Легендарный двигатель Ford-Cosworth DFV: полтора десятилетия мирового господства

В год начала войны во Вьетнаме и выхода The Yesterday Формула-1 проводила последний сезон с 1,5-литровыми моторами. С 1966 года в силу вступал новый регламент, разрешающий использование атмосферных двигателей рабочим объемом до 3 литров. Ferrari, Honda и BRM принялись за разработку новых агрегатов, а британская фирма Coventry-Climax, снабжавшая три из пяти лучших команд пелотона – Lotus, Brabham и Cooper, отказалась от дальнейшего создания моторов для Формулы-1. Если Джон Купер решил использовать 12-цилиндровые двигатели Maserati, созданные на основе моторов 12-летней давности, а для Джека Брэбэма простую и надежную «восьмерку» на базе серийного блока Oldsmobile построила австралийская фирма Repco, то Колин Чэпмен решил найти вариант на перспективу.

Чэпмен обратился к своему бывшему инженеру Кейту Дакворту, специалисту по двигателям. Дакворт вместе с другим бывшим сотрудником Lotus Майком Костином основали фирму Cosworth («Cos» – часть фамилии Кос-тин, «worth» – Дак-ворт), занимавшуюся доводкой моторов Ford для гонок Формулы Junior, Формулы-3 и Формулы-2. Когда Чэпмен спросил Дакворта, сможет ли он построить 3-литровый двигатель мощностью 400 л.с. для Формулы-1, тот ответил утвердительно. Опыта создания моторов с чистого листа у Дакворта не было, но в голове уже был проект по созданию 1,6-литрового двигателя с четырьмя клапанами на цилиндр для Ф-2 на базе серийного блока Ford Cortina 120E. Головку блока, являвшуюся, по мнению Кейта Дакворта, ключевым компонентом гоночного двигателя, вполне можно было использовать для мотора Ф-1. Теперь Колину оставалось найти озвученную Кейтом сумму в £100000, требуемую для проекта.

В финансовом вопросе Чэпмена снова выручили связи, а именно Уолтер Хейес – бывший редактор The Sunday Dispatch, под началом которого Колин ранее трудился корреспондентом. В 65-м Хейес занимал должность директора по связям с общественностью в британском отделении концерна Ford. К тому времени у Чэпмена сложились хорошие отношения с «Голубым овалом» — Lotus использовали двигатели Ford в младших формулах и гонках спортивных автомобилей, готовили Ford Cortina для участия в BTCC и, наконец, Джим Кларк на Lotus 38 с «фордовским» V8 выиграл «Инди-500». Хейес с энтузиазмом принял предложение старого приятеля, так как оно как нельзя кстати вписывалось в программу детройтского гиганта Total Performance.

Уолтер Хейес поведал о предложении Чэпмена Харли Коппу – вице-президенту по технической части Ford of Britain. Коппа, в свою очередь, очень заинтересовал проект по созданию двигателя для Формулы-2 на базе блока «Кортины» — связь гоночных двигателей с серийными во все времена радовала маркетологов. Весной 1966 года между Ford и Cosworth было подписано соглашение о создании двигателей FVA (Four Valve A-type) для Ф-2 и DFV (Double Four Valve) для Ф-1, которые будут иметь марку Ford. При этом Team Lotus участвовала в разработке двигателя, что отразилось в компоновочных решениях и расположения точек крепления, и получала эксклюзивное право на использование DFV в течение первого сезона.

Даже несмотря на то, что V-образная «восьмерка» Repco приносила Брэбэму одну победу за другой в Чемпионате мира ’66, считалось, что нецелесообразно делать 3-литровый мотор количеством цилиндров менее 12. Тем не менее, Дакворт считал, что V8 предпочтительнее так как в нем будет меньше потерь на трение, он будет компактнее, а расход топлива будет меньше. Материалом для блока цилиндров был выбран алюминиевый сплав. Технологии тех лет не позволяли отказаться от чугунных гильз цилиндров «мокрого» типа. Жесткость и прочность блока была рассчитана на использование двигателя как части силовой структуры шасси, что было одним из изначальных требований Чэпмена. Стальной азотированный пятиопорный кованный коленчатый вал располагался на станине, отлитой заодно с картером. Шейки коленвала располагались под углом 180° относительно друг друга, что значительно упростило проектировку системы выпуска. Применялись тонкостенные вкладыши фирмы Vandervell. Детали ЦПГ Cosworth изготавливали самостоятельно: кованые поршни – из алюминиевого сплава, кованые шатуны – из стали, что было дешевле и проще титана. Для уменьшения центра тяжести был применен маховик минимально-возможные размеров, что потребовало мощного стартера со специальными зубьями, располагавшегося со стороны коробки передач.

