Το Honda 2015 F1 Power Unit εξηγεί

Το Honda 2015 F1 Power Unit εξηγεί

Η Honda Motor έδωσε σήμερα στον κόσμο μια πρώτη ματιά σε μια εικόνα της μονάδας ισχύος που αναπτύσσεται αυτή τη στιγμή για το Παγκόσμιο Πρωτάθλημα FIA Formula 1 (F1) 2015. Αυτό το άρθρο περιγράφει το σύστημα μονάδας ισχύος που θα χρησιμοποιηθεί.

Εισαγωγή: Πώς μπορούν οι μηχανές F1, κατασκευασμένες για ταχύτητα, να είναι φιλικές προς το περιβάλλον;

Το 2014, οι κανονισμοί για τον κινητήρα της F1 και τα συστήματα ανάκτησης ενέργειας άλλαξαν. Οι κινητήρες των 2,4 λίτρων μειώθηκαν στα 1,6 λίτρα και εισήχθησαν περιβαλλοντικές τεχνολογίες όπως η ανάκτηση ενέργειας παρόμοιες με τα συμβατικά υβριδικά αυτοκίνητα.

Οι τεχνολογίες για μηχανές F1 είναι πολύ πιο περίπλοκες από τα συνηθισμένα υβριδικά αυτοκίνητα. Ο κινητήρας και τα συστήματα ανάκτησης ενέργειας που παρέχουν την τεράστια ισχύ στις μηχανές για να αγωνίζονται με ταχύτητα άνω των 300 km/h χρειάζονται τεχνολογίες αιχμής. Οι μηχανές F1 όχι μόνο αναγεννούν την κινητική ενέργεια – όπως τα συνηθισμένα υβριδικά αυτοκίνητα – αλλά και τη θερμική ενέργεια .

Ο ανταγωνισμός θερμαίνεται για τους κατασκευαστές αυτοκινήτων ώστε να κάνουν καλύτερες περιβαλλοντικές τεχνολογίες. Η Honda θα συμμετάσχει στους αγώνες της F1 για να ανταποκριθεί σε αυτές τις προκλήσεις για τη δημιουργία επαναστατικών τεχνολογιών. Οι τεχνολογίες που αναπτύχθηκαν μέσω της συμμετοχής στην F1 οι αγώνες θα ανατροφοδοτηθούν στα αυτοκίνητα παραγωγής .



Η μονάδα ισχύος Honda F1

Η αλλαγή των όρων από 'κινητήρα' σε 'μονάδα ισχύος' σημαίνει μια αλλαγή στη σκέψη, από την ανάπτυξη κινητήρων για καθαρή ιπποδύναμη στην αναζήτηση ενεργειακά αποδοτικών μονάδων ισχύος, που οδηγεί στο υψηλότερο επίπεδο ενεργειακής απόδοσης μέσω περιβαλλοντικών τεχνολογιών.

Πώς λειτουργούν οι δύο τύποι συστημάτων ανάκτησης ενέργειας, το σύστημα ανάκτησης κινητικής ενέργειας και το σύστημα ανάκτησης θερμικής ενέργειας;

Το σύστημα ανάκτησης κινητικής ενέργειας είναι μια εξέλιξη του KERS (Kinetic Energy Recovery System) , το σύστημα που χρησιμοποιήθηκε στους αγώνες F1 από το 2009 έως το 2013 και λειτουργεί παρόμοια με το υβριδικό σύστημα για τα Accord Hybrid και Fit Hybrid, χρησιμοποιώντας έναν κινητήρα και ηλεκτρική γεννήτρια για τη μετατροπή της κινητικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια.

Σε ένα αυτοκίνητο που κινείται με κινητήρα, η κινητική ενέργεια μέσω της πέδησης χάνεται καθώς μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια μέσω των μονάδων πέδησης. Με άλλα λόγια, η ενέργεια χάνεται με το φρενάρισμα. Με ένα υβριδικό σύστημα, αυτή η χαμένη ενέργεια ανακτάται από τη μονάδα κινητήρα/γεννήτριας ως ηλεκτρική ενέργεια και αποθηκεύεται στην μπαταρία, η οποία μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία του κινητήρα κατά την επιτάχυνση. Η μονάδα κινητήρα/γεννήτριας του συστήματος ανάκτησης κινητικής ενέργειας ονομάζεται 'MGU-K' (Motor Generator Unit - Kinetic) .

