Touring, а как проявили себя в гонках дизельные двигатели? Ауди экспериментировала в Ле-Мане на спортпрототипах, которые заезжали на тумбу. По идее, узкий диапазон работы дизелей должен быть подкреплён многоступенчатой быстрой коробкой вроде PDK.
Коробка там всего лишь 5-ступенчатая, ниже в статье авторов этого двигателя подробно почему, ну и сам этот мотор не имеет почти ничего общего с дорожными.
-----------------
Конкурентоспособный двигатель для Ле Мана должен обладать достаточно специфическими свойствами:
- параллельно с высокой мощностью требуется высокий уровень крутящего момента, причём, в широком диапазоне оборотов,
- низкий расход топлива и абсолютная отказоустойчивость имеют гораздо большее значение, чем в других соревнованиях,
- хорошая управляемость в любых погодных условиях, как и а также низкий уровень вибрации являются частью «пакета комфорта», предоставляемого водителю, ради его меньшей утомляемости,
- коробка передач не должна иметь более 6 ступеней, автоматическое переключение их не допускается регламентом.
На первом этапе разработки был проведён выбор принципиальной концепции, для чего были проработаны 8-, 10- и 12-цилиндровые варианты, сравнивались следующие параметры:
- компонуемость в машине,
- рабочий объем,
- масса,
- центр тяжести,
- длина,
- нагрузка на поршень,
- вибрации,
- потенциал развития,
- возможность переноса технологий в серию.
Проведённое моделирование езды в Ле-Мане лидерского автомобиля дало конструкторам следующие вводные её двигателя:
- необходимая пиковая мощность не менее 470 кВт (650 сил),
- необходимый пиковый крутящий момент не менее 1,100 Нм, максимум которого доступен в широком диапазоне оборотов, ради использования 5-ступенчатой коробки с не автоматическим переключением, заданным регламентом, ради меньшей утомляемости водителя,
- масса менее 260 кг,
- двигатель и коробка должны являться составной частью силовой структуры автомобиля (как и на модели R8),
- одинаковая жёсткость двигателя и остальной силовой структуры машины.
Решение использовать рабочий объем 5.5 было основано на уровне развития турбодизельной технологии на тот момент. При рабочем объёме 4.0, более предпочтительном с точки зрения компоновки, чем 5.5, удельная пиковая отдача составляла 120 кВт/литр, учитывая время необходимое для проработки отказоустойчивости, её достижение виделось нереалистичным, поскольку разработка всей машины была ограничена 30 месяцами, от принятия общей концепции, до первой гонки. Выбор объёма 5.5 при требуемой отдаче приводил к значению bmep чуть больше 23-х Бар на оборотах максимальной мощности (4,500), в то время как объём 4.0 требовал целых 32 Бар.
На основании этого было принято решение использовать максимально допустимый правилами соревнований рабочий объём 5.5, при заданном им размере воздушных рестрикторов, и величине давления наддува.
Вторым шагом был выбор из одной из конструкционных концепций (V8, V10 и V12), наиболее оптимальной. Вариант V12 длиннее и тяжелее V10, но может быть установлен ниже, а также имеет меньшую ширину и высоту, чем V8 и V10. V8 весит больше их обоих, из-за требований к структурному усилению, которые возникают из-за повышенного давления в его цилиндрах.
Это следствие меньшего количества цилиндров, и большего их размера. Из-за большего диаметра цилиндра нагрузка на поршень у V10 и V8 по сравнению с V12 с тем же соотношением диаметра цилиндра к ходу поршня заметно выше, на 12 и 29% соответственно.
В результате, выбор разработчиков пал на V12.
Чтобы достичь иных целевых показателей, массы менее 260 кг при мощности в 650 сил, блок двигателя потребовалось выполнить из алюминия, при этом, он должен был выдерживать пиковое давление в цилиндре выше 200 Бар, причём, на протяжении более чем 24-х часов гонки.
Подобный дизельный двигатель V12 не имел исходника ни среди серийных, ни среди гоночных, поэтому все расчёты пришлось делать с чистого листа. Для этого, на самом раннем этапе, были запущены как компьютерное моделирование V12, так и сборка реального экспериментального V8.
Для достижения с ним тех же размеров цилиндра, 81х89 мм, что и у будущего V12 объёма 5.5, был модифицирован серийный турбодизель 4.0 V8 от модели A8, уменьшением хода его поршня. Были спроектированы и изготовлены новый коленчатый вал, шатуны и поршни, рассчитаны контуры кулачков новых распредвалов, а также, изменена гидравлическая схема системы впрыска. Турбокомпрессор и система управления наддувом были также изменены. В первой его версии, использовалось серийное ЭБУ управления, Bosch EDC16.