В середине 60-х двигатели с четырьмя клапанами на цилиндр все еще были редкостью. Такие конструкции были опробованы практически всеми моторостроителями того времени, но разве что Honda смогла добиться какого-то видимого преимущества. По мнению Кейта Дакворта конструкция с двумя клапанами на цилиндр достигла своего пика развития и дальнейшее увеличение суммарной площади клапанов для улучшения газообмена возможно только при условии применения четырех клапанов. Впускные (диаметр 33,53 мм) и выпускные (31,75 мм) клапана располагались под углом 32°. Дакворт применил вертикальные впускные патрубки, которые лучше подходили для организации кругового движения топливо-воздушной смеси в цилиндре. В DFV был применен механический впрыск топлива во впускные патрубки производства Lucas. Эта же фирма являлась создателем передовой по тем временам транзисторной бесконтактной системы зажигания OPUS. Расположенные в головках распредвалы изготавливались из никелированной стали и приводились в движение шестернями. Клапанная крышка для уменьшения массы отливалась из магниевого сплава.

Компоновочные решения: слева – точки крепления, в центре – расположение масляных насосов, справа – расположения насосов охлаждающей жидкости, которые приводились ремнем с внутренними зубьями, усиленным стекловолокном (на рисунке не показан).

Даквортом был выбран классический для V8 угол развала блока в 90°. Отношение диаметра цилиндра (85,67 мм) к ходу поршня (64,77 мм) составляло довольно невысокие по гоночным стандартам того времени 1,32, что было продиктовано шириной стенок в серийном блоке Ford Cortina, легшего в основу FVA. Ford Cosworth DFV впервые встал на тестовый стенд в апреле 1967 года. При рабочем объеме 2987 см³ его мощность составляла 408 л.с. при 9000 об/мин, а максимальный крутящий момент – 325 Нм при 8500 об/мин. Масса силового агрегата равнялась 162 кг. Первые испытания в Хезеле и Снеттертоне проводил Майк Костин, а через несколько дней эстафету перенял Грэм Хилл. Испытания проводились меньше месяца и так как сезон уже начался, Чэпмен решил не откладывать дебют DFV и уже в начале июня двигатель, установленный на шасси Lotus 49, появился в Зандфорте, принимавшем Гран При Нидерландов. Колин не прогадал – Хилл завоевал поул, а Джим Кларк выиграл гонку.

С момента дебюта DFV встал в один ряд с «формульными» V12 по максимальной мощности, но обладал лучшими характеристиками на большинстве режимов работы мотора по ходу круга. При этом гонщикам пришлось приловчиться к характеру мотора, который давал резкий прирост мощности в промежутке от 6000 до 6500 об/мин, что создавало проблемы в дождевых Гран При.

В ходе выпуска двигатель постоянно модернизировался. Еще во время испытаний на дино-стенде были выявлены две серьезные проблемы. Первая, трещины в поршне возле отверстий для масла и газов, довольно быстро решилась улучшением технологию ковки поршней. Вторая, связанная с недостаточной вентиляцией картера, потребовала значительно дольше времени на разрешение. Из-за избыточного давления в картере масло не успевало уходить из головок цилиндров. В качестве временной меры были применены внешние трубки, выглядевшие не эстетично. Подобное решение работало на 4-цилиндровых моторах для Ф-2, для которых расчетная производительность откачивающего насоса должна была быть в два раза выше производительности нагнетающего насоса. Так как объем прокачиваемого масла на V8 был значительно выше, то это правило не работало. В систему смазки был добавлен еще один насос лопастного типа, но это не решило проблему с вентиляцией до конца. Окончательный выход нашелся лишь в 1970 году, когда Дакворт переработал систему смазки, включив в нее двухроторный насос производительностью 250 л/мин, создававший вакуум в картере. В верхней части двигателя было несколько отверстий, позволявшие воздуху уравнивать давление между разными частями мотора.

С 1968 года DFV стал доступен по цене £7500 за штуку. Первыми клиентами стали Tyrrell (с шасси Matra) и McLaren. Lotus, де-факто являясь заводской командой Ford, продолжал получать двигатели бесплатно. В 1972 году цена двигателя упала на тысячу фунтов, а с 1975 ежегодно повышалась, достигнув пика в £26185.

Другие серьезные недостатки DFV были выявлены уже после дебюта на трассах Чемпионата мира. В первой же гонке в Lotus столкнулись с разрушением шестерен распредвала, что было связано с крутильными колебаниями, возникающими в момент резкого увеличения крутящего момента. В Cosworth не до конца понимали физику подобных явлений, поэтому Дакворт обратился за консультацией к инженерам Rolls-Royce. Чтобы проследить за реакцией шестерен на изменение крутящего момента, на них были установлены датчики, показания которых снимались с осциллоскопа. Среднее значение было очень низким и соответствовало расчетным потерям на привод в 8,8 л.с., но каждые 1,5 градуса возникали вспышки момента, выходившие за пределы шкалы прибора – выше среднего значения момента на коленвалу! В конце 1970 года Кейт Дакворт нашел изящное и эффективное решение, которое инженеры-двигателестроители успешно используют и в наше время. 12 тонких игольчатых стержней брали на себя скачки избыточного момента благодаря своей упругости и сбрасывали их посредством фрикционных поверхностей, что не давало шестерням попадать в резонанс.

