Technický vývoj vozidiel sa v mnohých prípadoch spolieha na vývoj nových technológií pre špeciálne využitie, monoposty F1 nevynímajúc. Mnohé technologické riešenia vzišli práve z nutnosti predbehnúť konkurenciu.
Tento vývoj trochu pripomína časy Studenej vojny, kedy vzniklo množstvo technických vynálezov a pokrokových riešení.
Práve monoposty F1 sa v poslednej dobe mentálne výraznejšie vzdialili od bežných produkčných vozidiel. Nové technické pravidlá sezóny 2014 majú tento trend zvrátiť a prinútiť najmä veľké továrenské tímy pracovať na zdokonalení novších technológií s ohľadom na životné prostredie.
Pozrime sa teda bližšie na oblasti, ktorých vývoj sa môže veľmi rýchlo premietnuť aj do bežných produkčných vozidiel.
Vrátime sa do roku 1986
Atmosférické osemvalcové motory budú mnohým fanúšikom chýbať. Netreba však zabúdať, že to neboli vždy veľké atmosférické motory, ktoré vyhrávali preteky.
Napriek tomu, že CO2 nie je jediným a nie zásadným škodlivým faktorom, jeho znižovanie priamo súvisí so znižovaním spotreby. Downsizig bude hrať hlavnú úlohu v F1 rovnako ako v produkčných vozidlách.
Nové technické pravidlá pre nadchádzajúcu sezónu predpisujú výrobcom pohonnej jednotky výrobu a vývoj šesťvalcového agregátu so zdvihovým objemom 1 600 cm3 a prepĺňaním jedným turbodúchadlom bez variabilného natáčania lopatiek (typ twin-scroll je povolený).
| Neobmedzené využívanie paliva končí a od roku 2014 bude jeho spotreba prísne kontrolovaná. Do motora nebude môcť prúdiť viac ako 100 kilogramov (približne 140 litrov) paliva za hodinu. Súvisí to s predpísaným priebehom paliva, ktorý nad 10 500 ot./min zostáva konštantný. Dosiahnuteľný výkon je tak ohraničený spotrebou paliva. Športové pravidlá zavádzajú obmedzenie množstva využiteľného paliva na 100 kilogramov. Výrobcovia pohonných jednotiek budú musieť zvýšiť účinnosť motora o približne 30 %. Rozhodujúca bude účinnosť spaľovania, zníženie mechanického trenia a potom, po spaľovacom procese, schopnosť neplytvať energiou vo výfukovom systéme. Súčasťou dlhodobého plánu je postupné každoročné znižovanie maximálneho množstva využiteľného paliva. |
Preč s mechanickým zdvihom ventilov
Pohonné jednotky monopostov F1 boli a ostanú vysoko otáčkové motory napriek tomu, že hranica maximálnych otáčok za minútu bude posunutá z 18 000 ot./min. na 15 000 ot./min.
Konštruktéri so stúpajúci otáčkami vyriešili množstvo problémov nahradením mechanického ovládania pružinami moderným pneumatickým systémom.
Práve v pneumatických systémoch ovládania sa ukrýva určitý potenciál zaujímavý aj pre produkčné autá.
| V sezóne 2014 sa nemení počet ventilov (dva sacie a dva výfukové pre každý valec) a spôsob ich ovládania, čo znamená, že aj naďalej sa na tento účel bude využívať pneumatický systém. Diskutovalo sa aj o možnosti návratu k vinutým ventilovým pružinám, ale návrh takého vysokootáčkového motora je veľmi zložitý – zložitejší ako pri pneumatickom ovládaní ventilov a nesie so sebou rad problémov, ku ktorým sa už nikto nechce vracať. |
Zdokonalí priame vstrekovania paliva
Napriek tomu, že sa to nezainteresovaným môže zdať zastaralé, pohonné jednotky F1 doteraz používali výhradne nepriame vstrekovania paliva do valcov. Dôvodom bolo obmedzenie maximálneho vstrekovacieho tlaku.
Nové vysokovýkonné priame vstrekovanie paliva bude ďalšou oblasťou ktorá bude postupne viesť aj k zdokonaleniu vstrekovania produkčných vozidiel. Počítať tak môžeme s vývojom nových typov vstrekovačov.
| V roku 2014 sa vstrekovací tlak zvyšuje z 10 MPa na 50 MPa, pričom sa očakáva päť až sedem percentné zvýšenie efektivity spaľovacieho motora a zhruba 20-percentná úspora paliva. Maximálny vstrekovací tlak 50 MPa je zaujímavý najmä tým, že táto experimentálna hodnota je pre súčasný automobilový priemysel obzvlášť atypická. Súčasné zážihové motory v automobiloch majú priame vstrekovanie benzínu so vstrekovacím tlakom nanajvýš 20 MPa. |
Rekuperácia ako sekundárne brzdy
Hybridná technológia je súčasťou Formuly 1 už niekoľko sezón, ale až s príchodom tej nasledujúcej naberie skutočne na význame.
