Въпреки астрономичните нива на оборотите (FIA разрешава до 19 000 в минута) авариите на двигатели във Формула 1 напоследък стават все по-редки. „Влагаме изключително много енергия, за да отговорим на въпроса, къде е всъщност реалната граница на възможностите", разказва Келениус. „Истинското изкуство е в съчетаването на максимална мощност с достатъчна надеждност." Само допреди десет години много от разработките на двигатели за Формула 1 следваха метода на пробите и грешките, а класическото „изпушване" на моторите бе част от състезателното всекидневие. Днес нещата стоят другояче - от 50 старта на „сребърните стрели" след въвеждането на 2,4-литровата формула болидите са напускали състезанието поради проблеми в двигателя само два пъти.
„Целта ни е да постигнем трайно високо равнище на качество, гарантиращо надеждността на работата", пояснява насоката на усилията на конструкторите Келениус. „Нашите инженери работят в тясно сътрудничество с поддоставчипите на компоненти и агрегати, защото е твърде късно да контролираме качеството им, когато пристигнат за вграждане в завода." Освен това Мерцедес сами изработват много от частите на тежащия едва 95 килограма мотор - цилиндровите блокове и глави се отливат в Щутгарт-Метинген, а заключителната обработка се извършва в английския Бриксуорт. Буталата също са „домашно производство" на Мерцедес.
Двигателят на болида от Формула 1 стоварва върху съединителя 750 к. с, което означава, че литровата му мощност е 312,5 к. с. -почти пет пъти по-голяма, отколкото при серийния V8. Според Келениус основните фактори, осигуряващи смазващото превъзходство на състезателния агрегат, са няколко. „На първо място е обемната ефективност - в състезателните мотори постъпват огромни количества свеж въздух, необходим за оптималното изгаряне. На второ място е ефективността на горивния процес, а на трето е намаляването до минимум на загубите от триене."
Всеки, който постави въпроса за смисъла от моторните спортове, неизбежно стига до извода за ползата, която серийното производство извлича от Формула 1. А може би се получава точно обратното? Според Келениус верни са и двете твърдения. „Процесът е двустранно плодотворен - взаимна полза има при компютърните симулации, във внедряването на нови материали и в технологиите за нанасяне на специфични покрития." Ръководителят на серийните разработки Валтнер го подкрепя: „На равнище ноу-хау обменът на информация с инженерите от Формула 1 работи много добре. От друга страна, колегите от моторните спортове се радват на нашата помощ в областта на производствените методи например."
Пронизителният писък на моторите от Формула 1 кара мнозина от феновете да настръхват от въодушевление, а и песента на автомобилите от DTM също си я бива. Задачите пред конструкторите на серийни двигатели обаче са съвсем различни - в един Мерцедес S 500 например V-образният „осмак" трябва да се държи така, сякаш изобщо го няма. Оказва се, че коренно различното звучене се дължи не само на нивото на оборотите и на шумозаглушителите, а и на фундаментални фактори като конструкцията на коляновия вал. Ъгълът от 90 градуса между мотовилковите шийки осигурява на серийния двигател плавна, лишена от вибрации работа, докато характерният за състезателните мотори ъгъл от 180 градуса е идеален за оптималното пълнене на цилиндрите.
Според Валтнер работата на конструкторите на серийни двигатели в известен смисъл е по-трудна, отколкото на инженерите от моторните спортове - „Диапазонът от изисквания при нас е много по-широк, отколкото при автомобилите, използвани само за състезания. Ние сме длъжни да намерим оптималния баланс между мощност, надеждност и дълъг експлоатационен живот, без да забравяме за критерии като нисък разход, ефективност, ниво на емисиите и шум." При такива изходни параметри е повече от ясно, че серийните двигатели са принудени да останат далеч от екстремните стойности - 5,5-литровият сериен V8 например отдава своите 388 к. с. при доста спокойните 6000 оборота в минута.
