Co skrywa nowa jednostka napędowa Renault?

Wielkimi krokami zbliża się do nas nowa era w Formule 1. Po wielu latach używania jednostek V8 przyszedł czas na nowości. W tym roku wszystkie zespoły mierzą się z przejściem na silniki o pojemności 1,6 litra wyposażone w turbodoładowanie, jak i innowacyjny system odzyskiwania energii (ERS). Całość ma generować nawet 760 koni mechanicznych, ale najciekawszym faktem jest ilość mocy pochodzącej z odzyskanej energii - aż 160 KM! Jeden z producentów tegorocznych jednostek napędowych - Renault postanowiło w znacznym stopniu przybliżyć nam szczegóły dotyczące ich maszyny.

Kluczowe fakty nowej jednostki napędowej:

- sześciocylindrowy silnik spalinowy o pojemności 1,6 litra w układzie V
- bezpośredni wtrysk paliwa
- maksymalna prędkość obrotowa: 15 000 obr./min.
- dwa generatory (MGU-K, MGU-H) odzyskujące energię
- energia magazynowana w postaci elektrycznej w bateriach
- maksymalna moc silnika wraz z ERS: 760 koni mechanicznych
- ograniczenia co do paliwa: maksymalny ładunek na wyścig 100kg, maksymalny przepływ 100 kg/h
- rozwój silników zamrożony, dozwolone jedynie uzasadnione prośby zmian
- 5 jednostek na sezon dostępnych dla każdego kierowcy

SILNIK SPALINOWY:

Ogólnie:
Silnik został skonstruowany w układzie V6 z dwoma rzędami cylindrów - po 3 cylindry ułożone w literę V. Jego pojemność to 1,6 litra i będzie generował około 600 koni mechanicznych, co daje wynik 3 razy lepszy niż w Clio RS.

Wyzwanie:
Wbrew obiegowym opiniom, silnik spalinowy nie jest najprostszym elementem nowej jednostki napędowej, ponieważ jego architektura jest zupełnie inna od dotychczasowych V8. Dzięki turbosprężarce ciśnienie wewnątrz komory spalania jest ogromne, prawie dwa razy większe niż dotychczas. Wał korbowy i zawory będą poddawane ogromnym siłom, a ciśnienie wewnątrz komory spalania może wzrosnąć do 200 barów, co oznacza wartość 200 razy większą od ciśnienia atmosferycznego.

Na co warto spojrzeć?
Ciśnienie, które daje turbosprężarka może sprawiać problemy podczas kontroli go w komorze spalania. Jeśli coś tutaj pójdzie nie tak, silnik momentalnie zostanie zniszczony.

BEZPOŚREDNI WTRYSK PALIWA

Ogólnie:
Wszystkie jednostki napędowe posiadają bezpośredni wtrysk paliwa do komory spalania, a nie przed zaworem. Mieszanka paliwa z powietrzem jest tworzona w cylindrze, więc wymagana jest tu ogromna precyzja i odpowiednie sterowanie dyszy wtryskującej. To kluczowy system, które jest sercem wydajności spalania i dostarczania mocy z silnika.

Wyzwanie:
Jednym z najtrudniejszych i najważniejszych wyborów w projekcie bezpośredniego wtrysku paliwa była decyzja o umieszczeniu go na szczycie komory spalania, blisko świecy zapłonowej lub z boku cylindra.

Na co warto spojrzeć?
Cały czas pozostanie możliwość odcinania cylindrów, by poprawić wydajność i właściwości jezdne w zakrętach.

ZAWÓR UPUSTOWY

Ogólnie:
W konwencjonalnych silnikach turbo, zawór upustowy jest używany w połączeniu z turbosprężarką do kontroli wysokich obrotów systemu. To urządzenie kontrolujące, które pozwala na wypuszczenie gazów wydechowych poprzez ominięcie turbiny i wyrównanie ciśnienia, dostarczanego przez turbinę do poziomu, jakiego potrzebuje kompresor, by zasilić silnik w powietrze. W Renault Energy F1 prędkość obrotowa turbo jest kontrolowana przez MGU-H (opisane poniżej), jednak zawór upustowy jest potrzebny, by zachować pełną kontrolę w każdej sytuacji (przykładowo wyłączenie MGU-H).

