2014 formula: pohonné ústrojenstvo, časť štvrtá

V predchádzajúcich častiach článku bola reč o „downsizingu“, obmedzení množstva energie vstupujúcej do motora a ďalších opatreniach, ktoré majú pomerne radikálne znížiť spotrebu paliva a emisie. FIA pritom vyžaduje, aby nové monoposty neboli výrazne pomalšie, než ich predchodcovia. Dve na prvý pohľad protichodné požiadavky majú iba jedno riešenie – zvýšenie účinnosti pohonného ústrojenstva. Samotný agregát by ale nebol schopný ani s preplňovaním dosiahnuť tak vysokú účinnosť, aby produkoval výkon porovnateľný, či dokonca vyšší ako dnešných 560 až 575 kilowattov. Napriek tomu sa nebude celkový výkon pohonnej jednotky v roku 2014 výrazne líšiť od súčasných merítok. Bude to tak vďaka novým výkonnejším hybridným systémom.

Hybridné systémy

Ich dôležitosť najlepšie vystihujú slová Andyho Cowella, generálneho riaditeľa Mercedes AMG High Performance Powertrains, ktorý povedal: „Dnes je náročné byť rýchly bez KERS, no v roku 2014 bude nemožné bez ERS vôbec pretekať.“

Niekomu by sa mohlo zdať, že v predchádzajúcej vete je preklep. Pravda je však taká, že systémy na rekuperáciu energie (ERS, z angl. Energy Recovery System) už nebudú získavať využiteľnú energiu iba premenou kinetickej energie pri brzdení. Z ich názvu odpadá písmeno „K“ (Kinetic), keďže rekuperácia sa bude vďaka sofistikovaným riešeniam turbodúchadiel vzťahovať aj na obrovské množstvo odpadovej energie výfukových plynov, ktorá v posledných rokoch slúži dizajnérom monopostov na zvyšovanie aerodynamickej výkonnosti.

ERS sa stane plne integrovanou súčasťou pohonnej jednotky, ktorá bola od počiatku navrhovaná okolo týchto hybridných systémov. Keď uvážime, že dnešný KERS bol k motoru pridaný až dodatočne vo veľmi pokročilej fáze vývojového cyklu motora, nová pohonná jednotka prinesie úplne iný prístup k systémom na rekuperáciu energie, aký poznáme dnes. Jazdec už nebude zvyšovať výkon svojho monopostu stlačením tlačidla na volante, ale pohonná jednotka ako celok (spaľovací motor a ERS) bude prirodzene odpovedať na požiadavku pilota, ktorý prísun krútiaceho momentu ovláda prostredníctvom stlačenia pedálu akcelerátora. V praxi teda nebude dôležité akým spôsobom jazdec výkon získa, nakoľko elektronika bude ovládať prúdenie energie v rámci pohonnej jednotky – dôležité bude to, že výkon bude vždy dostupný iba jednoduchým zatlačením plynového pedálu.

Inteligentné elektronické systémy budú neustále ovládať zber, konverziu, ukladanie, presmerovanie a aplikovanie energie v závislosti od jazdnej situácie. Na účely získavania a znovu využitia energie budú slúžiť dva motorgenerátory – MGU-K (rekuperácia kinetickej energie), ktorý je v zásade zhodný s dnešným KERS a MGU-H (rekuperácia tepla výfukových plynov).

Architektúra hybridnej pohonnej jednotky Renault Energy F1-2014

Architektúra hybridnej pohonnej jednotky Renault Energy F1-2014

MGU-K (Kinetic Motor Generator Unit)

Tento kvapalinou chladený synchrónny elektromotor s permanentnými magnetmi bude aj naďalej spojený s kľukovým hriadeľom prostredníctvom pevného prevodu (približne v pomere 3:1 k rýchlosti otáčania kľukového hriadeľa). Pracuje v dvoch režimoch umožňujúcich buď získanie, alebo opätovné využitie elektrickej energie. V stave, keď je neúčinný, je odpojený, aby motoru neuberal výkon. Maximálny krútiaci moment elektromotora nesmie presiahnuť 200 Nm a jeho výkon je obmedzený na 120 kW.

K prevodu kinetickej energie na elektrickú dochádza pri brzdení, keď elektromotor funguje ako generátor striedavého prúdu poháňaný kľukovým hriadeľom. Potom, čo jazdec zošliapne brzdový pedál a riadiaca jednotka vyhodnotí brzdenie, hriadeľ elektromotora sa cez sústavu hydraulických spojok a prevodov pripojí ku kľukovému hriadeľu a začína zber energie, resp. lepšie povedané premena mechanickej práce na elektrické napätie.

