Турбо-стресс индекс

Оценка трассы по тому, насколько она требовательна к турбокомпрессору.

 

Предисловие

— Что я сейчас вижу перед собой? — сказал Иа, не поднимая глаз.
— Три палочки, — не задумываясь, ответил Кролик.
— Вот видишь? — сказал Иа Пятачку. Потом он повернулся к Кролику. — Теперь я отвечу на твой вопрос, — торжественно сказал он.
— Спасибо, — сказал Кролик.
— Что делает Кристофер Робин по утрам? Он учится. Он получает образование. Он обалдевает — по-моему, он употребил именно это слово, но, может быть, я и заблуждаюсь, — он обалдевает знаниями. В меру своих скромных сил я также — если я правильно усвоил это слово — обал… делаю то же, что и он. Вот это, например, буква…
— Буква "А", — сказал Кролик, — но не очень удачная. Ну ладно, я должен идти и сообщить остальным. Иа посмотрел на свои палочки, а потом на Пятачка.
— Как сказал Кролик? Что это такое? — спросил он.
— "А", — сказал Пятачок.
— Это ты ему сказал?
— Нет, Иа, я не говорил. Я думаю, он сам знает.
— Он знает? Ты хочешь сказать, что какой-то Кролик знает букву "А"?
— Да, Иа. Он очень умный, Кролик-то.
— Умный!… — сказал Иа с презрением, изо всех сил наступив копытом на свои три палочки. — Образование!… — с горечью сказал Иа, прыгая на своих палочках (их стало уже шесть). — Что такое наука? — спросил Иа, лягая палочки (их было уже двенадцать), так что они взлетели в воздух. — Какой-то Кролик все это знает. Ха!…

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Итак, нам стало очень скучно просто печатать какие-то предисловия к гонкам, и потому мы взялись за более детальный подход к изучению вопроса. Для каждй трассы (а у нас есть раздел «трассы» на сатйе), по хорошему, должны быть индексы, отражающие то, как автодром относится к турбине, к шинам, какие требования к шасси.

Для начала «изобретем» Турбо-стресс индекс (ТСИ) - индекс нагрузки на турбину из-за характеристик трассы.

* - скажем сразу, все коэффициенты примерные и будут в дальнейшем изменяться, в том числе если читатели укажут на разумные требуемые правки.

Какие параметры входят в индекс? Есть несколько основным и несколько корректирующих.

А. Высота над уровнем моря. Это первое, что приходит в голову.

Если говорить именно с точки зрения нагрузки на турбокомпрессор (а не общей потери мощности двигателя), то логичнее разделил диапазон высот трасс «Формулы-1» так. Эти границы хорошо совпадают с тем, как меняется плотность воздуха и насколько турбина должна увеличивать обороты (в рамках лимита в 150000 об/мин) для поддержания целевого давления наддува.

Можно привести аналогию с падением атмосферного давления (и парциального давления (условно, сколько молекул на тот же объем) кислорода в воздухе):

 

 

 

 

 

 

 

 

 Инженеры мыслят именно массовым расходом воздуха, а не высотой как таковой. Каждые 500 метров заметно снижают доступную массу воздуха на входе в компрессор, заставляя его повышать скорость вращения.

1. До 300 метров - "морской уровень"

Плотность воздуха отличается от стандартной менее чем на 3–4%. Для турбокомпрессора это почти незаметно. Он вращается в расчетном диапазоне.

2. 300–700 метров - первые трудности

Давление падает примерно на 4–8%. Чтобы доставить в цилиндры прежнюю массу воздуха, приходится немного увеличить обороты турбины, но это почти никак не сказывается на рабочем процессе. Именно поэтому Спа никогда не называют «горной» трассой.

3. 700–1200 метров – рост напряжения

Вот здесь происходят качественные изменения. Уже заметно возрастает требуемая степень повышения давления, растут обороты компрессора, увеличивается температура воздуха после компрессора, растет нагрузка на интеркулер.

Именно поэтому даже прохладные Австрия или «Интерлагос» регулярно упоминаются инженерами как трассы, требующие особых настроек охлаждения. Хотя до Мехико им очень далеко.

