Формула 1 ers что это
Как устроены турбомоторы Формулы-1 2014 года
Рекуперация энергии появилась в Формуле-1 ещё в 2009 году. Но новый этап внедрения гибридных технологий столь радикальный, что повлиял даже на официальный язык: в документах вместо слова Engine появилось сочетание Power Unit. На фото показан такой «юнит» от Renault под названием Sport Energy F1-2014.
С сезона 2014 года в Формуле-1 уходит эпоха атмосферных моторов V8 2.4, трудившихся с 2006 года. По новому регламенту на болидах появятся турбомоторы объёмом всего 1,6 л. Звучит знакомо. Но если в обычной жизни это рядные «четвёрки», то в спорте — малолитражные V-образные «шестёрки» с высокопроизводительным одиночным турбонаддувом (давление не регламентировано). Да и частота вращения коленвала внушительна — лимитатор по правилам будет срабатывать на 15 000 об/мин. А ещё на этих движках стоит система двойной рекуперации, способная утилизировать не только кинетическую энергию автомобиля во время торможения, как было в недавнем прошлом, но и энергию выхлопных газов. Да-да, в формульном моторе турбина соединена с генератором — как на заправской электростанции! Потому буковка К (kinetic) из общего наименования системы пропала, теперь это просто ERS (Energy Recovery System).
С сезона 2014 года мгновенный расход у двигателя внутреннего сгорания на Формуле-1 не должен выходить за рамки 100 кг/час, и 100 килограммами ограничен общий запас топлива на одну гонку. Ранее пиковый расход не регламентировался (а по факту был на 40% выше). Что до суммарного запаса топлива, то его не ограничивали (нельзя было только дозаправиться), но типично в бак помещалось около 160 кг горючего. Так что теперь инженерам команд будет весьма непросто настраивать системы рекуперации на гонку и выбирать стратегию в данной части.
Если раньше от системы KERS разрешено было получать максимальную добавочную мощность 60 кВт (81 л.с.) в течение 6,7 секунды за один круг, то теперь лимит повышен до 120 кВт (162 л.с.), и такую мощность можно будет развивать по 33 секунды на каждом круге. Ещё французские инженеры указывают, что если в прошлом году поломка «керса» стоила гонщику лишних 0,3 с на круг, то теперь выход из строя гибридной составляющей болида Формулы-1 фактически оставляет машину за пределами хоть какой-то борьбы.
В сезоне 2014 года 11 команд будут использовать двигатели всего от трёх поставщиков. Red Bull, Lotus, Toro Rosso и Caterham возьмут на вооружение мотор Renault Sport Energy F1-2014. Команды Mercedes, McLaren, Force India и Williams возложили свои надежды на агрегат Mercedes-Benz PU106A Hybrid. Наконец, болиды Ferrari увлекать вперёд призваны двигатели Ferrari 059/3, и они же оживят болиды Marussia и Sauber. Творение итальянцев «живьём» пока не показывали, но о нём кое-что уже известно, как и о моторе Mercedes. Однако наиболее детальные сведения о новом двигателе предоставила французская компания.
В новой установке есть два мотор-генератора, способных как вырабатывать ток, так и действовать в роли электродвигателя. Первый называется MGU-K (Motor-Generator Unit-Kinetic). Он соединён с коленвалом ДВС и собирает энергию на торможении, отдавая её высоковольтному накопителю. При разгоне MGU-K добавляет свою мощность к мощности основного агрегата. Эта добавка как раз лимитирована по регламенту 120 киловаттами. Ещё есть ограничение по количеству энергии, которую можно собрать на одном круге (два мегаджоуля), и энергии, которую можно использовать для разгона на одном круге (четыре мегаджоуля), что, к слову, в десять раз больше, чем разрешено было в 2013 году для старого «керса».