Ide v podstate o dodatočný brzdný výkon a keďže motor s MGU-K má väčšiu schopnosť brzdenia, možno povedať, že MGU-K vo fáze zberu energie funguje ako brzdový systém, v ktorom nedochádza k tak nenávratným stratám energie ako v prípade konvenčných bŕzd. Tie samozrejme stále musia byť súčasťou vozidla, no ich účinok môže byť vďaka prítomnosti MGU-K nižší a teda menej kinetickej energie sa stráca vo forme tepla. Časť energie, ktorá by sa inak premenila na teplo v brzdách je spracovaná a pripravená na ďalšie zužitkovanie. Generátor poháňaný kľukovým hriadeľom totiž dodáva trojfázový striedavý prúd konvertovaný prostredníctvom výkonového usmerňovača na jednosmerný prúd do úložiska energie (ES, z angl. Energy Storage).

Naopak, v druhej fáze, keď je zvýšená požiadavka na výkon a je potrebné energiu uvoľniť, MGU-K funguje ako elektromotor poháňajúci kľukový hriadeľ. Výkon sa tak dodáva späť motoru, prípadne jeho príslušenstvu. Ide prakticky o obrátený postup zberu energie.

Aby mohol byť potenciál regeneratívneho brzdenia využitý naplno a auto sa pritom správalo konzistentne, zadný brzdový okruh bude ovládaný elektronicky (brake-by-wire). Brzdenie elektromotorom pokryje väčšinu brzdných manévrov, pričom kotúčové brzdy sa dostanú k slovu až pri intenzívnom brzdení a v iných situáciách, kedy elektromotor nemá dostatočný brzdný výkon na spomalenie vozidla (napríklad keď úložisko energie dosiahne maximálnu kapacitu alebo ak dôjde k prípadnej poruche elektromotora).

Nie je teda prekvapením, že nové pohonné jednotky budú mať zásadný dopad aj na brzdový systém vozidla. Vzhľadom na to, že len pri samotnom brzdení bude možné získať päťkrát viac energie ako doteraz, správne vyváženie brzdného účinku a precízne mapovanie zberu kinetickej energie bude nemalou výzvou. Aby toho nebolo málo, pilot už nebude mať možnosť manuálne ovládať ani mieru zberu kinetickej energie tak ako doteraz. Aj tento aspekt bude plne pod kontrolou riadiacej jednotky systému.

Dôležitou novinkou pre rok 2014 je priame a neobmedzené spojenie MGU-K s ďalším elektromotorom.

MGU-H (Heat Motor Generator Unit)

V konvenčnom preplňovanom motore výfukové plyny prechádzajú cez lopatky turbíny, ktorú tlak spalín roztáča a prenáša tým krútiaci moment na dúchadlo urýchľujúce a stláčajúce nasávaný vzduch. U nových pohonných jednotiek bude súčasťou turbodúchadla navyše ďalší motorgenerátor, ktorý umožní využiť energiu výfukových plynov na zvýšenie výkonu pohonnej jednotky. Aerodynamici tak budú musieť vrátiť svoj obľúbený nástroj späť do rúk motorárov.

MGU-H

MGU-H bude v podstate fungovať veľmi podobne ako MGU-K. V režime generovania striedavého napätia a prúdu bude rotor generátora roztáčaný hriadeľom turbodúchadla, pričom bude môcť smerovať vzniknutú elektrickú energiu do úložiska energie, prípadne do MGU-K (viac sa dočítate v kapitolách Manažment energie a Elektrický „turbo-compounding“). Ako už samotný názov napovedá, motorgenerátor bude schopný pracovať i v režime pohonu (viac v kapitole Turboefekt). V neposlednom rade bude úlohou tohto elektromotora aj regulácia plniaceho tlaku v plniacom potrubí motora, vďaka čomu sa turbodúchadlá zaobídu bez obtokového ventilu výfukových plynov (angl. wastegate).

