2014 formula: pohonné ústrojenstvo, časť tretia

Preplňovanie

Asi najväčšou zmenou v motorových pravidlách je znovuzavedenie preplňovania, s ktorým sme sa v F1 mohli naposledy stretnúť v roku 1988. Monoposty budú môcť mať iba jedno turbodúchadlo, pričom je definované, kde bude umiestnené.

Článok 5.1.6 Preplňovanie môže byť dosahované iba použitím jedného jednostupňového dúchadla spojeného s jednou jednostupňovou výfukovou turbínou hriadeľom, ktorý je rovnobežný s kľukovým hriadeľom motora a vzdialený maximálne 25 mm od stredovej osi vozidla. Hriadeľ musí byť navrhnutý tak, aby zabezpečil, že zostava hriadeľa, dúchadlo a turbína sa vždy otáčajú okolo spoločnej osi a rovnakou uhlovou rýchlosťou. K hriadeľu môže byť priamo pripojený elektrický motorgenerátor (MGU-H).

Podľa znenia pravidiel musí byť os turbodúchadla rovnobežná s kľukovým hriadeľom a vzdialená maximálne 25 mm od pozdĺžnej stredovej osi vozidla. Zjednodušene to znamená, že turbodúchadlo môže byť umiestnené iba pred alebo za motorom. Keďže výfukové plyny musia vychádzať z výfukov, ktorých pozícia v zadnej časti vozidla je tiež prísne definovaná, je nepravdepodobné, že by sa niektorý výrobca rozhodol dať turbodúchadlo pred motor.

Teoreticky však existuje aj možnosť uložiť turbodúchadlo tak, že dúchadlo pred motorom by bolo spojené hriadeľom medzi dvoma radmi valcov s turbínou za motorom. Pri takomto usporiadaní by sa dúchadlo nachádzalo na chladnejšom mieste a viedlo by z neho kratšie potrubie, čo by ocenili aerodynamici. Hoci je to pomerne elegantné riešenie, má jednu zásadnú nevýhodu. Pomerne dlhý a ťažký hriadeľ by kvôli vysokej zotrvačnosti nemal pri roztáčaní turbíny správnu a dostatočne rýchlu odozvu a dochádzalo by k problémom spojeným s nízkou torznou tuhosťou (skrut, torzné kmity). Preto sa tento variant javí ako nanajvýš nepravdepodobný a mali by sme skôr očakávať umiestnenie turbodúchadiel za motorom.

Dvojprúdové turbodúchadlo (twin-scroll)

Pravidlá nevylučujú možnosť použitia dvojprúdového turbodúchadla (twin-scroll), ktoré je vzhľadom na stavbu motora a technické predpisy vhodnejšie ako jednoduché jednoprúdové turbodúchadlo. Riešenie twin-scroll bude u väčšiny vývojárov veľmi pravdepodobne voľbou číslo jedna.

Turbodúchadlo typu twin-scroll má dva oddelené vstupy a závity pre dva výfukové trakty (jeden menší s ostrejším uhlom pre rýchlu odozvu a druhý väčší na dosiahnutie maximálneho výkonu), čím možno znížiť spätný tlak výfukových plynov a využiť ich pulzujúci efekt. Výhodou prietoku výfukových plynov cez samostatné závity je efektívnejšie vyprázdňovanie valcov, vďaka čomu možno znížiť teplotu výfukových plynov, množstvo emisií oxidov dusíka a zvýšiť účinnosť turbíny.

Magneti Marelli - Turbodúchadlo a MGU-H

Obrázok 4: Turbodúchadlo s integrovaným motorgenerátorom na rekuperáciu tepelnej energie (MGU-H)
Zdroj: Magneti Marelli

Preplňovanie si zároveň vyžaduje úplne inú architektúru motora oproti atmosférickým agregátom. V dôsledku ďaleko vyššieho tlaku vo valcoch sa musí zmeniť usporiadanie, tvar a rozmery vnútorných súčastí motora. Podľa Renaultu bude značný rozdiel napríklad v piestoch a nielen preto, že piest nového šesťvalca je menší ako piest osemvalca. Pre tvar piestu je rozhodujúci fakt, že pomer medzi tlakovou silou a zotrvačnou silou je u V6 piestu viac na strane tlakových síl, zatiaľ čo v prípade V8 sú dominantné zotrvačné sily.