Το δεύτερο σύστημα, το σύστημα ανάκτησης θερμικής ενέργειας, συλλαμβάνει τη θερμική ενέργεια που παράγεται από την εξάτμιση του κινητήρα. Η καυτή εξάτμιση από το θάλαμο καύσης του κινητήρα συνήθως χάνεται μέσω των σωλήνων εξάτμισης. Το σύστημα ανάκτησης θερμικής ενέργειας, μια μονάδα κινητήρα/γεννήτριας, επαναχρησιμοποιεί αυτή τη θερμική ενέργεια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτή η μονάδα ονομάζεται 'MGU-H' (Μονάδα γεννήτριας κινητήρα - Θερμότητα) .

Διαμόρφωση μονάδας ισχύος

Οι μονάδες ισχύος για μηχανές F1 βρίσκονται πίσω από το κάθισμα του οδηγού (cockpit), όπου βρίσκονται και οι μπαταρίες.

Οι κανονισμοί F1 επιτρέπουν έναν στροβιλοσυμπιεστή με συνοπτικούς κανονισμούς για το πού μπορεί να εγκατασταθεί. Ο στροβιλοσυμπιεστής αυξάνει την ποσότητα αέρα που τροφοδοτείται στον κινητήρα, ο οποίος ψύχεται από το ενδιάμεσο ψυγείο και τροφοδοτείται στις εισαγωγές του κινητήρα. Το MGU-H πρέπει να συνδεθεί στον υπερσυμπιεστή.

Οι νέοι κανονισμοί του 2014 περιορίζουν τη χρήση καυσίμου στα 100 κιλά και τη ροή καυσίμου στα 100 κιλά/ώρα ανά αγώνα . Φανταστείτε τη χρήση καυσίμου ως τη χωρητικότητα της δεξαμενής καυσίμου και τη ροή καυσίμου ως την ποσότητα καυσίμου που ρέει από τη δεξαμενή καυσίμου. Τόσο η συνολική ποσότητα καυσίμου όσο και η μέγιστη ποσότητα καυσίμου που ρέει ανά πάσα στιγμή είναι περιορισμένα ανά αγώνα. Αυτοί οι κανονισμοί επιτρέπουν στις ομάδες να χρησιμοποιούν 30% λιγότερο καύσιμο σε σύγκριση με τους κανονισμούς του 2013. Λόγω των περιορισμών ροής καυσίμου, είναι πιο δύσκολο να παραχθεί ισχύς κινητήρα, ωστόσο οι μικρότερες χωρητικότητες της δεξαμενής καυσίμου απαιτούν υψηλότερη απόδοση καυσίμου.

Οι μηχανές F1 πρέπει να χρησιμοποιούν προσεκτικά τα περιορισμένα καύσιμα για να μπορέσουν να τερματίσουν έναν αγώνα. Οι αγώνες δεν μπορούν να κερδηθούν με αργή οδήγηση, επομένως η λεπτή ροή του καυσίμου πρέπει να μετατραπεί αποτελεσματικά σε ισχύ. Για να κερδίσετε στους αγώνες F1, ο κινητήρας πρέπει να είναι αποδοτικός και ισχυρός στα καύσιμα και τα δύο συστήματα ανάκτησης ενέργειας πρέπει να χρησιμοποιηθούν με σύνεση.

Κάθε σταγόνα βενζίνης πρέπει να παράγει τη μέγιστη ισχύ και οι μηχανές πρέπει να έχουν απόλυτη ταχύτητα που αναμένεται από έναν αγώνα F1. Αυτές οι τεχνολογίες από την ανάπτυξη μονάδων ισχύος F1 θα είναι πολύτιμες για τα αυτοκίνητα παραγωγής του μέλλοντος.

