Новое слово в Формуле 1 – ERS
Командам и пилотам Формулы 1 и даже гоночным болельщикам в грядущем сезоне предстоит открывать для себя нечто принципиально новое: на арену выходят системы рекуперации энергии второго поколения. Крэг Скарборо рассказывает, почему в 2014-м они станут ключевым фактором
Во второй части обзора самых важных изменений в техническом регламенте Формулы 1 эксперт AUTOSPORT объясняет принцип работы систем рекуперации энергии и причины их особой значимости в предстоящем сезоне.
Как будут работать новые двигатели Ф1
Большие Призы не просто переходят на новые турбомоторы: в 2014-м на машинах будут использоваться две системы рекуперации энергии (ERS), которые суммарно способны производить дополнительные 160 лошадиных сил по ходу большей части круга. Так что значимость этого фактора в общем успехе становится заметно выше.
Данная технология станет серьёзным вызовом для всех в паддоке. Можно даже говорить, что именно от умелого обращения с ней будут зависеть результаты не только гонок, но и всего чемпионата.
ИСТОРИЯ KERS В ФОРМУЛЕ 1
Ещё в далёком 2000-м году автоконцерн Toyota представил первый серийный гибридный автомобиль. В свете растущей популярности "зеленых" идей гибридные технологии добрались и до Формулы 1: в сезоне-2009 на машинах появились системы KERS.
Каждый раз при разгоне автомобиля Ф1 тратится огромное количество энергии, тогда как при торможении кинетическая энергия просто рассеивается в никуда через тормозную систему в виде выделяемого тепла. Технологии рекуперации (ERS) направлены на аккумуляцию данной энергии с целью её дальнейшего повторного использования при новом разгоне.
В рамках изменения правил в 2009-м в регламенте появился пункт о Системе рекуперации кинетической энергии (KERS), хотя использование данной технологии подпадало под жёсткий контроль и ограничения.
При торможении энергия, которая обычно высвобождалась задними тормозами, собиралась при помощи генератора, установленного на элементах трансмиссии. Сопротивление самого генератора обеспечивало дополнительное тормозное усилие, но и в то же время способствовало заряду батарей.
Когда пилоту требуется использовать дополнительную мощность, электроника реверсивным путём посылает заряд батареи на тот же генератор, который в качестве электромотора способен выдать около 80 лошадиных сил на протяжении 6,7 секунды. Пилот активировал процесс, нажимая кнопку на рулевом колесе – в этот момент на приборной панели отображалось время в секундах до окончания действия дополнительного ускорения.
Опытным путем было установлено, что лучше всего использовать KERS небольшими импульсами при выходе из медленных или среднескоростных поворотов. Однако систему также можно было задействовать и в качестве вспомогательного инструмента для обгона соперника или при защите позиции.
В связи с чётким ограничением мощности и времени работы системы, перед инженерами стояла задача сделать KERS как можно более эффективной, надёжной и лёгкой.
Из экономических соображений команды согласились не использовать KERS в 2010-м, так что в своём первоначальном виде система просуществовала в Формуле 1 лишь четыре сезона. К концу 2013-го сумарный вес батареи, мотор-генератора и электроники составлял менее 25 кг.
Эффективность системы достигла 80%, а это означало, что KERS способна была "вернуть" на задние колёса четыре пятых собранной энергии. Кроме того значительно улучшилась и надёжность устройства, хотя 100% безотказности [как хорошо знает Марк Уэббер] добиться не удалось.
В квалификациях и гонках многие команды страдали от постепенного снижения эффективности KERS вплоть до полного её отказа из-за перегрева или иных проблем. Так как система могла обеспечить дополнительные 0,3 секунды на круге, её потеря не проходила незаметно, но все же не означала катастрофу.
