Введение

Тип автомобильных гонок на ускорение

Top Fuel – это тип гонок на ускорение, в котором дрэгстеры являются самыми быстро разгоняющимися гоночными автомобилями в мире и самой быстрой санкционированной категорией гонок на ускорение, где самые быстрые участники достигают скорости и завершают заезд за 3,62 секунды. Top Fuel дрэгстер разгоняется от старта до всего за 0,8 секунды (менее трети времени, необходимого серийному Porsche 911 Turbo для разгона до ) и может превышать на дистанции в 660 футов (201 м). Это подвергает водителя среднему ускорению около в течение всего заезда и с пиковым значением более чем .

Из-за высоких скоростей, этот класс гоняется на дистанции в , а не на традиционной дистанции в четверть мили (1320 футов или 402 м). Это правило было введено в 2008 году Национальной ассоциацией Hot Rod после трагической аварии пилота Funny Car Скотта Калитты во время квалификации на трассе Old Bridge Township Raceway Park в Энглистауне, штат Нью-Джерси. FIA использовала сокращенную дистанцию на некоторых трассах, и с 2012 года она стала стандартной дистанцией Top Fuel, определенной FIA. Международная ассоциация Hot Rod, которая в то время санкционировала Top Fuel в Австралии, отказалась от дистанции в 1/4 мили в сентябре 2017 года после кампании, инициированной Санто Раписардой, владельцем команды, который часто участвует в гонках NHRA в Соединенных Штатах.

Гонки на топливе

Перед стартом гонщики часто выполняют "выжig резины" (burnout), чтобы очистить и прогреть шины. "Выжig резины" также наносит слой свежей резины на трассу, улучшая сцепление при старте. При максимальной мощности и оборотах двигателя, выхлопные газы, выходящие из открытых выпускных коллекторов драгстера, создают около [значение] прижимной силы. Массивный аэродинамический элемент над и за задними колесами производит значительно больше, достигая пика примерно в [значение], когда автомобиль разгоняется до около [значение]. Двигатель драгстера Top Fuel генерирует около 150 дБ звука при полной мощности, что может вызвать физическую боль или даже необратимые повреждения. Перед стартом ведущие обычно советуют зрителям закрыть или заткнуть уши. Защитные беруши и даже наушники часто раздают болельщикам на входе на мероприятие Top Fuel. Самый активный и успешный гонщик в Top Fuel – Тони Шумахер, а самый успешный механик – Алан Джонсон, который был механиком на шести чемпионатах Шумахера, а также принес титулы гонщику Гэри Счелци и работал с его братом Блейном на протяжении всей его профессиональной карьеры. Первой женщиной-гонщиком в категории Top Fuel и самой известной женщиной в мире драг-рейсинга является Ширли Малдауни, которая выиграла три чемпионата за свою карьеру.

Топливо

С 2015 года правила NHRA ограничивают состав топлива максимальным содержанием нитрометана в 90%; остальное – в основном метанол. Однако эта смесь не является обязательной, и при желании можно использовать меньшее количество нитрометана. Несмотря на то, что у нитрометана значительно более низкая энергоемкость, чем у бензина или метанола, двигатель, работающий на нитрометане, может развивать мощность в 2,4 раза больше, чем двигатель, работающий на бензине. Это становится возможным благодаря тому, что для выработки мощности двигателю, помимо топлива, необходим кислород: стехиометрическое соотношение для бензина составляет 14,7:1 (воздух к бензину), а для нитрометана – 1,7:1, причем, в отличие от бензина, нитрометан уже содержит кислород в своем молекулярном составе. Это означает, что при потреблении определенного объема воздуха двигатель может сжечь в 7,6 раза больше нитрометана, чем бензина. Нитрометан также обладает высокой скрытой теплотой парообразования, то есть поглощает значительное количество тепла двигателя при испарении, обеспечивая ценный механизм охлаждения. Скорость ламинарного горения и температура сгорания выше, чем у бензина, и составляют соответственно . Мощность можно увеличить, используя очень богатые топливно-воздушные смеси. Это также помогает предотвратить преждевременное воспламенение, которое часто возникает при использовании нитрометана. Из-за относительно медленной скорости сгорания нитрометана очень богатые топливные смеси часто не сгорают полностью, и часть несгоревшего нитрометана может выходить из выхлопной трубы и воспламеняться при контакте с атмосферным кислородом, горя характерным желтым пламенем. Кроме того, после сжигания достаточного количества топлива для потребления всего доступного кислорода, нитрометан может гореть без доступа атмосферного кислорода, выделяя водород, который часто можно увидеть горящим из выхлопных труб ночью в виде яркого белого пламени. Во время типичного заезда двигатель может потреблять от до топлива на этапах прогрева, выжигания, подготовки к старту и прохождения четверти мили.

