Debiut systemu KERS w bolidach Formuły 1 w 2009 roku zapowiadał rewolucyjne zmiany w tej serii wyścigów. W 2014 roku pojawiły się całkowicie innowacyjne konstrukcje z 1,6-litrowymi turbodoładowanymi silnikami hybrydowymi V6. W tych zaawansowanych jednostkach zastosowano złożony hybrydowy system ERS. Jak zbudowano taki napęd i jak wspomaga on zawodników na torze? W niniejszym artykule wyjaśniamy kolejny aspekt techniczny Formuły 1.
Układy hybrydowe w wyścigach Formuły 1 nie były zupełną nowością we wspomnianym 2014 roku. W kategorii LMP1 rajdów długodystansowych w 2012 roku pojawiły się modele: Toyota TS030 Hybrid i Audi R18 e-tron, które rywalizowały w Le Mans oraz serii mistrzostw świata Endurance. Przewagi, jakie mogą dawać układy hybrydowe, były znane jednak jeszcze wcześniej.
Rezygnowano z ich instalowania, głównie z powodu ich dużego ciężaru. Okazał się on też problemem w Formule 1, gdy w 2009 pojawił się quasi-hybrydowy system KERS (Kinetic Energy Recovery System). Ciężar modułu mocno utrudniał wówczas wyprzedzanie. Z tego względu od 2011 stosowany jest moduł DRS, a od 2014 zmniejszone silniki turbo, które wyposażono w pełny, hybrydowy system ERS. Czym jest i jak działa, dowiesz się z dalszej części naszego artykułu.
Z tego artykułu dowiesz się m.in.:
- po co używa się ERS;
- czym charakteryzuje się budowa systemu odzyskiwania energii w bolidach F1;
- jak działa najbardziej skomplikowany element ERS;
- kiedy energia odzyskana przez ERS może być wykorzystana przez kierowcę;
- czy ERS stosuje się w samochodach drogowych.
ERS – co to znaczy?
ERS to skrót od Energy Recovery System, czyli system odzyskiwania energii. Za co odpowiada ten moduł? W czasie jazdy samochodem ogromna ilość wytwarzanej energii zostaje zmarnowana. Ma to miejsce w wielu momentach. Podczas hamowania energia kinetyczna zamieniana jest w energię cieplną, natomiast silnik jest w stanie uzyskać maksymalnie połowę sprawności ze spalania paliwa.. Daje to duży potencjał do rekuperacji, czyli odzysku i ponownego wykorzystania utraconej energii do poprawy osiągów pojazdu. Układy, które spełniają to zadanie, nazywane są właśnie systemem ERS.
W wyścigach Formuły 1 energii odzyskanej używa się na 2 sposoby. Po pierwsze silnik elektryczny może zapewnić dodatkową moc na krótkim odcinku. Po drugie używa się jej do napędu sprężarki w momencie, gdy gazy spalinowe mają zbyt małą energię, by poruszyć turbiną.
Jak działa system ERS?
System odzyskiwania energii w F1 składa się z 4 podstawowych układów:
- magazynu energii (akumulatora);
- modułu MGU-K;
- modułu MGU-H;
- elektronicznych systemów sterujących.
Co oznaczają te skróty i jak działają poszczególne elementy? Ze względu na to, że moduł MGU-H jest najbardziej skomplikowanym podzespołem systemu ERS, opiszemy jego działanie w dalszej części tekstu oddzielnie. Skupimy się najpierw na pozostałych układach, których działanie jest znacznie prostsze.
Moduł MGU-K w pełnej angielskiej nazwie brzmi: Motor Generator Unit-Kinetic. W największym skrócie jest to system odzyskiwania energii z hamowania. Jak działa? Moduł ten odpowiada za zmianę energii kinetycznej oraz późniejsze przekazywanie jej do całego zespołu napędowego. Jego sercem jest silniko-prądnica połączona z wałem korbowym za pośrednictwem kół zębatych.
Gdy kierowca zdejmuje nogę z gazu i naciska na pedał hamulca, pracuje jako prądnica. Bezwładne obroty silnika i energia kinetyczna całego pojazdu, przez układ napędowy (koła, półosie, skrzynię biegów), napędzają ją, co powoduje, produkcję, magazynowej w akumulatorach, energii elektrycznej.
