Технологии MotoGP: Все секреты Yamaha YZR-M1 - Эволюция развития с 2004 по 2010 в деталях

МОТОГОНКИ.РУ, 3 марта 2021 - Продолжение истории проекта Yamaha Mission One в деталях - читайте: часть первая. И не переключайтесь, третья часть будет еще интересней!

Когда технологии обогнали свое время

Как выяснили разработчики по ходу сезона 2003 года, причиной, по которой пилоты не могли реализовать потенциал двигателя, стала его... высокая, но плохо контролировавшаяся мощность: в 2003 году стендовые испытания моторов демонстрировали показатели, близкие к 240 л.с. Удалось добиться и достаточной надежности, поэтому всем было ясно, что «гонка моторов» на этом не остановится, и конкуренты будут стремиться к поиску более высоких показателей. Масао Фурусава понял причины проблем свои пилотов в самом начале сезона-2003, но решающие изменения удалось внести только в совершенно новый прототип, с которым Валентино Росси в итоге взял первый титул YZR-M1 в новейшей истории MotoGP.

Эволюция двигателя Yamaha YZR-M1 с 2003 по 2006 год:

Поскольку в 2003 году электроники, контролирующей крутящий момент и проскальзывание заднего колеса еще не существовало, перед инженерами стояла нетривиальная задача. Снижение верхнего предела оборотов означало потерю пика мощности и скорости. С учетом постоянно растущей производительности, это не было решением. Но можно было добиться более плавной работы двигателя в целом и улучшения характеристик передачи момента на заднее колесо через совершенствование геометрии шасси.

Изначально, двигатель 0WM1 моделей 2002 и 2003 года был оснащен головкой блока с 5-ю клапанами на цилиндр, три из которых работали на впуск, а два на выпуск. В проекте у Фурусавы были и совсем фантастические прототипы с 7-ю клапанами на цилиндр. Вот фото из музея Yamaha одного из таких прототипов, так и не ставших рабочей моделью:

7-клапанный тестовый прототип

Увеличение количества клапанов позволяло снизить габариты и вес каждого из них, таким образом, уменьшив инерцию, обеспечить более высокую рабочую частоту и производительность газообмена - и добиться повышения мощности двигателя. К слову сказать, 5-клапанная головка двигателя из R&D Yamaha Racing перекочевала в серийную продукцию и стала неотъемлемой частью культового в Европе дрэгстера Yamaha FZ750.

Но в YZR-M1 она... не прижилась! Фурусава принял решение вернуться к использованию 4-клапанной головки, что тут же принесло положительные результаты. Кстати, ведь и в супербайке YZF-R1 также использовалась 5-клапанная схема, замененная на 4-клапанную в 2007 году - это следствие результатов MotoGP, а также итог исследований, который провела команда Масао Фурусавы.

Двигатель Yamaha YZR-M1

Сегодня, когда во всех прототипах MotoGP используется технология пневматического привода клапанного механизма, более точная и хорошо контролируемая, 5-клапанная схема оправдана. Но в 2002 году разработчики Yamaha уперлись в физические границы чистой механики.

Еще одна деталь, которую исследовали целый год, в этой истории сыграла решающую роль - речь о турбулентности потока топливо-воздушной смеси в камере сгорания. При подаче смеси всегда есть сильная турбулентность, то есть «струя» образует ниспадающий вихрь, закручивающийся по часовой стрелке. Во времена использования карбюраторов (в 2002 году) точно контролировать качество смеси было невозможно, потому что воздух и бензин смешивались уже в камере сгорания. В 5-клапанной схеме средний из трех впускных клапанов отвечал за приток воздуха, два крайних - топлива. На высоких оборотах воздушный поток был настолько сильным, что нарушал структуру вихрей, создаваемых топливной смесью, и само смешивание происходило неравномерно.

Схема действия 3-клапанного впуска в камере сгорания

Соответственно, качество сгорания и производительность мотора снижались. Первым шагом решения вопроса был переход к инжекторной системе питания в 2003. Но это не позволило полностью справиться с ситуацией. Вариантов было два: менять диаметры клапанов для создания сбалансированной системы, либо отказаться от одного из клапанов, создав равноправную - сбалансированную систему формирования смеси.

Как объяснил позже руководитель группы разработки двигателя YZR-M1 Кимихико Китикава, 5-клапанная схема переставала работать эффективно уже на 15000 об./мин.: «Технология привода клапанов, которую мы тогда применяли, просто не успевала отрабатывать. Мы уже внедрили возможность выбора одной из двух карт зажигания, но программирование системы контроля за клапанами и качества смеси [в инжекторах] для 5-клапанной головки в значительной степени усложняло проект. При четырех клапанах мы добились успеха очень быстро» - рассказывал Китикава-сан.

Crossplane - настоящая революция в двигателестроении

Плюс, в 2004 году в двигатель YZR-M1 была внесена одна существенная инновация, которую сегодня используют практически везде - это поперечный коленчатый вал (crossplane crankshaft), благодаря которому характеристики двигателя мгновенно удалось сгладить.