Устройство MGU-H (Motor-Generator Unit-Heat) — самое интересное в новой Формуле. Это электрическая машина, сидящая на валу турбокомпрессора. И работать она может в обе стороны: извлекать энергию из выхлопных газов и раскручивать турбокомпрессор для сокращения турболага. Причём, в отличие от MGU-K, величина потоков энергии (выработка в качестве генератора и работа как электромотора) правилами не ограничена. Это даёт инженерам мощный рычаг для управления балансом энергии в машине. Если учесть работу ДВС и MGU-K, в сумме энергия в болиде может перекачиваться по семи направлениям.
Вспомним, что обычный «керс» вводился под соусом помощи мира Формулы-1 массовой автомобильной индустрии в деле сохранения окружающей среды. Мол, в Королеве автоспорта будут проверяться идеи и технологии, которые далее могут в том или ином виде найти свой путь к обычным автомобилям. Новый регламент — заметный шаг в этом направлении. Болиды в 2014 году просто вынуждены стать экономичнее, а ключ к экономичности — хитроумная гибридная система. Вполне вероятно, что мы скоро увидим что-то похожее на серийных автомобилях. Собственно, это уже происходит. Вспомним опыты Audi c электрическим приводом компрессора. От него недалеко до утилизации энергии выхлопа (такие турбогенераторы тоже предлагались в разное время, но развития не получили) и объединения подобных устройств в единый комплекс.
Как это работает: Новые моторы и ERS
В следующем году Формула 1 переходит с атмосферных восьмицилиндровых моторов с системой рекуперации кинетической энергии KERS, на шестицилиндровые турбомоторы с системой рекуперации ERS, которая не только аккумулирует энергию на торможении (посредством модуля ERS-K), но и запасает тепловую энергию выхлопа (через модуль ERS-H). Чтобы понять принципы работы данной системы, необходимо вспомнить некоторые базовые понятия.
Один килограмм топлива содержит 43 мегаджоуля химической энергии, которая выделяется при сжигании топливо-воздушной смеси. Расход топлива в современных моторах Формулы 1 не ограничен: при нажатии педали газа в пол и максимальной скорости машина сжигает 45 граммов топлива в секунду. Каждую секунду двигатель выделяет 1970 килоджоулей энергии, более 1900 киловатт мощности или более 2500 лошадиных сил.
На самом деле, моторы 2013 года не обладают такой мощностью – они выдают около 750 лошадиных сил или 550 киловатт. Остальная мощность просто теряется, поскольку не существует на 100% эффективных силовых агрегатов. Современный двигатель Формулы 1 при максимальной скорости имеет эффективность на уровне 28%.
Новые моторы Формулы 1 должны расходовать не более 100 килограммов топлива в час или максимум 28 граммов в секунду. Если бы они имели такую же эффективность, как нынешние V8, они выдавали бы всего 450 л.с., что даже при более совершенной системе рекуперации энергии привело бы к потере скорости. Выходом из ситуации является повышение общей эффективности мотора и восстановление большего количества энергии выхлопа. В таком случае КПД мотора должен достичь 35%, что позволит добиться мощности в 550 л.с. – без учета эффекта ERS.
Система ERS сильно отличается от существующих вариантов систем рекуперации энергии. В настоящее время машины Формулы 1 запасают лишь энергию, выделяемую при торможении, и гонщики могут использовать этот дополнительный заряд мощности в 80 л.с. лишь в течение 6,7 секунды по ходу круга. Это равно расходу 400 килоджоулей энергии. В 2014 году батареи будут в 10 раз мощнее, что обеспечит прибавку 160 л.с. в течение 33 секунд на каждом круге. За аккумуляцию энергии и ее выход будет отвечать специальный генератор MGU-K, в названии которого буква «К» означает «кинетическая энергия».
Также на машинах появится еще один генератор – MGU-H, в названии которого буква «H» означает «heat» – тепло. Этот генератор подключается напрямую к валу турбины и тоже производит электрическую энергию, однако он может направлять ее не к батареям, а сразу к силовой установке, и на этот процесс не распространяются какие-либо ограничения.