Podczas 1 okrążenia toru w Formule 1 można zgromadzić i użyć do 2 MJ (mega dżuli) energii z MGU-K. To całkiem sporo! Gdy kierowca jej potrzebuje, aktywuje przyciskiem na kierownicy działanie modułu MGU-K jako silnika. Wówczas przez około 30 sekund ma do dyspozycji 160 KM dodatkowej mocy (silnik spalinowy samodzielnie generuje około 750 KM). Jeżeli gromadzona energia przekroczy limit 2 MJ, jest automatycznie przekierowywana do modułu MGU-H.
Magazynowanie energii realizowane jest w dość trywialny sposób. Zostaje ona zgromadzona w 2 akumulatorach litowo-jonowych o pojemności 2 MJ każdy. Jest to energia, która odpowiada około 0,6 kWh. Bardzo mało, nawet w stosunku do tradycyjnego akumulatora rozruchowego w cywilnych samochodach (zwykle jest ona wyższa od 2 kWh). Mimo tego każda z baterii waży przeszło 20 kg, co tłumaczy, dlaczego w bolidzie Formuły 1 nie montuje się większych akumulatorów. Ich masa wpływałaby negatywnie na inne możliwości pojazdów.
Do czego służy moduł MGU-H?
Drugim podstawowym układem, na którym inżynierowie oparli system ERS, jest moduł MGU-H, czyli Motor Generator Unit-Heat. Wykorzystuje on energię cieplną gazów wydechowych do generowania prądu. Jest to element skomplikowany i drogi, dlatego obecnie trwa dyskusja o zrezygnowaniu z tego rozwiązania w Formule 1 od sezonu 2025.
Podobnie jak MGU-K, głównym elementem MGU-H jest silniko-prądnica, połączona z turbosprężarką. Problemem jest to, że turbina obraca się z prędkością nawet 125 tys. obr/min. To oznacza, że należało opracować urządzenie, które będzie pracować przy ultrawysokich prędkościach i w ekstremalnych warunkach temperaturowych. Właśnie to powoduje, że system odzyskiwania energii ze spalin jest bardzo kosztowny..
Od strony technicznej, obecnie w większości silników w Formuły 1 korzysta się z układu, którego działanie opracowali inżynierowie Mercedesa. W tej konstrukcji turbina znajduje się z tyłu silnika, a moduł MGU-H umieszczony jest pomiędzy rzędami cylindrów. Sprężarka instalowana jest z kolei po przeciwnej stronie jednostki napędowej. Wszystkie elementy połączone są zaledwie 1 osią.
Powyższy układ pozwolił na zastosowanie większej sprężarki oraz na oddzielenie jej od niezwykle gorącej turbiny. Na początku stosowania ERS F1 Honda i Renault przedstawiły swoje projekty, o zupełnie innej budowie, jednak inżynierowie szybko przekonali się, że o wiele lepiej jest naśladować rozwiązanie niemieckiego zespołu.
MGU-H zamiast westgate’u
Moduł MGU-H w jednostkach napędowych Formuły 1 pełni funkcję ogranicznika ciśnienia doładowania. W drogowych silnikach turbo stosuje się westgate, czyli zawór, który pozwala ominąć spalinom turbinę. W rajdowych przeważnie używano zaworów upustowych. Wytwarzanie prądu powoduje opór, który spowalnia turbinę i obniża ciśnienie doładowania do zakładanego poziomu. Im mocniej trzeba wyhamować turbinę, tym więcej prądu zostanie wygenerowane.
Regulamin techniczny F1 nie przewidział limitu energii, jaką można odzyskać z turbosprężarki. Dozwolone jest też przekierowanie jej do systemu kinetycznego. Z tego względu im sprawniejszy moduł MGU-H zostanie zainstalowany w jednostce napędowej, tym więcej dodatkowej mocy będzie można przekazać do silnika spalinowego. Właśnie tutaj ujawnia się przewaga pomysłu Mercedesa nad rozwiązaniami dawniej stosowanymi przez konkurentów.
Im większa jest sprężarka, tym generuje wyższe wartości ciśnienia. Oznacza to także zwiększoną konieczność jego ograniczania. Układ Mercedesa pozwala na zastosowanie sprężarki o rozmiarach kilka razy większych niż to niezbędne do samego doładowania jednostki napędowej. Dzięki temu ilość energii, jaką uzyskuje w czasie szybkiej jazdy, jest znacznie większa. Może ona trafić do modułu kinetycznego lub drugiego akumulatora (także o pojemności 2 MJ).