Правила

Как и многие другие автоспортивные формулы, зародившиеся в Соединенных Штатах, дрэг-рейсинг, санкционированный NHRA, отдает предпочтение жестким ограничениям на конструкцию двигателя, что иногда препятствует технологическому развитию. В некоторых случаях команды обязаны использовать технологии, которые могут быть устаревшими на десятилетия, в результате чего автомобили могут казаться значительно менее продвинутыми, чем обычный серийный автомобиль. Однако, несмотря на жесткие ограничения на некоторые базовые аспекты конструкции двигателя, другие технологии, такие как впрыск топлива, управление сцеплением, система зажигания, а также материалы и конструкция автомобиля, постоянно совершенствуются. Правила соревнований NHRA ограничивают рабочий объем двигателя, при этом диаметр цилиндра A и ход поршня являются стандартными размерами. Увеличение диаметра цилиндра может привести к ослаблению блока цилиндров. Степень сжатия составляет примерно 6,5:1, что типично для двигателей с нагнетателями типа Roots с принудительным наддувом.

Двигатель

Двигатель, используемый для разгона гоночного автомобиля Top Fuel, основан на Chrysler RB Hemi второго поколения, но построен исключительно из специализированных деталей. Он сохраняет базовую конфигурацию с двумя клапанами на цилиндр, приводимыми в действие штангами от центрально расположенного распределительного вала. Двигатель имеет полусферические камеры сгорания, угол наклона стержня клапана составляет 58 градусов; шаг расположения отверстий. Блок двигателя фрезеруется из цельного куска кованого алюминия. Он оснащен запрессованными гильзами цилиндров из ковкого чугуна. В блоке отсутствуют водяные каналы, что значительно повышает его прочность и жесткость. Охлаждение двигателя осуществляется входящей воздушно-топливной смесью и смазочным маслом. Как и в оригинальном Hemi, гоночный блок цилиндров имеет глубокую юбку для повышения прочности. Имеются пять крышек основных подшипников, закрепленных стальными шпильками авиационного стандарта, с дополнительными усиливающими шпильками и поперечными болтами. Существует три одобренных поставщика этих блоков, изготовленных на заказ: Keith Black, Brad Anderson и Alan Johnson. Головки цилиндров фрезеруются из алюминиевых слитков. Соответственно, они также не имеют водяных рубашек и полностью полагаются на входящую воздушно-топливную смесь и смазочное масло для охлаждения. Используется оригинальная конструкция Chrysler с двумя большими клапанами на цилиндр. Впускной клапан изготовлен из цельного титана, а выпускной – из цельного Nimonic 80A или аналогичного сплава. Седла клапанов изготовлены из ковкого чугуна. Бериллиевая медь была испытана, но ее применение ограничено из-за токсичности. Размеры клапанов составляют примерно для впускного и для выпускного. В каналах имеются встроенные трубки для толкателей. Головки герметично прикрепляются к блоку медными прокладками и уплотнительными кольцами из нержавеющей стали. Крепление головок к блоку осуществляется с помощью стальных шпилек и гаек авиационного стандарта. Распределительный вал изготовлен из цельной стали, из углеродистой стали 8620 или инструментальной стали S7, прошедшей глубокую закалку, или аналогичной. Он вращается в пяти вкладышах подшипников, смазываемых под давлением масла, и приводится в движение шестернями в передней части двигателя. Механические роликовые толкатели (роликовые коромысла) опираются на кулачки и приводят в движение стальные штанги, которые поднимают стальные коромысла, приводящие в действие клапаны. Коромысла имеют роликовые концы на впускной и выпускной сторонах. Как и ролики толкателей, стальной ролик вращается на стальном роликовом подшипнике, а стальные коромысла вращаются на паре закаленных инструментальных валов в бронзовых втулках. Впускные и выпускные коромысла изготовлены из цельного металла. Двойные клапанные пружины коаксиального типа изготовлены из титана. Также из титана изготовлены тарелки клапанов и крышки коромысел. Используются коленчатые