Приблизятся ли моторы Формулы 1 к двигателям дорожных машин? В целом, да. Мерой эффективности мотора выступает количество топлива, расходуемое на каждый киловатт мощности в час. Хороший дорожный двигатель имеет показатель в 245 гр./кВт-час, но при максимальной скорости и высоких оборотах значение сильно ухудшается. Современный мотор Формулы 1 имеет показатель в 280 гр./кВт-час, что само по себе лучше, чем у большинства дорожных моделей, однако в 2014 году новые двигатели будут расходовать всего 240 граммов топлива на кВт-час при максимальной мощности, что сделает их безоговорочными лидерами по эффективности. Принципы, используемые для достижения столь впечатляющих значений, неизбежно найдут применение в дорожных машинах, если, конечно, они будут опираться на существующие, а не экзотические технологии.
Многие спрашивают, почему все эти изменения сопряжены с таким количеством сложностей. Дело в том, что архитектура мотора будет совершенно иной, что потребует дополнительных инженерных изысканий, но я не стал бы излишне драматизировать ситуацию. Основная сложность заключается в необходимости обеспечения более эффективного охлаждения. У новых моторов менее жесткие требования к охлаждению масла и воды, чем у нынешних, но в случае с новой ERS ситуация обратная.
Кроме того, необходимо охладить воздух, идущий от турбины, до того, как он попадет в цилиндры. С атмосферными двигателями такого вопроса не было, поэтому инженеры уже предполагают двукратное увеличение количества всевозможных охлаждающих устройств. Не стоит забывать, что нас ждут серьезные изменения в области шасси и аэродинамики, так что работа над машиной во многом начинается с чистого листа.
Новое слово в Формуле 1 – ERS
Командам и пилотам Формулы 1 и даже гоночным болельщикам в грядущем сезоне предстоит открывать для себя нечто принципиально новое: на арену выходят системы рекуперации энергии второго поколения. Крэг Скарборо рассказывает, почему в 2014-м они станут ключевым фактором
Во второй части обзора самых важных изменений в техническом регламенте Формулы 1 эксперт AUTOSPORT объясняет принцип работы систем рекуперации энергии и причины их особой значимости в предстоящем сезоне.
Большие Призы не просто переходят на новые турбомоторы: в 2014-м на машинах будут использоваться две системы рекуперации энергии (ERS), которые суммарно способны производить дополнительные 160 лошадиных сил по ходу большей части круга. Так что значимость этого фактора в общем успехе становится заметно выше.
Данная технология станет серьёзным вызовом для всех в паддоке. Можно даже говорить, что именно от умелого обращения с ней будут зависеть результаты не только гонок, но и всего чемпионата.
ИСТОРИЯ KERS В ФОРМУЛЕ 1
Ещё в далёком 2000-м году автоконцерн Toyota представил первый серийный гибридный автомобиль. В свете растущей популярности «зеленых» идей гибридные технологии добрались и до Формулы 1: в сезоне-2009 на машинах появились системы KERS.
Каждый раз при разгоне автомобиля Ф1 тратится огромное количество энергии, тогда как при торможении кинетическая энергия просто рассеивается в никуда через тормозную систему в виде выделяемого тепла. Технологии рекуперации (ERS) направлены на аккумуляцию данной энергии с целью её дальнейшего повторного использования при новом разгоне.
В рамках изменения правил в 2009-м в регламенте появился пункт о Системе рекуперации кинетической энергии (KERS), хотя использование данной технологии подпадало под жёсткий контроль и ограничения.
При торможении энергия, которая обычно высвобождалась задними тормозами, собиралась при помощи генератора, установленного на элементах трансмиссии. Сопротивление самого генератора обеспечивало дополнительное тормозное усилие, но и в то же время способствовало заряду батарей.
Когда пилоту требуется использовать дополнительную мощность, электроника реверсивным путём посылает заряд батареи на тот же генератор, который в качестве электромотора способен выдать около 80 лошадиных сил на протяжении 6,7 секунды. Пилот активировал процесс, нажимая кнопку на рулевом колесе – в этот момент на приборной панели отображалось время в секундах до окончания действия дополнительного ускорения.