MGU-H jako ALS
MGU-H w może pracować także jako silnik. Jak to możliwe? Dzieje się tak w momencie, gdy kierowca zdejmuje nogę z pedału gazu. Spada wówczas energia gazów wydechowych. Powoduje to, że turbosprężarka zwalnia lub zupełnie się zatrzymuje. Po wciśnięciu gazu jej ponowne rozpędzenie wymaga czasu, co generuje tzw. turbodziurę, czyli chwilowy brak mocy po wciśnięciu pedału przyspieszenia.
By zapobiec stratom przyspieszenia spowodowanych opisanym wyżej zjawiskiem, w silnikach sportowych stosuje się ALS (Anti-Lag System). Przeważnie był to dodatkowy wtryskiwacz, umieszczony w kolektorze wydechowym, którego praca utrzymywała turbinę w ruchu. Powodowało to zwiększenie zużycia paliwa i obciążenie termiczne sprężarki. ALS oparty o MGU-H nie ma tych wad. System przełącza tryb pracy i uruchamia moduł jako silnik elektryczny. Obraca on turbiną, dzięki czemu ciśnienie doładowania jest dostępne natychmiast po wciśnięciu pedału gazu.
Jak kierowcy wykorzystują system ERS w F1?
Jak już wspominaliśmy w opisie technicznym, ERS ma pewne ograniczenia, szczególnie w zakresie tego, jak działać może system odzyskiwania energii z hamowania. Według dostępnych informacji moc, jaką można zgromadzić za pomocą MGU-K wystarcza na 32-33 s. Z tego względu należy korzystać z niej w sposób inteligentny.
Oczywiście po zużyciu energii z rekuperacji kinetycznej, zwykle kierowca ma do dyspozycji jeszcze pewną ilość dodatkowej mocy z systemu termicznego, ale ponowne naładowanie akumulatorów trwa kolejne kilkadziesiąt sekund, co może zaważyć na ostatecznym wyniku. Podczas wyścigu dodatkowa moc potrzebna jest przede wszystkim podczas manewru wyprzedzania oraz swojej obrony pozycji na torze. W przypadku gdy kierowca walczy jedynie z czasem, wówczas energia z ERS może być wykorzystywana do zwiększenia prędkości maksymalnej na prostych odcinkach i szybszego nabrania prędkości po pokonaniu wolnego zakrętu, czy po opuszczeniu alei serwisowej.
System ERS w samochodach drogowych
Większość współczesnych samochodów hybrydowych inżynierowie wyposażyli w system odzyskiwania energii. Do tej pory są to wyłącznie moduły kinetyczne, które działają podobnie do przedstawionych wyżej MGU-K używanych w Formule 1. Auta drogowe mają większe akumulatory, szczególnie w hybrydach typu plug-in, a zastosowanie systemu ERS to przede wszystkim sposób na zmniejszenie zużycia energii i paliwa przez samochód oraz ograniczenie emisji zanieczyszczeń. Rekuperacja stosowana jest także powszechnie w pojazdach elektrycznych. — powiedział nam ekspert Inter Cars.
Do tej pory nie powstały samochody korzystające z układów podobnych do MGU-H. Mercedes zapowiadał w 2020 roku możliwość zastosowania tego rozwiązania w pojazdach produkowanych pod szyldem AMG. Pomimo iż mamy rok 2023 – do tej pory nie zaprezentowano auta tego typu. Mimo faktu, że rozwiązanie to najpewniej zniknie z Formuły 1, nie można wykluczać, że niemiecki koncern zrealizuje swoje zapowiedzi. W ciągu kilku najbliższych lat możemy spodziewać się hybrydowego supersamochodu, którego elementem będzie moduł MGU-H.
Wyposaż swój samochód dzięki Inter Cars
Jeśli chcesz wyposażyć swoje auto w najwyższej jakości części, odwiedź sklep Inter Cars. Kupisz u nas klocki hamulcowe, tarcze hamulcowe, płyny hamulcowe oraz inne akcesoria pochodzące od czołowych światowych producentów. Zapraszamy!