На полноприводном болиде Cosworth, который был построен в 1969 году, но так и не увидел гонок, применялся облегченный вариант DFV с блоком цилиндров из магниевого сплава. В 1977 году Кейт Дакворт вернулся к экспериментам с этим материалом, но из-за слишком большого теплового расширения головных подшипников коленвала от этой идеи отказались. И без того, за годы выпуска двигатель «похудел» на 29 кг.

Другой проблемой системы газораспределения стало разрушение клапанных пружин, попадавших в резонанс на высоких оборотах. Применение интерференционных пружин, где внутренняя касается внешней, производства немецкой специализированной мастерской Schmitthelm частично побороло резонансные колебания, но значительно увеличило механический износ самих пружин. Поломки пружин преследовали DFV на протяжении всего времени использования этого агрегата. Избавиться от этого врожденного недостатка можно было в начале 80-х с внедрением десмодромной системы, но так как такой привод сильно увеличивал стоимость агрегата, один из основных козырей DFV, в Cosworth в итоге отказались от этого нововведения.

Первым серьезным соперником для DFV стал 12-цилиндровый горизонтально-оппозитный двигатель Ferrari 312B. Чтобы на равных противостоять детищу Мауро Форгьери в Cosworth производили модернизации, направленные на увеличение мощности мотора. Изменение системы выпуска со схемы «4-2-1» на «4-1», приуроченное к Гран При Италии ’68, увеличило мощность до 415 л.с. при 9500 об/мин. Применение интерференционных пружин позволило перенести ограничение оборотов коленвала с 9500 на 10000, что дало еще 15 л.с. Модернизация 1971 года, включавшая более легкие поршни, измененные впускные каналы, более узкие впускные клапаны, улучшение охлаждения головок за счет изменения мест установки свечей зажигания, в совокупности с применением инженерами команд воздуховодов дала прирост мощности до 450 л.с. при 10000 об/мин. Дальнейшее улучшение характеристик мотора в середине 70-х проходило за счет улучшения качества материалов и технологий производства, благодаря чему можно было без ущерба надежности увеличивать максимальные обороты коленвала – до 10500 в 1976 году, что позволило добиться отдачи в 465 л.с.

В 1975 году Ники Лауда на Ferrari 312T прервал доминирование DFV, но в следующем сезоне Джеймс Хант на McLaren M23 (на фото) вернул чемпионство Ford-Cosworth. В McLaren первыми начали использовать альтернативные варианты распредвалов, что позволяло мотору быть одинаково конкурентоспособным и на медленном кольце в Монако, и в скоростной Монце.

Изначально «восьмерки» обслуживались и ремонтировались в Нортгемптоне, на заводе Cosworth, но с ростом популярности эти работы стали доверяться специализированным фирмам: Judd, Nicholson-McLaren, Hesketh, Swindon. Со временем эти мастерские стали внедрять свои собственные доработки, помогавшие их клиентам пользоваться DFV с улучшенными характеристиками. Например, предложенные Swindon для команды Shadow укороченные впускные патрубки с широкими раструбами позволили добиться 475 л.с. при 10750 об/мин. Многие из этих улучшений были перенесены в заводские моторы. Так, алюминиевые гильзы цилиндров с никасиловым покрытием фирмы Mahle, сэкономившие 4 кг и уменьшившие расход масла, впервые были применены Nicholson-McLaren, а с 1979 года использовались во всех DFV, построенных в цехах Cosworth.

Использование большинством команд «восьмерок» Cosworth в паре с коробками передач Hewland позволило конструкторам сосредоточиться на аэродинамике, чтобы оказаться быстрее в битве с себе подобными. С началом эры граунд-эффекта преимущества компоновки DFV по сравнению с 12-цилиндровыми оппозитными двигателями Ferrari и Alfa Romeo стали более очевидными. На фото – Майкл Андретти и Ронни Петерсон на «автомобилях-крыльях» Lotus 79, не знавших себе равных в сезоне ’78.

