Technologia, która kryje się za dominacją Mercedesa jest teraz w rękach Ferrari

Sto kilogramów paliwa – to główne, ale nie jedyne ograniczenie przed jakim stanęli konstruktorzy jednostek napędowych w 2010 roku. Całkowicie nowe rozdanie było szansą dla wszystkich, ale historia pokazała, że to inżynierowie z Brixworth najlepiej odrobili zadanie domowe, zapewniając zespołowi Mercedesa dwa tytuły mistrza świata oraz szansę na trzeci. W całej sytuacji bardziej imponujący od rezultatów jest styl w jakim kierowcy Srebrnych Strzał poradzili sobie z rywalami. Słowo dominacja było i nadal jest odmieniane przez wszystkie przypadki i mimo upływu czasu jednostki napędowe Mercedesa nadal są punktem odniesienia dla nadrabiających starty konkurentów.

Wielokrotnie padało pytanie jaką tajemnicę kryje jednostka napędowa Mercedesa, a w gąszczu pojawiających się odpowiedzi trudno była znaleźć tę jedną, rozwiewającą wszelkie wątpliwości. 1250 osób pracujących nad projektem, ogromne zaplecze technologiczne oraz setki milionów zainwestowanych w operację wyścigową mogły tłumaczyć sukces, ale z pewnością nie jego bezpośrednią przyczynę. Nie brakowało również głosów, że niemiecki producent znalazł dziurę w przepisach i ją wykorzystał podobnie jak to miało miejsce w 2009 roku z zespołem Rossa Brawna.

F1 ma to do siebie, że każda tajemnica prędzej czy później ujrzy światło dzienne i nie inaczej jest w tym przypadku. Czy to możliwe, że za sukcesem Mercedesa stoi Cosworth? Szefowie niemieckiego koncernu nie byliby zadowoleni słysząc takie stwierdzenie, szczególnie jeśli weźmiemy pod uwagę to, co zostało napisane powyżej, ale wszystko wskazuje na to, że kluczem do dzisiejszych sukcesów Mercedesa była technologia opracowana przez MAHLE Powertrain, firmę, która powstała w 2005 roku na bazie Cosworth Technology Group.

Technologia, o której mowa to Turbulent Jet Ignition (TJI), której podstawą jest wykorzystanie komory wstępnej (pre-chamber), do uzyskania wysokiej wydajności spalania w komorze głównej przy wykorzystaniu znacznie uboższej mieszanki.

Grafika prezentująca podstawy TJI (fot. MAHLE)

Opracowanie TJI, którą firma Mahle pochwaliła się po raz pierwszy w 2014 roku (pierwsze wzmianki w 2010) jest następstwem procesu zapoczątkowanego pięć lat wcześniej, którego celem było zaprojektowanie małej i jednocześnie wydajnej jednostki spalinowej, zwiększającej zasięg samochodów elektrycznych. Równolegle z tym projektem MAHLE Powertrain pracowało nad silnikiem nazwanym Advanced Downsizing Technology Demonstrator. W 2010 prototypowy silnik został po raz pierwszy zamontowany w samochodzie osobowym, a testy potwierdziły wszystkie oczekiwania związane z wysoką mocą oraz momentem obrotowym przy jednoczesnym, bardzo niskim zużyciu paliwa. Praca badawcze zaowocowały kilkoma patentami, w tym dla TJI. Wszystko to zbiega się w czasie z wprowadzeniem nowych jednostek napędowych.

Jak to działa Turbulent Jet Ignition? Technologia wykorzystuje tradycyjny sposób zapłonu w komorze wstępnej, gdzie paliwo jest wtryskiwane w sposób bezpośredni. W momencie wybuchu mieszanki gorący płomień dostaje się do komory głównej poprzez miniaturowe otwory. Dzięki temu dochodzi do bardzo mocnego zapłonu w komorze głównej, wypełnionej stosunkowo ubogą mieszanką. Kilka płomieni (cztery lub sześć) gwarantuje, że proces spalania w komorze głównej przebiega niezwykle szybko i wydajnie. Złożoność całego procesu, w pewnym przybliżeniu, prezentuje poniższy film, przygotowany przez firmę MAN.



Małe średnice otworów w komorze wstępnej, którymi gorące płomienie dostają się do komory głównej, dodatkowo wywołują turbulencje strumienia, dzięki czemu płomienie inicjujące zapłon docierają w głąb komory. W ten sposób mieszanka uboższa o 20%, której zapłon nie byłby możliwy do uzyskania przy użyciu zwykłej iskry, pozwala na uzyskanie wydajności termicznej zbliżonej do 45%. Dokładnie taką wartość Paddy Lowe podał w jednym z ostatnich wywiadów poświęconych wydajności nowych jednostek napędowych. Kolejna zaletą jest stosunkowo niska temperatura spalania oraz mniejsze starty związane z napełnieniem oraz opróżnieniem cylindra.