Čo sa týka uloženia elektromotora vo vozidle, boli skúmané dva varianty. Jeden z nich vidíme na obrázku vyššie. V tomto prípade sa elektromotor nachádza pred samotným turbodúchadlom, kým druhá možnosť počíta s uložením elektromotora medzi dúchadlo a turbínu. Návrh zariadenia je však výrazne zložitejší ako v prípade MGU-K. Najväčšou výzvou je dosiahnuť, aby MGU-H pracoval pri rýchlosti blížiacej sa rýchlosti otáčania hriadeľa turbodúchadla. S najväčšou pravdepodobnosťou sa bude rýchlosť generátora pohybovať nad úrovňou 100 tisíc ot·min-1. Pravidlá pritom stanovujú, že rýchlosť nesmie presiahnuť maximálny limit 125 tisíc ot·min-1. „Motorgenerátor bude musieť fungovať pri zhruba trojnásobku aktuálnej rýchlosti,“ potvrdil riaditeľ Magneti Marelli Motorsport, Roberto Dalla, podľa ktorého nemali inžinieri talianskej spoločnosti na výber a museli pri návrhu začať od nuly.

Platí to aj pre chladenie elektromotora, ktorého pracovná teplota by nemala presiahnuť 200 °C, zatiaľ čo v jeho blízkosti prúdia výfukové plyny s teplotou vyše 900 °C. Kvôli zachovaniu kompaktných rozmerov bude i MGU-H chladený kvapalinou.

Úložisko energie (ES)

Oba motorgenerátory síce môžu vďaka vzájomnému prepojeniu fungovať spoločne a dodávať výkon bez potreby ukladať energiu, no aj navzdory tomu musia mať pre správne fungovanie ERS stále možnosť prístupu k úložisku energie. To bude v systéme nevyhnutnosťou minimálne ako zásobník na prebytočnú energiu vo fáze rekuperácie.

Pri vývoji úložísk dávajú pravidlá relatívne veľkú voľnosť a priestor na kreativitu. Výrobcovia akumulátorov majú ale zároveň neľahkú úlohu, pripraviť ďaleko účinnejší systém využívajúc pri tom minimum priestoru vo vozidle, ktorý sú dizajnéri monopostov ochotní obetovať.

Je totiž náročné pripraviť systém schopný uchovávať veľké množstvo elektrickej energie pri danej rýchlosti nabíjacích a vybíjacích cyklov. Zvlášť, keď systémy používané od roku 2009 umožňujú uvoľniť iba 400 kJ (0,11 kWh) energie za jedno kolo, čo je desaťkrát menej ako v prípade pohonných jednotiek navrhovaných pre nasledujúce ročníky šampionátu. Maximálna kapacita akumulátora môže teoreticky dosiahnuť až 4 MJ (1,11 kWh). Väčšie úložisko energie by už prakticky ani nemalo zmysel, nakoľko kvôli vysokému aerodynamickému odporu je vo veľmi vysokých rýchlostiach ďaleko menej využiteľnej energie. Jej množstvo je tak nízke, že eventuálne navýšenie výkonu by nevyvážilo nevýhodu vyššej hmotnosti systému. Navyše s veľkým akumulátorom sú spojené veľké straty a väčšie nároky na chladenie, ktoré zas negatívne ovplyvňujú aerodynamickú výkonnosť.

Úložisko energie s predpísanou hmotnosťou (20 až 25 kg) sa bude ako celok nachádzať pod zadnou časťou monokoku, rovnako ako u väčšiny tohtoročných monopostov. Jedinou výnimkou je dnes Red Bull, ktorý sa bude musieť prispôsobiť väčšine.

Súčasný KERS využíva ako hlavný zdroj a úložisko energie lítiový akumulátor s tekutým elektrolytom (Li-Ion), kým pre hybridné systémy novej generácie sa počíta s nasadením pokročilejších článkov kombinujúcich lítium a oxid siričitý (Li-SO2), či lítium-polymérových článkov s pevným elektrolytom (Li-Pol). Vlastnosti týchto článkov sú do veľkej miery zhodné s bežným Li-Ion článkom, avšak vďaka upravenej výrobnej technológii je celý elektródový systém flexibilný (možno ho tvarovať podľa potreby) a ponúka tiež vyššiu hustotu uchovávanej energie.

Inou alternatívou môže byť kombinácia rôznych akumulátorových technológií. Tím BMW Sauber v roku 2009 testoval a Red Bull už od roku 2012 využíva okrem konvenčného lítiového akumulátora aj superkondenzátory schopné energiu uložiť aj vydať podstatne rýchlejšie.

Manažment energie

Vyťažiť z nových hybridných pohonných jednotiek maximum pomôže vyšší výpočtový výkon riadiacej jednotky a zložitejší softvér, ktorý sa bude vyznačovať sofistikovaným systémom stratégií manažmentu energie na viacerých úrovniach. Dnes má energia spáleného paliva prakticky jedinú možnosť ako zostať v systéme a zvýšiť jeho efektivitu – a to prostredníctvom systému KERS. V roku 2014 bude k dispozícii až sedem možných ciest ako zabrániť stratám vo výfukovom a brzdovom systéme. Z toho šesť možností ponúknu hybridné systémy.

