موتورهای هیبرید فرمول یک

موتورهای هیبرید فرمول یک

ماشین های فرمول یک در حال حاضر مجهز به موتور 1.6 لیتری توربوشارژ هستند.

این موتورها با شش سیلندر و حجم 1600 cc با تکنولوژی پاشش مستقیم سوخت و با بهره گیری از توربوشارژر و همچنین نیروی برق ساخته شدند، اما تکنولوژی ساخت این موتورها بسیار بالا بوده.

اساس ساخته شدن چنین موتورهایی قوانین جدید فرمول یک بود که بیشتر مطابق با محیط زیست و پیشرو در صرفه جویی انرژی های تجدید ناپذیر بود. بر این اساس محدودیت موتورها در مصرف سوخت تقریبا دو برابر شد و این تمام معادلات را برای موتورهای قبلی به هم میزد و تیم ها مجبور به ساخت موتوری فوق پیچیده برای رعایت قوانین جدید شدند.

بر اساس قوانین جدید مسافت یک گرندپری می بایست با 35% سوخت کمتر و با 100 کیلوگرم (تقریبا 140 لیتر) سوخت در باک به پایان برسد. علاوه بر این میزان پاشش سوخت در هر ساعت نباید بیشتر از 100 کیلوگرم باشد، این بدین معنیست که با چنین مقدار سوخت و قوانین سختگیرانه نمیتوان مسافت یک گرندپری را به طور کامل طی کرد.

بله حال سوال پیش می آید که پس چطور ماشین ها قادرند یک گرند پری را به طور کامل طی کنند؟ اینجاست که سیستم جدید و پیچیده دابل هیبرید (Double Hybrid) به کار گرفته میشود.

موتورهای جدید دارای دو موتور الکتریکی هستند که یکی مستقیما به توربوشارژر متصل شده و دیگری مانند سیستم سابق (KERS (Kinetic Energy Recovery System از انرژی جنبشی استفاده میکند، این باعث میشود که ماکزیمم قدرت خروجی ترکیبی از دو موتور الکتریکی 760 اسب بخار معادل موتور V8 سال 2013 باشد!!!

موتور (Engine):

ماشین های فرمول یک در حال حاضر مجهز به موتور 1.6 لیتری توربوشارژ هستند. فراری، مرسدس، و رنو و از سال 2015 هوندا موتورهای تمام تیم های حاضر در مسابقات را تامین میکنند.

موتورهای جدید شش سیلندر و به صورت V شکل طراحی شده اند که از این آرایش در خودروهای کوچک تر شهری نیز استفاده میشود. این موتور ها دارای توان خروجی 600 اسب بخار می باشند که در عمل زیاد به نظر نمیرسد و فقط 150 اسب بخار از یک ماشین رالی بیشتر است اما این موتورها فوق العاده بهینه تر و کوچک تر و سبک تر هستند.

ممکن است این سوال به وجود آید که آیا سازندگانی مانند فراری، هوندا، و مرسدس که ماشین های معمولی حتی با توان بیش از این تولید کرده اند نمی توانند موتوری قوی تر طراحی کنند؟

برخلاف باور عمومی طراحی موتور ساده ترین بخش کار نیست، زیرا ساختار موتورهای جدید بسیار متفاوت تر از V8 های سابق است. به دلیل وجود یک توربوشارژر قوی فشار در داخل محفظه احتراق بسیار بالا خواهد بود (تقریباً 2 برابر V8 ها). میل لنگ و پیستون ها تحت فشار فوق العاده قرار دارند و فشار داخل محفظه احتراق به 200 بار خواهد رسید، یا به عبارتی نزدیک به 200 برابر فشار محیط. این فشار که توسط توربوشارژر تولید میشود ممکن است باعث بوجود آمدن پدیده Knocking (در پست های آینده در مورد این پدیده توضیح خواهیم داد) در محفظه احتراق گردد که پیش بینی و کنترل کردن آن بسیار سخت است. اگر این پدیده مخرب پیش آید موتور سریعا نابود خواهد شد.

این چیزی بود که اکثر مهندسین برای سال 2014 پیش بینی میکردند.