В света на моторните спортове се вихри невероятна мания за секретност, от която страдат не само инженерите на Мерцедес. Невнимателните разговори за интимния живот на двигателите могат да докарат сериозни главоболия на хората от кухнята, а данни от рода на диаметър на цилиндрите и ход на буталата се третират като държавни тайни от първостепенна важност. Въпросите в тази и подобна насока се считат за крайно нетактични, макар че повечето отговори могат да се получат за няколко минути с помощта на джобен калкулатор и книжката с регламентите на Формула 1 или DTM.
Ето един пример... Максималната стойност на диаметъра на цилиндъра от 98,0 мили-метра е предписана от правилника във Формула 1. Всеки конструктор би трябвало да използва този размер в максималната възможна степен, за да постигне оптимално пълнене с помощта на колкото може по-големи като площ всмукателни отвори, респ. клапани, чието сечение е в логична и пряка зависимост от диаметъра на цилиндъра. Ако допуснем, че на практика този диаметър е 97,9 мм и се съобразим с предписания от регламента максимален работен обем, ще достигнем до заключението, че ходът на буталата е точно 39,9 милиметра -горе-долу колкото при 50-кубиковите двигателчета на мотопедите.
Само при подобни конструкции с ултракъс ход е възможно постигането на характерните за моторите във Формула 1 скорости на буталото. При максимално разрешените 19 000 об./мин буталата се движат нагоре-надолу със средна скорост от 25,3 метра в секунда, докато при едросерийните двигатели стойностите от 20 м/сек нагоре се смятат за критични.
По точно обратния начин стоят нещата при двигателя от DTM. Тук регламентът предписва за диаметъра на цилиндъра минимална стойност от 93 милиметра, а максималните обороти (8000 в минута), респ. максималната мощност (476 к. с.) са обуздани с помощта на два ограничителя на постъпващия въздух с диаметър от по 28 милиметра. В този случай размерът на клапаните играе второстепенна роля в търсенето на по-висока мощност, а правилото при двигателите с рестриктори на всмукателните колектори гласи, че кривата на въртящия момент се оптимизира с увеличаване на хода на буталото.
Ограничаването на разходите на участващите отбори е един от основните приоритети на регламента на DTM - включително и намаляването на разходите за разработка и производство на двигателите. Именно поради тази причина правилата предвиждат минимални широчини на лагерите на коляновия вал, а сред позволените материали няма да срещнете нито керамични композити, нито екстремно леки конструкции. Основна бариера пред тях са изискванията за минимално тегло - буталата например не могат да се олекотяват до безкрай, а готовият за състезание четирилитров двигател трябва да тежи не по-малко от 165 килограма - серийният V8 е само с 30 килограма по-тежък. Благодарение на тези благоразумни правила моторите в DTM са не само издръжливи, но и сравнително евтини за критериите на моторния спорт - според техническия шеф на отбора HWA цената им е около 150 000 евро.
Особено фрапиращи са разликите между състезателните и серийните двигатели при разхода на гориво. Серийният двигател на Мерцедес CLS 500 се задоволява средно с 11,6 л/100 км, а другата крайност е агрегатът от Формула 1, който гълта между 65 и 70 литра в зависимост от условията на пистата и настройката на болида. В състезателен режим автомобилите на Мерцедес в DTM се нуждаят от около 45 литра на 100 км, като точният разход зависи от пистата. Не трябва да се забравя обаче, че подобно на серийните автомобили при тях катализаторите отдавна са част от стандартното оборудване.

