System odzyskiwania energii kinetycznej w F1

Dlaczego zielony płaszczyk z metką KERS przykrywający F1 jest bardzo kusy?

Długoletnie starania Berniego Ecclestone'a doprowadziły do ogromnego spopularyzowania Formuły 1, a stało się to głównie dzięki komercjalizacji. Z normalnego sportu F1 stała się jedną z największych platform reklamowych na świecie, co oznacza, że jej głównym zajęciem, tak jak wszystkich mass mediów, jest sprzedaż swoich widzów reklamodawcom. Im więcej odbiorców (czyli kibiców), tym stawka za reklamę większa...

PO CO KERS?

FIA nie może się pochwalić tak spektakularnym sukcesem biznesowym, ale również (niestety) pali się do roboty. Kiedy pan E. wypycha sobie kieszenie funtami i inną walutą, FIA pracowicie zmienia i komplikuje przepisy, co oznacza, że nie są one najlepsze. Jeżeli zamieszkamy w dobrze zaprojektowanym nowym mieszkaniu, to będziemy przez lata je tylko upiększać, a nie burzyć ściany lub zrywać podłogę co dwa lata. Ostatnio np. zespoły zmieniały silniki (a więc i całe bolidy) z V10 na V8, w chwilę później zamrożono ich rozwój, a przez chwilę mówiło się wręcz o ich ujednoliceniu. FIA lewą ręką tworzy przepisy zmuszające teamy do wydawania pieniędzy, aby dostosować się do nowych wymogów, a prawa służy jej do pisania dramatycznych listów o konieczności obniżania kosztów. Owocem wytężonej pracy obydwu rąk jest stan, w którym podczas horrendalnie drogiej imprezy kibice lekko się nudzą, bo kierowcy prawie nie mogą wyprzedzić się na torze. Sytuację pogarszają jeszcze nowe tory, które nie ułatwiają wyprzedzania. Jedyny ratunek to czasami padający deszcz, kłopoty mechaników z dokręceniem jakiejś śrubki lub wyjazd z boksów z przewodem do tankowania paliwa.

Widowiska tego typu nie są samonapędzającym się interesem i trzeba ciągle dbać o ich rozwój, podsycać zainteresowanie kibiców i podtrzymywać odpowiednią aurę np. ekskluzywności, tajemniczości czy czegokolwiek. Przez lata wykorzystywano więc slogan o wyjątkowości F1 jako najbardziej zaawansowanego technicznie motosportu. Ostatnio FIA podpierała się również słowem "bezpieczeństwo", na którym bazowały zresztą strategie marketingowe wielu producentów samochodów.
Jednak "bezpieczeństwo" trochę się już przejadło kibicom (i osobom odwiedzającym salony samochodowe), więc wysłano je na wakacje. Aby wypełnić lukę, Max Mosley postanowił dodać do F1 cokolwiek w modnym odcieniu zielonkawym. W miejsce "bezpieczeństwa" zatrudniono słowo "ekologia", które działa jak młot: mało kto odważy się z nim polemizować.
KERS ma zatem być cudownym kołem ratunkowym: ożywi znudzonych kibiców, ułatwiając kierowcom wyprzedzanie i nada padokowi pożądany zielony odcień.

RODZAJE ROZWIĄZAŃ

W 1999 roku jeden z założycieli Ilmora (dostawca silników do F1) - Mario Illien konstruuje system odzyskujący energię hamowania, dzięki której można uzyskać 45 KM przez cztery sekundy i to kilka razy na okrążeniu. Zostaje on jednak natychmiast zakazany przez FIA, zanim zdołano go zastosować w jakimkolwiek wyścigu.
Jednak w siedem lat później idea odzysku energii staje się dla Mosleya bardzo atrakcyjna i od 2009 roku mamy zobaczyć KERS pozwalający na wytworzenie 80 KM przez trochę ponad sześć sekund i magazynowanie 400 kJ energii. W 2011 roku limit ten ma być zwiększony do 800 kJ i podwojony w 2013 roku do 1600 kJ z możliwością odzysku energii z obydwu osi.

