Как это работает: Новые моторы и ERS

30/07/2013, по материалам F1 Racing

Нынешний сезон - последний для восьмицилиндровых моторов в Формуле 1. Со следующего года чемпионат переходит на V-образные "шестерки", в дополнение к которым команды получат новую, более мощную систему рекуперации энергии - как кинетической, так и тепловой. Об этих новшествах в на страницах F1 Racing рассуждал руководитель технического департамента Williams Пэт Симондс...

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 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, притом 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 дорожном автомобилестроении, 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.