Опытным путем было установлено, что лучше всего использовать KERS небольшими импульсами при выходе из медленных или среднескоростных поворотов. Однако систему также можно было задействовать и в качестве вспомогательного инструмента для обгона соперника или при защите позиции.
Системы рекуперации появились в Формуле 1 в 2009 году Фото: LAT
В связи с чётким ограничением мощности и времени работы системы, перед инженерами стояла задача сделать KERS как можно более эффективной, надёжной и лёгкой.
Из экономических соображений команды согласились не использовать KERS в 2010-м, так что в своём первоначальном виде система просуществовала в Формуле 1 лишь четыре сезона. К концу 2013-го сумарный вес батареи, мотор-генератора и электроники составлял менее 25 кг.
Эффективность системы достигла 80%, а это означало, что KERS способна была «вернуть» на задние колёса четыре пятых собранной энергии. Кроме того значительно улучшилась и надёжность устройства, хотя 100% безотказности [как хорошо знает Марк Уэббер] добиться не удалось.
В квалификациях и гонках многие команды страдали от постепенного снижения эффективности KERS вплоть до полного её отказа из-за перегрева или иных проблем. Так как система могла обеспечить дополнительные 0,3 секунды на круге, её потеря не проходила незаметно, но все же не означала катастрофу.
В сезоне-2013 все 11 команд использовали системы KERS четырёх разных производителей: Ferrari, Renault, Mercedes и Williams [для моторов Coswotrh], в то время как в Red Bull вдобавок разработали собственную аккумуляторную батарею, которая позволила компактнее разместить все детали на шасси, но остальные компоненты чемпионы получали от поставщика Renault Sport.
Несмотря на различное происхождение, все версии использовали одну и ту же базовую конфигурацию, а в отдельных случаях одинаковую элементную базу от единого поставщика Marelli или батареи от компаний Saft и A123.
Обычно блок мотор-генератора (MGU) крепился через пару шестерён к передней части коленчатого вала двигателя. Расположение снизу и спереди означает, что устройство занимает место, обычно предназначенное для топливного бака – потому в задней части монокока приходилось создавать дополнительное углубление для последнего.
MGU вырабатывал переменный ток, который требовалось преобразовать в постоянный для аккумуляции в батареях. Для этого в цепь добавлен контроллер питания KERS: по трём кабелям большого сечения туда поступала энергия от генератора, а затем другая пара направляла её к батарее.
Обычно контроллер питания размещается в боковых понтонах в металлическом кейсе размером с обычный 12-вольтовый автомобильный аккумулятор.
Помимо процесса преобразования энергии контроллер также выполняет функцию переключения режимов зарядки и разрядки: данный процесс осуществляется при помощи сигналов от стандартизированного электронного блока FIA.
Компоненты KERS компании Magneti Marelli Фото: LAT
Наконец, аккумулятор представляет собой массив литиево-ионных ячеек, встроенных в углепластиковый корпус. Всё устройство по размерам не превышает упаковку шести банок пива [какого именно объёма, автор, к сожалению, не указывает].
Поскольку батарея является частью электрической системы и задействована практически постоянно, её установка требует максимальных мер безопасности. В большинстве команд смонтировали аккумуляторный блок в нише монокока под топливным баком.
В то же время, в 2009 году на машинах McLaren батарея размещалась в правом боковом понтоне, ну а в Red Bull она находится непосредственно над коробкой передач.
Учитывая силу тока, проходящего через систему во время зарядки и разрядки генератора, контроллер питания и батареи нагреваются до чрезвычайно высоких температур. Эти системы, как правило, работают наиболее продуктивно именно при определенном нагреве, но если становится слишком жарко, они начинают терять свою эффективность.
Команды применяют практику предварительного нагрева и последующего охлаждения системы, чтобы держать оборудование в оптимальном температурном диапазоне. Часто в гонках повышение температуры вынуждало пилотов временно отказаться от использования системы, чтобы вернуть её к допустимым значениям. Для силовой электроники и батареи использовалось водяное охлаждение, в то время как мотор-генератор обслуживала масляная система.
