Tech Corner: Decriptăm Power Unit-ul Ferrari

Tech Corner: Decriptăm Power Unit-ul Ferrari

Scuderia a început sezonul într-o manieră neobişnuită pentru echipa care de obicei punea pe primul loc fiabilitatea. Două abandonuri tehnice datorate power-unit-ului nu cad bine, dar la cum au mers monoposturile Mercedes în ultimii ani, abordarea conservatoare a trebuit abandonată. Aşadar, ce se întâmplă la Ferrari?

Totul a început în 2015. Mercedes îşi modifică power-unit-ul la M.P. al Canadei, invocând în principal motive de fiabilitate. Nu foloseşte nici un token pentru asta, având acceptul FIA. Imediat după, jurnaliştii adună informaţii. Fie spionează cu aparatele foto power-unit-ul german, fie trag de limbă diverşi ingineri apropiaţi de constructorul din Brixworth. Până la urmă, Paddy Lowe recunoaşte că modificările au fost necesare pentru ca power-unit-ul să poată rezista la solicitări mai mari şi deci să poată funcţiona într-un engine mode mai agresiv. Toate bune şi frumoase, numai că PU-ul german era oricum în faţa concurenţei. De ce modificările acestea?

Ei bine, răspunsul la întrebare a venit la Monza, tot în 2015. Mercedes aduce un nou update PU-ului lor. De data asta tehnologia HCCI a fost implementată în PU-ul german.

HCCI este un acronim de la Homogenous Charge Compression Ignition. Este de fapt un alt tip de combustie internă. Motoarele alimentate cu benzină folosesc sistemul HCSI – Homogenous Charge Spark Ignition, iar cele diesel folosesc sistemul SCCI – Stratified Charge Compression Ignition. Sistemul HCCI este de fapt o combinaţie între cele două. La motorul alimentat cu benzină admisia presupune umplerea camerei de ardere cu o mixtură de aer-combustibil. Are loc apoi compresia şi combustia cu ajutorul unei scântei generate de o bujie. La motoarele diesel, admisia înseamnă umplerea camerei de ardere cu aer. Apoi are loc compresia şi înainte de punctul de presiune maximă are loc injecţia combustibilului care se autoaprinde datorită temperaturii şi presiunii înalte. Sistemul HCCI presupune admisia unei mixturi aer-combustibil şi compresia acesteia până când are loc autocombustia.

Avantaje: Emisii de noxe reduse şi eficienţă crescută. Nu chiar ca un motor diesel, dar oricum de peste 2 ori mai eficient decât un motor clasic cu benzină. Motoarele HCCI folosesc un amestec sărac de combustibil. Asta înseamnă economie de carburant. Datorită presiunii extrem de mari din camera de ardere lucrul mecanic este aproape egal cu cel generat de un sistem HCSI cu mixtură normală.

Dezavantaje: Sistemul HCCI este extrem de dificil de controlat. Din acest motiv, partea electronică asociată sistemului de injecţie şi aprindere este crucială. În plus, pentru a preveni autodetonarea înainte de momentul oportun şi de a face arderea cât mai eficientă este nevoie de un anume amestec de reactivi in combustibil. Vedem acum cât de important este combustibilul pentru HCCI şi de ce furnizorii de combustibil se dau peste cap să producă benzine noi anume adaptate unui power-unit.

Un alt dezavantaj al sistemului HCCI dat de faptul că mixtura aer-combustibil este una săracă este că sistemul este cel mai eficient la sarcini reduse ale motorului. La sarcini mari funcţionarea nominală este restricţionată de presiunile din camera de aerdere. Din acest motiv, la sarcini mari ale motorului, acesta trece de la sistemul HCCI la sistemul clasic HCSI.

În plus pentru ca lucrurile să fie şi mai complicate, dezavantajul major pentru monoposturile de F1 actuale, este faptul că temperatura gazelor evacuate din camera de ardere este limitată la 300-350 de grade Celsius tocmai din cauza mixturii sărace. Iar pentru sistemele de recuperare de energie temperaturi scăzute înseamnă transformare deficitară a energiei sub formă de căldură în energie electrică.

Şi atunci de ce să alegi sistemul acesta? Pentru că avantajele depăşesc dezavantajele. Sau pentru că dezavantajele pot fi reduse sau chiar eliminate (după cum vedem la monoposturile W07).

Ferrari au dezvoltat şi ei un fel de sistem HCCI propriu şi l-au implementat pe power-unit-urile specificaţie 2016. Şi atunci, care e problema?