Схема действия поперечного коленчатого вала (crossplane crankshaft)

Суть crossplane в разнесении вала на 4 секции, каждая из которых повернута на 90°, таким образом пары поршней балансируют колебания друг друга без потери производительности. Это же позволяет играть с порядком инициации зажигания в цилиндрах, с чем в последующие годы инженеры Yamaha «наигрались» вдоволь.

Прежде всего, сглаживание характеристики произошло потому, что значительно снизился эффект так называемого «инерционного крутящего момента», когда поршень может подгонять (или наоборот, тормозить) коленчатый вал. Валентино Росси испытал двигатель на тестах в Сепанге в феврале 2004 года, после чего назвал обновленный YZR-M1 не иначе как «классным».

Реализация поперечного коленчатого вала (crossplane crankshaft) на Yamaha YZF-R1, аналогичная YZR-M1

В дополнение ко многим изменениям в геометрии рамы и маятника, установка поперечного коленвала решила практически полностью проблему неуверенности пилотов и безконтрольного срыва заднего колеса. Это позволило плавно нарастить мощность 990-кубового мотора YZR-M1 до 250 л.с., а Фурусава более плотно занялся доработкой шасси.

В поисках идеала

Целью на следующие два года было - создать оптимальную геометрию и развесовку для идеального корнеринга. Эти разработки и привели Yamaha к доминированию в MotoGP на долгие годы.

Шасси Yamaha YZR-M1 2003 года (с 5-клапанным двигателем)

Несмотря на удлинение маятника в 2004 году, колесная база модели 2005 года стала... короче, что позволило повысить юркость прототипа и улучшить поворачиваемость. Инженеры Yamaha еще больше сместили двигатель в раме к рулевой колонке, сделав саму раму компактней и короче почти на 70 мм. Таким образом, длинный маятник стал крепиться еще ближе к центру масс мотоцикла. Дополнительные доработки были произведены по ходу сезона, благодаря чему на тестах в Брно Росси опробовал лучший из всех существовавших M1 с двигателем 990 куб.см.

Без сомнений, Yamaha YZR-M1 (0WP4) поколения 2005 года считается наиболее успешным прототипом Фурусавы с момента прихода его на роль лидера проекта Mission One

Попытка изменить характеристики YZR-M1 в 2006, перед переходом MotoGP на 800-кубовые моторы привела разработчиков к неудаче. Решив заставить мотор крутиться до 17000 об./мин., чтобы достичь мощности 260 л.с., инженеры Yamaha сделали мотор более короткоходным - увеличили диаметр цилиндра с одновременным уменьшением хода поршня. Но это нарушило стабильность шасси, так что Валентино Росси весь сезон жаловался на чаттеринг (мелкие, высокочастотные вибрации шасси, которые вносят дискомфорт и лишают пилота уверенности). Решить проблему полностью не удалось, несмотря на смену покрышек с Michelin на Bridgestone. В итоге, Росси не удалось защитить титул - странное падение на самой последней гонке сезона в Валенсии лишило его нескольких ценных очков, которые подобрал Ники Хейден из Repsol Honda.

Шасси Yamaha YZR-M1 2006 года

Дальнейшие изменения в шасси шли, преимущественно, по программе, заложенной в 2004-2005: после перехода на 800-кубовые двигатели разработчики Yamaha продолжили играть с тремя показателями жесткости - продольной, вертикальной и жесткости на скручивание. И чем дальше развивалась управляющая электроника, а уменьшенные на 20% в объеме двигатели становились все мощнее (вопреки ожиданиям FIM), тем важнее становились именно показатели гибкости шасси.

Если брать за точку отсчета YZR-M1 2004 года, то к 2010 году продольную жесткость снизили почти на 30%. Жесткость на скручивание сначала снижали на 10-15%, но затем повысили на 25%. Наконец, чтобы снизить эффект wheelie от нелинейного (слишком резкого) роста мощности и момента «нервного» 800-кубового мотора, раме и маятнику «позволили» прогибаться на 20% активней, чем во времена более линейных показателей 990-кубовых двигателей:

До 2011 года Yamaha сохранила концепт рамы 2006 года практически без изменений.

Эра управляющей электроники

Чтобы компенсировать потери мощности и скорости от срезания 200 куб.см., производителям пришлось поднять красную зону оборотов. В случае с Yamaha YZR-M1 в модели 2007 года это означало +500 об./мин., но затем пришлось добавить еще.

И здесь уже никто не мог обойтись без электронных компонентов, названия которых мы сегодня знаем наизусть, поскольку они есть практически во всех современных мотоциклах:

Ride-by-wire или бесконтактная ручка "газа" - необходимый элемент в системе с управляемыми электроникой дроссельными заслонками, когда пилот не имеет прямой (жесткой) связи с дросселем посредством гибкого металлического кабеля: открытием и закрытием дроссельных заслонок управляет блок ECU посредством точнейших сервоприводов.

