Как Mercedes создал лучший гибридный двигатель Формулы-1

В прошлом году Mercedes доминировал в Формуле 1. «Серебряные Стрелы» выиграли 16 гонок из 19, а ее пилоты Льюис Хэмилтон и Нико Росберг завершили сезон на первом и втором местах. Но как Mercedes доминировал в Формуле 1 на протяжении двух лет и почему он по-прежнему является фаворитом на победу в сезоне 2016 года? Частично ответ кроется в пилотах мирового класса и сложном шасси, но гибридный двигатель, приводящий их в движение, может стать одним из крупнейших факторов успеха команды.

Лучший двигатель Формулы-1 был создан в Motorsport Valley.

Разработанный в ответ на изменения в правилах использования двигателей, Mercedes Hybrid PU106A является плодом концентрированных исследований, разработок и обучения. Созданный на основе сочетания турбонаддува, электродвигателя и технологии внутреннего сгорания, это самый сложный, эффективный и мощный двигатель, который когда-либо производил Mercedes.

Несмотря на то, что PU106A спроектирован как лучший двигатель в мире Формулы-1, он объединяет в себе знания всей конюшни Daimler – от электромобилей до дизельных грузовиков. И уроки, извлеченные Mercedes, уже применяются в наших дорожных автомобилях. Чтобы открыть для себя передовую силовую установку, стоящую за двумя рекордными годами, я поговорил с Энди Коуэллом, управляющим директором Mercedes AMG High Performance Powertrains и вдохновителем лучшего двигателя в Формуле-1.

PU106 — самый мощный двигатель Mercedes из когда-либо созданных.

Бриксворт находится всего в нескольких минутах езды от Милтон-Кинса и расположен в районе Великобритании, известном как Долина автоспорта, в районе с высокой концентрацией малых и средних предприятий, занимающихся гонками. А еще здесь производятся высокопроизводительные силовые агрегаты Mercedes AMG.

Именно здесь, в Великобритании, а не в Германии, Mercedes впервые начал работать над самым совершенным силовым агрегатом, который когда-либо разрабатывался.

Изменения правил и необходимость актуальности

Формула-1 долгое время имела репутацию страны, оторванной от передовых автомобильных технологий, но в 2014 году правила изменились.

Руководящий орган Формулы-1, Международная автомобильная федерация (FIA), решил сделать этот вид спорта более экологичным, добавив два основных, но чрезвычайно эффективных правила: двигатели могли использовать не более 100 кг топлива на гоночную дистанцию, и они были запрещены. Запрещено расходовать топливо более 100 кг в час. «Конкурентоспособная задача заключается в том, как извлечь из этого количества топлива максимум энергии и обеспечить движение автомобиля», — добавляет Коуэлл. Формула-1 превратилась в гонку эффективности.

Формула-1 стала гонкой не только за мощность, но и за эффективность.

Самое большое изменение произошло с размером двигателя: 2,4-литровые двигатели V8 были исключены, а на смену пришли меньшие 1,6-литровые двигатели V6. Чтобы компенсировать снижение мощности двигателя, FIA предоставила производителям двигателей доступ к новому набору хитростей. .

«Технологии, которые ранее были запрещены, были разрешены; поэтому прямой впрыск, турбокомпрессор и (и) более крупная гибридная система (были разрешены)», — объясняет Коуэлл. Двигатели теперь имели электрический наддув мощностью 120 кВт – вдвое больше, чем у старых систем рекуперации кинетической энергии (KERS), впервые появившихся в 2009 году, и они также могли использовать электрическую машину для рекуперации отработанной тепловой энергии и повышения турбонаддува.

Хотя это поставило перед инженерами Формулы-1 новый набор задач, это также означало, что впервые за десятилетия цели Формулы-1 совпали с целями автомобильной промышленности в целом. Чтобы создать лучший двигатель, командам придется добиваться эффективности – именно этого мы и хотим от наших дорожных автомобилей.

Новый набор правил и испытаний

Несмотря на снижение мощности, Mercedes смог вернуть себе много лошадиных сил благодаря установке турбонагнетателя. Один из наиболее эффективных способов повышения мощности и эффективности: турбины улавливают отработанные выхлопные газы и используют их для вращения компрессора, прикрепленного к двигателю. Результат? В двигатель подается больше воздуха, что увеличивает мощность и эффективность.

У Mercedes не было опыта работы с турбонаддувом – в конце концов, последний раз они использовались в Формуле-1 еще до появления команды – поэтому они полагались на знания других сотрудников компании Daimler. Хотя Mercedes использует турбины в своих дорожных автомобилях, именно грузовое подразделение Daimler оказалось наиболее полезным для Коуэлла и его команды: огромная мощность, заложенная в двигателях Формулы-1, означала, что они лучше подходят.

