Новый двигатель Формулы 1 — двигатель прогресса.
В 2014 году тех. регламент Формулы 1 претерпел существенные изменения. Главным изменением стала новая Гибридная Силовая Установка (СУ). Технический регламент делит ее на 6 основных элементов (рис. выше):
1. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС,ICE) объемом 1,6 V6, оснащенный турбокомпрессором и непосредственным впрыском топлива. Звучит не очень впечатляюще, однако ограничения по мгновенному расходу топлива и его общему количеству на гонку, заставили инженеров сделать одни из самых эффективных бензиновых двигателей в мире. Их совершенство и дороговизна, как ни странно, играет против них. Информация о них настолько скудна и закрыта, что истинный КПД неизвестен, а в отсутствии этого значения технологию очень сложно популяризировать.
2.Турбокомпрессор (ТК,TC) или газотурбинный нагнетатель. Обычно использует энергию выхлопных газов для нагнетания дополнительного воздуха или топливо-воздушной смеси в цилиндр. Это повышает эффективность ДВС, но имеет и негативные последствия. Например, при сбросе педали «газа» двигатель замедляется с задержкой из-за избыточного давления во впускном тракте. Поэтому такие агрегаты оснащают клапанами сброса избыточного давления (Wastegate). Также ТК раскручивается не сразу и возникает «провал» мощностных и моментных характеристик ДВС на малых оборотах. Стараясь быть на острие технологического прогресса Формула 1 предложила уникальное решение. Они решили, что замедление и ускорение ТК может контролироваться мотор-генератором.
3.Мотор-Генератор Тепловой (МГТ, MGU-H). На мой взгляд, одно из самых интересных усовершенствований автомобильных нагнетателей. На «малых» оборотах, когда давление, создаваемое компрессором, недостаточно эта чудо-машинка будет раскручивать ТК, нивелируя «провал». В случае же когда давление во впускном тракте избыточно, то часть энергии выхлопных газов, которая ранее бесполезно сбрасывалась клапаном wastegate, будет вращать МГТ (MGU-H), вырабатывая электричество. Конечно технология дорогая, сложная и капризная, но почти все нововведения проходят этот период. С точки зрения технологий этот агрегат интересен тем, что вынужден вращаться на умопомрачительных скоростях, и является одним из управляющих элементов СУ. Правила не ограничивают кол-во запасаемой им энергии нет. В значительной степени эффективность электрической составляющей гибрида зависит от этого элемента.
4.Мотор-Генератор Кинетический (МГК, MGU-K). Наследник системы KERS. Только мощнее и активируется теперь не кнопкой по желанию гонщика, а электроникой в зависимости от положения педали акселератора и режима работы ERS. Сам электромотор механически связан с коленчатым валом ДВС и запасает энергию при торможении. Эффект для динамики замедления схож с торможением двигателем на дорожных авто, только замедление гораздо существенней. По правилам за один круг гонщик, с помощью MGU-K может запасти 2 МДж энергии, а потратить может все 4! Это эквивалентно 160 л.с. в течении 33,33 сек на круге(возможны любые сочетания например 80 л.с в течении 66,66 сек на круге и т.д.). Возникает энергетический дефицит, который по замыслу должна покрыть MGU-H. Но даже собирая только половину от необходимой энергии MGU-K обеспечивает нестабильность задней оси из-за меняющегося тормозного усилия. Поэтому управление им пришлось отдать электронике, о чем я писал ранее.
5.Управляющая Электроника (УЭ, CE). Это совокупность элементов управления СУ, КПП, дифференциала и сцепления во главе со стандартным ECU.
6.Энергохранилище (ЭХ, ES). По сути это очень дорогая батарейка. Особенность ее работы — быстрые циклы заряда/разряда. В соответствии с тех. регламентом ее масса должна находится в пределах 20 -25 кг. Что с одной стороны позволит снизить их стоимость за счет использования уже существующих технологий, а с другой не даст сделать их чрезмерно емкими или легкими. На батарее монтируются приборы управляющие направлением течения эл. энергии.
Ниже представлены возможности и ограничения работы гибридной силовой установки. Эта схема устанавливает основные правила распределения энергии для гибридной силовой установки.
Каждый из элементов по задумке авторов регламента должен иметь значительный ресурс, так по ходу сезона 2015 можно использовать не более 4 агрегатов каждого из 6 элементов. В случае если лимит превышен — болид теряет позиции на старте.
У системы есть несколько основных режимов работы и огромное множество различных вариаций настроек. На рисунке выше представлены 4 основные режима работы систем Силовой Установки. (картинка не моя)
В условиях сегодняшнего развития технологий пилотам приходится менять настройки ERS и Тормозов от поворота к повороту. Это немного прибавляет им занятости. В идеале, если технология разовьется, все эти процессы должны протекать без помощи оператора. Теоретически это должно дать КПД в районе 45 %, что может продлить жизнь двигателям внутреннего сгорания в условиях современных экологических тенденций.