4. 1200–1700 метров - высокая нагрузка

Здесь турбина уже работала бы почти постоянно в верхней части своей карты эффективности. Возникают серьезные проблемы с температурными режимами подшипников.

5. Выше 1700 метров - режим Мехико

Вот здесь происходят уже самые заметные изменения, так как плотность воздуха примерно на 20 ниже «приморской». Это означает, что компрессор должен обеспечить гораздо большую степень сжатия, вал турбины вращается почти на максимальных оборотах, воздух после компрессора становится значительно горячее, интеркулеры работают на пределе – а охлаждать их и так уже нечем, потому что плотность набегающего воздуха чуть ли не на четверть меньше, чем обычно!

Прямой универсальной формулы «высота - обороты турбины» не существует. Частота вращения определяется картой компрессора, требуемым наддувом, расходом воздуха, температурой, оборотами двигателя.

Эмпирическое правило изготовителя турбин «БоргУорнер» (BorgWarner): +1–2% к оборотам на каждые 1000 футов (300 метров). Самый часто цитируемый инженерный ориентир принадлежит инженеру компании Курту Хендерсону.

Например, если турбокомпрессор на уровне моря вращается со скоростью 125 000 об/мин, то на высоте 2000 м можно ожидать порядка 134–141 тыс. об/мин при той же требуемой мощности двигателя.

Инженеры фирмы «Гарретт» (Garrett) теми же словами объясняют механизм повышения оборотов при увеличении высоты: атмосферное давление падает, для получения той же массы воздуха необходимо увеличить коэффициент сжатия (pressure ratio) компрессора, рабочая точка на карте компрессора смещается вверх, для достижения этой точки компрессор должен вращаться быстрее. А там уже добавляются все очевидные проблемы с износом, перегревом и охлаждением.

Поэтому предложим такие коэффициенты высоты:

Б. Средняя доля прохождения дистанции «газ в пол». Сразу же нужно заметить, что условия для «Формулы-1» с ее дозарядом батарей от ДВС картина будет несколько иной, чем в классическом случае. Нагрузка на турбину тут с нынешним «супер клиппингом» будет выше, чем обычно, ведь турбину теперь крутят по особым алгоритмам.

 

 

 

 

 

Чем дольше двигатель работает на максимальном расходе воздуха, тем дольше компрессор вращается вблизи максимальных оборотов и тем выше его средняя тепловая нагрузка.

Данные границы хорошо совпадают с тем, как меняется режим работы силовой установки.
I зона (<55%)

Это трассы, где турбина постоянно: разгоняется и замедляется. Средняя скорость ротора относительно невелика. Здесь нагрузка определяется скорее циклической усталостью (разгоны и торможения ротора), чем длительной работой на пределе.

II зона (55–65%)

Начинают появляться длинные участки полного газа. Турбина уже проводит значительную часть круга в районе высоких оборотов. Однако успевает регулярно «замедляться» в соответствующих секциях.

III зона (65–75%)

Именно здесь находятся большинство классических автодромов «Формулы-1». Турбокомпрессор уже большую часть круга работает практически в стационарном режиме. Средняя температура ротора заметно возрастает.

IV зона (75–85%)

Здесь появляются заметные длинные прямые. Турбина может десятки секунд подряд работать без снижения оборотов. Тут уже возникают проблемы с температурой подшипников.

V зона (>85%)

Это уже практически режим испытательного стенда. На таких трассах турбина почти не успевает «отдохнуть», средняя скорость ротора очень близка к максимальной, температура всего узла наиболее высокая.

И вот здесь для нынешней «Формулы-1» нужно сделать оговорку. Ведь, значительную часть круга ДВС может работать на полных оборотах вовсе не для поддержания максимальной скорости, а чтобы компенсировать тормозной момент от генератора MGU-K, который заряжает батарею. Как это учесть в нашем индексе? Нужно каждый раз отслеживать, насколько изменяется процент «полного газа». Косвенно, можно использовать деление трасс на «энергонасыщенные» (когда конфигурация трассы торможение-разгон сама по себе помогает заряжать батарейки) и на «энергодефицитные» (с преобладанием скоростных поворотов).

