Гоночная техника

"Италтекника" V6

Один из загадочных силовых агрегатов, который, в теории, может приводить в движение прототип высшего класса.

Издание СойМотор (SoyMotor) пишет, что "Изотта Фраскини" едет на моторах "Италтекника". При этом, сама фирма "ИФ" производит моторы, но это судовые двигатели. Поэтому есть смысл ознакомиться с конструкцией "Италтекники" поближе.

В 2022 году «Италтекника» (Italtecnica), семейное моторостроительное предприятие, базирующееся в итальянском Камбьяно, представило трехлитровый двигатель V6 с двойным турбонаддувом и собственной системой форкамерного сгорания. В разработке находятся две версии двигателя: первоначальный вариант, предназначенный для класса Нурегсагов Ле-Мана, и вторая итерация, предназначенная для использования на обычных дорогах.

По словам Карло Каваньеро, технического директора проекта, двигатель был задуман как демонстрация возможностей компании, при этом инженерный вклад также внесли департамент двигателей внутреннего сгорания Миланского политехнического университета и итальянский специалист по двигателям Клаудио Ломбарди, известный по работе в «Феррари».

Блок цилиндров
Угол развала 90° был выбран потому, что, по словам Каваньеро, это обеспечивает наилучший баланс между компоновкой и производительностью. Двигатель представляет собой компактный агрегат, многие вспомогательные устройства которого встроены в развал, включая маслорадиатор, охладитель наддува, масляный фильтр и воздушно-масляный сепаратор для системы смазки с сухим картером.

“Блок спроектирован так, чтобы выдерживать конструкционные нагрузки, как и масляный поддон”, - отмечает Каваньеро, добавляя, что масляный поддон также несет нижние крышки подшипников коленчатого вала, а также встроенный в его конструкцию многоступенчатый масляный насос. Порядок зажигания: 1-6-3-4-2-5.

По стандартам гоночных двигателей внутреннее устройство относительно обычное. Например, клапаны приводятся в действие коромыслами и толкателями пальцев через два распределительных вала на блок, приводимых в движение комбинацией шестерен и цепью. Каваньеро говорит, что цепная конечная передача для кулачков была выбрана для того, чтобы легко учесть возможные изменения высоты блока из-за механической обработки в течение срока службы двигателя. От использования какой-либо системы изменения фаз газораспределения отказались, поскольку, по мнению Каваньеро, преимущества для гоночного двигателя с турбонаддувом минимальны, а использование системы приведет к усложнению конструкции и росту веса.

В клапанном механизме есть несколько «инновационных» элементов. Выпускные клапаны, разработанные корпорацией «Итон» (Eaton) (с которой «Италтекника» поддерживает тесные рабочие отношения), являются полыми, причем сам клапан и его стержень заполнены натрием. “Это дает нам очень легкий клапан, но при этом он работает в температурном режиме примерно на 150° C ниже, чем клапана без наполнения натрием”, - говорит Каваньеро. 

Особое внимание было уделено системе охлаждения, поскольку контроль температуры в камере сгорания является важным фактором обеспечения стабильного сгорания. “Мы хотели добиться хорошего теплового баланса в двигателе. В отверстиях установлены вкладыши, используется многослойную прокладку головки из нержавеющей стали с отверстиями для оптимизации потоков охлаждения к головке блока цилиндров. Массовый расход охлаждающей жидкости максимален вокруг выпускных отверстий, а оттуда она обтекает остальную часть выпуска”, - объясняет Каваньеро.

Зажигание
Главной особенностью двигателя «Италтекника» является форкамерная система зажигания, - ключ к достижению стабильного сгорания обедненных смесей, необходимых для реализации впечатляющего теплового КПД в 45%. Система оснащена установленной в центре форкамерой, включающей свечу зажигания, и отдельной форсункой, горизонтально расположенной в форкамере. Все это работает в сочетании с обычными форсунками.

На вопрос, почему компания решила разработать систему собственными силами, а не использовать дизайн такого поставщика, как «Мале» (Mahle), Каваньеро отвечает, что выбор был продиктован инженерными и деловыми соображениями. Поскольку двигатель служит демонстрацией возможностей компании, план состоит в том, чтобы сделать систему форкамерного зажигания (которая, кстати, запатентована) доступной для производителей автомобилей в качестве решения для модернизации существующих платформ двигателей. 

Установить форкамеру в камеру сгорания было непросто. “Нужно было установить большие клапаны для повышения объемной эффективности, прямой впрыск и саму форсунку внутри камеры сгорания. Размещение форкамеры внутри камеры, расчет турбулентности внутри форкамеры и расположение свечи зажигания - все это очень важно для правильного функционирования”, - рассказывает Каваньеро, добавляя, что форкамера ненамного больше традиционной свечи зажигания.

Особенностью, отличающей форкамеру «Италтекника» от других, является ее поведение при низкой нагрузке и на холостом ходу, когда обычные настройки могут привести к потерям из-за недостаточной очистки внутри форкамеры, что приводит к пропускам зажигания. Это смягчается расположением свечи зажигания, которая находится очень близко к выпуску из камеры. Это решение предложил Ломбарди. Эффективность этой компоновки была подтверждена сначала с помощью обширного ВГД (вычислительная гидродинамика, CFD)-моделирования в Миланском политехническом институте, а затем с помощью стендовых испытаний с акцентом на оптимизацию турбулентных потоков в форкамере и вокруг свечи зажигания в различных условиях эксплуатации.

