Hnací ústrojí pro F1 2014

Nové přeplňované šestiválce 1600 cm³ s podporou elektromotoru a rekuperací energie jsou skutečnou revolucí ve formuli 1...

V roce 2014 po dlouhé době vstupují závody mistrovství světa formule 1 do nové éry. Snížení objemu na 1600 cm³ není klesnutím na dno, protože už v letech 1961 – 1965 se jezdilo dokonce s patnáctistovkami; a tento objem válců byl maximem pro pře-plňované turbomotory také v době, kdy atmosféricky plněné měly 3000, resp. 3500 cm³. Průkopníkem byl Renault Sport v sezoně 1977 se šestiválcem RS01 Turbo, ale první mistrovský titul nové turboéry dobyl až Nelson Piquet v sezoně 1983 se čtyřválcem BMW 1500 cm³ (v podvozku Brabham), odvozeným dokonce z bloku sériového automobilu!

Nárůst výkonů přes 735 kW, tedy přes 1000 koňských sil, však byl natolik nebezpečný, že FIA přeplňované motory po sezoně 1988 opět zakázala, když průběžně omezila plnicí tlak ze 400 na 250 kPa. Postupně pak snižovala i povolený objem nepřeplňovaných motorů ze 3500 cm³ (1987 – 1994) znovu na 3000 cm³ (1995 – 2005). Od sezony 2006 šla mezinárodní automobilová federace FIA ještě dále v restrikcích, jež výrazně omezily tvůrčí rozmach konstruktérů. Pro motory byl objem snížen na 2400 cm³, bohužel však byly povoleny už jen vidlicové osmiválce s jednotným úhlem rozevření 90° a limitem vrtání válce 98 mm (pouze písty kruhového průřezu). Formule 1 tak ztratila kouzlo technické rozmanitosti, kdy mezi sebou bojovaly dvanáctiválce, osmiválce, šestiválce nebo čtyřválce, ale každá koncepce (přeplňované i nepřeplňované motory) přinášela jiné výhody. Svázána restrikcemi bude F1 také od letošního roku, přestože nástup nových pohonných jednotek lze považovat za revoluci především proto, že se už neobejdou bez asistence ERS (Energy Recovery System; dříve KERS = Kinetic ERS).

Ta však zajistí, že výkony těchto strojů proti loňským motorům 2400 cm³ neklesnou. Nebudeme tedy už hovořit o motoru, ale o pohonné jednotce, či poháněcí soustavě, protože bez součinnosti zážehového a elektrického motoru/generátoru nebude monopost F1 konkurenceschopný. „V sezoně 2014 bude největší výzvou optimalizovat energetickou účinnost a spotřebu paliva při zachování výkonů, očekávaných od vozů formule 1. Renault je průkopníkem této technologie u sériových automobilů s motory Energy, a proto pojmenování pohonných jednotek Power Unit Energy F1 jasně potvrzuje stejnou filozofii pro běžné silnice i závodní okruhy,“ říká Jean-Pierre Jalinier, prezident divize Renault Sport F1, která se zabývá vývojem motorů pro formuli 1 už od roku 1975 (první start 1.5 Turbo V6 na Silverstone 1977).

Renault Sport znamenal první úspěšný vstup motorů přeplňovaných turbodmychadly do formule 1; neboť na počátku mistrovství světa sice vítězily stroje Alfa Romeo (1950 – 1951) s přeplňovanými osmiválci, ale s mechanickými dmychadly (kompresory). Přestože předpisy povolovaly možnost přeplňování až do roku 1960, nikdo ji nevyužil (povolený poměr objemu byl 1500 : 4500 cm³ ve prospěch nepřeplňovaných, od roku 1952 pak 500 : 2000 a nakonec 750 : 2500 cm³). V letech 1961 – 1965 směly jezdit jen nepřeplňované stroje F1 s objemem 1300 až 1500 cm³, objevily se však motory se čtyřmi, šesti, osmi i dvanácti válci (šestnáctiválec Coventry-Climax přišel pozdě a do sezony 1965 nezasáhl). Nová formule 1 od sezony 1966 zvýšila limit objemu motorů na 3000 cm³, ale znovu zavedla alternativu přeplňovaných do 1500 cm³.