Traction Control - контроль крутящего момента и передачи мощности на заднее колесо посредством определения момента начала срыва заднего колеса. Вначале, все работало на сравнении показателей скорости вращения переднего и заднего колеса с учетом погрешности и известного допуска (заднее колесо всегда вращается чуть-чуть быстрее). Сейчас контроль осуществляется путем сложного расчета на основе данных м инерционной платформы (IMU) - ускорения, положения мотоцикла в пространстве, динамику движения, плюс, сравнение показателей за определенный промежуток времени.

Engine Brake - контроль торможения двигателем, то есть использование инерции двигателя для замедления заднего колеса, что позволяет тормозить плавнее и эффективнее вместе с агрессивным торможением передним колесом. Контроль вовлеченности EB осуществляется за счет электронно управляемой жесткости проскальзывающего сцепления, изменения или отключения зажигания и питания. Также, для предотвращения блокировки двигателя при не слишком аккуратном понижении передачи активируется автоматическая перегазовка (blip).

Launch Control - система контроля за переизбытком крутящего момента при старте с места. Главная идея в том, чтобы дать пилоту возможность не задумываться о том, как широко открыта ручка "газа", а обеспечить ему максимально плавный и эффективный старт без риска сорваться в wheelie. Контроль за ростом момента осуществляет ECU, уровень открытия дроссельных заслонов обеспечивают сервоприводы - ручка "газа" обычно в этот момент открыта полностью. Режим LC автоматически отключается при первом торможении или выжиме сцепления.

Wheelie Control - система, определяющая избыточный рост крутящего момента, который приводит к смещению центра приложения усилий (от центра масс мотоцикла - к оси заднего колеса). При таком смещении теряется баланс в шасси, и мотоцикл начинает как бы вращаться вокруг заднего колеса. Это приводит к огромному перерасходу мощности и потере эффективности в динамике ускорения. WC обрубает зажигание или снижает количество топлива, чтобы понизить крутящий момент до приемлемого уровня. В расчет берутся показатели IMU.

Валентино Росси, Yamaha YZR-M1 (2006), Гран-При Франции

Все эти системы были полностью внедрены и опробованы в YZR-M1 2006 года, а на протяжении следующих пяти лет совершенствовались.

Победа сокрыта в мельчайших деталях

800-кубовый двигатель YZR-M1 2007 года оказался неплохим и достаточно надежным, характеристики шасси практически не изменились (то есть были превосходными по-умолчанию). Но одна важная поправка в регламент MotoGP оказала влияние на итоги сезона - это уменьшение бензобаков до 21 л. Учитывая это, инженерам пришлось вести разработку, оглядываясь на эффективность всей системы. Небольшое преимущество Ducati GP07 позволило Кейси Стоунеру оставить Yamaha без титула: мотор Desmosedici оказался лучше оптимизирован, имел меньшее внутреннее сопротивление в ЦПГ и, как следствие, обеспечил более экономичную работу. Иными словами, там, где Валентино Росси приходилось переключаться в «ECO Mode» системы питания, Стоунер продолжал жарить в полную силу.

Кейси Стоунер и Ducati отобрали титулы у Yamaha в 2007 году

Выводы командой Масао Фурусавы были сделаны незамедлительно, и на тестах в Брно Росси получил новый двигатель, который показал лучшие характеристики и был взят за основу модели 2008 года. Внедрить его в 2007 пытались уже в Сан-Марино, и Росси обновление принесло победу на Гран-При Португалии, но догнать Стоунера было уже невозможно.

Зато в 2008 и 2009 YZR-M1 выстрелил. Прежде всего, мощность двигателя 0WS5 подняли на 10% за счет тотальной оптимизации всей системы. Ставшая новым трендом MotoGP система пневматического привода клапанного механизма постоянно совершенствовалась, и в 2008 ее удалось облегчить сразу на 40%. Дизайн ЦПГ был усовершенствован (диаметр цилиндра незначительно увеличили, изменился дизайн поршней и маслосъемных колец), что позволило снизить издержки на трении на 14%.

Валентино Росси выигрывает свой 9-й мировой титул на Yamaha YZR-M1 (2009), Гран-При Малайзии

Росси выиграл свой 8-й и 9-й мировые титулы - оба досрочно. А в 2010 знамя Yamaha после травмы Росси через чемпионат гордо пронес Хорхе Лоренцо.

Все три сезона принесли Yamaha «тройные короны», но также и некоторое разочарование. В конце 2010 года трения между Валентино Росси и Хорхе Лоренцо достигли критической отметки, что привело к эмоциональному уходу Росси в Ducati. Кроме этого, на волне напряжения решил выйти в отставку и Масао Фурусава. Лидер проекта мог остаться в компании еще на 3 года, но без Росси он не видел смысла продолжать эту работу.

Куити Тсудзи, лидер проекта Yamaha Mission One с 2010 по 2019

Новым лидером проекта Mission One был назначен ближайший соратник Фурусавы, ведущий разработчик Куити Тсудзи.

Завтра: Куити Тсудзи рассказывает о тайных моментах создания YZR-M1

Первая часть: Mission One как борьба за место под солнцем.