Formula 1ΑΡΘΡΟΓΡΑΦΙΑΝΙΚΟΣ ΔΑΦΝΟΜΗΛΗΣ

V6 Turbo-Hybrid Power Unit 1.6L – Οι σύγχρονες κινητήριες μονάδες

Οι σύγχρονες κινητήριες μονάδες αποτελούν μία τεράστια τεχνολογική εξέλιξη για την F1. Οι V6 Turbo-Hybrid Power Unit 1.6L, όπως ονομάζονται είναι το βασικό συστατικό των μονοθεσίων από το 2014 μέχρι και σήμερα (και αισίως μέχρι και το 2025).

Στις παρακάτω γραμμές θα προσπαθήσουμε να εξηγήσουμε κάθε βασικό μέρος από το οποίο αποτελείται μία V6 κινητήρια μονάδα, καθώς και κομβικές διαφορές με παλιότερες μορφές κινητήρων και άλλα είδη αυτών.

Αρχικά θα πρέπει να εξηγήσουμε τον λόγο που υπάρχει το “V” στο όνομα, αλλά και τι σημαίνουν οι αριθμοί. Το “V” υπάρχει λόγω του σχήματος της κινητήριας μονάδας. Αν την παρατηρήσουμε, θα καταλάβουμε ότι οι 6 κύλινδροι (για αυτό και το V6, ενώ παλιότερα οι V8 είχαν 8 κυλίνδρους και πάει λέγοντας) είναι τοποθετημένοι σε σχήμα “V”. Υπάρχουν, λοιπόν, δύο βασικά είδη τοποθέτησης των κυλίνδρων. Το V6 και το straight-6. Δεν έχει νόημα να ασχοληθούμε με την δεύτερη κατηγορία, αλλά για την γνώση αρκεί να αναφέρουμε πως οι κύλινδροι είναι τοποθετημένοι σε σειρά, κάτι που καθιστά την κινητήρια μονάδα δύσκολη στην εγκατάσταση και καθόλου βολική για τον χώρο του μονοθεσίου.

Τα βασικά μέρη μίας V6 Turbo-Hybrid Power Unit 1.6L (V6 Υβριδική κινητήρια μονάδα 1,6 λίτρου) είναι η Μηχανή Εσωτερικής Καύσης [Internal Combustion Engine (ICE)] και το Σύστημα Ανάκτησης Ενέργειας [Energy Recovery System (ERS)] , δηλαδή η μπαταρία και φυσικά ο στροβιλοσυμπιεστής (Turbocharger).

Μηχανή Εσωτερικής Καύσης [Internal Combustion Engine (ICE)]

H ICE είναι εκεί όπου γίνεται η καύση και παράγεται το μεγαλύτερο μέρος της ισχύος. Στον θάλαμο καύσης, εισέρχεται το καύσιμο και ο αέρας (αφού για να γίνει καύση απαιτείται οξυγόνο) και με την κίνηση των πιστονιών γίνεται η καύση. Το displacement (όπως ονομάζεται) των πιστονιών, δηλαδή o όγκος τους, παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην απόδοση μία μηχανής εσωτερικής καύσης. Παρακάτω θα δούμε πως με την εξαιρετική τεχνολογία η οποία χαρακτηρίζει τις σύγχρονες V6 κινητήριες μονάδες, η αποδοτικότητα της μηχανής εσωτερικής καύσης αυξάνεται κατακόρυφα.

Εικόνα
Στροβιλοσυμπιεστής [Turbocharger (tc)]

Προς αποφυγήν παρανοήσεων, ο στροβιλοσυμπιεστής αποτελεί είδος υπερσυμπιεστή (supercharger), ωστόσο υπάρχουν σημαντικές διαφορές. Αρχικά να πούμε ότι οι κανονισμοί της F1, επιτρέπουν την χρήση υπερσυμπιεστών, ωστόσο οι ομάδες έχουν επιλέξει τους στροβιλοσυμπιεστές. Ποιά είναι όμως η δουλειά ενός υπερσυμπιεστή. Οι υπερσυμπιεστές επιβάλουν την εισχώρηση αέρα στον θάλαμο καύσης (ο τρόπος με τον οποίο γίνεται αυτό θα εξηγηθεί πιο κάτω). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να εισέρχεται περισσότερο οξυγόνο, άρα να γίνεται καλύτερη καύση με περισσότερο καύσιμο, άρα και περισσότερη ιπποδύναμη.