Hlavnou časťou systému bude primárny elektromotor a úložisko energie.
Jeho hlavnou úlohou je poskytnúť pilotovi F1 dodatočnú porciu výkonu, ktorá ale bude súčasťou celkového systémového výkonu a dávkovaná automaticky.
Druhou úlohou bude priame brzdenie vozidla nie len ako sprievodný jav rekuperácie.
Brzdy zadných kolies už nebudú v priamom okruhu ale riešené elektronicky. Po stlačení brzdového pedálu bude elektromotor roztáčaný kolesami nabíjať akumulátor a zároveň klásť zásadný mechanický odpor – brzdiť vozidlo.
Zdokonalený proces rekuperácie môže zásadne ovplyvniť systém získavania energie pri produkčných hybridoch.
| 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. Aby mohol byť potenciál regeneratívneho brzdenia využitý naplno a auto sa pritom správalo konzistentne, zadný brzdový okruh bude ovládaný elektronicky (brake-by-wire). 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. 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. |
Ani jedno pridanie plynu nevyjde nazmar
Klasickou primárnou rekuperáciou energie pri brzdení to v monoposte F1 neskončí.
Celý pohonný systém je doplnený o ďalší elektromotor pripojený na hriadeľ turbodúchadla. Pri každom pridaní plynu tak výfukové plyny neroztočia len turbínu, ktorá tlačí vzduch do motora ale aj elektromotor.
Tzv. Heat Motor Generator Unit (MGU-H) má tri zásadné úlohy. Prvou z nich je uložiť prebytok energie do batérií.
Druhou – počas akcelerácie – je dodať energiu primárnemu elektromotoru a odľahčiť tak zaťaženie batérií.
Treťou, nemenej podstatou úlohou je roztočiť turbínu a zamedziť tak vzniku dobre známej „turbo diery“, teda oneskorenia nábehu otáčok turba, keď tlak vo výfukovom potrubí ešte nie je dostatočný.
Aj toto riešenie by sme v budúcnosti mohli očakávať v moderných produkčných turbomotoroch. Pomohlo by naďalej nepriamo zvýšiť účinnosť pohonnej jednotky.
| Čo sa týka uloženia elektromotora vo vozidle, boli skúmané dva varianty. V prvom prípade sa elektromotor nachádza pred samotným turbodúchadlom, kým druhá možnosť počíta s uložením elektromotora medzi dúchadlo a turbínu. 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.. Pravidlá pritom stanovujú, že rýchlosť nesmie presiahnuť maximálny limit 125 tisíc ot·min-1. Inžinieri talianskej spoločnosti Magneti Marelli nemali 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. |
Batérie doplnia výkonné kondenzátory
Zásadný problémom dnešných produkčných elektromotorov a hybridných vozidiel je nízka hustota uchovávanej energie akumulátorov. Jednoduchšie povedané, veľký a ťažký akumulátor neposkytne rovnaké množstvo energie ako porovnateľné veľká (a plná) nádrž na fosílne palivo.
Zavedením nových technických pravidiel sa budú musieť svetoví technologickí lídri viac snažiť a pripraviť nové typy akumulátorov.
Je pravdepodobné, že viaceré značky siahnu po kombinácii klasického akumulátora a kondenzátora. Ten v sebe spája schopnosť okamžite uvoľniť extrémne množstvo energie a zároveň veľmi rýchlo sa opäť nabiť.
Môže sa tak stať, že v ďalších sezónach nebude vývoj a výroba motorov už len výsadou Ferrari, Mercedesu a Renaultu. Prekvapením by nebol ani návrat Toyoty, ktorá je lídrom vo vývoji a výrobe hybridných systémov.
| Maximálna kapacita akumulátora môže teoreticky dosiahnuť až 4 MJ (1,11 kWh). Úložisko energie s predpísanou hmotnosťou (20 až 25 kg) sa bude ako celok nachádzať pod zadnou časťou monokoku. 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. |
Nové pravidlá môžu pomôcť viac
Formula 1 prešla v priebehu svojej existencie nespočetným počtom zmien, no až posledné roky zaviedli do niektorých jej oblastí poriadok. Hlavným pokrokom je nepochybne bezpečnosť pilotov F1.
Myslíme si, že nad príchodom prepĺňaných pohonných jednotiek netreba lámať palicu. Napriek mnohým reštrikciám sa podarilo zachrániť aspoň šesť valcov v motore a ubrániť kolotoč F1 od tzv. svetového štvorvalcového motora využiteľného vo viacerých motoristických disciplínach.
Sme presvedčení, že technologický zisk v prospech produkčných vozidiel bude tvoriť zásadnú výhodu novodobých technických obmedzení Formule 1 v blížiacej sa sezóne 2014.
Skúšku ohňom nové monoposty prežijú 16. marca 2014 na veľkej cene Austrálie v Melbourn.
Pri príprave článku sme čerpali z informácií portálu techF1LES. Za súhlas ďakujeme.