Почему именно эти трассы очень дефицитные?

Монца

Парадоксально, но несмотря на три тяжелых торможения, ФИА уже признала ее одной из самых сложных трасс для энергетического баланса. Для квалификации именно здесь установлен минимальный допустимый лимит рекуперации - 5 МДж, тогда как на "богатых" трассах он достигает 9 МДж. Это связано с огромной долей полного газа и недостаточным количеством энергии, которую удается вернуть между длинными прямыми.

Силверстоун

Еще один характерный пример. Здесь мало тяжелых торможений, а большая часть круга состоит из скоростных поворотов, где MGU-K практически не может эффективно работать в режиме генератора.

Дефицитные

Австрия

На первый взгляд кажется странным: тяжелых торможений достаточно.

Но между ними очень длинные участки полного газа, а электрическая мощность расходуется чрезвычайно быстро. В результате даже хорошие зоны торможения не всегда компенсируют расход энергии. Именно Австрия стала первой трассой сезона, где многие команды столкнулись с выраженным «супер клиппингом».

Канада

Очень длинные разгоны после медленных поворотов быстро опустошают батарею. ФИА также снизила допустимый уровень рекуперации для квалификации до 6 МДж, что указывает на дефицит энергии.

Интерлагос

Высота над уровнем моря сама по себе не влияет на рекуперацию, но сочетание длинных ускорений и сравнительно небольшого числа продолжительных торможений делает трассу непростой для энергетического менеджмента. Лимит квалификационной рекуперации - 6,5 МДж.

Сбалансированные

Спа, Барселона, Зандворт, Абу-Даби.

На этих трассах энергии хватает, но стратегия управления батареей уже начинает играть заметную роль. Обычно требуется умеренное использование «супер клиппинга».

Насыщенные

Майами

Несмотря на длинные прямые, количество зон торможения позволяет поддерживать приемлемый баланс энергии.

Баку

Очень длинная главная прямая компенсируется несколькими очень жесткими торможениями.

Мексика

Хотя турбокомпрессор работает в экстремальных условиях из-за высоты, для рекуперации энергии трасса довольно благоприятна на второй части круга.

Катар

Скоростная трасса, но конфигурация позволяет поддерживать хороший энергетический баланс.

Очень насыщенные

Это трассы, где батарея практически никогда не становится ограничивающим фактором. Постоянные торможения позволяют MGU-K работать почти непрерывно в режиме генератора, поэтому ФИА оставляет для них максимальный лимит рекуперации - 9 МДж в квалификации.

В. Максимальная продолжительность непрерывной работы на полном газу. Этот параметр сегодня практически никто не анализирует, а ведь турбина "устает" не от одного длинного круга. Она работает в очень тяжелом режиме именно тогда, когда долго не имеет возможности сбросить нагрузку.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поэтому максимальная непрерывная продолжительность полного газа (Maximum Continuous Full Throttle, MCFT) - даже более полезный показатель для оценки нагрузки на ДВС и турбокомпрессор, чем классический процентный FTP (Full Throttle Percentage).

Например:

• Венгрия - 70% полного газа, но двигатель постоянно получает "передышки";

• Монца - около 80%+, но есть две очень длинные прямые по 15–18 секунд, в течение которых температура турбины и выпускного коллектора успевает выйти практически на огнедышащее плато.

Разумнее внести поправочные коэффициенты, ориентируясь на эту таблицу:

I зона (<8 секунд)

Нагрузка носит преимущественно циклический характер.

II зона (8–12 секунд)

Появляется частичный стационарный режим. Уже начинают существенно нагреваться корпус турбины, выпускной коллектор, компрессор. Но после этого следует торможение, которое позволяет системе частично остыть.

III зона (12–16 секунд)

По расчетам теплообмена именно после 12–15 секунд многие детали выпускной системы начинают приближаться к установившейся температуре. То есть следующие секунды уже являются наиболее тяжелыми.