W przeciwieństwie do Le Mans 24 Godziny, gdzie w 2009 roku dopuszczono (choć poza klasyfikacją i tylko w jednej klasie, LMP1) samochody hybrydowe z systemem elektrycznym, zespołom F1 pozostawiono pewien wybór. Koncentrują się one nad dwoma rozwiązaniami:

• bezwładnościowym z kołem zamachowym - część energii hamowania jest używana do rozkręcenia wirującego dysku, który po odwróceniu procesu może przekazać energię (poprzez sprzęgło CVT) do układu napędowego. Takie rozwiązanie preferuje Williams i niezależna firma Flybrid, oferując je jednocześnie do sprzedaży. Williams kupił nawet udziały w Automotive Hybrid Power Limited, przemianował ją na Williams Hybrid Power Limited i liczy na to, że ich koło z materiałów kompozytowych, wykonujące maksymalnie 100.000 obrotów na minutę, rozwiąże problem.


• elektrycznym - inne zespoły pracują nad silnikiem elektrycznym, który w czasie hamowania zamienia się w generator prądu, który musi być jednak gdzieś przechowywany: albo w akumulatorach litowo-jonowych (li-ion, duże pojemności, stosunkowo lekkie w porównaniu do innych konstrukcji i wolne od efektu "pamięci") albo w jakimś super-kondensatorze.

Inne rozwiązania, hydrauliczne (takie jaki w pomyśle Ilmora) i mechaniczne nie są testowane. Z dotychczasowych doniesień można wywnioskować, że przyszłoroczne systemy KERS będą wyglądały następująco:

• Ferrari - elektryczny (Zytec?)


• Force India - jw


• Toro Rosso - elektryczny


• Red Bull - elektryczny


• Honda - koło zamachowe (Flybrid?)


• Williams - koło zamachowe (własny)


• Renault - nieznany


• Toyota - nieznany (własny)


• McLaren - elektryczny (własny?)


• BMW - elektryczny.

Przepisy ustanowione przez FIA są tak skonstruowane, aby nie było dużej różnicy pomiędzy zespołami dysponującymi dobrym i złym systemem KERS, więc nie należy się spodziewać, że któryś z zespołów będzie miał jakieś rewolucyjne rozwiązanie, dające mu ogromną przewagę nad innymi. Decydująca będzie raczej trafność wyboru pomiędzy rodzajami systemu.

PROBLEMY

Wprowadzenie nowego systemu do bolidu F1 jest zadaniem bardzo złożonym i wymaga jego uwzględnienia już przy początkowych pracach projektowych. Technologia KERS w F1 rozwija się w szybkim tempie, więc rozwiązania, które dziś wyglądają najlepiej jutro mogą stać się przestarzałe. Ewentualne przejście z jednego systemu na inny w przyszłości będzie trudne i kosztowne, bo wymagające przekonstruowania całego samochodu.

Bezpieczeństwo
Akumulatory li-ion wykorzystywane w systemach elektrycznych nie lubią wysokich temperatur, stosunkowo łatwo się palą i mogą również wybuchnąć. Red Bull musiał już raz ewakuować swoją fabrykę prawdopodobnie właśnie z tego powodu. BMW nie ma więcej szczęścia: jeden z mechaników został porażony prądem po dotknięciu bolidu z zamontowanym systemem KERS, a "jeden lub dwa" incydenty podczas testów w ośrodku w Miramas pozostaną raczej tajemnicą firmy. Właśnie ze względu na wysokie napięcie wszyscy, którzy mają styczność z bolidem muszą być przeszkoleni specjalnie pod tym kątem, nie wyłączając obsługi torów, na których rozgrywane będą wyścigi.