В сезоне-2013 все 11 команд использовали системы KERS четырёх разных производителей: Ferrari, Renault, Mercedes и Williams [для моторов Coswotrh], в то время как в Red Bull вдобавок разработали собственную аккумуляторную батарею, которая позволила компактнее разместить все детали на шасси, но остальные компоненты чемпионы получали от поставщика Renault Sport.
Несмотря на различное происхождение, все версии использовали одну и ту же базовую конфигурацию, а в отдельных случаях одинаковую элементную базу от единого поставщика Marelli или батареи от компаний Saft и A123.
Обычно блок мотор-генератора (MGU) крепился через пару шестерён к передней части коленчатого вала двигателя. Расположение снизу и спереди означает, что устройство занимает место, обычно предназначенное для топливного бака – потому в задней части монокока приходилось создавать дополнительное углубление для последнего.
MGU вырабатывал переменный ток, который требовалось преобразовать в постоянный для аккумуляции в батареях. Для этого в цепь добавлен контроллер питания KERS: по трём кабелям большого сечения туда поступала энергия от генератора, а затем другая пара направляла её к батарее.
Обычно контроллер питания размещается в боковых понтонах в металлическом кейсе размером с обычный 12-вольтовый автомобильный аккумулятор.
Помимо процесса преобразования энергии контроллер также выполняет функцию переключения режимов зарядки и разрядки: данный процесс осуществляется при помощи сигналов от стандартизированного электронного блока FIA.
Наконец, аккумулятор представляет собой массив литиево-ионных ячеек, встроенных в углепластиковый корпус. Всё устройство по размерам не превышает упаковку шести банок пива [какого именно объёма, автор, к сожалению, не указывает].
Поскольку батарея является частью электрической системы и задействована практически постоянно, её установка требует максимальных мер безопасности. В большинстве команд смонтировали аккумуляторный блок в нише монокока под топливным баком.
В то же время, в 2009 году на машинах McLaren батарея размещалась в правом боковом понтоне, ну а в Red Bull она находится непосредственно над коробкой передач.
Учитывая силу тока, проходящего через систему во время зарядки и разрядки генератора, контроллер питания и батареи нагреваются до чрезвычайно высоких температур. Эти системы, как правило, работают наиболее продуктивно именно при определенном нагреве, но если становится слишком жарко, они начинают терять свою эффективность.
Команды применяют практику предварительного нагрева и последующего охлаждения системы, чтобы держать оборудование в оптимальном температурном диапазоне. Часто в гонках повышение температуры вынуждало пилотов временно отказаться от использования системы, чтобы вернуть её к допустимым значениям. Для силовой электроники и батареи использовалось водяное охлаждение, в то время как мотор-генератор обслуживала масляная система.
Хотя KERS и можно рассматривать в качестве успешной предтечи ERS в автоспорте, вклад этой системы всё же был весьма лимитированным. Серьёзное ограничение выходной мощности означало, что такая технология никогда не станет объектом настоящего соперничества команд в стремлении получить самую мощную систему.
Возможно, с маркетинговой точки зрения идея подавалась не самым верным образом. К тому же, после ухода из чемпионата Honda и Toyota ни у одного из производителей двигателей Формулы 1 не было передового серийного автомобиля с гибридными технологиями.
А тот факт, что большинство Гран При с 2009-го года было выиграно с использованием фактически такой же силовой установки, как у Prius, остался не разрекламирован!
ERS по регламенту 2014 ГОДА
В этом году область использования систем рекуперации энергии расширяется, и от гибридных технологий будет зависеть уже куда больше.
Для этого FIA сформулировала новые правила, где увеличен лимит доступной к рекуперации кинетической – и описаны другие методы для сбора высвобождаемой энергии.
В рамках новой эры ERS частично изменилась терминология. Формула 1 получила новый термин "силовой агрегат", включающий в себя собственно двигатель внутреннего сгорания и оба типа систем рекуперации.