IV зона (16–20 секунд)

Теперь двигатель долго работает без возможности разгрузки. В тяжелом режиме работают подшипники, разогревается еще большая часть всего узла.

V зона (>20 секунд)

Это настоящий марафон для силовой установки.

В условиях регламента 2026 года это особенно важно, потому что именно на таких участках наиболее вероятно развитие «супер клиппинга». Для двигателя и турбокомпрессора это означает, что тепловая и механическая нагрузка почти не снижается, хотя ускорение автомобиля уже падает.

Раньше длинная прямая просто означала долгое время работы на максимальной мощности. Теперь же в тех же условиях может накидывать сверху несколько секунд работы двигателя одновременно на тягу и на заряд батареи.

Чтобы учесть влияние длительной непрерывной работы «газ в пол» можно вообще перемножить эти коэффициенты FTP (Full Throttle Percentage, показывает, насколько часто двигатель вообще работает на полном газу) и MCFT (Maximum Continuous Full Throttle, показывает, насколько долго он работает на полном газу без перерыва).

Например:

Такой подход лучше отражает реальные режимы работы двигателя и турбокомпрессора, чем использование одного лишь процента круга, проходящего с полностью открытой дроссельной заслонкой. Особенно это актуально для силовых установок 2026 года, где длительные участки полного газа становятся одновременно и наиболее тяжелыми с точки зрения «управления энергией».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список трасс, выстроенный по продолжительности максимального отрезка «газ в пол»:

1. Баку: Выход из поворота 16, плавное прохождение изломов 17-20 и вся главная прямая до поворота 1 (~22 секунды).

2. Спа-Франкоршан (Бельгия): Прямая Кеммель – начиная от выхода из шпильки первого поворота (Ля Сурс), вниз через О’Руж и Радийон (повороты 2-4), полный ход до пятого поворота (~22 секунды).

3. Лас-Вегас (США): От поворота 12, разгон по прямой Лас-Вегас-Стрип до поворота 14 (~18 секунд).

4. Шанхай (Китай): задняя прямая, простирающаяся от 13-го поворота до 14-го (~16 секунд).

5. Автодром им. братьев Родригес (Мексика): Главная прямая от выезда со стадиона Форо-Соль (поворот 17) до поворота 1 (~16 секунд).

6. Интерлагос (Бразилия): От выхода из поворота Жунсан (поворот 12), ускорение в гору через длинные извилистые левые повороты, прямая до поворота 1 (~15 секунд).

7. Джедда (Саудовская Аравия): От поворота 27 по всей стартово-финишной прямой до поворота 1 (~14 секунд).

8. Монца (Италия): Главная прямая от выхода из поворота Альборето (ранее Параболика) до шиканы первого поворота (~14 секунд).

9. Лосаил (Катар): Главная стартово-финишная прямая от поворота 16 до поворота 1 (~13 секунд).

10. Яс-Марина (Абу-Даби): Длинная задняя прямая от поворота 5 до поворота 6 (~13 секунд).

11. Автодром им. Энцо и Дино Феррари / Имола (Италия): От выхода из Риваццы (поворот 18) по стартовой кривой и до змейки Тамбурелло (поворот 2) (~13 секунд).

12. Трасса им. Жиля Вильнёва (Канада): от шпильки Казино до змейки «Стена чемпионов» в 13-м повороте (~13 секунд).

13. Каталунья-Монтмело (Испания): главная прямая от скоростного выхода из 14-го поворота до 1-го поворота (~12 секунд).

14. Бахрейн: Главная прямая от поворота 15 до поворота 1 (~12 секунд).

15. Остин (США): Длинная задняя прямая от поворота 11 до поворота 12 (~12 секунд).

16. Майами (США): Задняя прямая от поворота 16 до поворота 17 (~12 секунд).

17. Альберт-парк (Австралия): Длинный изогнутый участок от поворота 6, через скоростные повороты 7 и 8, заканчивающийся на повороте 9 (~11 секунд).