Хотя KERS и можно рассматривать в качестве успешной предтечи ERS в автоспорте, вклад этой системы всё же был весьма лимитированным. Серьёзное ограничение выходной мощности означало, что такая технология никогда не станет объектом настоящего соперничества команд в стремлении получить самую мощную систему.
Возможно, с маркетинговой точки зрения идея подавалась не самым верным образом. К тому же, после ухода из чемпионата Honda и Toyota ни у одного из производителей двигателей Формулы 1 не было передового серийного автомобиля с гибридными технологиями.
А тот факт, что большинство Гран При с 2009-го года было выиграно с использованием фактически такой же силовой установки, как у Prius, остался не разрекламирован!
ERS по регламенту 2014 ГОДА
Новое слово в Формуле 1 – ERS
В этом году область использования систем рекуперации энергии расширяется, и от гибридных технологий будет зависеть уже куда больше.
Для этого FIA сформулировала новые правила, где увеличен лимит доступной к рекуперации кинетической – и описаны другие методы для сбора высвобождаемой энергии.
В рамках новой эры ERS частично изменилась терминология. Формула 1 получила новый термин «силовой агрегат», включающий в себя собственно двигатель внутреннего сгорания и оба типа систем рекуперации.
В отличие от ERS-K, ERS-H может либо вернуть накопленную энергию в двигатель через мотор-генератор кинетической ERS, либо самостоятельно раскручивать турбину через собственный MGU. Последний процесс будет способствовать уменьшению турбо-ямы (задержки отклика).
Еще одно изменение касается компоновки: ERS-K больше не будет находиться в передней части двигателя: устройство вдвое увеличилось в размерах, и по новым правилам компоновки мотор-генератор кинетического рекуператора должен располагаться около переднего фланца двигателя непосредственно под выхлопом. Данная норма потребует перемещения насоса системы водяного охлаждения, гидравлических насосов и генератора, которые ранее находились в этой области.
Мотор-генератор ERS-H должен быть расположен на турбокомпрессоре. Мы уже могли наблюдать два варианта его размещения: перед турбокомпрессором (Renault) или же между двумя турбинами компрессора (Mercedes).
Изображение, опубликованное Mercedes, демонстрирует, что их идея размещения MGU не является окончательной: в итоге немцы, скорее всего, также установят мотор-генератор перед турбокомпрессором, как это осуществили в Renault.
Двигатель Mercedes 2014 года
Такой подход позволит держать MGU подальше от горячей турбины непосредственно под впускным накопителем над силовым агрегатом.
Когда турбина станет вращаться с частотой порядка 100 000 об/мин, мотор-генератор достигнет тех же величин, если только для его крепления не будет использован понижающий редуктор.
Для того, чтобы справиться с большими значениями электрического тока, запасник энергии должен быть больше, чем ранее вся KERS целиком.
Новые элементы потребуют больше места в боковых понтонах и под топливным баком. Также всё оборудование ERS потребует дополнительного охлаждения, поэтому радиаторы в понтонах увеличатся в размерах.
И хотя возможности двигателя стали скромнее, в сочетании с новыми источниками энергии они смогут демонстрировать значение пиковой мощности, идентичное прошлогоднему. А так как мотор-генераторы способны достигать максимального крутящего момента с нулевых оборотов, они поспособствуют значительному повышению эффективности разгона.
В отличие от нажатия кнопки на рулевом колесе для активации прежней KERS, с 2014 года пилоты будут оперировать лишь педалью акселератора, позволяя электронике определять, что именно использовать для ускорения – только лишь топливо или также энергию ERS.
В то же время, как и в 2013 году, гонщик будет иметь доступ к выбору различных режимов работы силового агрегата посредством переключателей на рулевом колесе. Там же, несомненно, появится и «волшебная кнопка», активизирующая максимальную отдачу ERS и двигателя тогда, когда это необходимо будет в гонке с тактической точки зрения.