Nie ma żadnego oficjalnego oraz bezpośredniego potwierdzenia, że MAHLE współpracowało z inżynierami z Brixworth przy budowie nowej jednostki napędowej. Nie jest jednak tajemnicą, że firma od wielu lat jest dostawcą tłoków dla Mercedesa, w przeszłości zaopatrywał również innych producentów. Faktem jest również, że technologia TJI została zaprojektowana i wykonana do wykorzystania w F1, o czym możemy przeczytać w jednym z oświadczeń prasowych firmy.

Analiza oświadczeń prasowych publikowanych przez MAHLE jednoznacznie wskazuje, że firma od wielu lat współpracuje z zespołem Ferrari, ale dopiero w 2015 roku ta współpraca została rozszerzona o rozwiązania dotyczące zmniejszenia zużycia paliwa oraz emisji spalin. W rocznym raporcie opublikowanym zaledwie kilka dni temu, bo 22 kwietnia, możemy wprost przeczytać, że MAHLE, na podstawie technologii Jet Ignition opracowała nowe rozwiązania dla włoskiego zespołu.

Nie ma zatem żadnych wątpliwości, że technologia, która zapewniła Mercedesowi całkowitą dominację na torach jest teraz w rękach Ferrari. Nie można wykluczyć, że inżynierowie z Brixworth równolegle do prac prowadzonych przez specjalistów MAHLE, zaprojektowali zbliżone rozwiązania, ale ze względu na bliski przedział czasowy jest to mało prawdopodobne.

Niewykluczone jest również, że transfer technologiczny pomiędzy Mercedesem i Ferrari, o którym w 2015 mówił Gerhard Berger oraz kilkukrotnie wspominał Bernie Ecclestone, dokonał się właśnie za pośrednictwem MAHLE. Technologia, która była do tej pory była wykorzystywana pod dachem fabryki w Brixworth stałą się publicznie dostępna i zimą 2014 roku zawitała do Maranello.

Dlaczego mimo tak ogromnej złożoności nowych jednostek TJI jest kluczem do budowy wydajnego silnika? Cała energia zarówno przełożona na oś napędową oraz odzyskana i zmagazynowana w bateriach do ponownego użycia jest pochodną spalania paliwa. Nawet najbardziej wydajny i dobrze zbalansowany system zarządzania energią na nic się zda, jeśli wydajność jednostki spalinowej będzie niska. Przekonywał o tym m.in. Tim Goss na długo przed tym, jak pierwsze jednostki hybrydowe wyjechały na tor.

„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.

Coraz więcej mówi się o Renault oraz Hondzie, jako kolejnych producentach jednostek, którzy zamierzają pójść tą samą ścieżką. W obu przypadkach trwają zaawansowane prace rozwojowe, dotyczące wykorzystania komory wstępnej, a pierwsze efekty tych działań powinniśmy zobaczyć na torze w okolicy GP Kanady. To może tłumaczyć, dlaczego inżynierowie z Viry to oszczędnie gospodarowali tegorocznymi żetonami. Zakres poprawek wykonanych przez zespół Ferrari w czasie zimowej przerwy pokazuje, że dostosowanie jednostki do wykorzystania technologii zbliżonej do TJI wymaga przeprojektowania znacznej części silnika spalinowego (m.in. komory spalania, tłoków, zaworów oraz układu wtryskowego), a to pociąga za sobą konieczność wyłożenia sporej ilości żetonów na stół.

Pewne jest również, że wszystkie doniesienia, mówiące o wykorzystaniu HCCI są dalekie od prawdy. Sugerują to nie tylko ograniczenia technologiczne dotyczące HCCI, ale również wspólne działania zespołu Ferrari oraz firmy MAHLE, skupione na rozwoju technologii wykorzystującej tradycyjny układ zapłonowy, do zapoczątkowania reakcji w komorze spalania. TJI zapewnia zbliżoną wydajność termiczną, a przy tym jest łatwiejsza do wdrożenia, kontrolowania, może być wykorzystywana przy małym oraz dużym obciążeniu oraz zapewnia znacznie niższą temperaturę spalania, co przy problemach związanych z chłodzeniem turbiny oraz układów odzyskiwania energii jest prawdziwym błogosławieństwem.

Nie można wykluczyć, że udostępnienie szczegółów technicznych dotyczących TJI może być częścią aktualnie trwającego procesu zbliżenia osiągów wszystkich silników w stawce. Warunki postawione przez FIA zakładają, że już w najbliższym sezonie różnica mocy nie będzie większa niż 2%. Według informacji BBC Ferrari i Mercedes już osiągnęły tę zgodność, reszta powinna dołączyć wkrótce.