18. Силверстоун (Англия): Прямая Веллингтон – выход из поворота Эйнтри до поворота Бруклендс (~11 секунд).

19. Судзука (Япония): от поворота «Ложка» (14-й поворот), через знаменитый 130Р (15-й поворот) до змейки «Треугольник Касио» (~11 секунд).

20. Шпильберг (Австрия): Подъем по крутому склону от Поворота 1 до Поворота 3 (~10 секунд).

21. Зандворт (Нидерланды): Главная прямая, начиная от виража поворота 14 (Ари Люндикбохт) и до поворота 1 (Тарзан) (~10 секунд).

22. Марина Бэй (Сингапур): Главная прямая (от поворота 19 до поворота 1) (~9 секунд).

23. Хунгароринг (Венгрия): стартовая прямая (~8 секунд).

24. Монако: участок с туннелем – от выхода из «Портье» (поворот 8) до «новой шиканы (поворот 10) (~7 секунд).

Г. Погодный коэффициент.

Это уже заметно изменяющийся день ото дня коэффициент – в отличие от предыдущих, обусловленных географией или конфигурацией трассы. Тут мы уже постоянно отслеживаем изменения, эффект от которых может оказаться весьма существенным.

Что происходит при прохождении атмосферных фронтов?

Холодный фронт

Обычно сопровождается ростом атмосферного давления, снижением температуры, более плотным воздухом. Для турбокомпрессора это хорошие новости. Он получает более плотный воздух на входе, поэтому требуется меньшая степень сжатия, снижается необходимая скорость вращения, уменьшается тепловая нагрузка на подшипники и турбинное колесо. Кроме того, интеркулер работает эффективнее.

Теплый фронт

Чаще наблюдаются повышение температуры, снижение давления, менее плотный воздух. Турбокомпрессору приходится компенсировать потерю плотности.

Насколько велик эффект? Он существенно меньше, чем влияние высоты.

Например подъем на 1000 м уменьшает плотность воздуха примерно на 11%, а прохождение глубокого циклона или антициклона обычно изменяет плотность воздуха примерно на 1,5–3%. Но это при неизменной температуре!

Однако если одновременно меняются давление и температура - например, после прохождения холодного фронта давление растет, а температура падает на 8–10 °C, - суммарное изменение плотности может достигать 4–7%! Это уже сопоставимо с эффектом подъема на несколько сотен метров над уровнем моря.

Условный коэффициент погодной коррекции:

Тогда, например, Силверстоун при прохождении холодного фронта может неожиданно оказаться менее тяжелым для турбокомпрессора, чем ожидалось по конфигурации трассы, тогда как Монца в жаркий антициклон станет еще более требовательной к системе наддува, даже если высота над уровнем моря не меняется. Именно поэтому инженеры отслеживают не только температуру воздуха, но и атмосферное давление, которое может заметно измениться в течение гоночного уик-энда.

 

Поправочные коэффициенты.

Преодоление продольного рельефа местности.

Например, при подъеме на 5% дополнительная мощность, необходимая только на преодоление силы тяжести, равна:

P=m*g*v*sinα

Для машины массой около 800 кг (с гонщиком) на скорости 250 км/ч при уклоне 5% получается порядка 25–30 кВт дополнительной мощности. Это примерно 4–5% от полной мощности силовой установки. На подъеме типа из «О’Руж» через «Радийон» двигатель действительно испытывает более высокую нагрузку, чем на абсолютно горизонтальной прямой.

Но нагрузка эта чрезвычайно локальная, поэтому и вклад этого коэффициента небольшой:

-равнинная трасса - 1,00
- умеренный рельеф - 1,02
- выраженный рельеф - 1,04
- очень тяжелый рельеф (Спа) - 1,06

Это соответствует реальному масштабу влияния. Если сделать рельеф отдельным равноправным фактором с диапазоном 1–5, он будет переоценен по сравнению с высотой над уровнем моря или энергетическим балансом. А вот в качестве небольшой поправки он вполне оправдан: Спа действительно предъявляет к турбокомпрессору чуть более высокие требования, чем Монца, не из-за разреженного воздуха или большей доли полного газа, а потому что на отдельных участках двигатель должен одновременно преодолевать аэродинамическое сопротивление, разгонять автомобиль и совершать работу против силы тяжести.

