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Effizienz gleich Leistung

Effizienz gleich Leistung

Zwar mag die Power Unit selbst als wesentlichste Änderung des neuen Reglements angesehen werden, doch der daraus resultierende Einfluss auf die restlichen Elemente des Autos forderte eine umfassende Umgestaltung jedes Systems, das von der Power Unit betroffen ist.

Betriebsbedingte Herausforderungen

Das Getriebe mit seinen acht Vorwärtsgängen sowie einem Rückwärtsgang benötigt eine völlig neue Konstruktion. Während die Getriebeübersetzung früher an jedem Rennwochenende optimiert werden konnte, um den speziellen Anforderungen einer Strecke gerecht zu werden, muss nun vor dem Start jeder Saison eine einzelne Getriebewahl festgelegt werden. Wegen des größeren Drehzahlbereichs der turbogeladenen V6-Konfiguration ist dies weniger ein Problem. Es ist aber immer noch entscheidend, dies richtig hinzubekommen, wenn der Fahrer seine Kurvengeschwindigkeit sowie die Höchstgeschwindigkeit auf den Geraden maximieren will.

Die größte Sorge besteht in der Haltbarkeit. Es ist vorgeschrieben, dass das Getriebe mindestens sechs Veranstaltungen (verglichen mit den fünf im Jahr 2013) lang eingesetzt werden muss. Dies beinhaltet die Übersetzungen, die zuvor bei jeder Veranstaltung verändert werden konnten. Die Kurbelwellendrehzahl sowie die Anzahl der Zylinder, die die Kurbelwelle belasten, nehmen zwar ab, doch die Einspeisung in die Kurbelwelle wurde wegen des hohen Drehmoments und unterschiedlicher Schwingungen grundlegend verändert. Es ist sehr wichtig, eine zuverlässige Einheit zu bauen, die die Leistungseffizienz der Power Unit auf die Straße bringen kann.

Die Bremswirkung ist ein weiterer Bereich, der unter erhöhter Beobachtung steht. Den Teams ist es nun erlaubt, elektronisch kontrollierte Brake-by-Wire-Systeme am Heck des Autos zu nutzen, die über die ECU gesteuert werden. Durch die MGU-K wird während des Bremsens zusätzliche Leistung generiert. Aufgrund der erhöhten kinetischen Energie, die von der Hinterachse gewonnen wird, wird mittels der Hinterreifen viel weniger gebremst. Mit einem konventionellen Balance-Regulierungs-System gäbe es erhebliche Verlagerungen der Bremsbalance. Das Brake-by-Wire-System hilft dabei, solche Schwankungen zu steuern. Sicherzustellen, dass es effektiv funktioniert, ist nicht nur aus Sicherheitsgründen wichtig, sondern auch entscheidend für Leistung, da es dem Fahrer erlaubt, das Potenzial der Bremsen zu maximieren.

Schließlich ist das Gewicht ein wichtiger Faktor bezüglich der Performance. Dies ist nun wesentlich schwieriger zu erreichen, da die Regeln ein neues Gewichtslimit des Autos von 690 kg festlegen - im Vergleich zu 642 kg im Jahr 2013. Die Power Unit selbst muss mindestens 145 kg wiegen, zusätzlicher Kühlbedarf für den Turbolader und die Hybridsysteme erhöhen diese Herausforderung.

Aerodynamische Effizienz

Zu einem schnellen Formel 1-Auto gehören zwei Schlüsselelemente: die höchstmögliche Leistung, um auf der Geraden zu beschleunigen sowie gute mechanische und aerodynamische Performance für eine schnelle Kurvendurchfahrt. Das Reglement für 2014 bringt einige Herausforderungen mit sich, die sich nicht nur an die sichtbaren Elemente des Autos richten, sondern an das Gesamtpaket.

Die sichtbarste Veränderung - die reduzierte Breite des Frontflügels von 1800mm auf 1650 mm - hat einen erheblichen Einfluss auf die Aerodynamik. Sie bestimmt den Luftfluss über das gesamte Fahrzeug. Weiter hinten wurden das Heck und der Grip durch den Verlust des durch den Auspuff erzeugten Abtriebs beeinträchtigt - einer wichtigen Leistungsquelle in den vergangenen Jahren. Dies ist eine Folge des festgelegten Bereichs und der Position eines einzelnen, zentralen Auspuffrohrs. Die Herausforderung besteht nun darin, wie man diesen Verlust am besten kompensiert und das gleiche Level an Fahrbarkeit des Autos erlangt.