Ποιά η διαφορά μεταξύ των υπερσυμπιεστών (superchargers) και των στροβιλοσυμπιεστών (turbochargers)

H κύρια διαφορά είναι ότι ο υπερσυμπιεστής λειτουργεί μηχανικά, ενώ απαιτεί ενέργεια από την μηχανή για να λειτουργήσει, κάτι το οποίο είναι το ακριβώς αντίθετο της εξοικονόμησης ενέργειας – σωστής χρήσης της ενέργειας – fuel efficiency – energy efficiency. Ωστόσο, το πλεονέκτημα ενός υπερσυμπιεστή είναι η σταθερή και συνεχής διανομή της έξτρα ώθησης. Εν αντιθέσει, ο στροβιλοσυμπιεστής λειτουργεί με τα καυσαέρια, είναι πλήρως αποδοτικός, οικονομικός, αποτελεσματικός από αυτήν την οπτική.

Το μειονέκτημά του είναι πως αργεί να λειτουργήσει και να δώσει αυτήν την ώθηση, λόγω του χρόνου που απαιτείται μεταξύ του να φτάσουν τα καυσαέρια στην τουρμπίνα και να συμπιεστεί ο αέρας και να φτάσει στην μηχανή. Αυτό είναι το λεγόμενο turbo lag, και είναι και ο λόγος που μπορεί οι σύγχρονες κινητήριες μονάδες να μην είναι τόσο ανταποκρίσιμες όταν ο κινητήρας λειτουργεί με χαμηλές στροφές και ροπή. Ωστόσο, αξίζει να αναφερθεί πως οι μηχανικοί έχουν φτάσει τους turbochargers σε τέτοιο σημείο που το turbo lag είναι μεν υπαρκτό αλλά πολύ κοντά σε μη σημαντικά επίπεδα. Να σημειωθεί πως σε χαμηλές στροφές, λόγω της μη παραγωγής καυσαερίων, παρατηρείται έντονα το turbo lag.

H ανατομία και η λειτουργία ενός Turbocharger

Όπως προαναφέραμε, ο turbocharger είναι ένα είδος εξελιγμένου υπερσυμπιεστή. Σε αντίθεση με τους συμβατικούς υπερσυμπιεστές, εκείνος λειτουργεί με τουρμπίνα η οποία περιστρέφεται καθώς διέρχονται τα καυσαέρια της μηχανής. Με την σειρά της η τουρμπίνα αυτή, μέσω ενός άξονα είναι συνδεδεμένη με μία άλλη τουρμπίνα η οποία καθώς περιστρέφεται “ρουφάει” αέρα ο οποίος λόγω της γεωμετρίας της τουρμπίνας και των τοιχωμάτων, συμπιέζεται γίνεται πιο πυκνός και φτάνει εν τέλη μέσω ενός σωλήνα στην μηχανή. Εδώ υπάρχουν τα εξής προβλήματα. Καθώς ο αέρας γίνεται πυκνός, τα μόριά του έρχονται όλο και πιο κοντά, άρα υπάρχει τριβή, η οποία δημιουργεί θερμότητα, που με την σειρά της (λόγω της θερμοδυναμικής) προκαλεί περισσότερη κίνηση – τριβή και γίνεται αυτός ο κύκλος.

Για να αποφευχθεί αυτό, καθώς ο ζεστός αέρας είναι διαβρωτικός για την μηχανή, στο μέσο της διαδρομής υπάρχει ένα ψυγείο (intecooler) δουλειά του οποίου είναι να “κρυώσει” τον αέρα. Ένα ακόμα σημαντικό στοιχείο του στροβιλοσυμπιεστή είναι η βαλβίδα που υπάρχει στον σωλήνα που μεταφέρει τα καυσαέρια στην τουρμπίνα, γνωστή και ως wastegate. Ο ρόλος της είναι να ανοίγει και να επιτρέπει στα καυσαέρια να παρακάμπτουν τον στροβιλοσυμπιεστή, όταν η μηχανή παράγει υπερβολικά πολλά καυσαέρια, ώστε να εξισσοροπηθεί η απόδοση του turbo με τις ανάγκες της μηχανής. Το wastegate είναι και ο λόγος που ακούγεται αυτός ο περίεργος ήχος στα μονοθέσια σαν σφύργιμα – κόφτης. Τέλος, να πούμε ότι το μεγάλο πλεονέκτημα των υπερσυμπιεστών είναι ότι επιτρέπουν σε μικρού μεγέθους κινητήρες να παράγουν ίδια και περισσότερη ιπποδύναμη με μεγαλύτερου μεγέθους κινητήριες μονάδες, ενώ το κάνουν μάλιστα με μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα.