Изначально разработка прототипа велась на одноцилиндровом двигателе. “Это позволило нам оценить параметры в цилиндре, - объясняет Каваньеро, - Такие как мгновенное давление, параметры и стабильность сгорания. Все это подтвердило результаты испытаний имитационной модели в критических условиях работы двигателя”.

В ходе программы испытаний двигателя система определения детонации была откалибрована с использованием датчиков давления в цилиндрах, при этом на V6 было установлено в общей сложности четыре датчика детонации, по два на «полублок». Каваньеро отмечает, что на ранних этапах эксплуатации прототипа значения колебания давления с максимальной амплитудой были выше, чем в стандартном двигателе внутреннего сгорания. Однако было установлено, что это произошло не из-за предварительного воспламенения, а скорее из-за очень быстрого сгорания, которое возможно с помощью предкамеры.

“Когда мы начали разработку одноцилиндрового двигателя, мы не знали об этом явлении и немного беспокоились. Но после того, как выключили двигатель, мы увидели, что все было в порядке и не было никаких признаков детонации”, - говорит Каваньеро. Он также утверждает, что и поршень, и камера сгорания имеют специальную обработку поверхности для защиты от детонации и уменьшения теплопередачи из камеры сгорания.

Двигатель все еще находится в стадии доработки, и Каваньеро признает, что при высоких оборотах и высокой нагрузке инженеры все еще устанавливают, инициируется ли сгорание искрой или они переходят к воспламенению от сжатия. “Мы пока не понимаем, как двигатель работает на высоких оборотах”.

Степень сжатия высока для двигателя с турбонаддувом. Версии с сжатием от 12:1 до 13:1 тестировались на обычном бензине, а более высокие степени были протестированы на биоэтаноле.

Впрыск
Блок V6 оснащен системами распределенного и прямого впрыска. Каваньеро объясняет, что это позволяет использовать преимущества каждой из них при различных условиях эксплуатации и нагрузках. На более низких оборотах управление, обеспечиваемое непосредственным впрыском, обеспечивает работу на пределе детонации; однако при более высоких оборотах двигателя и широко открытой дроссельной заслонке предпочтительнее впрыск через клапан, учитывая ограниченную способность технологии прямого впрыска обеспечивать необходимый объем топлива.

Описывая, как изменяется приготовление смеси в зависимости от рабочего диапазона двигателя, Каваньеро утверждает, что при низких оборотах в камере сгорания получается очень бедная, однородная смесь, а в предкамере – более насыщенная смесь - около 0,9 лямбды. Достижение однородной загрузки необходимо для минимизации выбросов твердых частиц. При более высоких оборотах заряд в камере сгорания остается однородным, но внутри форкамеры смесь «расслаивается».

На высоких оборотах прямой впрыск наполняет предкамеру. При этом оптимальные параметры смеси достигаются только благодаря непосредственному впрыску.

Другой смежной областью интенсивных разработок была геометрия поршня. “Добиться правильной конструкции было довольно сложно из-за бокового распыления форсунок. Нужно следить за тем, чтобы топливо не попадало под вкладыши, а также чтобы внутри камеры не происходило чрезмерного «осыпания», чтобы сохранить высокую объемную эффективность. Воздействие завихрений также должно быть сбалансировано с объемной эффективностью при более высоких рабочих оборотах. Хотя завихрение полезно для подготовки смеси для непосредственного впрыска, слишком выраженный эффект может снизить объемную эффективность при высоких оборотах двигателя. По словам Каваньеро, это повлияло на конструкцию впускного коллектора (который включает в себя дроссельные заслонки), впускного отверстия и поршня, а также на размещение инжектора в цилиндре.

Последовательный наддув
Ключом к концепции «Италтекника» V6 является система последовательного турбонаддува, предназначенная для обеспечения работы двигателя на низких оборотах (без какой-либо замены крутящего момента), а также для покрытия немалого массового расхода на высоких оборотах. Карло Каваньеро сравнивает этот подход с подходом, принятым в «Формуле-1», где производители двигателей используют более мощные компрессоры, но при поддержке системы рекуперации (MGU-H) для снижения запаздывания срабатывания. Для «Италтекники» очевидным решением было использовать последовательную установку двух турбонаддувов меньшего размера.

Систему турбонаддува пришлось адаптировать для удовлетворения значительной потребности в воздухе при высоких значениях лямбда и давлении наддува, необходимого для достижения необходимого уровня производительности (670 л.с. у Нурегсагов). С этой целью двигатель рассчитан на максимальное давление сгорания в 200 бар, что соответствует моделируемой пиковой мощности, равной 750 л.с. при 8000 об /мин.

Отметим также, что «Италтекника» строит и гибриды, системы рекуперации – в содружестве с туринским Политехом. Поэтому, теоретически, она может и гибрид свой поставлять Нурегсагам.

• < Назад
• Вперёд >