В 1977 году Ford-Cosworth DFV принял сразу два новых вызова – турбодвигатели и граунд-эффект. Если турбомоторы Renault на первых порах не поражали ни мощностью, ни надежностью, то выросшие с использованием эффекта трубки Вентури перегрузки в поворотах повлекли за собой пересмотр системы смазки – установки центрифуги для отделения масла от воздуха и откачивающего насоса большей производительности. Следуя просьбам конструкторов шасси Дакворт изменил конструкцию картера, что уменьшило высоту двигателя. В 79-м степень сжатия была увеличена с начальных 11 до 12. Английские команды и французская Liger до последнего были сторонниками DFV, мощность которого в 1982 году возросла до 495 л.с. при 11100 об/мин в заводском варианте при меньшем расходе топлива и массе по сравнению с 1,5-литровыми турбоагрегатами Renault и Ferrari.

В 1982 году Кеке Росберг на Williams FW08 завоевывал последний титул с Ford-Cosworth DFV. Мотор имел головку цилиндров, модернизированную фирмой Judd, развивал мощность в 515 л.с. при 11300 об/мин, максимальный крутящий момент в 366 Нм при 9000 об/мин и при этом ни разу за сезон не подвел.

Развитие турбомоторов шло стремительными темпами и сезон ’83 стал последним для оригинального Ford-Cosworth DFV. Мощность заслуженного агрегата достигла 510 л.с./11200 об/мин в заводском исполнении и 535 л.с./11300 об/мин в тюнинге от Judd, в то время как турбомоторы BMW, принесшие титул Нельсону Пике на Brabham BT52, совершили скачек от 640 л.с. в начале сезона до 780 л.с. в конце. Разработанный в Нортгемтоне при участии Марио Иллена улучшенный вариант «восьмерки» с увеличенным до 90 мм диаметре цилиндра и укороченном до 58,8 мм ходе поршня (диаметр впускных клапанов 36,5, выпускных – 32 мм, угол – 22,5°), получивший название DFY, не исправил ситуацию – 530 л.с. при 11000 об/мин. По ходу сезона ’85 все команды отказались от использования атмосферников в пользу турбо.

Покинув Формулу-1 DFV нашел новое пристанище в Формуле-3000, где недорогой двигатель в 450-сильной версии с ограничителем на 9000 об/мин правил бал на протяжении второй половины 80-х. Увеличение рабочего объема атмосферных моторов до 3,5 литров вернуло новые версии «косвортовского» V8 на стартовую решетку. Оснащенный электронным впрыском топлива DFZ развивал 565 л.с. при 10500 об/мин, а его вариант DFR с головками от Yamaha с пятью клапанами на цилиндр – 600 л.с. при 11000 об/мин (позже Брайан Харт довел мощность этого двигателя до 630 л.с.). Гоночной славы эти моторы не принесли и в 1989 году им на смену пришел абсолютно новый V8 (75°) Ford-Cosworth HB.

Достижения Ford-Cosworth DFV по истине уникальны. 12 раз гонщики становились Чемпионами мира, управляя машинами с этим двигателем: трижды Джеки Стюарт, дважды Эмерсон Фиттипальди, Грэм Хилл, Йохен Риндт, Джеймс Хант, Марио Андретти, Алан Джонс, Нельсон Пике и Кеке Росберг. 10 раз DFV в связке с различными шасси приносил Кубок Конструкторов: пять раз с Lotus, дважды – с Williams, по одному разу с Matra, Tyrrell и McLaren. За 17 неполных сезонов было завоевано 154 победы с DFV (+1 с DFY).

Успехи спроектированной Кейтом Даквортом «восьмерки» не ограничились рамками Чемпионата мира. 2,5-литровый (85,67 × 54 мм) DFW принес Джиму Кларку на Lotus 49T победу в Кубке Тасмании в 1968 году. Турбированный 2,65-литровый (85,67 × 57,3 мм) DFX, мощность которого до введения ограничений на давление наддува составляла 840 л.с. доминировал в гонках USAC на протяжении десятилетия: 151 победа, включая 10 подряд выигранных «Инди-500» ’78-87. DFL – вариант для гонок на выносливость был установлен на Gulf-Mirage и Rondeau, побеждавших в «24 часах Ле-Мана» в 1975 и 1980 годах, соответственно.

Слева: Дерек Белл и Жаки Икс на Gulf-Mirage GR8 с двигателем Cosworth DFL – победители «24 часов Ле-Мана» ’75. Справа: Эл Анзер на Lola T500 с двигателем Cosworth DFX – победитель «500 миль Индианаполиса» ’78.

Вместе с DFV из Формулы-1 ушло понятие «массового двигателя». Моторы Cosworth исчезли из Чемпионата мира с переходом на гибридные силовые установки, стоимость которых взлетела до небес. Разговоры о возвращении независимого поставщика, способного поставлять конкурентоспособные двигатели по невысокой цене, идут уже не первый год. Кто знает, может быть с новым регламентом, который должен вступить в силу в 2021 году, славное имя Cosworth снова вернется в мир Больших призов?