Keď už je reč o turbodúchadle, nesmieme zabúdať na neslávne známy sprievodný jav tohto zariadenia. Je ním takzvaný „turboefekt“, teda oneskorenie reakcie motora na zošliapnutie pedálu akcelerátora. Množstvo vzduchu a plniaci tlak závisí na množstve a tlaku spalín. Keď je zaťaženie motora nízke a pilot by náhle potreboval akcelerovať, určitú dobu by trvalo, než by sa vytvoril dostatočný tlak výfukových plynov, potrebných na roztočenie turbíny. Nástup výkonu by v takom prípade nezodpovedal požiadavke pilota, nakoľko by prišiel so spomínaným oneskorením. Inžinieri preto budú musieť tento efekt odstrániť, no riešením nebude ani dodatočné vstrekovanie paliva do turbodúchadla (v poslednej turbo ére bežný, aj keď z hľadiska spoľahlivosti pomerne primitívny anti-lag systém) a ani variabilná geometria rozvádzacích lopatiek turbíny.

Časť pravidiel píše o zákaze výfukových systémov a turbodúchadiel s variabilnou geometriou. Sú zakázané obe formy variabilnej geometrie turbíny bežne používané v automobilovom priemysle kvôli regulácii turbodúchadla v celom rozsahu otáčok motora – VGT (variable geometry turbine) a VNT (variable nozzle turbine).

  • Poznámka: Premenlivá geometria lopatiek plynule mení účinnosť turbíny a umožňuje tak vytvoriť pre maximálne široký rozsah otáčok takmer konštantný plniaci tlak. V prípade, že je pri nízkych otáčkach motora plniaci tlak slabý, riadenie zmení polohu rozvádzacích lopatiek, ktoré zúžia prierez prívodu a tak zrýchlia prúd výfukových plynov, čím zvýšia plniaci tlak. Naopak, ak sa plniaci tlak pri vyšších otáčkach zvýši, riadenie zväčší prierez prívodu tak, že opäť zmení polohu rozvádzacích lopatiek.

K riešeniu problému s „turboefektom“ sa vrátime v ďalšej časti článku 2014 formula: pohonné ústrojenstvo.

Plniaci tlak

Výkon turbomotorov monopostov z 80. rokov minulého storočia bol regulovaný plniacim tlakom, kým nová generácia motorov bude mať obmedzený prietok paliva a regulované množstvo paliva využiteľného počas pretekov. Plniaci tlak bude voliteľným parametrom a vývoj turbodúchadiel bude voľný až na niektoré obmedzenia zmienené vyššie. Plniaci tlak turbodúchadla bude tvoriť rozdiely vo výkonnosti a otvorí tímom zaujímavé strategické možnosti.

V ranej fáze výskumu nových šesťvalcov stál každý vývojár pred rozhodnutím, či pri danom množstve paliva využiť maximálne povolené otáčky, alebo mať nižšie otáčky a vyšší plniaci tlak. „Máme tieto dve alternatívy, ale nemyslím si, že by sme po jednej a tej istej možnosti museli siahnuť v každom prípade. Voľba bude záležať od stratégie, takže sa môže líšiť nielen okruh od okruhu, ale aj v závislosti od podmienok. Napríklad v kvalifikácii sa použije jedno nastavenie a v pretekoch zas iné. Dokonca aj počas pretekov by sme mohli mať viacero možných stratégií,“ povedal Gilles Simon.

„Kvôli určitej flexibilite je nutné vyvinúť motor s prihliadnutím na obe možnosti a to je vždy vecou kompromisu. Musíme však rozhodnúť, ktorá z nich bude preferovaná, pretože napríklad profil vačkového hriadeľa nemôže byť optimálny pre oba varianty. Nebolo by preto rozumné vyvíjať motor iba s ohľadom na to, že vždy bude pracovať v maximálnych otáčkach. Výrobca musí umožniť aj využívanie vyššieho plniaceho tlaku. V konečnom dôsledku to môže viesť k odlišnostiam vo výkonnosti motorov v rôznych fázach pretekov,“ dodal francúzsky inžinier.