Εξαρτήματα μονάδας ισχύος

Μπαταρία

Οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας (μπαταρίες) χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση ενέργειας που διαφορετικά θα χάνονταν. Οι κανονισμοί περιορίζουν το μέγεθος της μπαταρίας μεταξύ 20 και 25 kg , για την αποφυγή υπερβολικού κόστους ανάπτυξης. Οι τεχνολογίες ανάπτυξης και ελέγχου μπαταριών που αποκτήθηκαν μέσω της ανάπτυξης της F1 θα είναι επίσης ευεργετικές για την παραγωγή υβριδικών αυτοκινήτων στο μέλλον.

Μονάδα ελέγχου ERS

Η μονάδα ελέγχου ERS (Energy Recovery System) είναι ένας υπολογιστής που ελέγχει τον τρόπο χρήσης της ενέργειας στη μονάδα ισχύος. Είναι ο εγκέφαλος της μονάδας ισχύος, και τουΤο λογισμικό καθορίζει την απόδοση του κινητήρα και των δύο MGUκάτω από συνεχώς και ταχέως μεταβαλλόμενες συνθήκες περιβάλλοντος και οδήγησης.

Η μπαταρία λειτουργεί με συνεχές ρεύμα (DC), σε αντίθεση με τα MGU-K και MGU-H που λειτουργούν με εναλλασσόμενο ρεύμα (AC). Η μονάδα ελέγχου ERS περιλαμβάνει μετατροπείς AC/DC και DC/AC για τη μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας μεταξύ της μπαταρίας και του MGU-K/MGU-H. Οι τεχνολογίες που αναπτύχθηκαν για την απόδοση μετατροπής και τη διαχείριση θερμότητας θα βρουν πιθανότατα τον δρόμο τους για την παραγωγή υβριδικών αυτοκινήτων.

MGU-K

Το MGU-K μετατρέπει την κινητική ενέργεια επιβράδυνσης σε ηλεκτρική ενέργεια, λειτουργώντας παρόμοια με τις μονάδες κινητήρα/γεννήτριας σε συμβατικά υβριδικά αυτοκίνητα. Οι μέγιστες στροφές περιορίζονται στις 50.000 rpm και η ισχύς στα 120 kW. Όταν τροφοδοτείται το μηχάνημα F1 χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στην μπαταρία, το MGU-K προσθέτει 157 ίππους στους 592 ίππους του κινητήρα. Το MGU-K από μόνο του παράγει περισσότερη ισχύ από τη συνδυασμένη ισχύ κινητήρα και κινητήρα του Fit Hybrid των 103 kW.

Η ηλεκτρική ενέργεια που φορτίζει την μπαταρία από το MGU-K περιορίζεται στα 2 MJ (megajoules) ανά γύρο και η μέγιστη ενέργεια που χρησιμοποιείται από την μπαταρία για την τροφοδοσία του MGU-K περιορίζεται στα 4 MJ ανά γύρο.

MGU-H

Το MGU-H μετατρέπει τη θερμική ενέργεια από τα καυσαέρια σε ηλεκτρική ενέργεια και πρόκειται να χρησιμοποιηθεί ακόμη σε συμβατικά υβριδικά αυτοκίνητα. Οι τεχνολογίες MGU-H που αναπτύχθηκαν στους αγώνες F1 ενδέχεται να βρουν το δρόμο τους για αυτοκίνητα παραγωγής στο μέλλον.

Σε αντίθεση με το MGU-K, οι κανονισμοί F1 δεν θέτουν περιορισμούς στη χρήση ενέργειας στο MGU-H. Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από το MGU-H μπορεί να τροφοδοτηθεί απευθείας στο MGU-K, παρακάμπτοντας ουσιαστικά τους περιορισμούς του MGU-K και αξιοποιώντας τους 157 ίππους, υπογραμμίζοντας τη σημασία της ανάπτυξης ενός συστήματος για την πλήρη χρήση του MGU-H. Η νέα μονάδα ισχύος F1 εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το πόσο αποτελεσματικά λειτουργεί το MGU-H.