În 2014 am văzut cum din dorinţa de a reduce din greutate, italienii, împreună cu furnizorul Honeywell, au creat o turbină mai mică. Aceasta nu era însă suficient de mare pentru a furniza energie sistemului MGU-H dincolo de necesarul de încărcare a sistemului ES împreună cu MGU-K. Power-unit-ul Mercedes avea o turbină mare care permitea sistemului MGU-H să genereze energie atât pentru încărcarea sistemului ES dar şi pentru a o transmite sistemului MGU-K ca surplus pentru liniile drepte.

În 2015, Ferrari a optimizat camera de ardere şi a dimensionat corespunzător turbina. Însă performanţele PU-ul lor erau încă sub cele ale PU-ului AMG HPP. Aşa că, pentru 2016, odată cu introducerea sistemului pseudo-HCCI (de ce pseudo HCCI ? – pentru că un sistem care foloseste autocombustia ca mod de aprindere este interzis prin regulament – motoarele trebuie să folosească o bujie pentru a aprinde mixtura aer-combustibil), Ferrari împreună cu Honeywell au produs o turbină mai mare. Bigger is always better, right?

Nu prea. În primul rând, da, o turbină mai mare va fi capabilă să încarce sistemul ES mai eficient şi prin extensie să producă energie cu ajutorul MGU-H pentru liniile drepte. Dar vine reversul medaliei. O turbină mai mare produce un lag mai mare (raportat la cel luat în calcul). Iar pentru a elimina lag-ul, sistemul electronic comandă MGU-H-ului să devină motor şi să aducă turbina în regimul de turaţii nominal. Dar pentru a face asta, MGU-H-ul trebuie alimentat din ES. Pentru ce folosim ES? Pentru alimentarea sistemului MGU-K şi pentru a beneficia de cei 160 CP avuţi la dispoziţie pe durata a 33 de secunde în fiecare tur, nu? Da, numai că în acest caz, energia din ES nu mai este numai pentru MGU-K.

Şi atunci, apare fenomenul de clipping,  pe care l-au înjurat piloţii Honda tot anul trecut. Sistemul de control electronic al ERS-ului, CE, sau Control Electronics trebuie sa gestioneze cei 160 de CP şi să-i elibereze pe durata a 33 de secunde de-a lungul unui tur. Ori dacă MGU-H-ul fură din energie pentru a învinge lag-ul, atunci sistemul CE observă că nu mai are la dispoziţie 4MJ de energie şi decide întreruperea alimentării MGU-K când ţi-e lumea mai dragă pentru a activa Harvest Mode ca să producă energia necesară folosirii celor 160 CP timp de 33 de secunde. Şi când decide asta? De obicei spre sfârşitul liniilor drepte.

La ultimul MP din Bahrain, pe grafica FOM apare Kimi Raikkonen folosind treapta a 8-a şi cu gazul deschis la maximum. Viteza arătată este fie 297 km/h, fie 314 km/h. Şi asta fără DRS. Explicaţia este simplă. Ori folosea cei 160 CP suplimentari, ori nu. Şi de ce n-ar folosi cei 160 de cai? Pentru că sistemul e în Harvest Mode.

Bun. Ce se poate face? Pentru că acesta este un dezavantaj clar pentru Ferrari. Specialiştii l-au calculat iar rezultatul se apropie de 0.5 secunde pe tur. În primul rând s-a încercat o modificare software care să permită turbinei turaţii mai mari. O asemenea modificare a dus apariţia unor vibraţii şi supraîncălzirea acesteia şi la retragerea lui Raikkonen din MP al Australiei.

Astfel, pentru a reduce pierderile şi pentru a proteja turbina, Ferrari foloseşte sistemul la putere maximă doar în calificări. În cursă, se crede că motoarele folosesc un aşa numit Safe Mode care „fură” în jur de 25 CP.

Pentru MP al Spaniei, Ferrari speră că va putea aduce o nouă cameră de ardere şi o nouă turbină. Acest update era aşteptat pentru China, dar termenul a fost devansat. De asemenea, Shell va aduce o nouă versiune a combustibilului tot în Spania.

Dacă Ferrari va reuşi să rezolve problemele cu turbina în mod sigur Mercedes va avea de furcă. În calificări, pe porţiunile virajate ale circuitului din Bahrain, Ferrari-urile au fost cele mai rapide monoposturi, în condiţiile unui rulaj la 100%. Iar ca viteză de top, Vettel în calificări a fost cu doar 1.5 km/h mai lent ca Hamilton.