Nikdo ji nevyužil až do léta 1977, kdy na britské GP debutoval Renault RS01, poháněný vidlicovým šestiválcem, přeplňovaným jedním výfukovým turbodmychadlem. V roce 1979 částečně odstranila prodlevu reakce motoru montáž dvojice turbodmychadel (bi-turbo) a Jean-Pierre Jabouille (Renault RS10) dobyl první historické vítězství na domácí Velké ceně Francie v Dijonu. Dnešní přeplňované motory F1 budou jiné, pro sezonu 2014 jsou povoleny pouze vidlicové šestiválce s jediným turbodmychadlem, ale s elektrickým systémem podpory a rekuperace ERS, přičemž se konstruktéři musí vyrovnat se spotřebou paliva do hmotnosti 100 kg na jeden závod (snížení cca o 35 % proti loňsku), limitem průtoku paliva do 100 kg/h (dosud volný) i omezeným počtem pěti pohonných jednotek na sezonu (loni osm; v následujících letech bude snížen na čtyři).

Největší otáčky byly redukovány z osmnácti na patnáct tisíc za minutu, zdvihový objem z 2400 na 1600 cm³, počet válců z osmi na šest (dvě řady opět v jediném úhlu rozevření 90°), ovšem zárukou nesníženého výkonu je kombinace s elektromotorem MGU‑K, který přidává 120 kW (162 k) k výkonu kolem 440 kW (600 k) zážehového šestiválce. Na motoru jsou tyto elektrické stroje dva, a to MGU‑H (Heat), namontovaný nahoře u turbodmychadla, a MGU‑K (Kinetic), dole na klikovém hřídeli. Pouze druhý však slouží přímo pohonu kol kromě funkce generátoru s rekuperací kinetické energie při brzdění (odlehčuje tak brzdové soustavě), zatímco první jako generátor spojený s turbodmychadlem (přeměna tepelné energie výfukových plynů na kinetickou, dále pak kinetické na elektrickou) buď dobíjí akumulátor, či přímo napájí MGU‑K.

Jak vyplývá z popisu zařízení, bez vyspělé řídící elektroniky nemůže tento systém fungovat, podle charakteru trati pak dávkuje příslušné toky energií tak, aby zajistil optimální účinnost a tedy i nejlepší časy na kolo; vše při respektování limitů FIA (výkon MGU‑K do 120 kW; průtok paliva a limit spotřeby). Rekuperace energie jednotky MGU‑H není omezena (přes 2 MJ na kolo, otáčky přes 100 000 min^‑1 od turbodmychadla), zatímco MGU‑K může generovat nejvíce 2 MJ, ale vydat až 4 MJ v jednom kole (loni KERS max. 0,4 MJ/kolo pro oba směry). Druhý elektrický stroj MGU‑K točí maximálně 50 000 min^‑1 (loni neomezeno, používalo se 38 000 min^‑1). Zatímco loni byly dvě větve výfukového potrubí (dvakrát 4 do 1), nyní to je pouze jediná (6 do 1), určená pro roztáčení turbíny turbodmychadla. V případě potřeby mohou být otáčky turba regulovány elektrickým strojem MGU‑H ve funkci elektromotoru, a to zrychlovány pro kompenzaci prodlevy (turbo-lag), či zpomalovány pro snížení plnicího tlaku (doplnění nebo náhrada funkce obtokového ventilu wastegate).

Tvůrci motoru se také netají tím, že navzdory elektronické optimalizaci bude ovládání vozu formule 1 zejména pro méně zkušené závodníky poněkud náročnější, i když se nováčci mohou adaptovat lépe, neboť nemají zažité návyky. Podobně, jako když Colin Chapman v roce 1969 povolal nováčka Johna Milese pro řízení revolučního monopostu Lotus 63 F1 s pohonem všech kol... Power Unit ERS (Energy Recovery System) F1 pracuje s řídící elektronikou, dvojicí elektrických strojů MGU (Motor Generator Unit) a akumulací energie Energy Store, pro niž se jako u silničních hybridů nejvíce uplatní vyspělé akumulátory kompaktních rozměrů (Li‑Ion), ale mohou to být rovněž kondenzátory s větší rychlostí cyklů nabití/vybití. Z prostorových důvodů to zjevně nebudou setrvačníky (akumulace v kinetické energii roztočeného setrvačníku ve vakuové komoře), vhodné více pro sportovní prototypy. Všechny části poháněcí soustavy včetně zásobníku energie jsou uloženy v zadní části vozu za sedadlem jezdce.

Převodovka zůstává sedmistupňová s automatizovaným řazením páčkami pod volantem; většinou si tvar její skříně konstruují u jednotlivých týmů sami, ozubená kola dodávají zpravidla specializované firmy. Pro šestiválec Energy F1 2014 uvedl Renault Sport dokonce rozměry válců s vrtáním 80 mm (dříve max. 98 mm) a zdvihem pístů 53 mm; významný je přechod na přímé vstřikování paliva do válců (loni nepřímé do sacího potrubí). Samozřejmě se změnila hmotnost poháněcí soustavy, zatímco dříve se blížila limitu 95 kg pro nepřeplňovaný motor 2.4 V8, nyní činí o 80 procent více! Přeplňovaný motor je totiž náročnější na chlazení (+ 15 kg), Power Unit ERS vykazuje nejméně 30 kg (z toho MGU jen 5 kg) a akumulátory 35 kg! Větší prostorová náročnost tohoto zařízení ovlivní délku podvozku, objem palivové nádrže a umístění chladičů. Zástavbu řeší Renault Sport především s vývojovým partnerem Red Bull Racing, ale také s dalšími týmy, jimž bude jednotky dodávat (Lotus-Renault, Caterham a nově Toro Rosso).