Неожиданная проблема может крыться во влиянии работы ERS-K на задние тормоза. Так как мотор-генератор собирает энергию, он оказывает определённое тормозное усилие, замедляя машину. В зависимости от интенсивности процесса аккумуляции и состояния батареи поведение тормозов может меняться.
Команды уже отладили процесс сбора энергии так, чтобы обеспечить равное воздействие системы на автомобиль по ходу всего круга, так что в случае возникновения неполадок KERS пилоту потребуется лишь изменить баланс тормозов, чтобы нивелировать изменения в поведении машины при торможении.
В 2014 году из-за гораздо более сложных рекуператоров и большего количества абсорбируемой энергии правильно настраивать тормоза станет намного сложнее.
Таким образом, в FIA пошли на смелый шаг и позволили впервые использовать электронную систему в тормозах. В пункте 11.7 технического регламента такое устройство названо «контроллером заднего тормоза». Его функция в том, чтобы при нажатии пилотом педали тормоза, к механизмам прикладывалось соответствующее усилие, скорректированное с учётом уровня поглощения энергии системой ERS.
Болельщикам в условиях новых правил тоже станет сложнее Фото: LAT
Система будет передавать в точности то усилие, которое оказывает пилот на педаль тормоза, так что в случае слишком сильного нажатия колёса, как и прежде, попросту будут блокироваться.
Естественно, никто не забыл про безопасность. Усилие будет передаваться при помощи гидравлических контрольных систем высокого давления, а в случае их отказа всё давление в тормозной системе с заднего главного цилиндра будет тут же непосредственно переадресовано на тормозные механизмы.
Новая кинетическая ERS способна в одиночку обеспечивать дополнительный импульс на протяжении практически всего времени, пока пилот идёт «в полный газ». Как только заряд батареи падает, в работу включается уже система рекуперации тепловой энергии, осуществляя питание мотор-генератора ERS-K.
Грамотный баланс между использованием мощности и энергии будет иметь ключевое значение в получении максимального эффекта от ERS по ходу квалификации и гонки. При умелом обращении электрическая энергия в состоянии обеспечить снижение расхода топлива в гонке.
Перечисленные устройства относятся к системе управления силовой установкой, однако заниматься разработкой грамотного программного обеспечения для них почти наверняка предстоит именно командам, а вовсе не поставщикам двигателей. Тут есть, над чем поломать голову, и большие команды могут направить на эти вопросы больше ресурсов, чтобы как можно эффективнее решить сложную головоломку для каждого из своих пилотов и для каждой конкретной трассы.
Эти новые системы будет непросто разместить в машине, им придётся работать в сложных условиях вибрации, высоких температур и нагрузок. Безусловно, неизбежно возникнут проблемы с надёжностью, поскольку в данном аспекте даже предыдущие «простые» KERS с параметрами работы 80 л.с./6.7 с были далёки от идеала.
Однако, в отличие от в 2013 года, отказ ERS разом оставит машине лишь 75% её мощности. Это может стоить более секунды на круге, не говоря уже об увеличении расхода топлива, чтобы как-то компенсировать потерю ERS.
Такого рода поломки окажут сильнейшее влияние на ход гонки – не исключено даже, что мы впервые увидим сходы с дистанции из-за отказа рекуператора.
Трудно себе даже представить, что более 160 л.с. можно будет получить лишь из потерянной ранее энергии. Нас ждут удивительные разработки, которые однозначно направят Формулу 1 по пути к «зелёным» технологиям.
Однако, на деле применение новинок будет скрыто от простых смертных тайной аппаратного контроля и стратегии использования энергии. Даже со специальной информацией на телеэкранах, демонстрирующих состояние заряда элементов питания, будет трудно в полной мере понять, как именно команда или пилот оперируют на дистанции балансом между использованием бензина и заряда ERS.
Для команд и поставщиков двигателей будет важно информировать болельщиков о том, каким образом работают и как применяются эти технологии – если Формула 1 всё же хочет как можно эффективнее использовать те возможности, которые открывает перед ней применение передовых технических решений.
В следующей части: почему коробки передач в 2014 году станут совсем другими
Новое имя в Формуле 1 – ERS