Гибридные технологии в Формуле-1

В 2014 году в Формулы-1 перестали употреблять такой термин как «двигатель внутреннего сгорания». Теперь в высшем дивизионе автоспорта принято говорить «силовые установки».


Эти СУ включают в себя двигатель внутреннего сгорания с турбонаддувом и систему рекуперации энергии (Energy Recovery System), состоящую из следующих компонентов:

? Система рекуперации кинетической энергии MGU-K
? Система рекуперации тепловой энергии MGU-H



В том, что касается ДВС, то даже для человека, не увлекающегося техникой, в них нет ничего непривычного: в Формуле-1 используют моторы V6 с непосредственным впрыском топлива, оснащенные турбонаддувом. Но несколько принципиальных отличий все-же имеется!

Большая разница

Во-первых, система зажигания, используемая в Формуле-1, устроена иначе, чем на обычных гражданских моторах. На «формульных» движках применяется давно забытый принцип «лавинной активизации горения». В СССР такой процесс использовали, например, на форфакельно-камерных двигателях грузовиков ГАЗ-51Ф, или на легковых Волгах ГАЗ 3102... На болидах Формулы-1 топливовоздушная смесь также поджигается факелом из форкамеры, то есть в «королеве автоспорта» используются советские технологии пятидесятилетней давности!



Ещё одним отличием является использование «пневматических» клапанных пружин, обеспечивающих лучшее быстродействие. Впервые эту технологию применили на моторе Renault EF15, в далеком уже 1986 году и называлась она «distribution pneumatique». Замена металлических клапанных пружин на баллоны со сжатым газом обеспечивало более быстрое закрытие клапанов, что важно для высокооборотистых двигателей с турбонаддувом.

Непривычным моментом являются высокие обороты моторов Формулы-1. По регламенту ни один движок нельзя «разгонять» более чем до 15000 об/мин. Но на самом деле они редко превышают отметку 12000 об/мин, что вдвое превышает типичные показатели серийным агрегатов. То, что движки «недобирают оборотов», связано с жесткими требованиями к расходу топлива. Сейчас на преодоление гоночной дистанции триста километров, болиду Формулы-1 требуется 110 килограмм топлива, что соответствует 140 литрам. Таким образом средний расход составляет 46 литров на 100 километров. Это, по большому счету, все отличия двигателя Формулы-1 от гражданского V6 с непосредственным впрыском топлива и турбонаддувом.

Система рекуперации кинетической MGU-K

Также не представляет для любознательных автолюбителей ничего нового. Аналогичные способы рекуперации энергии при торможении используют «простые» гибридные автомобили, например, Toyota Prius, на котором появилась задолго до того, как в Формуле-1 начали использовать KERS - предтечу нынешних систем рекуперации. MGU-K непосредственно соединен с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания и при торможении работает как генератор восстанавливающий часть кинетической энергии. После чего преобразует ее в электрическую энергию, которую используемую на протяжении всего круга.



По правилам мощность ERS (MGU-K плюс MGU-H) ограничена на уровне 120 кВт или 160 л. с, остальную тягу «Силовой Установки» обеспечивает двигатель внутреннего сгорания. То есть ДВС Формулы-1 развивают 850 лошадей — впечатляющий результат для 1.6 литра рабочего объема!

Система тепловой рекуперации MGU-H

В гражданском автомобилестроении ничего подобного не используется. Впрочем, в мировой практике тепловая рекуперация не является эксклюзивной технологией Формулы-1, так как используется на некоторых судовых дизелях.

Правда здесь есть одно отличие: в Формуле-1 применяются мотор-генераторы, дополнительно позволяющие турбокомпрессору преодолевать «турбояму». О MGU-H «сломали зубы» такие фирмы как: Renault, Ferrari, Honda… а концерн Volkswagen условием своего участия в Чемпионате мира называет полный отказ от тепловой рекуперации!



MGU-H установлен на одной оси с турбокомпрессором и имеет несколько алгоритмов работы. Во-первых, он выполняет функции генератора, отбирая мощность от вала турбокомпрессора, для преобразования тепловой энергии выхлопных газов в электричество. Эта энергия направляется либо на MGU-K, либо на аккумулятор, либо в обоих направлениях. Во-вторых, MGU-H также используется для управления турбонагнетателем, для компенсации «турбоямы», превращая привычный турбокомпрессор, в электронаддув.

В системе рекуперации тепловой энергии вырабатывается переменный ток, но аккумуляторные батареи и MGU-K используют ток постоянный, поэтому необходим сложный высоковольтный преобразователь напряжения. Из-за риска поражения электрическим током до болида Формулы-1 запрещено дотрагиваться голыми руками!

Сложность создания и настройки MGU-H исключает появление в Формуле-1 новых автопроизводителей. Той же Honda, не смотря на весь их опыт в автоспорте, потребовалось немало лет чтобы суметь построить конкурентоспособную силовую установку. Успех пришел к японцам в прошлом году, а путь от дебюта до чемпионского титула потребовал пять лет постоянных инвестиций!

Что ждет Формулу-1 в 2026 году

Начиная с этого сезона в Формуле-1 предусмотрена заморозка доработок силовых установок вплоть до 2026 года, и обязательная омологация. Команды будут выступать ближайшие четыре сезона с теми силовыми агрегатами, которые используются в этом сезоне.

? 1 марта производители омологировали и «заморозили» следующие компоненты: ДВС, турбокомпрессор, MGU-H, выхлоп, и горюче-смазочные материалы
? 1 сентября 2022 года вступит в силу запрет для обновлений управляющей электроники, накопителя энергии (аккумулятор), и для MGU-K
? Начиная с 2023 и по 2025 год никакие внесения изменений не допускаются

Столь жесткие ограничения на доработку не имеют аналогов в истории Формулы-1, и являются вынужденной мерой. Во-первых, потенциал развития нынешних силовых установок практике исчерпан - они достигли предела своего развития. При текущем техническом регламенте дальнейший рост производительности получается крайне дорогостоящим.

Во-вторых, заморозка позволит участникам чемпионата мира сосредоточиться на подготовке к введению нового технического регламента, не отвлекаясь на доработку теперешних силовых установок. Это уравняет шансы с новыми производителями. Например, с Audi, которая с большой долей вероятности дебютирует в 2026 году, и которая не будет тратить время и деньги на работу в условиях нынешнего регламента!

Сейчас системы тепловой рекуперации доживают свой век: с 2026 года Формула-1 откажется от использования этой сложной и дорогой технологии. Чтобы компенсировать потери мощности, новые силовые установки будут оснащаются более производительными системами кинетической рекуперации. Мощность доведут до 350 кВт, а суммарная тяга силовой установки по-прежнему будет колебаться около магической отметки в 1000 лошадей.