валы из цельной стали; все они имеют крестообразную конфигурацию, то есть угол 90 градусов, и вращаются в пяти обычных вкладышах подшипников. Коленчатые валы с углом 180 градусов были испытаны. Благодаря простоте компоновки выхлопной системы с равномерными импульсами, коленчатый вал с углом 180 градусов может обеспечить увеличение мощности в двигателях с взаимодействующим выхлопом. Однако это не относится к двигателям Top Fuel с отдельными выхлопными трубами для каждого цилиндра. Коленчатый вал с углом 180 градусов примерно легче, чем коленчатый вал с углом 90 градусов, но он создает значительные вибрации. Настолько высока прочность коленчатого вала Top Fuel, что в одном случае во время отказа двигателя весь блок двигателя раскололся и был сорван с автомобиля, а коленчатый вал со всеми восемью шатунами и поршнями остался прикрепленным к сцеплению. Поршни изготовлены из кованого алюминия. Они имеют три кольца, а алюминиевые кнопки удерживают стальной поршневой палец. Поршень анодирован и покрыт тефлоном для предотвращения заедания при работе под высокой нагрузкой. Верхнее кольцо имеет L-образное сечение "Dykes", обеспечивающее наилучшую герметичность при сгорании, но необходимо использовать второе кольцо для предотвращения попадания избыточного количества масла в камеру сгорания во время впускного хода, поскольку кольцо типа Dykes обеспечивает менее оптимальную обратную газо-масляную герметизацию. Третье кольцо – маслосъемное кольцо, функция которого заключается в соскребании большей части масляной пленки со стенки цилиндра при опускании поршня от верхней мертвой точки (ВМТ), чтобы предотвратить попадание масла в зону сгорания и загрязнение следующей порции топливно-воздушной смеси. Это "соскребание масла" также обеспечивает важный этап отвода тепла от стенок цилиндра и юбки поршня, масляная пленка обновляется при движении поршня вверх после достижения нижней мертвой точки (НМТ). Шатуны изготовлены из кованого алюминия и обеспечивают некоторое демпфирование ударов, поэтому алюминий используется вместо титана, что защищает подшипники и, следовательно, коленчатый вал и блок. Каждый шатун имеет два болта, вкладыши подшипников для большой головки, а палец вращается непосредственно в шатуне.

Сверхнагнетатели

Нагнетатель должен быть Roots-компрессором типа 14-71. Он имеет скрученные лопасти и приводится в движение зубчатым ремнем. Нагнетатель слегка смещен назад для обеспечения равномерного распределения воздуха. Абсолютное давление во впускном коллекторе обычно составляет , но может достигать . Впускной коллектор оснащен взрывной пластиной. Воздух подается в компрессор от дроссельных заслонок с максимальной площадью . При максимальном давлении для привода нагнетателя требуется приблизительно . Эти нагнетатели фактически являются производными от воздушных компрессоров General Motors, использовавшихся в двухтактных дизельных двигателях, которые были адаптированы для автомобильного применения в первые годы этого вида спорта. Обозначение модели этих нагнетателей указывает на их размер – широко использовавшиеся ранее 6-71 и 4-71 были разработаны для дизельных двигателей General Motors с шестью цилиндрами объемом каждый и четырьмя цилиндрами объемом каждый, соответственно. Таким образом, современная конструкция 14-71 обеспечивает значительно большую мощность по сравнению с ранними моделями, разработанными специально для грузовых силовых установок GM Detroit Diesel. Правила техники безопасности требуют обязательного использования защитного кевларового одеяла поверх узла нагнетателя, поскольку "взрывы нагнетателя" случаются не редко, из-за нестабильной воздушно-топливной смеси, поступающей от топливных форсунок и проходящей непосредственно через них. Отсутствие защитного одеяла подвергает водителя, команду и зрителей риску осколков в случае каких-либо нарушений в процессе всасывания воздушно-топливной смеси, преобразования энергии сгорания во вращательное движение коленчатого вала или выпуска отработавших газов.