Riadiaca jednotka bude mať pre zaistenie optimálneho chodu pohonného ústrojenstva za úlohu priebežne meniť smerovanie energie medzi spaľovacím motorom, elektromotormi a úložiskom energie podľa aktuálnej jazdnej situácie. Všetky energetické toky sa odvíjajú od základného rozhodnutia – uložiť energiu do úložiska alebo ju okamžite využiť.

Ukladanie energie do akumulátora a jej spätné využitie spôsobuje straty a do istej miery je lepšie sa mu vyhnúť. Okamžité využitie získanej energie je zas s ohľadom na minimálne straty efektívne, no pre najlepší čas na kolo môže byť žiadúce energiu uschovať na neskoršie využitie v strategicky vhodnejší moment a časť energie pritom obetovať na nabíjanie a vybíjanie akumulátora.

V tabuľke a na diagrame nižšie vidno okrem prvých troch energetických tokov, ktoré sme si spomenuli v predchádzajúcich kapitolách, ešte ďalšie tri dôležité energetické toky.

Diagram 1: Tok energie v rámci pohonnej jednotky

Elektrický „turbo-compounding“

„Opäť bude vývoj v tejto oblasti prospešný pre výrobu sériových áut. Predpokladám, že batéria bude slúžiť ako zásobník, vďaka čomu môže byť menšia. Ak je energie priveľa, uloží sa na ďalšie využitie v prípade potreby. Zjednodušene, MGU-H bude fungovať ako generátor dodávajúci elektrickú energiu priamo do MGU-K, ktorý bude prídavnou hnacou silou. Ak potrebujete maximálny výkon, čo je pri pretekoch časté, budete sa snažiť využívať energiu z výfukov na pohon kľukového hriadeľa. Z batérie ju iba doplníte,“ hovorí o metóde elektrického „turbo-compoundingu“ Gilles Simon, ktorý v súčasnosti pracuje na projekte Hondy.

Cosworth koncom 80. rokov minulého storočia počas prvej turbo éry pracoval na motore s mechanickou „turbo-compound“ technológiou. Na odporúčanie FIA bol však projekt predčasne ukončený. Až doteraz pravidlá využívanie podobnej technológie neumožňovali.

Ťažko „turbo-compounding“ definovať jedným slovenským pojmom. V skratke ide o to, že touto metódou je získaná energia turbíny vedená späť ku kľukovému hriadeľu za účelom zvýšenia výkonu spaľovacieho motora.

Nové pohonné jednotky budú využívať takzvaný elektrický „turbo-compounding“ sprostredkovaný priamym a neobmedzeným spojením dvojice elektromotorov. „V pravidlách existuje priame spojenie medzi MGU-H a MGU-K bez akéhokoľvek obmedzenia. Som si istý, že to bude oblasť, na ktorú sa pri vývoji zamerajú všetky tímy. My sme na základe toho pripravili skúšobné stolice, ktoré nám umožnia docieliť, aby obe zariadenia navzájom spolupracovali čo najlepšie,“ povedal Keyvan Sangelaji, hlavný technický riaditeľ Magneti Marelli.

Turboefekt

Problémom všetkých preplňovaných motorov je oneskorenie medzi stlačením pedálu akcelerátora a prísunom výkonu na hnanej náprave všeobecne známe ako „turbodiera“ alebo „turboefekt“. Dochádza k nemu kvôli zotrvačnosti turbodúchadla a je iba na konštruktéroch, ako sa s týmto javom vyrovnajú. So známymi ranami a plameňmi vychádzajúcimi z výfukov spôsobenými anti-lag systémom (ALS) sa však nestretneme, pretože ALS bude riešený elektromotorom. MGU-H bude pomáhať krátkodobým prísunom energie z akumulátora, prípadne z druhého elektromotora, roztáčať turbodúchadlo v nízkych otáčkach, kedy ešte prúd výfukových plynov nemá dostatočnú energiu potrebnú na roztočenie turbíny. Elektrický pohon bude schopný eliminovať turbodieru do takej miery, že odozva motora sa v zásade nebude líšiť od súčasných atmosférických agregátov.

Reklamy

One response to “2014 formula: pohonné ústrojenstvo, časť štvrtá

  1. Nedávno som čítal, že nové batérie s pevným elektrolytom lítium /síra majú štvornásobne vyššiu kapacitu, ako batérie s tekutým elektrolytom.

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