Am Heck des Autos sorgt eine zehnprozentige Verkleinerung der oberen Heckflügelbox - von 220 mm Maximalhöhe hin zu 200 mm - dafür, dass die Teams während des Jahres eine Heckflügeleinstellung nutzen, die zuvor für Kurse wie Spa, die geringeren Abtrieb verlangen, reserviert gewesen wäre. Die Entfernung des unteren Heckflügels und der daraus resultierende Einfluss auf den Diffusor spielen ebenfalls eine Rolle. Die Beseitigung eines Elements des zuvor voneinander abhängigen Trios aus Unterboden, dem unteren sowie oberen Flügel sorgt für einen merklich unterschiedlichen Luftfluss am Heck des Autos.

Die Integration der Power Unit und ihrer angebundenen Systeme in das Chassis ist zwar nicht sichtbar, aber ebenfalls wichtig. Die Power Unit selbst hat eine komplett andere Form und weitere Hybridsysteme, ein komplexeres Abgassystem sowie ein für das Druckbelastungssystem benötigter Ladeluftkühler sind zusätzliche Faktoren für den Kühlbedarf des Autos. Die Steuerung der Hitze ist nicht nur für die Unversehrtheit des Autos nötig, sondern auch für die Leistung und Effizienz. Wenn beispielsweise die Hitze in den Abgasführungen zwischen Motor und Turbolader gespeichert wird, kann sie potenziell mittels der MGU-H wiederverwendet werden. Dies führt zu erhöhter Energieausbeute und das wiederum zu allgemeiner Erhöhung der Effizienz.

Hierbei gibt es zwei gegensätzliche Einflüsse: Einer ist darauf fokussiert, dass jede dieser Komponenten in einem optimalen Temperaturfenster arbeitet; der andere auf das Paket der zugehörigen Kühlsysteme, sodass die aerodynamische Effizienz des Autos nicht beeinträchtigt wird.

PETRONAS: Technischer Partner für Fluidtechnik-Lösungen

Seit dem Beginn der modernen Ära der Silberpfeile im Jahr 2010 ist PETRONAS der Partner des Teams für Fluidtechnik-Lösungen, um gemeinsam das Leistungspotenzial der Schmierstoffe sowie der Kraftstofftechnologie zu optimieren. Für das Jahr 2014 wurde diese Partnerschaft erheblich ausgebaut: PETRONAS und die Technik-Teams in Brackley und Brixworth arbeiten Hand in Hand, um ein Hochleistungsrennfahrzeug innerhalb der Parameter des FIA-Reglements zu entwickeln. Wenn die Power Unit das Herz des neuen Silberpfeils darstellt, besteht sein Blut aus maßgeschneidertem Kraftstoff und Schmiermitteln, die von PETRONAS entwickelt wurden.

In dieser Saison stellt die Energiedichte des Kraftstoffs einen der entscheidenden Leistungs-Paramater dar. Die Verbesserung der Effizienz ist nun vollständig mit erhöhter Performance verbunden. In diesem Zusammenhang spielen die Schmierstoffe und der Kraftstoff auf unterschiedliche Art und Weise eine entscheidende Rolle.

Die PETRONAS-Techniker setzten ihre Fachkenntnisse ein, die durch die Optimierung von PETRONAS Syntium für turbogeladene Motoren mit Direkteinspritzung im Straßenverkehr geschärft wurden, um neue Schmierstoffe zu konzipieren und gemeinsam zu entwickeln, die den neuen Herausforderungen der Power Unit gewachsen sind.