Нефтяные и топливные системы

Масляная система имеет влажный поддон, который содержит минеральное или синтетическое гоночное масло SAE 70. Поддон изготовлен из титана или алюминия. Титан может использоваться для предотвращения утечек масла в случае поломки шатуна. Команды штрафуются и теряют очки, если масло проливается на трассу, поэтому все команды предусматривают абсорбирующие одеяла/подгузники под двигателем. Давление масляного насоса составляет примерно во время заезда, при запуске, но фактические значения различаются у разных команд. Топливо впрыскивается системой постоянного потока. Есть механический топливный насос, приводимый в действие двигателем, и около 42 топливных форсунок. Насос может прокачивать в минуту при 7500 об/мин и давлении топлива. В общем, 10 форсунок расположены в инжекторной крышке над нагнетателем, 16 – во впускном коллекторе и по две на цилиндр в головке блока цилиндров. Обычно гонка начинается с обедненной смеси, затем, когда сцепление начинает плотнее сжиматься по мере увеличения оборотов двигателя, смесь воздух/топливо обогащается. По мере увеличения оборотов двигателя и повышения давления насоса, смесь обедняется для поддержания заданного соотношения, которое зависит от множества факторов, особенно от трения поверхности гоночной трассы. Стейхиометрия как метанола, так и нитрометана значительно выше, чем у гоночного бензина, поскольку они содержат атомы кислорода в своих углеродных цепях, а бензин – нет. Это означает, что двигатель, работающий на "топливе", выдает мощность в очень широком диапазоне – от очень обедненной до очень богатой смеси. Таким образом, для достижения максимальной производительности, перед каждой гонкой, изменяя подачу топлива в двигатель, механики могут выбирать мощность, лишь немного ниже предела сцепления шин с дорогой. Мощность, вызывающая пробуксовку шин, приведет к "потере сцепления", и в результате гонка часто проигрывается.

Зажигание и время

Смесь воздуха и топлива воспламеняется двумя свечами зажигания на цилиндр. Эти свечи запитываются двумя магнито с током 44 ампера. Нормальный угол опережения зажигания составляет 58-65 градусов до ВМТ (это значительно больше, чем в бензиновом двигателе, так как "нитро" и спирт сгорают гораздо медленнее). Сразу после старта угол опережения обычно уменьшается примерно на 25 градусов на короткое время, чтобы дать шинам время принять правильную форму. Система зажигания ограничивает частоту вращения двигателя до 8400 об/мин. Система зажигания обеспечивает начальное напряжение 60 000 вольт и ток 1,2 ампера. Длительная искра (до 26 градусов) обеспечивает энергию. Свечи расположены таким образом, чтобы охлаждаться поступающим зарядом. Система зажигания не реагирует на информацию в реальном времени (отсутствуют компьютерные корректировки угла опережения), поэтому вместо этого используется система задержки на основе таймера.

Выхлопная труба

Двигатель оборудован восемью отдельными открытыми выхлопными трубами диаметром и длиной. Они изготовлены из стали и оснащены термопарами для измерения температуры выхлопных газов. Их называют "зуми", а выхлопные газы направлены вверх и назад. Температура выхлопных газов составляет примерно при холостом ходу и к концу заезда. Во время ночного мероприятия можно увидеть, как медленно горящий нитрометан вытягивает пламя на несколько футов от выхлопных труб. Двигатель прогревается около 80 секунд. После прогрева снимаются крышки клапанов, производится замена масла и заправка автомобиля. Заезд, включая прогрев шин, длится около 100 секунд, что дает "круг" примерно за три минуты. После каждого круга двигатель полностью разбирается и осматривается, а изношенные или поврежденные детали заменяются.