Wyzwanie:
Zawór upustowy jest połączony z turbosprężarką, jednak jest umieszczony w bardzo ciasnym obszarze bolidu. Wyzwaniem jest stworzenie go wystarczająco mocnego, by wytrzymał ogromne ciśnienia, ale i małego, by się zmieścił.

Na co warto spojrzeć?
W samolocie jest kilka części określonych jako krytyczne w momencie awarii. W tej klasyfikacji zawór upustowy jest tym samym, jeśli zawiedzie, konsekwencje będą bardzo poważne.

MGU-K

Ogólnie:
MGU-K (w uproszczeniu generator zajmujący się energią kinetyczną) jest połączony z wałem korbowym silnika spalinowego. Podczas hamowania, MGU-K pracuje jako generator, odzyskując część energii kinetycznej. Zamienia się ją w energię elektryczną, która może być wykorzystana w czasie okrążenia (ograniczona przepisami do 120kW/160KM). W czasie przyśpieszania MGU-K jest zasilane z baterii oraz/lub z MGU-H i zachowuje się jak silnik, napędzając bolid.

Wyzwanie:
Podczas gdy w 2013 roku awaria KERSu kosztowała około 0,3 sekundy na okrążeniu, konsekwencje awarii MGU-K będą w 2014 roku znacznie bardziej poważne, gdyż pozostawią bolid w zasilaniu jedynie poprzez silnik spalinowy - czyli ze znacznie mniejsza mocą.

Na co warto spojrzeć?
Temperatury to ogromny problem w MGU-K, ponieważ będzie on generował trzy razy więcej ciepła niż KERS w silniku V8.

MGU-H

Ogólnie:
MGU-H (w uproszczeniu generator zajmujący się energią cieplną) jest połączony z turbosprężarką. Pochłania energię z wału turbiny, by przejąć energię cieplną z gazów wydechowych. Energia elektryczna wytworzona w ten sposób może być przekazana do MGU-K lub do baterii, by wykorzystać ją później. MGU-H jest używane również do kontroli prędkości turbosprężarki, by sprostać zapotrzebowaniu silnika na powietrze (na przykład by ją spowolnić lub przyśpieszyć w celu uniknięcia turbo dziury).

Wyzwanie:
MGU-H produkuje prąd zmienny, jednak baterie potrzebują prądu stałego, co zmusza do zastosowania zaawansowanego transformatora.

Na co warto spojrzeć?
Wysokie prędkości obrotowe są wyzwaniem, ponieważ MGU-H jest podłączone do turbosprężarki, która kręci się do 100 000 obrotów na minutę.

BATERIA (MAGAZYN ENERGII)

Ogólnie:
Energia cieplna i Kinetyczna, która zostanie odzyskana może być od razu zużyta, jeśli zachodzi taka potrzeba, albo może być wykorzystana do zasilenia baterii. Zmagazynowana energia może być użyta do napędzania bolidu dzięki MGU-K albo do przyśpieszenia turbosprężarki poprzez MGU-H. W porównaniu do KERSu z 2013 roku, ERS w nowych jednostkach napędowy będzie gromadził dwa razy więcej energii (120kW w porównaniu do 60kW), a stosunek energii odzyskanej będzie dziesięć razy większy.

Wyzwanie:
Bateria może ważyć minimalnie 20 kilogramów, a magazynuje 120kW. Daje to 6kW na każdy kilogram (bardzo duży stosunek mocy do wagi), co spowoduje duże siły elektromagnetyczne.

Na co warto spojrzeć?
Siły elektromagnetyczne mogą wpływać na dokładność czujników, które są bardzo delikatne. Opanowanie tych sił będzie jak składanie domku z kart podczas burzy - bardzo delikatna i ryzykowna operacja.