«Поток воздуха, поступающий в двигатель, и поток выхлопного воздуха очень похожи, поэтому колеса компрессора и турбины имеют одинаковый размер», — объясняет Коуэлл. «Если вы посмотрите на колесо компрессора дорожного автомобиля, то увидите, что оно находится в центре вашей руки, крошечная штучка. Если вы посмотрите на грузовик или F1, он висит у вас на ладони. И вместе с этим вы получаете разные характеристики, разные вещи, которым нужно бросить вызов».

В поисках большей мощности турбонаддув увеличился в размерах, но это усугубило фундаментальную проблему технологии: турболаг. Турбо-задержка, вызванная тем, что выхлопным газам требуется время, чтобы раскрутить турбину, сегодня присутствует во многих дорожных автомобилях. «Мы испытываем это, когда вы сидите на светофоре, нажимаете на педаль и уползаете», — говорит Коуэлл. «А потом сила внезапно приходит особенно неконтролируемым образом».

Турбо-лаг — потенциально катастрофическая проблема для гоночного автомобиля

У Мерседеса была проблема. Хотя турбо-лаг может быть полезен для дорожных автомобилей, он представляет собой потенциально катастрофическую проблему для гоночного автомобиля. Чтобы получить максимальную отдачу от автомобиля, водители полагаются на плавную, контролируемую мощность, а турбо-задержка снижает как уверенность водителя, так и общее время прохождения круга.

Но и здесь было решение: электродвигатель мог раскручивать турбину задолго до того, как поступят выхлопные газы. «Когда вы нажимаете педаль акселератора, электрическая машина с ее мгновенным откликом и возможностью крутящего момента на низкой скорости может раскрутить компрессор и подать в двигатель воздух до того, как выхлопная система подаст питание на выхлопные газы», ​​— объясняет Коуэлл. А чтобы сэкономить место, инженеры Mercedes разделили турбину и компрессор и аккуратно интегрировали мотор-генератор посередине двух узлов.

Борьба с гибридным фактором

Хотя 1,6-литровый двигатель V6 с турбонаддувом более совершенен, чем все, что вы можете увидеть на дороге, именно система рекуперации энергии (ERS) представляет собой убийственное приложение новых двигателей Формулы-1. Разработанная для одновременного повышения производительности и эффективности, система Mercedes ERS была одной из лучших в сети в прошлом году – и она разрабатывает технологию, непосредственно связанную с сегодняшними гибридными автомобилями с возможностью подзарядки от сети.

ERS — лучшее приложение для новых двигателей Формулы-1

Систему ERS можно разбить на несколько частей – энергоснабжение, хранение и рекуперация – и они работают как одно целое, чтобы получить максимально доступную энергию.

Аккумуляторы двигателя расположены низко в автомобиле из соображений удобства управления и могут хранить около четырех мегаджоулей энергии – достаточно, чтобы зажечь 10 000 лампочек мощностью 20 Вт. Затем эта мощность передается на двигатель мощностью 120 кВт, подключенный к задней оси автомобиля, и одна только эта система выдает ошеломляющие 160 л.с. – примерно такую ​​же мощность, как у семейного автомобиля. А рекавери? При замедлении двигатель автомобиля мощностью 120 кВт действует как динамо-машина, возвращая неиспользованную энергию обратно в аккумуляторы автомобиля. Электродвигатель, используемый для предотвращения турбо-задержки, также может восстанавливать энергию, создавая эффективный контур компаундирования.

От кубиков Лего до гоночных двигателей

Двигатель должен был вписаться в шасси с особыми требованиями, а это означало, что инженерам Коуэлла пришлось работать с остальной командой Mercedes. «(Мы) подумали, а чего же мы на самом деле хотим от энергоблока? Много силы».

«А чего мы не хотим от энергоблока? Мы не хотим, чтобы он был лишним, потому что машины с лишним весом — медленные машины. Нам не нужен сильный отвод тепла, потому что для такого отвода тепла требуются большие радиаторы, что замедляет аэродинамику».

«Если это сделает машину быстрее, гонитесь за ней, а если нет, не делайте этого»

Эти компромиссы в конечном итоге повлияли на формирование двигателя, и инженерам из Брэкли и Бриксворта пришлось учитывать каждый компромисс. Коуэлл резюмирует их идеал: «Если это сделает машину быстрее, гонитесь за ней, а если нет, не делайте этого».

Тестирование вашей работы

«Все (первоначальные) испытания должны были проводиться на заводе, и это нас устраивало», — признает Коуэлл. «В течение долгого времени сезонных тестов не проводилось, а предсезонные тесты были ограничены. При сроках поставки компонентов силового агрегата невозможно провести первый день трековых испытаний зимой и восстановиться, если возникнут какие-либо проблемы, перед первой гонкой. Если вы обнаружите что-то в первый день зимних тестов, это плохо – первая половина сезона у вас будет плохой только из-за задержек».