Εικόνα
Σύστημα Ανάκτησης Ενέργειας [Energy Recovery System (ERS)]

To ERS είναι και ο λόγος που οι V6 ονομάζονται κινητήριες μονάδες και όχι απλά κινητήρες. Η μπαταρία προσφέρει γύρω στα 160 άλογα ιπποδύναμης (τουλάχιστον με βάση τα δεδομένα του 2014 της Mercedes), ενώ σε σύγκριση με το KERS που διαρκούσε 6 δευτερόλεπτα, εκείνες διαρκούν γύρω στα 33 και είναι αρκετά πιο αποδοτικές και αποτελεσματικές (πάλι με δεδομένα του 2014, της Renault). Οι μπαταρίες χωρίζονται στα εξής μέρη: Control Electronics (Ηλεκτρονικά Ελέγχου), Energy Store (Αποθήκη Ενέργειας) και τα MGU (Motor Generator Unit) τα οποία χωρίζονται σε MGU-K (Motor Generator Unit – Kinetic) και MGU-H (Motor Generator Unit – Heat).

Control Electronics (CE)

Τα Ηλεκτρονικά Ελέγχου είναι ουσιαστικά τα ηλεκτρονικά μέρη της κινητήριας μονάδας τα οποία ελέγχουν όλες τις λειτουργίες, ενώ πολύ σημαντική λειτουργία είναι και η εναλλαγή του ρεύματος από AC σε DC όταν φτάνει και φεύγει από την μπαταρία. Πρακτικά, αν φθαρεί αρκετά το CE, η αποδοτικότητα της μπαταρίας μειώνεται ενώ μπορεί να προκληθεί εκτεταμένη φθορά και σε άλλα μέρη της V6 κινητήριας μονάδας.

Energy Store (ES)

H Αποθήκη Ενέργειας, είναι το μέρος της Lithium-ion μπαταρίας στο οποίο αποθηκεύεται όλη η ενέργεια που έχει στην διάθεσή του ο πιλότος. Σύμφωνα με τα δεδομένα του 2014 για την μπαταρία της Mercedes, μία πλήρως φορτισμένη μπαταρία της πρωταθλήτριας μπορούσε να φορτίσει ένα κινητό για να λειτουργεί επί 370 συνεχόμενες ώρες. Υπολογίζεται ότι η ενέργεια που προσφέρεται μπορεί να χρησιμοποιείται για 33 συνεχόμενα δευτερόλεπτα στην ρύθμιση με την περισσότερη κατανάλωση, ενώ σε αντίθεση με το KERS, η απόδοση είναι 160 άλογα και όχι περίπου 50 που ήταν μέχρι το 2013 (σύμφωνα με τα δεδομένα της Renault του 2014 για το μονοθέσιο της Red Bull).

Εάν ο πιλότος δεν καταναλώνει την ενέργεια και έχει συνεχώς τεράστια αποθέματα, ενώ αυτή “υπερ”φορτίζεται, αυτό φθείρει το συγκεκριμένο μέρος της μπαταρίας με αποτέλεσμα να μειώνεται η χωρητικότητά του.

Εικόνα
Motor Generator Unit – Heat (MGU-H)

Και φτάνουμε στα πιο περίπλοκα. Το MGU-H έχει πολλαπλή χρήση, σημασία και λειτουργία. Αρχικά, εκμεταλλεύεται την θερμότητα από τα καυσαέρια και την θερμότητα που αναπτύσσεται στον turbocharger για να φορτίζει την μπαταρία. Αυτή η ενέργεια, είτε αποθηκεύεται, είτε χρησιμοποιείται για άλλες λειτουργίες. Η πιο σημαντική είναι στην λειτουργία του στροβιλοσυμπιεστή, με σκοπό να εξαλειφθεί το turbo lag, όπως αναλύσαμε πιο πάνω. Η τουρμπίνα αργεί να κάνει το λεγόμενο spool up και έτσι το turbo δεν λειτουργεί “εγκαίρως”. H δουλειά του MGU-H, λοιπόν, είναι να εξασφαλίζει την λειτουργία του turbo όταν δεν παράγονται τα απαραίτητα καυσαέρια για την περιστροφή της τουρμπίνας. Τέλος, η ενέργεια αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε στο μέλλον, αφού αποθηκεύεται στο ES είτε άμεσα μέσω του…..

