Co już wiemy o nowych jednostkach napędowych?

Sezon rewolucji technologicznej zbliża się dużymi krokami. Im bliżej jego startu, tym coraz więcej informacji, dotyczących nowych jednostek napędowych. Dużą wpływ na pracę pakietu będą miały bez wątpienia systemy służące do odzyskiwania energii, ale ograniczenia dotyczące ilości zużywanego paliwa sprawiają, że jego jakość również nie pozostanie bez znaczenia.

JAKOŚĆ PALIWA ORAZ SMARÓW


Tim Goss, dyrektor techniczny zespołu McLaren przyznał w rozmowie z Peterem Windsorem, że niezależnie od sposobu zarządzania energią wszystko sprowadza się do paliwa, jego jakości i umiejętnego wykorzystania.

„W sumie to wszystko sprowadza się do paliwa i kaloryczności. Jedyną rzeczą, która wytwarza energię w samochodzie jest paliwo. Część zostanie wykorzystana do zasilenia wału korbowego, a pozostała część zostanie zamieniona na energię elektryczną i wykorzystana później. To do czego zmierzasz, to wyciągnięcie tak dużo jak to tylko możliwe z każdej kropli paliwa. Więc wydajność paliwa gra ogromną część w całościowej formie nowej jednostki napędowej, która będzie wykorzystywana w przyszłym sezonie.”

Słowa Gossa potwierdził również Bruce Crawley, menadżer firmy Mobil 1, odpowiedzialny za pracę departamentu sportów motorowych.

„To wyzwanie, polegające na wyciągnięciu jak największej ilości dostępnej energii, która pochodzi z paliwa, przy jednoczesnej minimalizacji strat wywołanych przez tarcie, poprzez użycie odpowiednich smarów. To będzie odgrywało kluczową rolę.

Narzucone przez nowe przepisy limity, dotyczące zużycia paliwa oraz obrotów silnika oznaczają, że w dużej mierze ciężar zarządzania mocą całej jednostki zostanie przeniesiony na turbinę. Jest to obszar, w którym inżynierowie F1 nie poruszali się od bardzo wielu lat, więc możemy się spodziewać w tym zakresie wielu ciekawych rozwiązań. Wielkość turbiny będzie mniej więcej odpowiadała wielkości samego silnika, co można zauważyć na zdjęciach jednostek opublikowanych przez Renault czy Mercedesa. Przypomnę, że obroty nowego silnika zostały zmniejszone do 15 tysięcy obrotów, kierowca w czasie wyścigu będzie miał do dyspozycji jedynie 100 kilogramów paliwa, które będzie mogło być wtłaczane bezpośrednio do komory spalania z maksymalnym ciśnieniem 500 barów, przy jednoczesnym ograniczeniu przepływu.

W trakcie prac rozwojowych okazało się, że w nowych jednostkach powrócił stary problem nazywany spalaniem stukowym. W komorze spalania zamiast jednego wybuchu wywołanego iskrą, przebiegającego w sposób kontrolowany, pojawiają się dwa. Drugi powstaje w skutek samozapłonu w przeciwległej części komory. Jest to wynik zwiększonego ciśnienia oraz temperatury. Prędkość spalania mieszanki gwałtownie wzrasta, co przekłada się na większą ilość generowanego ciepła oraz wywołuje dodatkowe obciążenia dla całego układu napędowego. Z punktu widzenia niezawodności silnika prawdopodobieństwo wystąpienia tego typu zjawiska musi zostać ograniczone do minimum. To zadanie w dużej mierze stoi przed producentami mieszanek, które powinny zostać zaprojektowane w ten sposób, aby spalanie przebiegało w sposób kontrolowany, bez dodatkowych obciążeń dla elementów silnika. Poniższe słowa dyrektora technicznego zespołu McLaren stanowią doskonałe uzupełnienie powyższego fragmentu.

„To duży problem, dotyczący sezonu 2014, bo mamy wolniej kręcący się silnik, maksymalna prędkość silnika została ograniczona do 15 tysięcy obrotów. Z powodu kolejnej regulacji dotyczącej linii przepływu paliwa, maksymalna wydajność silnika została przesunięta na niższe obroty silnika, ale za to z dużym doładowaniem, bo silnik jest doładowywany przez turbosprężarkę. Niższa prędkość silnika oraz duże doładowanie powodują, że komora spalania na tendencję do stukania, co stanowi całkiem nowe wyzwanie dla dostawców paliwa. Redukcja tego zjawiska przełoży się bezpośrednio na lepszą wydajność silnika.”