Zagadką systemów z kołem zamachowym będzie ich zachowanie podczas wypadków. Wirujący w próżni z prędkością 65.000 obr/min. pięciokilogramowy dysk nie jest na pewno czymś, co chcieli byśmy zobaczyć "na żywo". Flybrid przeprowadził jako pierwszy odpowiednik testu zderzeniowego bolidu F1 z przodu i koło nie odleciało, ale podczas wyścigu sprawy mogą potoczyć się inaczej, tor to nie laboratorium i wielu sytuacji nie da się po prostu zasymulować.

Obawy o bezpieczeństwo chyba są spore. FOTA i kilka zespołów namawiały do odroczenia wprowadzenia tego systemu do roku 2010, powołując się głównie na względy bezpieczeństwa. Mark Webber (prezes GPDA) powiedział, że po padoku krążą plotki, jakoby BMW, które opublikowało raport z wypadku w Jerez... wytłumaczyło JAK doszło do porażenia, ale nie mają pojęcia DLACZEGO? Jak na razie propozycji przesunięcia debiutu KERS sprzeciwiają się Williams, Honda i BMW.

Zabudowa
Dużym wyzwaniem dla konstruktorów jest upchnięcie całego systemu w bolidzie. Trzeba znaleźć miejsce dla silnika-generatora, elektroniki sterującej, sprzęgła, akumulatorów lub koła zamachowego. Wszystko to jest połączone kablami z prądem o wysokim napięciu i natężeniu, więc najlepiej, aby poszczególne komponenty znajdowały się blisko siebie. Nowe urządzenie to również dodatkowa masa, którą trzeba jakoś rozsądnie ulokować. Co prawda większość bolidów ma "niedowagę" w stosunku do minimalnych 605 kg wymaganych przepisami, ale dzięki temu odpowiednio usytuowany balast poprawia równe rozłożenie masy. Z umiejscowieniem składników KERS nie ma już takiej dowolności, co może doprowadzić do pogorszenia własności jezdnych i przekroczenia wagi minimalnej. Dylemat ten rozwiąże się jednak dopiero podczas testów torowych.

Inne
Lista technicznych problemów do opanowania jest bardzo długa i obejmuje np. zgranie tegorocznej nowej elektroniki z przyszłoroczną, która oprócz obsługi KERS będzie musiała sobie jeszcze poradzić z regulacją przednich skrzydeł. W innym punkcie listy znajdziemy również temat proporcji hamowania kół. KERS będzie działał na koła tylnej osi. Kiedy podczas hamowania system napełni się do dozwolonego poziomu i "odłączy", to wówczas zmieni się moment obrotowy kół, przeszkadzając w płynnym hamowaniu.

Koszty
Przy rozwoju KERS pocą się nie tylko inżynierowie. Planując budżety na 2008 rok, przy pozycji pt. "odzysk energii" wszystkie działy księgowości musiały chyba powstawiać ogromne znaki zapytania. Przed rozpoczęciem prac nikt nie wiedział, ile wyniesie końcowy rachunek Będzie on zapewne wysoki, ponieważ system odzysku energii jest nowością w F1 i istnieje kilka potencjalnych rozwiązań/opcji które trzeba sprawdzić. Wprowadzenie tego systemu ma również bezpośredni wpływ na różne aspekty bolidu, który będzie musiał być do niego dopasowany.
Pieniądze zostaną wydane na przystosowanie silników do systemu, a to oznacza m.in. wiele godzin pracy hamowni silnikowej. Ponieważ KERS swoje waży, trzeba to będzie jakoś zrekompensować, a odchudzanie samochodów kosztuje dużo pieniędzy. Zespoły, które zdecydują się na systemy elektryczne z akumulatorami zapłacą za ich wynalezienie, bo nie było takich, które spełniają wymagania F1. Akumulatory, których koszt szacuje się na 200.000 funtów, mają swój określony czas działania, kiedy mogą pracować z maksymalną wydajnością. Po dwóch godzinach wyścigu będą pewnie już bezużyteczne i... wyrzucane. Przyjmując optymistyczne założenia Mike'a Gascoyne'a (Force India) o wydłużeniu żywotności akumulatorów do dwóch imprez, daje to i tak cztery miliony funtów na sezon (100,000 funtów razy dwa auta razy 20 wyścigów). Dopiero testy w warunkach wyścigowych rozstrzygną o akceptowalnym cyklu akumulatorów. Żaden promotor czy właściciel toru nie będzie chciał mieć bezużytecznego złomu, więc akumulatory trzeba będzie jeszcze odwieść do bazy (jakieś dodatkowe 400 kg bagażu).
Sumy padające z rożnych ust są bardzo rozbieżne, jednak można przyjąć, że na całą imprezę z KERS każdy zespół wyłoży do 25 mln funtów.