Μηχανή εσωτερικής καύσης

Ο κινητήρας V8 κανονικής αναρρόφησης 2,4 λίτρων του 2013 αντικαταστάθηκε σύμφωνα με τους νέους κανονισμούς του 2014 με κινητήρα V6 turbo 1,6 λίτρων με άμεσο ψεκασμό καυσίμου. Ο κινητήρας είναι κατά ένα τρίτο μικρότερος και υπάρχουν δύο λιγότεροι κύλινδροι, ακολουθώντας την παγκόσμια τάση του downsizing.

Με μικρότερη χωρητικότητα και λιγότερους κυλίνδρους, ο κινητήρας από μόνος του δεν μπορεί να είναι τόσο ισχυρός όσο πριν. Οι συσκευές εξαναγκασμένης επαγωγής, όπως οι υπερσυμπιεστές, επιτρέπουν στον κινητήρα να είναι πιο συμπαγής και να παράγει την ίδια ισχύ με πριν. Ο στόχος της μείωσης του μεγέθους του κινητήρα είναι να μειωθεί το μέγεθος του κινητήρα και να αυξηθεί η απόδοση καυσίμου, ενώ παράγει την ίδια ισχύ με έναν μεγαλύτερο κινητήρα κανονικής αναρρόφησης. Οι υπερτροφοδοτούμενοι κινητήρες μπορούν να κατασκευαστούν μικρότεροι, με υψηλότερη απόδοση καυσίμου.

Μέχρι το 2013 οι κινητήρες F1 περιορίζονταν στις 18.000 σ.α.λ., αλλά από το 2014, το όριο στροφών μειώνεται στις 15.000 σ.α.λ., με τη μέγιστη ροή καυσίμου να περιορίζεται στις 10.500 σ.α.λ.

Η απόδοση αυξάνεται αναλογικά με την ποσότητα του καυσίμου που καίγεται, επομένως οι υψηλότερες στροφές καίνε περισσότερο καύσιμο και αυξάνουν την απόδοση, σε συντομότερο χρόνο. Με τον περιορισμό της μέγιστης ροής καυσίμου στις 10.500 σ.α.λ., μόνο η ίδια ποσότητα ροής καυσίμου είναι διαθέσιμη σε υψηλότερες στροφές, αυξάνοντας τη μηχανική αντίσταση και μειώνοντας τα πλεονεκτήματα της αύξησης των στροφών.

Οι κινητήρες F1 του παρελθόντος σχεδιάστηκαν για να διατηρούν υψηλότερες στροφές για να δημιουργούν υψηλότερη απόδοση, αλλά οι νέοι περιορισμοί μετατοπίζουν την εστίαση στη σχεδίαση κινητήρων που χρησιμοποιούν ενέργεια πιο αποτελεσματικά.

Στροβιλοσυμπιεστής

Οι κανονισμοί της F1 του 2014 επανέφεραν τους υπερτροφοδοτούμενους κινητήρες, μια μορφή εξαναγκασμένης επαγωγής, για να αυξήσουν τη θερμική απόδοση. Οι στροβιλοσυμπιεστές επιτρέπονταν στους αγώνες F1 τη δεκαετία του 1980 και το 1988, οι υπερτροφοδοτούμενοι κινητήρες της Honda κέρδισαν 15 από τα 16 Grand Prix. Οι υπερτροφοδοτούμενοι κινητήρες απαγορεύτηκαν την επόμενη χρονιά, το 1989, αλλά μετά από 25 χρόνια επανακυκλοφόρησε.

Ο στροβιλοσυμπιεστής, μια συσκευή για την αποτελεσματική χρήση της ενέργειας των καυσαερίων του κινητήρα, αποτελείται από έναν στρόβιλο και έναν συμπιεστή που υποστηρίζονται από ρουλεμάν στον ίδιο άξονα. Η ενέργεια των καυσαερίων στρέφει τον στρόβιλο που τροφοδοτεί τον συμπιεστή, ο οποίος με τη σειρά του συμπιέζει και αυξάνει τον αέρα που τροφοδοτείται στο θάλαμο καύσης του κινητήρα, επιτρέποντας έτσι περισσότερη καύση και υψηλότερη απόδοση. Οι συμβατικοί υπερτροφοδοτούμενοι κινητήρες V6 είναι γενικά εξοπλισμένοι με δύο υπερσυμπιεστές, αλλά Οι κανονισμοί της F1 περιορίζουν τον κινητήρα σε έναν υπερσυμπιεστή , που απαιτεί να βρεθεί η δύναμη με άλλα μέσα.