Motor Generator Unit – Kinetic (MGU-K)

Πρακτικά, το MGU-K είναι μία εξέλιξη του KERS (Kinetic Energy Recovery System). To συγκεκριμένο έχει διπλή λειτουργία. Η πρώτη είναι η απορρόφηση ενέργειας μέσω των φρένων, η απορρόφηση δηλαδή κινητικής ενέργειας (λειτουργία ώς generator). Η δεύτερη σημαντική λειτουργία του είναι η κατανάλωση της ενέργειας της μπαταρίας όταν και όποτε την χρειάζεται ο πιλότος (για παράδειγμα όταν πατάει το “overtake”). Αυτή είναι και η λειτουργία του ως Motor. Όπως προαναφέραμε, υπολογίζεται ότι η ιπποδύναμη του κινητήρα αυξάνεται κατά 160 περίπου ίππους, όταν η ρύθμιση της μπαταρίας φτάνει στα μέγιστα επίπεδα κατανάλωσης. Εδώ να επισημάνουμε πως το ρεύμα που μεταδίδει το MGU-H είναι τύπου AC, ενώ η μπαταρία και το MGU-K χρησιμοποιούν DC. Την πολύπλοκη μετατροπή κάνουν τα Control Electronics.

Τέλος, να πούμε ότι η υπερβολική φθορά στο MGU-H, η οποία προκαλείται από την υπερθέρμανση κυρίως, μπορεί να μειώσει την ικανότητα απορρόφησης ενέργειας της μπαταρίας ενώ μπορεί να προκαλέσει και προβλήματα στον turbocharger και την λειτουργία του.

Ενώ, η εκτεταμένη φθορά στο MGU-K, η οποία προκαλείται στην συνεχόμενη χρήση του με ακραίες ρυθμίσεις (για παράδειγμα να είναι συνεχώς πατημένο το “overtake”) ή την υπερθέρμανση, προκαλεί αισθητή μείωση στην απόδοση της κινητήριας μονάδας, αδυναμία κατανάλωσης της ενέργειας της μπαταρίας και διάφορα άλλα σχετικά προβλήματα.

Συμπερασματικά

Οι V6 κινητήριες μονάδες αποτελούν κάτι το τεχνολογικά μοναδικό, εξαιρετικά πολύπλοκο και αρκετά κοστοβόρο στην δημιουργία. Οι ομάδες και οι μηχανικοί έχουν δαπανήσει κεφάλαια και κεφάλαια με σκοπό να εξελίξουν στο μέγιστο τις κινητήριες μονάδες τους. Ως μεγάλο πλεονέκτημα θα μπορούσαμε να πούμε την εξαιρετική αποδοτικότητα που προσφέρουν, καθώς παράγουν τεράστια ποσά ιπποδύναμης με χαμηλότερη απαίτηση σε καύσιμο, ενώ παράλληλα το μέγεθός τους επιτρέπει μεγαλύτερη ευελιξία στην εξέλιξη των μονοθεσίων.

Οι turbochargers και η μπαταρία είναι αυτά που επιτρέπουν στους V6 να αποδίδουν όπως ένας μεγαλύτερος, πιο βαρύς και πιο κοστοβόρος κινητήρας φυσικής αναρρόφησης (naturally aspirated engine). Μένει να δούμε τι νέα τεχνολογική εξέλιξη θα έρθει το 2025 στον τομέα των κινητήρων.

Διαβάστε όλα τα νέα της Formula 1 εδώ, ενώ πλέον μπορείτε να μας βρείτε στο InstagramYouTubeTik Tok, Discord και Twitter.

Νίκος Δαφνομήλης

Μεγάλος φίλαθλος της Formula 1 από το 2005. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τον τεχνικό τομέα του αθλήματος και θαυμαστής όλων των ωραίων που έχει να προσφέρει. Μεγάλος φαν και του MotoGP. O μηχανοκίνητος αθλητισμός είναι ένας μαγικός κόσμος!