Переменный коэффициент ветровой нагрузки.

Сам по себе ветер турбину не нагружает, но он может повлияет на мощность, необходимую для поддержания скорости. Мощность, уходящая на преодоление аэродинамического сопротивления определяется скоростью автомобиля относительно воздуха:

Pₐ = Fₐ * v = (Cx * ρ * v^3)/2 * S

При этом здесь скорость относительно воздуха, а не скорость машины относительно земли. Например, если машина едет со скоростью 200 км/ч, а ветер попутный в 10 км/ч, то для уравнения получается 190 км/ч, а в случае со встречным ветром – 210 км/ч. Разница в 20 км/ч для общей скорости в 200 км/ч составляет уже 10%. И это процентно. А в мощности скорость влияет в кубе!

Правда, все это только на отдельных прямых, и если усреднить все по кругу, то эффект получается значительно меньше, поэтому отдельный коэффициент тут будет иметь слишком малый вес.

Кроме того, ветровая нагрузка – слишком изменчивый фактор. Сейчас ветер на прямой попутный, а через час – уже не такой сильный и дует сбоку. Так что, получается, само влияние интересное, но вычислить его довольно трудно, и слишком уж он быстро меняется.

И вот вам интересный «твист» в свете «супер клиппинга». Представим Монцу. Если на главной прямой сильный встречный ветер (просто предположим, что условия парка никак на это не влияют), машина медленнее разгоняется, но батарея расходуется с той же скоростью, что обычно. Получается, «супер клиппинг» может начаться на пару секунд раньше. А на обратной прямой все может оказаться наоборот. Так что, эффект в некотором смысле нивелируется, но весьма заметно влияет на мгновенные нагрузки, если никак не учитывается в картографии силовой установки.

Если исходить не из субъективной оценки, а из физики работы турбокомпрессора, то весовой множитель должен отражать, насколько данный фактор влияет на три ключевых параметра турбины:

1. максимальную скорость вращения ротора;
2. среднюю тепловую нагрузку;
3. время пребывания в тяжелом режиме.

Исходя из этого, следующую систему коэффициентов.

Сумма весовых множителей равна 1,00.

Нужно понимать, что эти весовые множители не могут считаться объективно установленными - в открытой литературе нет признанной методики, которая бы количественно определяла вклад каждого из этих факторов в "нагрузку на турбокомпрессор". Производители турбокомпрессоров, такие как Garrett и BorgWarner, подробно описывают влияние высоты, температуры и режима работы на скорость и тепловое состояние турбины, но не публикуют универсальных весов для комплексного индекса.

Поэтому предложенные множители следует рассматривать как инженерно обоснованную экспертную модель. Ее достоинство в том, что она соответствует физике процессов: наибольший вес получают факторы, которые напрямую и системно влияют на скорость вращения компрессора и его тепловую нагрузку, а поправочные условия (погода и рельеф) оказывают лишь ограниченное влияние на итоговую оценку.

Для примера, Силверстоун. Высота - 1, «газ в пол» - 3, время самого длительного участка «газ в пол» - 2, поправка «Формулы-1» - 5 (очень энергодефицитный), продольный профиль – 1 (почти плоский), погодный коэффициент – 1 (для упрощения вычислений, стандартный вариант). Итого = 0,35*1 + 0,2*3 + 0,15*2 + 0,15*5 + 1*0,05 + 1*0,1 = 2,15

Шпильберг. Высота – 3, «газ в пол» - 4 (более 70% трассы), длительный участок – 2 (10 секунд), поправка «Формулы-1» - 5 (очень энергодефицитный), продольный профиль – 3 (существенный), погодный коэффициент – 1 (для упрощения вычислений, стандартный вариант). Итого = 0,35*3 + 0,2*4 + 0,15*2 + 0,15*5 + 3*0,05 + 1*0,1 = 3,15