ZASILANIE TURBINY


Ważnym elementem całej układanki jest fakt, że turbina będzie dodatkowo zasilana elektrycznie, co oznacza, że wyeliminowany zostanie efekt opóźnienia oraz będzie możliwe zarządzanie jej pracą podczas wyścigu. Tim Goss sugeruje, że na kierownicach przyszłorocznych bolidów pojawi się kilka nowych pokręteł, służących do tego celu.

„Turbosprężarka będzie miała podłączony elektryczny silnik. Więc to, co w przeszłości zależało od samej sprężarki, generowanie określonej prędkości za pomocą gazów wylotowych, w tym przypadku może przejąć silnik elektryczny, który możemy wykorzystać zarówno do wygenerowania energii, zmagazynowania jej oraz późniejszego wykorzystania podczas jazdy, jak również możemy wykorzystać silnik elektryczny do podkręcenia turbosprężarki.”

„Masz możliwość zarządzania turbosprężarką, wybrania odpowiedniej prędkości w dowolnym czasie. To będzie kosztowało cię porcję energii, którą mógłbyś użyć do zasilenia samochodu później, ale ponownie dochodzimy do znalezienia odpowiedniego sposobu na wykorzystanie energii elektrycznej, czy to do poprawienia odpowiedzi silnika i zdolności jezdnych czy też do zwykłego zasilenia samochodu na prostej.”

„Będą pewne opcje, kierowca [w trakcie wyścigu] będzie miał opcje wyboru różnych ustawień pracy silnika elektrycznego turbiny.”

NIEZAWODNOŚĆ


Nowe jednostki, będą zdecydowanie bardziej złożone od obecnie używanych. Silnik, turbina, systemy odzyskiwania energii, niezawodność całego pakietu będzie miała ogromne znaczenie, bo ewentualne uszkodzenie któregokolwiek z elementów składowych praktycznie wyeliminuje kierowcę z dalszej walki.

„Niezawodność w F1 osiągnęła bardzo wysoki poziom w ciągu ostatnich piętnastu lat. Teraz oglądamy wyścigi i nie oczekujemy, że samochody zaczną się psuć, jak to miało miejsce w przeszłości. Czołówka zwykle dojeżdża do mety. Przy tak dużej zmianie, będzie ogromnym wyzwaniem, aby samochody dojeżdżały do końca wyścigu.”

Powyższe słowa Tima Gossa sugerują, że przynajmniej w trakcie zimowych testów oraz pierwszych wyścigów sezonu możemy być świadkami nieco większej liczby awarii, niż w ostatnich latach.

Przy tak złożonym pakiecie, znalezienie ewentualnej usterki będzie nie lada wyzwaniem. Ponieważ każda jednostka będzie składała się z sześciu modułów, a każdy z kierowców otrzyma do dyspozycji tylko pięć kompletów, trafna i szybka diagnoza będzie niezwykle ważna.

Żywotność silnika stanie się jednym z kluczowych elementów układanki. Wspominał o tym również Luca Marmorini w rozmowie z serwisem Autosport.

„W następnym sezonie, każdy, kto będzie zdolny posługiwać się dobrze silnikiem i być niezawodnym osiągnie dobry wynik na koniec sezonu.”

„Domyślam się, że każdy w drugiej części sezonu będzie miał duży problem i będzie niezwykle trudno dotrwać do końca sezonu bez usterek.”

„Rozważając to mówimy o czterech do pięciu tysięcy kilometrów na jednostkę, to prawie drugie tyle w porównaniu do tego, co jest teraz.”

Przypomnę tylko, że karą za użycie elementu spoza puli pięciu dostępnych będzie przesunięcie o dziesięć miejsc na starcie wyścigu, a wymiana całego silnika to automatyczne przesunięcie na koniec stawki. Jednak jeśli suma kar przekroczy ostatnią pozycję, to pozostała część kary zostanie wyegzekwowana w kolejnym wyścigu. Słowa o szybkiej i trafnej diagnozie nabierają w tym świetle dodatkowego znaczenia. W sezonie 2015 limit dostępnych jednostek ma zostać jeszcze zmniejszony do czterech kompletów na kierowcę.

CHŁODZENIE


Wyzwanie, to jedno z najczęściej pojawiających się słów, opisujących pracę nad nowymi jednostkami. Wielu inżynierów uważa, że chłodzenie będzie miało ogromny wpływ na wydajność oraz niezawodność nowych silników. Silnik sam w sobie jest bardzo niewielki i nie wymaga specjalnego chłodzenia. Pojawia się wiele sugestii, że do schłodzenia nowego silnika oraz skrzyni biegów w zupełności wystarczyłby jeden radiator, umieszczony w bocznej sekcji bolidu. Sprawa znacznie się skomplikuje, jeśli weźmiemy pod uwagę chłodzenie zestawu baterii, magazynującego odzyskaną energię oraz chłodzenie powietrza z turbiny.