То, что прежде звалось KERS, теперь обозначается ERS-K (система рекуперации энергии - кинетическая). Она получила вдвое большую выходную мощность [160 л.с. вместо 80], в пять раз увеличилась ёмкость аккумуляторов. Появилось новое устройство ERS-H (система рекуперации энергии - тепловая), это дополнительный мотор-генератор (MGU-H), который крепится непосредственно на турбокомпрессоре.
В отличие от ERS-K, ERS-H может либо вернуть накопленную энергию в двигатель через мотор-генератор кинетической ERS, либо самостоятельно раскручивать турбину через собственный MGU. Последний процесс будет способствовать уменьшению турбо-ямы (задержки отклика).
Еще одно изменение касается компоновки: ERS-K больше не будет находиться в передней части двигателя: устройство вдвое увеличилось в размерах, и по новым правилам компоновки мотор-генератор кинетического рекуператора должен располагаться около переднего фланца двигателя непосредственно под выхлопом. Данная норма потребует перемещения насоса системы водяного охлаждения, гидравлических насосов и генератора, которые ранее находились в этой области.
Мотор-генератор ERS-H должен быть расположен на турбокомпрессоре. Мы уже могли наблюдать два варианта его размещения: перед турбокомпрессором (Renault) или же между двумя турбинами компрессора (Mercedes).
Изображение, опубликованное Mercedes, демонстрирует, что их идея размещения MGU не является окончательной: в итоге немцы, скорее всего, также установят мотор-генератор перед турбокомпрессором, как это осуществили в Renault.
Такой подход позволит держать MGU подальше от горячей турбины непосредственно под впускным накопителем над силовым агрегатом.
Когда турбина станет вращаться с частотой порядка 100 000 об/мин, мотор-генератор достигнет тех же величин, если только для его крепления не будет использован понижающий редуктор.
Разработка устройства, способного выдержать такую угловую скорость и выделяемое из-за силы трения тепло - задача не из простых.
Оба мотор-генератора будут подключены, как и прежде, к контроллеру питания и по очереди получать доступ к "запаснику энергии" - данный термин отныне будет использоваться для обозначения батареи ERS.
Для того, чтобы справиться с большими значениями электрического тока, запасник энергии должен быть больше, чем ранее вся KERS целиком.
Новые элементы потребуют больше места в боковых понтонах и под топливным баком. Также всё оборудование ERS потребует дополнительного охлаждения, поэтому радиаторы в понтонах увеличатся в размерах.
И хотя возможности двигателя стали скромнее, в сочетании с новыми источниками энергии они смогут демонстрировать значение пиковой мощности, идентичное прошлогоднему. А так как мотор-генераторы способны достигать максимального крутящего момента с нулевых оборотов, они поспособствуют значительному повышению эффективности разгона.
В отличие от нажатия кнопки на рулевом колесе для активации прежней KERS, с 2014 года пилоты будут оперировать лишь педалью акселератора, позволяя электронике определять, что именно использовать для ускорения – только лишь топливо или также энергию ERS.
В то же время, как и в 2013 году, гонщик будет иметь доступ к выбору различных режимов работы силового агрегата посредством переключателей на рулевом колесе. Там же, несомненно, появится и "волшебная кнопка", активизирующая максимальную отдачу ERS и двигателя тогда, когда это необходимо будет в гонке с тактической точки зрения.
Неожиданная проблема может крыться во влиянии работы ERS-K на задние тормоза. Так как мотор-генератор собирает энергию, он оказывает определённое тормозное усилие, замедляя машину. В зависимости от интенсивности процесса аккумуляции и состояния батареи поведение тормозов может меняться.
Команды уже отладили процесс сбора энергии так, чтобы обеспечить равное воздействие системы на автомобиль по ходу всего круга, так что в случае возникновения неполадок KERS пилоту потребуется лишь изменить баланс тормозов, чтобы нивелировать изменения в поведении машины при торможении.
