«Мерседес», безусловно, вызвал определенный ажиотаж в Бахрейне, радикально изменив дизайн боковых понтонов на W13.
Боковые понтоны — это одна из самых визуально разных зон на автомобилях спецификации 2022 года, отражающая различные подходы к аэродинамическим концепциям в разных командах. «Мерседес» же пошел дальше всех и ввел новую интерпретацию такого понятия, как боковые понтоны.
Есть три ключевые особенности, которые выделяются на фоне других: сужение в верхней части, маленькое охлаждающее отверстие и расширение к днищу, а не наоборот.
Ключевым же моментом, который позволил использовать такую необычную конструкцию, является архитектура охлаждения. В частности, способ отвода тепла от поступающего в двигатель наддувочного воздуха.
С 2014 года «Мерседес» использует воздушно-водяной охладитель наддува на своем силовом агрегате, в то время как большинство остальных участников (включая команды клиентов) используют только лишь воздушное охлаждение. Это важная область развития, поскольку она влияет не только на потенциальную выходную мощность двигателя, но и на его долговечность, а также на размещение различных охладителей в автомобиле.
Вкратце объясним. Воздух начинает свой путь к камере сгорания двигателя через воздухозаборник, откуда он подается на компрессорную ступень турбокомпрессора, где он сжимается.
Суть сжатия воздуха заключается в том, чтобы нагнетать больше кислорода в цилиндр при каждом такте впуска, а двигатели V6 в «Формуле-1» отличаются ультранизким уровнем сгорания, поэтому им требуется большое количество воздуха (поэтому «Мерседес» обладал преимуществом, потом к ним присоединилась «Хонда», а сейчас и «Рено»). Они используют более крупный и эффективный компрессор. Имея возможность ознакомиться с некоторыми данными о работе двигателя от «Рено», можно сказать, что современные двигатели работают при очень высоких уровнях наддува, превышающих 4,7 бар.
Однако сжатие воздуха создает много тепла, и это тепло необходимо отводить, прежде чем воздух попадет в камеру сгорания. Мало того, что горячий воздух менее плотный, достижение стабильного сгорания на очень бедных смесях (как с искровым зажиганием, так и с воспламенением от сжатия) зависит от поддержания температуры цилиндра и заряда в очень конкретном диапазоне. Если воздух слишком горячий, детонация (неконтролируемое воспламенение смеси) быстро становится катастрофической проблемой.
Воздух из впускного отверстия сжимается и нуждается в охлаждении
Именно здесь вступает в дело охладитель наддува, задача которого — отвести как можно больше тепла из воздуха. В случае вышеупомянутого двигателя «Рено» температура воздуха на выходе из компрессора составляет около 220 градусов по Цельсию. При достижении коллектора она снижается до 55 градусов. Наиболее распространенным подходом является использование теплообменника воздух-воздух, в котором наддувочный воздух проходит через радиатор, находящийся в потоке охлаждающего воздуха. Этот подход относительно прост, но не самый эффективный, так как воздух относительно плохо проводит тепло. Это также требует, чтобы воздух проходил окольным путем от турбокомпрессора к впускному отверстию, увеличивая инерцию в системе впуска, не говоря уже о необходимости прокладки обширных трубопроводов.
Для отвода достаточного количества тепла необходим большой воздушный радиатор. Идеальная форма такого радиатора – очень тонкая с большой фронтальной площадью. Правила термодинамики показывают, что теплопередача максимальна, когда разница температур между охладителем и охлаждаемой жидкостью (в данном случае воздухом) наибольшая — обычно это называется Δ/T. Когда охлаждающий воздух проходит через охладитель, он нагревается, уменьшая дельту температур между ним и охлаждаемой жидкостью, что означает, что отводится меньше тепла. Если иметь два охладителя с одинаковой площадью поверхности, но один широкий и тонкий, а другой узкий и толстый, то первый будет отводить больше тепла.
Проблемы с конструкцией
Здесь на помощь приходит воздушно-водяное охлаждение. Вода — один из самых эффективных охлаждающих агентов, поэтому ее можно использовать для более эффективного охлаждения наддувочного воздуха при данном размере радиатора, что дает преимущества как для компоновки, так и для температуры наддува. Удельная теплоемкость воды составляет 4200 кДж/(кг·K), а воздуха – 993 кДж/(кг·K), что означает, что его удельная теплоемкость более чем в четыре раза превышает удельную теплоемкость воздуха.
В воздушно-водяном охладителе воздух проходит через систему очень тонкостенных (для максимальной теплопередачи) трубок, заполненных охлаждающей жидкостью. Проблема в том, что, хотя такие охладители более эффективны, их трудно спроектировать и сделать надежными, не в последнюю очередь это касается обеспечения герметичности соединений между крошечными трубками охлаждающей жидкости. «Мерседес» всегда шел по этому пути и получал преимущества в производительности и компоновке. Однако технический директор «Формулы-1» Пэт Симондс предположил, что «Мерседес» сейчас использует более продвинутый (более эффективный) охладитель, чем раньше.
Интеркулер представляет собой теплообменник, чаще радиатор, для охлаждения наддувочного воздуха. На фото от Reaction Engines
В рассматриваемом охладителе используется технология, разработанная британской компанией Reaction Engines, которая занимается разработкой ракетных двигателей. Эти двигатели имеют схожие требования с бензиновыми двигателями с турбонаддувом, поскольку поступающий в них воздух сжимается и нуждается в охлаждении, но в гораздо большей степени. Двигатели спроектированы таким образом, чтобы мчаться по воздуху со скоростью, в пять раз превышающей скорость звука, и эта скорость помогает нагнетать воздух во входное отверстие двигателя, нагревая его в процессе до температуры около 1000 градусов Цельсия. Компании Reaction Engines пришлось разработать так называемый предварительный охладитель, чтобы снизить температуру до уровня окружающей среды, и оказалось, что эта технология имеет множество применений помимо ракет, в том числе и в «Формуле-1».
Конструкция охладителя Reaction вмещает тысячи трубок с охлаждающей жидкостью в очень маленьком объеме с использованием цилиндрического форм-фактора. Устройства очень легкие, но в то же время прочные благодаря особенностям, в том числе запатентованному методу, который соединяет все трубки охлаждающей жидкости с их коллекторами в едином процессе. При использовании в ракетах охлаждающие трубки заполнены гелием в качестве охлаждающей жидкости — было бы удивительно, если бы «Мерседес» использовал этот подход, но компания также разработала агрегаты для двигателей с турбонаддувом, в которых используется охлаждающая жидкость на водной основе.
Концерн имеет большой опыт поиска потенциальных инноваций в других областях промышленности. Хотя охладитель является лишь одним из элементов чрезвычайно сложного и хорошо интегрированного силового агрегата, вполне возможно, что использование технологии охлаждения Reaction помогло создать совершенно нетрадиционную и очень компактную систему охлаждения и конструкцию боковых понтонов.
Не забываем про Гран-при Бахрейна уже в следующие выходные