Konstruktéři se také zaměřili na zvuk motoru, který je ve formuli 1 pro diváky důležitý a tvoří kolorit závodů. Proto se vznesla vlna odporu proti původnímu návrhu přeplňovaných čtyřválců místo atmosférických V8 (Renault by čtyřválce rád), stroje V6 Turbo se pak staly kompromisem. Zvuk motoru tvoří tři hlavní faktory, a to výfuk, sání a mechanický hluk, u nových jej ovlivní turbodmychadlo, nicméně fanoušci formule 1 prý budou spokojeni, hluk je spolehlivě vzbudí a lidé ze sousedství si budou nadále stěžovat (není to legrace, nedávno na stížnosti doplatila tradiční trať v Mallory Parku ve Velké Británii, kolébce motoristického sportu).

Renault Sport zahájil projekt Energy F1 2014 před třemi lety, po sedmiměsíčním vývoji se rozběhl testovací jednoválec F1 na dynamometru ve Viry-Chatillonu u Paříže v lednu 2012; v červnu 2012 následoval prototyp V6 Turbo, v únoru 2013 byly smontovány obě elektrické jednotky MGU‑K a H, od června se zkouší kompletní poháněcí soustava. Počátkem ledna budou jednotky dodány týmům, zabudovány do monopostů a poprvé vyjedou v polovině ledna 2014. Technickým vedoucím projektu Energy F1 2014 se stal Naoki Tokunaga, jenž v dubnu 2012 odešel z vedoucí technické funkce Lotus F1 Team (ex-Renault/Benetton), aby přijal novou výzvu (v britském Enstone působil od roku 2000, naposledy se podílel na integraci systému KERS do typu E20). Pracuje u Paříže pod vedením Roba Whiteho, který v roce 2005 vystřídal ve funkci ředitele vývoje motorů Renault Sport F1, známého Bernarda Dudota, dnes čtyřiasedmdesátiletého, jenž pracoval na vývoji prvního turbomotoru pro Renault RS01 a vedl vývoj atmosférického desetiválce 3.5 V10 pro další sezony formule 1, následující zákaz přeplňovaných motorů po roce 1988.

Pozoruhodné je, že se projekt Energy F1 2014 představil veřejnosti na aerosalonu v Le Bourget v červnu 2013, ale nikoli na některém z autosalonů. Renault totiž byl dlouhá léta výrobcem leteckých motorů, v letectví se podobně jako ve formuli 1 vyrábějí díly jednotlivě a plných 60 procent z dodavatelů Renault Sport F1 jsou společnosti, které pracují také pro letecký průmysl (např. Mécachrome, jež montuje závodní motory přes třicet let). Mercedes-Benz zveřejnil první údaje o novém šestiválci Mercedes-AMG, jenž vzniká v britském Brixworthu pod vedením Andyho Cowella, už v lednu 2013; u Ferrari naopak pracují a mlčí. Čtvrtou značkou měla být nová PURE (Propulsion Universelle et Recuperation d’Energie), založená Craigem Pollockem v květnu 2011, někdejším šéfem BAR F1 a manažerem Jacquesa Villeneuva do roku 2008, která si pronajala prostory v areálu Toyota Motorsport (TMG) v Kolíně nad Rýnem, ale po odstoupení investorů pro nedostatek financí zanikla, když ji navíc v červnu 2012 opustil technický ředitel Gilles Simon (v letech 2006 – 2009 šéf vývoje motorů Ferrari F1). Nové předpisy znamenají odchod známého a úspěšného Cosworthu z formule 1 (nemá prostředky na další vývoj); takže čtvrtou značkou bude od druhé sezony 2015 japonská Honda (McLaren). Na závěr připomeňme, že v letech 1977 – 1988 v době tzv. první turboéry vzniklo nejméně dvanáct různých motorů F1 s objemem 1500 cm³, přeplňovaných turbodmychadly, které vyhrály 109 závodů Grand Prix. Konstrukční kreativita však v té době byla nepoměrně větší (viz tabulka). Představujeme je na našich snímcích z těchto let, většina je publikována vůbec poprvé.

Převzato z časopisu

Fotogalerie