ТЕХНИЧЕСКИ ДАННИ

 

Сериен

DTM

Формула 1

Модел

М273

DTM 307

FO108T

Конструкция

V8

V8

V8

Ъгъл между цил. редове

90 градуса

90 градуса

90 градуса

Диам. на цил. х ход на бут.

98,0x90,5 мм

93,1 х 73,5 мм"

97,9 х 39.9 мм2!

Работен обем

5461 см3

4000 см3

2400 см3

Мощност

388 к.с. при 6000 об./мин

476 к.с. при 7500 об./мин

750 к.с.

Литрова мощност

71,0 к.с./л

119 к.с./л

312,5 к.с./л

Максимални обороти

6500/мин

8000/мин

19 000/мин

Въртящ момент

530 Нм от 2800 до 4800 об./мин

500 Нм

Н.Д.

Средна скорост на буталото при номинални обороти

18,1 м/сек

18,4 м/сек

25,3 м/сек

Принудително пълнене

няма

забранено

забранено

Ограничител на постъпващия въздух

няма

2х 28 мм 0

няма

Степен на сгъстяване

10,7:1

н.Д.

Н.Д.

Разст. между осите на цилиндрите

106 мм

по-голямо от 102 мм

106,5 мм (реглам.)

Клапани на цилиндър

4

4

4

Разпред. валове

2x2 горни

2x2 горни

2x2 горни

Променливи фази

да, всм. и изп.

забранени

забранени

Пружини на клапан

2 стоман.

2 стоман.

пневматични

Променливи всм. колектори

да, с доп. тръба

забранени

забранени

Задв. на разпред. вал

ангр. верига

ангр. верига

зъбни колела

Ъгъл между мотовилк. шийки

90 градуса

180 градуса

180 градуса

Директно впръскване

няма

забранено

забранено

Налягане на впръскване

3.8 бара

макс. 18 бара

макс.ЮО бара

Мазилна система

мокър картер

сух картер

сух картер

Тегло

195 кг

мин. 165 кг

мин. 95 кг

Експлоат. живот

мин. 300 000 км

мин. 5000 км

мин. 1400 км

Среден разход

11,6 л/100 км (CLS 500)

ок. 45 л/100 км

ок. 67 л/100 км

ЕЛЕКТРОНИКА

 

 

 

Управление „by wire"

да

не, забранено

Да

Система против изгасване"

не

не

да

Контрол на сцеплението

да, ASR и ESP

забранен

да4)

1. Регламентът на DTM предписва минимален диаметър на цилиндъра 93,0 мм; ходът на буталото е получен чрез пресмятане; 2. реглментът на Формула 1 предписваа максимален диаметър на цилиндъра 98,0 мм; ходът на буттото е получен чрез пресмятане 3. предотвратява загасването на мотора при завъртане или излизане от пистата;4) забранен от 2008 г.; н.д. = няма данни

Серийният V8 извлича 388 к. с. от 5,5 литра работен обем и според някои инженери в Мерцедес е най-добрият двигател на марката независимо от присъствието на достолепния V12. СЕРИЙНО БУТАЛО Трите бутални пръстена и дългата пола гарантират максимална издръжливост и надеждност. MERCEDES CLS 500 - Атмосферният 5,5-литров V8 с 388 к. с. осигурява мощна тяга и отличен комфорт на няколко серийни модела.

Състезателният V8 от DTM c мощност 476 к. с. и четири литра работен обем спечели 52 победи от 80 старта между 2000 и 2006 г. DTM - С-КЛАСА - Двигателят за DTM е самостоятелна разработка, предназначена само за участие в състезания.
БУТАЛО ЗА DTM Два бутални пръстена, специална форма на челото, 350 грама минимално тегло.

Осмакът от Формула 1 с вътрешно-фирмено означение FO108T е сърцето на болида McLaren MP4-22. Триумфът на Фернандо Алонсо през април в Малайзия беше първата победа за Мерцедес след 546 дена „сух режим" и същевременно първи успех за фирмата в 2,4-литровата формула. McLAREN-MERCEDES Моторът за Формула 1 тежи само 95 кг, достига 19 ОООоб./мини изразходвало 70 л на 100 км.
БУТАЛО ЗА ФОРМУЛА1 Само два бутални пръстена, къса пола и ниско тегло за постигане на високи обороти.