Данный опытный двигатель использовался до тех пор, пока не был изготовлен первый реальный образец V12, и результаты его испытаний подтвердили, что выбранная концепция с точки зрения отдачи и отказоустойчивости была правильной. После того, как на испытательные стенды попал V12, он продолжил использоваться для проработки конструкции турбокомпрессоров.
Двигатель V12 с автоспортивным ЭБУ Bosch MS14.1 был поставлен на стенд, и испытан сначала в стационарном состоянии, а затем в условиях, схожих с таковыми на гоночной трассе. Наконец, были проведены испытания в ровно таких же условиях как и в Ле-Мане, вместе с коробкой передач, под полной нагрузкой. Благодаря объёмной работе на испытательном стенде, последующие испытания на реальном треке были проведены без проблем.
Его разработка была осуществлена исходя из следующих вводных:
- минимально возможные размеры,
- высокая жесткость при минимальной массе,
- очень высокая устойчивость к нагрузкам.
Опыт, полученный при создании гоночного бензинового двигателя с наддувом и непосредственным впрыском R8 FSI, такой же высокий как у него уровень интеграции компонент и небольшое число внешних интерфейсов должны были гарантировать механическую отказоустойчивость.
Угол развала этого V12 был принят равным 90°, для достижения наилучшего компромисса между необходимой жесткостью на кручение, общей высотой, и высотой центра тяжести. С таким углом развала, и также с использованием коленчатого вала без доворота вторых шатунных шеек в их парах, ради повышения его жёсткости, получается неравномерный интервал зажигания, что приводит к увеличению вибраций, но, для гоночного двигателя это несущественно.
Блок двигателя, закрытого типа, выполнен из доэвтектического алюминиевого сплава, методом гравитационного литья в песок, он мономатериальный безгильзовый, с гальваническим Nicasil покрытием стенок цилиндров, ради повышения теплопроводности, и снижения массы. Ради повышения его жёсткости до предела, кроме выбора закрытой конструкции верха, нижняя часть идёт с цельнолитой плитой штатунных крышек, выполненной по процессу Sophia, с четырьмя болта на каждую из опор коленвала.
Так как схема V12 полностью свободна от сил инерции и моментов, проработка коленчатого вала методом конечных элементов (FEA) включала в себя расчёт нагрузок на подшипники при пиковом давлении в цилиндре, вместе с гидродинамическим расчётом. Также, был выполнен расчёт жёсткости на кручение и изгиб, критичный для этого длинного и высоконагруженного коленчатого вала, при условии получения минимальной массы. В итоге, были получены диаметр и ширина коренных и шатунных шеек, вместе с размерами противовесов. Противовесы были оптимизированы с точки зрения нагрузок, и рабочего диапазона оборотов. Демпфер крутильных колебаний при выбранной схеме оказался не нужен.
Шатуны его имеют H-образный профиль, они были оптимизированы с помощью FEA по критерию наилучшего сочетания прочности, отказоустойчивости и минимальной массы. Камеры сгорания в виде чаш выполнены непосредственно в поршнях, форма их получена в результате разработки одноцилиндрового прототипа, поршни идут со встроенными в них каналами масляного охлаждения. Очень высокое давления газов в сочетании с количеством тепла потребовало применить по две масляных форсунки на цилиндр, одна из которых впрыскивает масло в канал охлаждения в поршне, а другая направлена на нижнюю его поверхность.
Привод распредвалов и двух топливных насосов осуществляется зубчатыми шестернями на игольчатых подшипниках, ровно как и трёх масляных насосов, и двух насосов охлаждающей жидкости.
В выносном баке системы смазки с сухим катером и несколькими маслонасосами содержится 10 литров моторного масла.
Алюминиевая головка выполнена из доэвтектического сплава методом литья низкого давления, дающим минимальную пористость, сёдла клапанов изготовлены из специального спеченного материала, а направляющие из медно-бериллиевого сплава. Два впускных и два выпускных клапана на цилиндр установлены параллельно его оси, и выполнены из стали с натриевым заполнением внутренней полости штока. Механизм привода клапанов, с пружинами и роликовыми толкателями, распредвалы стальные фрезированные, ради минимальной массы они выполнены полыми. Кулачковая крышка ради достижения наивысшей прочности на растяжение изготовлена из цельной алюминиевой заготовки фрезированием, опоры распредвалов встроенные в неё соединены ребрами жёсткости.