Выступление

Измерение мощности двигателя Top Fuel напрямую не всегда возможно. Некоторые модели используют датчик крутящего момента, встроенный в систему данных RacePak. Динамометры, способные измерять мощность двигателя Top Fuel, существуют; однако, основное ограничение заключается в том, что двигатель Top Fuel не может работать на максимальной мощности более 10 секунд без перегрева или возможного взрывного разрушения. Достижение таких высоких уровней мощности с относительно небольшого рабочего объема является результатом использования очень высокого наддува и работы на экстремально высоких оборотах; оба этих фактора сильно нагружают внутренние компоненты, что означает, что пиковая мощность может быть безопасно достигнута только в течение коротких периодов времени, и даже тогда только ценой намеренной поломки деталей. Мощность двигателя также можно рассчитать на основе веса автомобиля и его характеристик. Расчетная мощность этих двигателей, скорее всего, находится в диапазоне , что примерно вдвое превышает мощность двигателей, установленных на некоторых современных дизельных локомотивах, с крутящим моментом около и средней эффективной давлением торможения . В конце 2015 года тесты с использованием датчиков, разработанных AVL Racing, показали пиковую мощность свыше . Для сравнения, SSC Ultimate Aero TT 2009 года, который в то время был одним из самых мощных серийных автомобилей в мире, развивает мощность и крутящий момент. От старта до финиша двигатель совершает 240 оборотов. Включая запуск, выжигание резины, подготовку к старту и саму гонку, двигатель должен выдержать всего 500 оборотов до капитального ремонта. Этот расчет основан на средней скорости двигателя во время гонки примерно 3800 оборотов в минуту в течение 3,8 секунд.

Обязательное оборудование безопасности

Большая часть организованных гонок на драгстерах санкционирована Национальной ассоциацией горячих дорожек (NHRA). С 1955 года ассоциация проводит региональные и национальные соревнования (обычно организованные по системе выбывания, где победитель каждой гонки из двух автомобилей проходит в следующий этап) и устанавливает правила безопасности, при этом более мощные машины требуют все большего количества защитного оборудования. Типичное оборудование безопасности для современных топовых топливных драгстеров включает: полнолицевые шлемы с установленными системами HANS; многоточечные быстроразъемные ремни безопасности; огнезащитный комбинезон из Nomex или аналогичного материала, в комплекте с маской, перчатками, носками, обувью и высокими носками-ботинками, изготовленными из огнестойких материалов; бортовые огнетушители; кевларовые или другие синтетические «пуленепробиваемые» экраны вокруг нагнетателей и сцепных узлов для удержания обломков в случае поломки или взрыва; топливный бак, топливопроводы и фитинги, устойчивые к повреждениям; внешние отсечки топлива и зажигания (предназначенные для доступа спасательных служб); тормозные парашюты и множество другого оборудования, изготовленного по самым высоким стандартам. Любое новшество или изобретение, способное повысить безопасность водителя, персонала и зрителей, скорее всего, будет принято в качестве обязательного правила для соревнований. За 54 года существования NHRA накоплено множество примеров улучшений в области безопасности. В 2000 году NHRA установила максимальную концентрацию нитрометана в топливе автомобиля на уровне 90%. После трагического инцидента на трассе Gateway International Raceway в 2004 году, в котором погиб гонщик Даррелл Рассел, процентное содержание нитрометана в топливе было снижено до 85%. Однако жалобы команд на стоимость привели к отмене этого правила, начиная с 2008 года, когда топливная смесь вернулась к 90%, поскольку владельцы команд NHRA, механики и поставщики жаловались на механические поломки, которые могли привести к утечке масла или более серьезным авариям из-за сниженного содержания нитрометана. Также было предписано использование закрытых каркасов безопасности. NHRA также обязала использовать иные задние шины для снижения риска их повреждения и установила титановый «щит» вокруг задней части каркаса безопасности для предотвращения попадания обломков в кабину пилота. Это также было следствием аварии на Gateway International Raceway. Давление в задних шинах также строго регулируется компанией Goodyear Tire and Rubber от имени NHRA, с установленным абсолютным минимальным допустимым значением. В настоящее время запрещено использование передаточных чисел главной передачи, превышающих 3,20 (3,2 оборота двигателя на один оборот задней оси), чтобы ограничить максимальную скорость и, следовательно, снизить уровень опасности.