 

تزریق سوخت (Fuel Injection):

تمام موتورها باید از سیستم تزریق مستقیم سوخت (Direct Injection) بهره ببرند تا سوخت به صورت مستقیم به محفظه احتراق تزریق گردد نه به واسطه پورت ورودی بالادست سوپاپ. مخلوط سوخت و هوا در داخل سیلندر تشکیل میگردد و به همین دلیل دقت بسیار بالایی در اندازه گیری و تزریق سوخت از سوزن انژکتور به سیلندر نیاز است.

این تکنولوژی یکی از زیرسیستم های کلیدی جهت بهره وری بالا و مصرف سوخت پایین در موتورهای هیبرید می باشد.

 

توربوشارژر(Turbo Charger):

توربوشارژر از انرژی گازهای خروجی از اگزوز استفاده کرده و چگالی هوای ورودی به موتور را بیشتر کرده و در نتیجه باعث توان خروجی بیشتر موتور میشود. شبیه به ماشین های جاده ای توربوشارژر باعث میشود توان خروجی موتور از حد واقعی خودش بیشتر باشد. در موتور فرمول یک انرژی گازهای خروجی اگزوز توسط یک توربین به یک شفت مکانیکی انتقال میابد و سپس این نیروی مکانیکی گرفته شده از توربین باعث راه انداختن کمپرسور و همچنین موتور الکتریکی MGU-H میشود.

یک توربوشارژر در سریعترین حالت خود 100000 دور در دقیقه معادل 1500 دور در ثانیه میچرخد، بنا بر این حرارت و فشار تولید شده توسط آن فوق العاده زیاد خواهد بود. برای بالا نگه داشتن سرعت چرخش توربو مقداری از انرژی بازیابی شده از اگزوز به موتور MGU-H انتقال یافته و تبدیل به نیروی الکتریکی شده و ذخیره می ماند تا بعداً از آن ستفاده شده و از کند شدن توربو در حالت ترمزگیری جلوگیری شود.

 

از آنجایی که سرعت توربو بسته به سرعت خودرو متغیر خواهد بود ممکن است تاخیری در عملکرد توربو و در نتیجه پاسخگویی گشتاور ماشین بوجود آید که به آن توربو لگ (Turbo Lag) می گویند، مانند زمانی که راننده پس از یک ترمزگیری طولانی پای خود را مجدد روی گاز می فشارد، در این حالت توربین باید در واکنش بسیار سریعی از خود نشان داده و خود را با سرعت موتور هماهنگ کند که در این بین تاخیری بوجود خواهد آمد. در موتورهای جدید هدف، رساندن این تاخیر به نزدیک صفر می باشد تا پاسخگویی گشتاور ماشین برابر با ماشین های V8 گذشته باشد.

 

 

 

برخلاف حرکات افت و خیزی بخش‌های اقتصادی، فرمول وان به دلیل توسعه‌ی تکنولوژی مسابقه‌ای که راه خود را به بخش مصرف‌کنندگان یافته است، مشهور می‌باشد. خودروی بدنه‌ی فیبرکربنی مک لارن البته با یک نوآوری طراحی گران قیمت، از نتایج مستقیم نشات گرفته از مهندسی فرمول وان است. برای فصل 2014، تکنولوژی‌ها و متعلقات هیبریدی جدیدی جهت پرتکاپوتر کردن و طبیعت دوست کردن رقابت‌های فرمول وان معرفی شده است.

واحد حرارتی  MGU-H

برای سال 2014، نه تنها سیستم‌های فناوری و بازیافت انرژی نقش اساسی را در ساخت قدرت یک خودرو بازی می‌کنند، بلکه اندازه‌ی موتور نیز به طور قابل توجهی دستخوش کاهش شده است. در سال 2013، گروه‌ها و تیم‌های مسابقات فرمول وان دارای موتورهای 2.4 لیتری طبیعی V8 با قدرت 750 اسب‌بخار بوده‌اند، اما در مسابقات فصل 2014، این موتورها با کاهش دو سیلندر و ظرفیت تقریبا یک لیتر روبه‌رو شده‌اند. موتورهای جدید توربوشارژ شش سیلندر با ظرفیت 1.6 لیتر، قادر به ارائه‌ی قدرت 600 اسب‌بخار هستند که نسبت به خودروهای فصل گذشته 150 اسب‌بخار کاهش یافته است. با این حال، فقدان این قدرت از طریق سیستم قدرت گازی اکنون با سیستم‌های جدید بازیابی انرژی (ERS) جبران خواهد شد.