INTERCOOLER

Ogólnie:
Intercooler jest używany do schłodzenia powietrza trafiającego do silnika po tym jak zostało skompresowane przez sprężarkę.

Wyzwanie:
Obecność intercoolera (który był nieobecny w silnikach V8 zasilanych nieskompresowanym powietrzem) wraz ze zwiększoną ilością mocy pochodzącą z systemów odzyskania energii czyni proces integracji bardzo skomplikowanym, gdyż obszary systemów chłodzących i chłodnic znacząco się zwiększyły w 2013 roku.

Na co warto spojrzeć?
Integracja intercoolera z innymi chłodnicami jest kluczowa, jednak efektywne chłodzenie bez wprowadzania gigantycznych chłodnic jest największym wyzwaniem i kluczowym czynnikiem w osiągach.

DANE TECHNICZNE

Renault Energy F1-2014

Silnik

Pojemność: 1,6 litra V6
Liczba cylindrów: 6
Limit obrotów: 15 000 obr./min.
Ciśnienie sprężania: jedna turbosprężarka, nielimitowane ciśnienie doładowania (typowe maksimum 3,5 bara w związku z limitem przepływu paliwa)
Limit przepływu paliwa: 100kg/h (-40% w porównaniu do V8)
Dozwolona ilość paliwa na wyścig: 100kg (-35% w porównaniu do V8)
Rozstaw cylindrów: 90 stopni V6
Średnica tulei cylindrowej: 80mm
Liczba zaworów: 24 (4 na cylinder)
Wydech: pojedynczy wydech, od turbiny w osi bolidu
Wtrysk: bezpośredni wtrysk paliwa

System odzyskiwania energii (ERS)

Obroty MGU-K: maksymalnie 50 000 obr./min.
Moc MGU-K: maksymalnie 120kW
Energia odzyskana przez MGU-K: maksymalnie 2MJ/okrążenie
Energia uwolniona przez MGU-K: maksymalnie 4MJ/okrążenie
Obroty MGU-H: >100 000 obr/min
Energia odzyskana przez MGU-H: nielimitowana (ponad 2MJ/okrążenie)

Ogólne:

Minimalna waga: 145 kg
Dozwolona ilość jednostek napędowych na rok: 5 dla każdego kierowcy
Suma mocy: 600KM (silnik spalinowy) + 160KM (ERS)

ALE JAK TO WSZYSTKO ZE SOBĄ WSPÓŁPRACUJE?

Typowe okrążenie:

Podczas przyspieszania (na przykład na prostej startowej) silnik spalinowy będzie używał standardowo paliwa. Turbosprężarka będzie kręciła się z maksymalną prędkością (100 000 obr/min). MGU-H zachowując się jak generator, będzie odzyskiwało energię z wydechu i przekazywało ją do MGU-K (albo do baterii jeśli będą musiały zostać naładowane). MGU-K, które jest połączone z wałem korbowym silnika spalinowego, będzie się zachowywało jak silnik i dostarczało dodatkową moc, by szybciej jechać, lub oszczędzać paliwo, w zależności od wybranej strategii.

Na końcu prostej kierowca odpuszcza, by zacząć hamowanie przed zakrętem. Wtedy MGU-K odzyskuje energię, która zostanie zgromadzona w bateriach.

W czasie hamowania prędkość obrotowa turbiny spada z powodu braku gazów wydechowych, co w tradycyjnych silnika prowadzi do powstania zmory zwanej turbo-dziurą. Ten stan pojawia się gdy kierowca ponownie przyspiesza. Wtrysk paliwa zaczyna pracę i gazy ponownie zaczynają wylatywać z cylindrów, ale potrzeba czasu, by turbina wróciła do swej prędkości maksymalnej. By zapobiec temu, MGU-H zachowuje się jak silnik przez bardzo krótki czas i natychmiastowo przyspiesza turbo do optymalnej prędkości, dając kierowcy idealne właściwości jezdne. Podczas okrążenia balans pomiędzy energią gromadzoną, energią wyzwalaną, a spalanym paliwem będzie uważnie monitorowany.