В 2014 году из-за гораздо более сложных рекуператоров и большего количества абсорбируемой энергии правильно настраивать тормоза станет намного сложнее.
Таким образом, в FIA пошли на смелый шаг и позволили впервые использовать электронную систему в тормозах. В пункте 11.7 технического регламента такое устройство названо "контроллером заднего тормоза". Его функция в том, чтобы при нажатии пилотом педали тормоза, к механизмам прикладывалось соответствующее усилие, скорректированное с учётом уровня поглощения энергии системой ERS.
Хотя технически это и "активное" устройство, оно не сможет выполнять роль антиблокировочной системы - контроль в этой области останется за стандартизированной электроникой FIA.
Система будет передавать в точности то усилие, которое оказывает пилот на педаль тормоза, так что в случае слишком сильного нажатия колёса, как и прежде, попросту будут блокироваться.
Естественно, никто не забыл про безопасность. Усилие будет передаваться при помощи гидравлических контрольных систем высокого давления, а в случае их отказа всё давление в тормозной системе с заднего главного цилиндра будет тут же непосредственно переадресовано на тормозные механизмы.
Новая кинетическая ERS способна в одиночку обеспечивать дополнительный импульс на протяжении практически всего времени, пока пилот идёт "в полный газ". Как только заряд батареи падает, в работу включается уже система рекуперации тепловой энергии, осуществляя питание мотор-генератора ERS-K.
Грамотный баланс между использованием мощности и энергии будет иметь ключевое значение в получении максимального эффекта от ERS по ходу квалификации и гонки. При умелом обращении электрическая энергия в состоянии обеспечить снижение расхода топлива в гонке.
Перечисленные устройства относятся к системе управления силовой установкой, однако заниматься разработкой грамотного программного обеспечения для них почти наверняка предстоит именно командам, а вовсе не поставщикам двигателей. Тут есть, над чем поломать голову, и большие команды могут направить на эти вопросы больше ресурсов, чтобы как можно эффективнее решить сложную головоломку для каждого из своих пилотов и для каждой конкретной трассы.
Эти новые системы будет непросто разместить в машине, им придётся работать в сложных условиях вибрации, высоких температур и нагрузок. Безусловно, неизбежно возникнут проблемы с надёжностью, поскольку в данном аспекте даже предыдущие "простые" KERS с параметрами работы 80 л.с./6.7 с были далёки от идеала.
Однако, в отличие от в 2013 года, отказ ERS разом оставит машине лишь 75% её мощности. Это может стоить более секунды на круге, не говоря уже об увеличении расхода топлива, чтобы как-то компенсировать потерю ERS.
Такого рода поломки окажут сильнейшее влияние на ход гонки – не исключено даже, что мы впервые увидим сходы с дистанции из-за отказа рекуператора.
И наоборот - эффективная ERS в состоянии эффективно снизить расход топлива. В рамках ограничения в 100 кг бензина на дистанцию гонки, именно системы повторного использования энергии в состоянии ощутимо уменьшить его потребление, даже позволив не до конца заполнять бак перед стартом и тем самым облегчая машину.
Трудно себе даже представить, что более 160 л.с. можно будет получить лишь из потерянной ранее энергии. Нас ждут удивительные разработки, которые однозначно направят Формулу 1 по пути к "зелёным" технологиям.
Однако, на деле применение новинок будет скрыто от простых смертных тайной аппаратного контроля и стратегии использования энергии. Даже со специальной информацией на телеэкранах, демонстрирующих состояние заряда элементов питания, будет трудно в полной мере понять, как именно команда или пилот оперируют на дистанции балансом между использованием бензина и заряда ERS.
Для команд и поставщиков двигателей будет важно информировать болельщиков о том, каким образом работают и как применяются эти технологии – если Формула 1 всё же хочет как можно эффективнее использовать те возможности, которые открывает перед ней применение передовых технических решений.
В следующей части: почему коробки передач в 2014 году станут совсем другими