با سیستم ERS جدید 2014، رانندگان نه تنها به زمان طولانی‌تر 33 ثانیه از احتراق قدرت دسترسی دارند، بلکه این قدرت به دوبرابر میزان اولیه یعنی 120 کیلووات (160 اسب‌بخار) می‌رسد.

سیستم جدید ERS برای F1 نوسازی نسل بعدی بر روی سیستم بازیابی انرژی جنبشی قبلی (KERS) می‌باشد. برای کسانی که با KERS آشنا نیستند، باید گفت که این سیستم شامل ضبط انرژی بیمصرف در حین ترمز بوده است که سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. پس از فعالسازی، این انرژی در یک دستگاه کوچک خازن مانند ذخیره می‌شود و نوعی از انرژی اکسید نیتروژن الکتریکی را به میزان 60 کیلووات (80 اسب‌بخار) برای مدت زمان 6.67 ثانیه در یک دور تامین می‌نماید. با سیستم ERS جدید 2014، رانندگان نه تنها به زمان طولانی‌تر 33 ثانیه از احتراق قدرت دسترسی دارند، بلکه این قدرت به دوبرابر میزان اولیه یعنی 120 کیلووات (160 اسب‌بخار) می‌رسد. یک سیستم الکترونیک کنترل ترمز عقب نیز برای تمامی خودروها به منظور رسیدگی به قدرت تولیدی اضافی توسط سیستم ERS در طول عملیات ترمز، معرفی خواهد شد.

سیستم ERS همچنین نه تنها از یک بلکه از دو منبع بازیافت انرژی بهره می‌برد. فناوری ترمز احیا کننده برای این فصل با برخی از به روز رسانی‌های جزئی همراه شده، اما به طور کلی یکسان با فناوری گذشته مانده است. واحد انرژی جنبشی ژنراتور موتور (MGU-K) در همکاری با سیستم ذخیره انرژی (ES)، انرژی حرارتی و ترمز را از روتورهای ترمز در طول مسابقه خواهد گرفت، سپس آن را به درون سیستم به شکل نیروی الکتریکی 160 اسب‌بخار از طریق واحد ژنراتور باز می‌گرداند. یکی از اشکالات اصلی این بازگشت انرژی در این سیستم این است که در حین این عمل، تیم‌های شرکت کننده بخش قابل توجهی از قدرت موجود خود را از دست می‌دهند. برخلاف سیستم‌های هشت سیلندر سال گذشته، که تیم‌ها دارای قدرت قابل قبولی جهت ادامه‌‌ی مسیر و ماندن در شرایط رقابتی بودند، فقدان KERS و قدرت 160 اسب‌بخار در مدل‌های فصل 2014 به احتمال زیاد منجر به عدم اتمام مسیر مسابقات خواهد شد.

اما هنوز همه چیز از دست نرفته است، به طوری که یکی دیگر از دستگاه‌های ERS موجود است که برای تکمیل رژیم مصرف قدرت ایجاد شده است. دومین خبر افزایشی سال 2014، معرفی یک دستگاه ربایش گرما است. یک واحد حرارتی ژنراتور موتور (MGU-H) که به طور مستقیم به شفت توربوشارژر متصل است، گرمای خروجی را به منظور انباشت قدرت در سیستم بنا بر تقاضا و یا ذخیره‌ی آن در بخش ذخیره‌ی انرژی برای مصارف بعدی، حفظ می‌نماید. پس از فعالسازی، MGU-H در اختیار رانندگان، قدرت الکتریکی دیگر را جهت راندن چرخ‌ها از طریق واحد ژنراتور اختصاصی قرار می‌دهد. و برخلاف واحد MGU-K، بخش بازیابی حرارتی قادر به تولید قدرت تکمیلی نامحدود در طول مسابقات است. برای سال 2014، فرمول وان از بخش MGU-K با دریافت انرژی بازیافتی محدودی به میزان 2 مگاژول در هر دور به همراه توانایی آزادسازی انرژی‌های ذخیره شده تا حداکثر 4 مگاژول در هر دور، مواجه است.