V reči čísel by sa mohol plniaci tlak turbodúchadiel pohybovať okolo hodnoty 0,2 až 0,3 MPa. Počas prvej „turbo éry“ na konci 70. rokov a v 80. rokoch minulého storočia plniace tlaky presahovali v kvalifikácii aj 0,5 MPa a 0,3 MPa v pretekoch. V roku 1987 bol však prijatý dvojročný plán na postupné odstránenie turbomotorov z F1, pričom sa najskôr zaviedol povinný obmedzovací ventil plniaceho tlaku. Očakávalo sa, že plniaci tlak 0,4 MPa zníži prevahu preplňovaných motorov nad atmosférickými, ale ani jeho ďalšie zníženie na 0,25 MPa v roku 1988 turbomotorom na konkurencieschopnosti neubralo. Rozdiel bol ale citeľný – najvýkonnejšie motory v roku 1986 dosahovali maximálny výkon takmer 1100 kW, po prvom obmedzení v nasledujúcej sezóne už „iba“ 750 kW a napokon v roku 1988 510 kW.

Pre porovnanie súčasné prototypy World Endurance Championship kategórie LMP1 s turbomotormi majú plniaci tlak 0,28 MPa.

Medzichladič plniaceho vzduchu

Na základe vyjadrenia zástupcov Renaultu budú mať všetky monoposty medzichladič z dôvodu zvýšenia tepelnej účinnosti a kvôli prevencii pred samovznietením paliva vo valcoch. Teplota stlačeného nasávaného vzduchu na výstupe z dúchadla totiž vystúpi na 140 až 150 °C a bez dostatočného schladenia by bolo nežiaduce privádzať ho do spaľovacej komory. Chladenie nasávaného vzduchu prinesie vďaka vyššej hmotnosti kyslíka umožňujúceho zhorenie adekvátne zvýšenej dávky paliva priamy nárast výkonu motora. Tým sa prevážia nevýhody spôsobené zvýšeným aerodynamickým odporom a pridanou hmotnosťou medzichladiča a potrubí.

Inštalácia dodatočnej chladiacej sústavy ale nebude tak jednoduchá ako v prípade kapotovaných vozidiel. Ako už bolo spomenuté, väčšie ochladenie stlačeného vzduchu znamená vyšší výkon, ale i potrebu privádzať ku chladičom viac vzduchu a s tým spojený vyšší aerodynamický odpor. Pre dizajnérov bude skutočnou výzvou správne uloženie chladiacej sústavy ako z hľadiska rozloženia hmotnosti a rozvrhnutia dizajnu karosérie, tak i z pohľadu účinnosti chladenia. Súčasťou karosérie budú ďalšie vstupné otvory pre prívod vzduchu k medzichladičom a kým motorári by si želali, aby boli čo najväčšie, aerodynamici budú mať presne opačnú požiadavku. Tímy budú musieť s výrobcami motorov nájsť optimálnu rovnováhu medzi týmito protichodnými požiadavkami – kompromis medzi výhodami plynúcimi z vyššieho výkonu motora a na druhej strane z nižšieho aerodynamického odporu.

Medzichladiče budú pravdepodobne dva (namiesto jedného väčšieho) a budú uložené v bočniciach monopostu. Takáto konfigurácia je výhodná hlavne kvôli vyváženiu plniaceho tlaku v sacích potrubiach v oboch radoch valcov.

Ústrednou témou štvrtej časti článku budú hybridné systémy na rekuperáciu energie, vďaka ktorým sa má Formula 1 opäť stať akýmsi výskumným laboratóriom pre bežný automobilový priemysel.

Reklamy

5 responses to “2014 formula: pohonné ústrojenstvo, časť tretia

  1. Výborná série článků o nových motorech, díky.
    Konečně taky relevantní obrázek turba a né jenom ta obluda připomínající divizi RenaultTrucks co proběhla po všech webech.
    Čtvrtá část ještě není nebo jsem slepý ?

  2. 23.3. a 4ka stale nikde… predchadzajuce casti boli vyborne,ale toto cakanie ma zabija. Chodim sem hadam kazdy den…

Pridaj komentár

Zadajte svoje údaje, alebo kliknite na ikonu pre prihlásenie:

WordPress.com Logo

Na komentovanie používate váš WordPress.com účet. Odhlásiť sa / Zmeniť )

Twitter picture

Na komentovanie používate váš Twitter účet. Odhlásiť sa / Zmeniť )

Facebook photo

Na komentovanie používate váš Facebook účet. Odhlásiť sa / Zmeniť )

Google+ photo

Na komentovanie používate váš Google+ účet. Odhlásiť sa / Zmeniť )

Connecting to %s