История

В 1958 году NHRA запретила использование нитро во всех категориях; Американская ассоциация горячих автомобилей (AHRA) все еще разрешала его, а также Fuel Dragsters (FD), Hot Roadsters (HR) и Fuel Coupés (FC): это привело к появлению Fuel Altereds (AA/FAs), Factory Experimentals (A/FXs) и (в конечном итоге) Funny Cars (TF/FCs). Независимые трассы, не санкционированные NHRA, предоставляли площадку для гонщиков на топливе. Smokers Car Club организовал первый чемпионат США по топливу и газу на трассе Famoso Raceway в марте 1959 года. Боб Хансен выиграл Top Fuel Eliminator (TFE) в своем A/HR, с результатом по времени. Джимми Никс, ранее выступавший на Top Gas dragster; Джим Джонсон, управлявший Dodge Polara stocker и ставший победителем в классе B/SA в 1963 году; Джим Нельсон и Дод Мартин стали пионерами в создании TF/FC. (Никс пытался убедить Крисмана обратиться к директору Mercury Racing Франу Эрнандесу с просьбой разрешить ему использовать двигатель 427 своего Comet на нитро, чтобы получить преимущество над NHRA и самому получить возможность использовать нитро). Эти автомобили соревновались в классе S/FX NHRA, который определялся по-разному как "Super Factory Experimental" или "Supercharged Factory Experimental". Вскоре они стали показывать времена прохождения в районе 11 секунд и скорости на финише более ; 21 марта на трассе в Лонг-Бич был зафиксирован результат 11.49 секунды. Bob Sullivan's Pandemonium (Plymouth Barracuda '65) присоединился к примерно шести другим ранним Funny Cars, работающим на нитро, и столкнулся с Fuel Dragsters в сезоне 1965 года. В 1971 году Дон Гарлитс представил Swamp Rat XIV, Top Fuel dragster с двигателем, расположенным сзади. Хотя подобные машины разрабатывались и ранее, эта стала первой успешной, выиграв NHRA Winternationals 1971 года. В 1984 году Top Fuel переживал не лучшие времена. Были проблемы с набором достаточного количества участников – полных шестнадцати – что привело к сокращению числа участников до восьми, а Международная ассоциация горячих автомобилей (IHRA) полностью отказалась от класса Top Fuel. В том же году Джо Хрудка предложил крупный призовой фонд – Cragar Weld Top Fuel Classic, и "Big Daddy" Дон Гарлитс вернулся в Top Fuel на постоянной основе. К 1987 году количество желающих участвовать в гонках Top Fuel Funny Car вдвое превышало количество доступных мест. В 2012 году NHRA разрешила регулярное использование закрытых кокпитов в Top Fuel.

Наибольшее количество побед в NHRA Top Fuel

Пилот выигрывает Тони Шумахер 86 Ларри Диксон 62 Антрон Браун 58 Стив Торренс 54 Дуг Калитта 53 Джо Амато 52 Кенни Бернштейн 39 Дон Гарлитс 35 Кори Маккленатан 34 Гэри Счелци 29 Гэри Бек 19 Даррелл Гвинн 18 Брэндон Бернштейн 18 Спенсер Масси 18 Ширли Малдоуни 18 Скотт Калитта 17 Шон Лэнгдон 17 Бриттани Форс 16 Дик Лахай 15 Гэри Ормсби 14 Дон Прудхоум 14 Эдди Хилл 13 Джастин Эшли 13 Майк Данн 12 Морган Лукас 12 Лия Пруэтт 12 Дуг Герберт 10 Конни Калитта 10 Ричи Кремптон 10 Джей Ар Тодд 9 Майк Салинас 9 Дел Воршем 8 Билли Торренс 8 Род Фуллер 7 Даррелл Рассел 6 Клей Милликан 6 Пэт Остин 5 Остин Прок 4 Блейн Джонсон 4 Халид альБалуши 4 Дэвид Грубник 4 Мелани Троксел 4 Лори Джонс 4 Шелли Андерсон Пейн 4 Джин Сноу 3 Боб Вандергрифф мл. 3 Джим Хед 3 Пэт Дакин 2 Томми Джонсон мл. 2 Фрэнк Хоули 2 Терри Макмиллен 2 Блейк Александр 2 Джош Харт 2 Марк Освальд 2 Трипп Тейтум 1 Хиллари Уилл 1 Кристен Пауэлл 1 Люсиль Ли 1 Рон Каппс 1 Том Макьюэн 1 Эд Маккаллох 1