Dyrektor techniczny o swoim dziecku:

Użycie obu rodzajów energii wymaga inteligentnego zarządzania - wyjaśnia dyrektor techniczny nowych jednostek napędowych, Naoki Tokunaga. Zarządzanie energią elektryczną będzie tak samo ważne jak zarządzanie paliwem. System będzie decydował kiedy i jak dużo paliwa pobrać z baku i kiedy oraz ile energii pobrać z baterii.

Ostatecznym celem jest zminimalizowanie czasu przejazdu okrążenia z określonym zasobem energii. Oczywiście, jeśli użyje się mniej energii, pojedzie się wolniejsze kółko. Niepożądane jednak jest pojechanie wolniej niż pozwala na to fizyka. Jeśli chodzi o zużycie paliwa, a czas okrążenia, istnieje pewna granica tego, co jest fizycznie możliwe, a niemożliwe - nazywamy to «granicą minimalnego czasu okrążenia»

Zawsze chcemy działać na tej granicy i być jak najbliżej niemożliwego. Strategia ma swoje ograniczenia. Ilość energii z silnika także ma swoje ograniczenia, a dodatkowo energia pochodząca z baterii u przekazywana poprzez MGU-K jest ściśle określona przez przepisy. To złożony problem. Rozwiązanie pochodzi z matematycznego modelowania i optymalizacji - nazywamy to "harmonogramem energii.

W rezultacie nastąpi złożona wymiana energii pomiędzy komponentami w sieci jednostki napędowej, z różnymi poziomami energii na okrążeniu. Jest to kompletnie niewidoczne dla kierowcy, kontrolowane elektronicznie przez system kontrolny. Kierowca będzie mógł to poczuć, jednak jego nie będzie normalnie wymagana, więc będzie można skupić się na ściganiu się.

Oczywiście będzie kilka opcji sterowanych przez kierowcę, by zapewnić ogólną kontrolę nad systemem, na przykład w kwestii otrzymania maksymalnej energii do wyprzedzania. Używanie tej opcji będzie oczywiście zależało od strategii na wyścig. W teorii można go wykorzystać tyle razy ile się chce, jednak jeśli zużyje się więcej paliwa albo energii elektrycznej, to będzie trzeba później to zaoszczędzić. Maksymalna moc może być utrzymana przez jedno czy dwa okrążenia.

Fakt, że kierowca nie kontroluje balansu pomiędzy paliwem i energią nie oznacza, że jego zaangażowanie będzie mniejsze. W zasadzie będzie miał bardziej skomplikowane zadanie niż w poprzednich sezonach. Będzie musiał walczyć z bolidem podczas mocnego hamowania, uniknąć podsterowności w zakręcie, delikatnie operować pedałem gazu w środku zakrętu, w kompleksowych wirażach i szybkich łukach. Jeśli chodzi o styl jazdy, będzie wymagało to dopasowania.

Reakcja przepustnicy będzie inna, więc kierowca musi się do tego przyzwyczaić. W efekcie kiedy kierowca maksymalnie wciśnie gaz, system kontroli energii jednostki napędowej będzie miał na celu zminimalizowanie czasu przejazdu mając do dyspozycji pewną ilość energii. Jednakże maksymalnie wciśnięty gaz nie oznacza już wyzwolenia całkowitej energii silnika. Jest to tylko sygnał do jednostki napędowej, że kierowca chce jechać najszybciej jak to możliwe z określoną ilością energii. Będzie musiał się przystosować do innego czucia bolidu z systemami kontrolującymi energię.

Strategia wyścigowa i zarządzanie wyścigiem będzie również bardziej elastyczne niż w przeszłości, a optymalne rozwiązanie będzie różne w zależności od toru, oraz innych czynników, włączając w to długość maksymalnie otwartej przepustnicy, szybkość w zakrętach i konfigurację aerodynamiczną bolidu. Kiedyś producenci silników rywalizowali w maksymalnej mocy silnika, jednak teraz będą rywalizowali w inteligencji wykorzystania energii - podsumowuje Tokunaga.




Źródło:: Materiały prasowe Renault