ПРОДОЛЖЕНИЕ НА СТРАНИЦЕ 2: Узнайте, как Mercedes дорабатывал свой двигатель и что запланировано на следующий год.

Программное обеспечение для склеивания вещей

Каждый компонент движка тщательно оптимизирован, но чтобы заставить все это работать вместе, требуется сложное программное обеспечение. «Это связующее звено в конце всего, чтобы убедиться, что удивительные отдельные части технологии хорошо сочетаются друг с другом», — объясняет Коуэлл. «Это немного похоже на то, как капельмейстер объединяет все это и оптимизирует так, чтобы получился красивый гармоничный звук».

Программное обеспечение — это клей в конце всего

В Формуле 1 автомобилям приходится выполнять две совершенно разные задачи, и в обоих сценариях управление двигателем зависит от программного обеспечения.

Квалификация требует чистой скорости, поэтому автомобили несут мало топлива, а двигатели способны использовать все четыре мегаджоуля энергии аккумулятора за один круг. Чтобы оптимизировать время прохождения круга, команды используют сложное программное обеспечение и определяют лучшие места для раскрытия всего потенциала автомобиля. «На более коротких прямых мы не будем использовать K (электродвигатель, подключенный к задним колесам) на полную мощность или использовать его на всей длине прямой – чтобы убедиться, что энергии осталось достаточно для более длинной». более важное значение», — объясняет Коуэлл.

В день гонки автомобили должны сбалансировать выносливость и скорость, а программное обеспечение должно учитывать бесчисленную цепочку непредсказуемых событий в каждой гонке. Более половины гонок сезона требуют экономии энергии, поэтому программное обеспечение должно решать, когда экономить, а когда использовать электроэнергию. Водитель по-прежнему имеет полный контроль над автомобилем, но задача программного обеспечения — обеспечить, чтобы в любой момент времени в его распоряжении была максимальная мощность».

«Иногда вы попадаете в пробку; в других случаях вы получаете бесплатный воздух; иногда есть машина безопасности; иногда шины портятся; иногда у вас более мягкие шины, и у вас больше сцепления с дорогой, больше времени на полном газу. Вам нужно программное обеспечение, которое сможет оптимизировать все это и обеспечить разумное использование энергии».

Нарушение законов физики в 2016 году

В 2015 году Mercedes каким-то образом затмил успех сезона 2014 года, назвав повышение надежности причиной еще одного года доминирования. Но были предупреждения относительно того, что может ожидать 2016 год. Ferrari Феттеля была быстрее, чем когда-либо, а поскольку итальянская марка зимой еще более агрессивно развивала свой двигатель, Коуэлл знает, что оставаться на вершине в 2016 году будет еще труднее.

«Все мотивированы, усердно работают и полны решимости победить Ferrari», — говорит он. «Но прогресс Honda за последние девять месяцев был огромным. Посмотрите на анализ того, что они сделали с точки зрения улучшения производительности, очень сильно. И Renault тоже могут собрать все воедино и улучшить».

Все мотивированы, усердно работают и полны решимости победить Ferrari.

Но Mercedes вовсе не гонится за соперниками. Лидируя после двух эпических лет и с минимальными изменениями в правилах в 2016 году, Mercedes по-прежнему гонится за эффективностью – и именно в этом Коуэлл видит еще больше преимуществ для дорожных автомобилей.

«Именно этим занимается мир дорожных автомобилей», — добавляет он. «Мы гоняемся за всеми этими маленькими технологиями, настройками и оптимизациями».

«Максимальный потенциал расхода топлива составляет примерно 1240 Вт, поэтому, если бы мы получили 100% тепловой КПД, мы бы нарушили некоторые законы термодинамики, но теоретически это максимум, который вы можете получить от этой топливной энергии», — Коуэлл. объясняет. «Мы далеки от этой цели, но сам факт того, что все в этом здании сосредоточены на этом, означает, что мы следим за каждым этапом преобразования энергии и пытаемся приблизить его как можно ближе к 100%. Каждый раз, когда энергия течет, будь то электричество по кабелю, через разъем или клемму, мы стремимся к тому, чтобы она была максимально эффективной». Результат? В Mercedes полагают, что прошлогодний двигатель имел КПД около 45%, а двигатель этого года уже развивает мощность более 900 л.с.

В 2016 году стремление Mercedes к дальнейшему доминированию еще больше приблизит его к целям основной автомобильной энергетики. Эффективность — это мощность, и чем больше автопроизводители, такие как Mercedes, стремятся к победе, тем больше они углубляют наше понимание сверхэффективных силовых агрегатов с низким уровнем выбросов. По словам Коуэлла, технология гибридного двигателя 2014 года появится в автомобилях «в ближайшие два-три года», и это еще не все.