Ein Schlüsselfaktor ist das Downsizing des Verbrennungsmotors (ICE: Internal Combustion Engine) von einem 2,4 Liter V8-Motor zu einem V6-Aggregat mit 1,6 Litern. Der kleinere Verbrennungsmotor und eine erhöhte Leistung pro Liter bedeuten, dass die neuen Motoren heißer laufen. Bei höheren Temperaturen verdünnt sich das Öl. Deshalb benötigt ein heißerer Motor dickflüssigeres Öl, um zu verhindern, dass die Metallteile aneinander reiben und versagen.

Die heißeren Bedingungen und die geringere Ölmenge im Verbrennungsmotor (von fast sieben Litern beim V8 hin zu weniger als drei Litern beim V6) bedeuten zudem, dass das Öl mehr dazu beitragen muss, den Motor zu kühlen. Dafür wird dünneres und schneller fließendes Öl benötigt.

Außerdem begrenzen die Regeländerungen die für das Rennen verfügbare Spritmenge auf 100 kg. Aus diesem Grund muss das Öl dabei helfen, die Energie zu konservieren, indem die Reibung minimiert wird. Dies verlangt ebenfalls nach dünnflüssigerem Öl.

Um diese komplexen und widersprüchlichen Anforderungen zu erfüllen, besteht das neue Motoren-Öl für das 2014er Auto aus einem präzise balancierten Gemisch fortschrittlicher, dünnflüssigerer synthetischer Basis-Öle, die bei der Kühlung helfen sowie Polymerviskositäts-Boostern (die bei hohen Temperaturen einsetzen), um das Öl zu verdicken. Außerdem wurden auch reibungsmindernde Öl-Komponenten, die es Metalloberflächen erleichtern, aneinander zu reiben, verwendet, um den Gesamtkraftstoffverbrauch zu verbessern.

Zudem steigt durch die erhöhten Temperaturen die Wahrscheinlichkeit, dass das Öl an sich nicht mehr richtig funktioniert. Deshalb wurden Hochleistungsadditive hinzugefügt, um zu verhindern, dass das Öl unter diesen extremen Bedingungen versagt.

Energieverluste im Getriebe können ebenfalls einen großen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch haben. Mit Blick darauf haben die Techniker von PETRONAS für das 2014er Auto Präzisionsgetriebe-Schmiermittel produziert, um mit diesen sicherzustellen, dass die Energieverluste im Getriebe auf ein Minimum reduziert werden und es gleichzeitig vor Schäden geschützt wird.

Beim Benzin stellt ein turbogeladener Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung spezielle Anforderungen an die Charakteristik des Kraftstoffs. Beispielsweise ist es sehr wichtig, dass die Einspritzdüsen nicht durch Benzinablagerungen blockiert werden. Die von der FIA festgelegten Grenzen im Hinblick auf die maximal erlaubte Kraftstoffmenge (100 kg) und den maximalen Benzindurchfluss (100 kg pro Stunde) bedeuten, dass jede einzelne Komponente innerhalb des Kraftstoffs zur Leistung beisteuern muss. Die Wissenschaftler von PETRONAS haben Molekül für Molekül einen neuen Kraftstoff für die 2014er Power Unit entwickelt und dabei Charakteristika wie die Energiedichte, die Oktanzahl und die Volatilität unter sorgfältiger Berücksichtigung der verbindlichen Bio-Anteile des Öls ausbalanciert. Dies stellt eine einzigartige Herausforderung dar, denn einige der besten Komponenten für hohe Leistung führen am ehesten zu Ablagerungen in den Einspritzdüsen. Ein umfangreiches Entwicklungsprogramm, in dessen Rahmen Chemiker und Ingenieure neue Kraftstoffe in echten Motoren testeten, führte zu einer neuen Generation an Kraftstoffen für den V6, die eine maßgebliche Leistungssteigerung versprechen.

Der Beitrag von PETRONAS zur Bereitstellung von Fluidtechnik-Lösungen war unverzichtbar bei der Entwicklung der 2014er Power Unit. Noch nie zuvor in der Geschichte der Formel 1 wurden eine Power Unit und deren Benzin sowie Schmierstoffe in so enger Zusammenarbeit entwickelt. Bei der Lösung einer Aufgabe, die nahezu entgegengesetzt zu jener beim V8-Motor aussieht, stellt die technische Partnerschaft mit PETRONAS einen entscheidenden Erfolgsfaktor dar.

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