از دیگر ترفندهای جالب مدیریت قدرت شیوه‌ای می‌باشد که در آن واحد حرارتی MGU-H به مدیریت سرعت توربو می‌پردازد. برخلاف سیستم توربوشارژ معمولی که در آن دریچه‌ی هدررفت به منظور محلی برای بیرون رفتن فشار اضافی موتور منتج شده از توربوشارژ بکار می‌رود، این واحد جدید درواقع به کنترل سرعت پروانه‌ی توربوشارژ اقدام می‌کند. توانایی کنترل سرعت توربو به گروه‌های شرکت‌کننده در رقابت‌های فرمول وان نه تنها اختیار مدیریت بهتر قدرت اضافی موتور را می‌دهد، بلکه تعداد چرخش توربوشارژ را در سیکل چرخش کم می‌کند.

از دیگر تغییرات و چالش‌های فنی پیش‌روی تیم‌های امسال شامل مصرف محدوده‌ی سوخت 100 کیلوگرم در هر مسابقه می‌باشد. در سال 2013، تیم‌ها قادر به مصرف حدود 160 کیلوگرم سوخت در طول یک مسابقه‌ی معمولی بوده‌اند. این محدودیت بدان معناست که گروه‌ها باید با دقت بر مکان و زمان بکار بردن سیستم‌های ERS نظارت نمایند. از آنجایی که این تکنولوژی هیبریدی به همراه خود، افزایش وزن را آورده است، تیم‌های فرمول وان اکنون قادر به افزایش وزن خودروهای خود از 642 کیلوگرم به 690 کیلوگرم خواهند بود. سیستم‌های بیرونی خودروها نیز دستخوش تغییر از تنظیمات دو لوله اگزوزی به یک لوله می‌شوند.

 

بنا به اعلام کمپانی رنو، یک مدل معمولی با استفاده از سیستم‌های ERS باید بدین گونه باشد:

" تحت شتاب موتور احتراق داخلی (ICE) باید از ذخیره‌ی سوخت آن بهره ببرید. توربوشارژر باید در حداکثر سرعت بچرخد (100000 دور بر دقیقه). MGU-H که به عنوان یک ژنراتور عمل می‌کند، باید به بازیابی انرژی از اگزوز و انتقال آن به MGU-K (یا باتری) اقدام کند. MGU-K، که به میل لنگ و یا ICE متصل است، به عنوان یک موتور عمل نموده و قدرت اضافی جهت کشش بیشتر و یا ذخیره‌ی سوخت بسته به نوع استراتژی انتخابی را تامین می‌نماید. در پایان هنگام عملیات ترمز در پیچ‌ها توسط راننده، واحد MGU-K به یک ژنراتور تبدیل شده و انرژی ناشی از ترمز را دریافت می‌نماید. در طول عملیات ترمز، سرعت چرخش توربو به دلیل فقدان انرژی در اگزوز با کاهش روبه‌رو می‌شود که منجر به تاخیر در عملیات توربو خواهد شد. برای اجتناب از این تاخیر، MGU-H در مدت زمان کوتاهی به عنوان یک موتور عمل می‌کند تا بلافاصله توربو را جهت رسیدن به سرعت مطلوب شتاب‌دار کرده و قابلیت رانندگی کاملی را در اختیار راننده قرار دهد."

توسعه‌ی موتور نیز در طول فصل مسابقات پیش رو متوقف خواهد شد و تنها استفاده از پنج واحد قدرت در یک سال برای هر راننده مجاز خواهد بود. مسابقات فرمول وان 2014 از چهاردهم مارس در ملبورن استرالیا آغاز می‌شود.

 
نظرات

آخرین ویدئو ها