Doświadczenia z systemem KERS pokazały, że utrzymanie odpowiedniej temperatury baterii jest kluczowe dla pracy oraz wydajności systemu. Wielokrotne problemy, jakich doświadczał na tym polu zespół Red Bulla spowodowane są ciasnym upakowaniem baterii oraz słabym chłodzeniem. Potwierdza to fakt, że awarie częściej zdarzały się w samochodzie prowadzonym przez Marka Webbera, który w przeciwieństwie do swojego partnera zwykle jechał w tzw. brudnym powietrzu. Ilość energii magazynowanej przez ERS będzie znacznie większa,a to w dużym skrócie oznacza zdecydowanie większą ilość wydzielanego ciepła.

Sprawa schłodzenia rozgrzanego powietrza generowanego przez sprężarkę również wymaga znalezienia odpowiednich rozwiązań. Zastosowanie chłodnicy przejściowej (tzw. intercoolera) wydaje się naturalnym rozwiązaniem, jednak w tym przypadku jej rozmiary będą bardzo duże. Jak duże? Będzie ona rozmiarem zbliżona do obecnych chłodnic stosowanych w bolidach, lub nieznacznie większa, co od razu nasuwa pewne sugestie dotyczące jej lokalizacji.

Mark Smith, pracujący dla zespołu Caterham uważa, że znalezienie kompromisu pomiędzy chłodzeniem a aerodynamiką jest obecne największym problemem przed jakim stoją inżynierowie.

„Jest niezwykle łatwo znaleźć rozwiązanie, które będzie chłodziło, ale znalezienie takiego rozwiązania przy zachowaniu optymalnej aerodynamiki jest dużym wyzwaniem.”

„Chłodnica powietrza sprężarki, do chłodzenia powietrza wychodzącego ze sprężarki i trafiającego do silnika , będzie ze wszystkich instalacji, dość znacząca. Fizycznie, jej rozmiar podyktuje sposób upakowania całego systemu chłodzenia. To największa pojedyncza część, i myślę, że sama w sobie jest wyzwaniem, jeśli chodzi o architekturę całego samochodu.”

W podobnym tonie wypowiedział się James Key z Toro Rosso.

„O tak, wymagania dotyczące chłodzenie są całkowicie inne. Mamy turbosprężarkę z chłodnicą na niej, znacznie większy pakiet odzyskujący energię (ERS), który naturalnie pompuje więcej ciepła i oczywiście nadal pozostaje kwestia skrzyni biegów, hydrauliki, chłodzenia wody oraz oleju, więc mamy kompletnie inną sytuację, niż ta, do której przywykliśmy. To wszystko chcesz upakować najciaśniej, jak to tylko jest możliwe. Zaangażowane są w to nowe technologie – to nie jest sprzęt, [na] który możesz przenieść [doświadczenie].”

Craig Scarborough uważa, że chłodnica pośrednia zajmie miejsce jednego z radiatorów umieszczonego w bocznej strefie bolidu. Obecnie chłodzenie wody i oleju jest rozdzielone pomiędzy oba boczne wloty powietrza, ale z uwagi na znaczne zmniejszenie pojemności i fizycznej wielkości silnika, w przyszłym sezonie zastosowanie pojedynczego radiatora powinno wystarczyć. Teoretycznie możliwe jest chłodzenie powietrza generowanego przez turbinę po obu stronach, ale instalacja w takim przypadku będzie dość skomplikowana i mało praktyczna. Możemy się spodziewać, że boczne wloty powietrza w przyszłorocznych bolidach nieco spuchną w stosunku do aktualnych konstrukcji.

Powyższe informacje stanowią jedynie mały wycinek większej całości, wyzwania z jakim przyszło się zmierzyć inżynierom pracującym nad rozwojem nowych jednostek oraz projektującymi przyszłoroczne bolidy. Z czasem informacji dotyczących obu kwestii będzie coraz więcej, a punktem przełomowym z pewnością będą pierwsze zimowe testy. Ilość zmian w regulaminie jest tak duża, że trudno je wszystkie zebrać w jednej publikacji, a to z kolei oznacza, że zbliżający się sezon może być pełen całkiem nowych rozwiązań. Najlepsi inżynierowie na świecie powracają w obszary, w których nie było ich przez kilkanaście lat. To może oznaczać zarówno dla nich jak i dla nas kupę zabawy…