Ροή ενέργειας σε συνθήκες αγώνα

Πώς ρέει η ενέργεια μέσα στη μονάδα ισχύος; Ανάλογα με το τι κάνει η μηχανή F1 στην πίστα, η ενέργεια ανακτάται ή χρησιμοποιείται για να υποστηρίξει τον κινητήρα.

Φρενάρισμα

Η ροή ενέργειας είναι παρόμοια με ένα συμβατικό υβριδικό αυτοκίνητο: Το MGU-K ανακτά (ή παράγει ηλεκτρική ενέργεια από) μέρος της κινητικής ενέργειας που χάνεται όταν η μηχανή F1 φρενάρει και αποθηκεύει την ηλεκτρική ενέργεια στην μπαταρία. Η μέγιστη ισχύς του MGU-K είναι 120 kW και η ποσότητα ενέργειας που επιτρέπεται να αποθηκευτεί είναι 2 MJ ανά γύρο. η μηχανή F1 χρειάζεται να φρενάρει για περίπου 16,7 δευτερόλεπτα ανά γύρο για να φτάσει σε αυτή τη μέγιστη φόρτιση .

Επιτάχυνση εκτός στροφών (με χρήση MGU-K)

Το μηχάνημα F1 μπορεί να επιταχύνει πιο γρήγορα από τις στροφές προσθέτοντας την ισχύ του MGU-K στην ισχύ του κινητήρα.

Επιτάχυνση εκτός στροφών (επίλυση υστέρησης turbo)

Όταν τα υπερτροφοδοτούμενα αυτοκίνητα επιβραδύνουν, ο ρυθμός ροής των καυσαερίων μειώνεται, γεγονός που καθυστερεί την απόδοση της τουρμπίνας και ως εκ τούτου η επιτάχυνση απαιτεί επιπλέον χρόνο. Αυτή η μικρή χρονική καθυστέρηση ονομάζεται 'Turbo Lag'. Το MGU-H λύνει αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας έναν κινητήρα για την τροφοδοσία του συμπιεστή, χωρίς να χρειάζεται η τουρμπίνα να περιμένει τα καυσαέρια .

Πλήρης επιτάχυνση (με MGU-K και MGU-H Power-assistance)

Ο στροβιλοσυμπιεστής χρησιμοποιεί τον συμπιεστή του για να στείλει πεπιεσμένο αέρα στον κινητήρα. Σε πλήρη επιτάχυνση, η ενέργεια των καυσαερίων που τροφοδοτείται στον στρόβιλο μπορεί να αυξηθεί σε σημείο που να υπερβαίνει την ποσότητα αέρα που μπορεί να χειριστεί ο συμπιεστής για να τροφοδοτήσει τον κινητήρα.

Το MGU-H μετατρέπει την πλεονάζουσα ενέργεια των καυσαερίων σε ηλεκτρική ενέργεια, την οποία στη συνέχεια στέλνει στο MGU-K. Δεν υπάρχουν κανόνες σχετικά με το πόση ηλεκτρική ενέργεια επιτρέπεται να παράγει το MGU-H , έτσι η έξοδος του MGU-K μπορεί να προστεθεί στην ισχύ του κινητήρα χωρίς να ανησυχείτε για τους κανόνες σχετικά με την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να φορτίσει ή να αποφορτίσει η μπαταρία. Η αχρησιμοποίητη ενέργεια των καυσαερίων μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά για ταχύτερη επιτάχυνση.

Με πλήρη επιτάχυνση εκτός γωνιών, η μπαταρία μπορεί επίσης να στείλει ηλεκτρισμό στο MGU-K. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να επιτευχθεί πλήρης επιτάχυνση στη μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύ για το MGU-K, στα 120 kW .