JESTEŚMY JUŻ "GREEN"?

Zastosowanie systemu KERS w 2009 roku nie jest obowiązkowe, więc zobaczymy go tylko wtedy, gdy wykaże on jakieś wyraźne korzyści np. w czasach okrążeń lub wyprzedzaniu. Obecnie mówi się o potencjalnym zysku rzędu 0,2-0,3 sekundy na okrążeniu (oczywiście zależnie od toru). Jednakże cały teoretyczny zysk może być utracony ze względu na wcześniej wymieniane problemy z wagą bolidu, trudnościami z balansem i zmiennym momentem obrotowym tylnych kół. Istotna będzie również niezawodność systemu, bo jego awarie będą najprawdopodobniej prowadziły do wyeliminowania bolidów z wyścigu. Może on nie być również złotym środkiem na wyprzedzanie, bo używany przez kierowców według tej samej strategii właściwie nic nie zmieni.

Max Mosley dałby się posiekać za KERS, ale nie wszystkim udziela się jego zachwyt. Luca Marmorini (Toyota) nazwał rozwiązanie narzucone przez FIA "prymitywnym" (odzysk jedynie 20% z jednej osi w stosunku do 50-70 w Priusie z dwóch) i niezbyt przydatnym dla technologii drogowych. Są one bardziej zaawansowane, ponieważ nie ma w nich ograniczeń mocowo-czasowych i koncentrują się głównie na oszczędności paliwa. Zespoły F1 będą pracowały przede wszystkim nad wagą i wielkością urządzenia oraz przydatnością przy wyprzedzaniu, pomijając aspekt jakiejkolwiek oszczędności paliwa. Dlatego KERS z F1 różni się od urządzeń montowanych w samochodach "cywilnych".

Dziś nie wiadomo jeszcze, która technologia jest najlepsza i przyjmie się w przemyśle samochodowym, więc narzucanie jednej jest niezbyt rozwojowe. FIA jak dotychczas zakazywała wielu przydatnych wynalazków (turbo, common rail), a jej zarządzenia idą bardziej w kierunku ograniczania a nie rozwoju. Ujednolicone ECU, zamrożone silniki, takie same opony, podobne nadwozia nie mają nic wspólnego z innowacyjnością, która polega na szukaniu i wprowadzaniu nowych rozwiązań przed innymi. KERS był rewolucją siedem lat temu, teraz można go dostać w kilku modelach aut osobowych albo posmakować w autobusach miejskich. Chyba lepiej, żeby zespoły prezentowały różne rozwiązania, co byłoby ciekawsze dla publiczności i bardziej rozwijające, a tak wszyscy są zmuszani do pracy nad technologiami, których być może nie będą wykorzystywać, szczególnie gdy nie są producentami samochodów drogowych.

Aby utrzymać status "królowej motosportu", można i pewnie należy wprowadzać m.in. nowe technologie. Trochę biopaliwa i dość prosty KERS to jednak trochę za mało, aby mówić o jakimś przodownictwie technologicznym.

PS. Po ostatnim spotkaniu przedstawicieli FIA i FOTA w Genewie pokazały się przypuszczenia, że KERS zostanie... ustandaryzowany w 2010/2011 roku! Zapewne w ramach oszczędności zespoły wydały grube miliony na przygotowania systemu do przyszłorocznego sezonu, a za rok lub dwa wyrzucą go do kosza i przystosują się (lub zakupią) nowy.