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Technik-Revolution: Die Power Unit

Technik-Revolution: Die Power Unit

2014 kommt das, was weithin als die größte technische Revolution seit der ersten Formel-1-Saison im Jahr 1950 angesehen wird. Die Bedeutung dieser Änderung darf in Hinblick auf die Herausforderungen für Teams und Fahrer nicht unterschätzt werden, denn sie starten nach acht Jahren Stabilität von 2006 bis 2013 - eine Zeit die als 'V8-Ära' bekannt wurde - eine Reise ins Unbekannte.

Wir stellen hier die neue 'Power Unit' und all ihre einzelnen Komponenten vor, um zu erklären, was sich geändert hat und was das alles bedeutet. Den Motor gibt es nicht mehr, lang lebe die Power Unit!

Power Unit

Genau genommen besteht die Power Unit aus sechs verschiedenen Systemen: dem eigentlichen Verbrennungsmotor (ICE), der Motor Generation-Unit-Kinetic (MGU-K), der Motor-Generation-Unit-Heat (MGU-H), dem Energiespeicher (ES), dem Turbolader und der Steuerelektronik. Schon allein die Änderungen bei der Terminologie spiegeln die Tatsache wider, dass diese neue Antriebseinheit weit mehr ist als ein einfacher Verbrennungsmotor. Während beim vorangegangenen V8-Motor ein KERS eingesetzt wurde, das einfach an einen schon zuvor existierenden Motor 'angeschraubt' wurde, wurde der Mercedes-Benz PU 106A Hybrid von Beginn an auf ein integriertes Hybridsystem ausgelegt

ICE

Der interne Verbrennungsmotor (im Englischen Internal Combustion Engine) ist das traditionelle, von Benzin betriebene Herzstück einer Power Unit. Zuvor nannte man ihn einfach Motor. 2014 ist dieser Motor ein 1,6-Liter V6-Turbomotor mit Direkteinspritzung mit bis zu 500 bar. Während die V8-Motoren noch bis 18.000 Umdrehungen pro Minute drehen durften, ist der ICE ab 2014 auf 15.000 Umdrehungen beschränkt. Die verringerte Umdrehungsgeschwindigkeit der Kurbelwelle reduziert gemeinsam mit der Verkleinerung des Hubraums und der Reduktion der Zylinderzahl die Reibung, was insgesamt die Effizienz der Power Unit erhöht. Der Denkansatz, die Geschwindigkeit und die Größe zu reduzieren, sind die technischen Schlüsseländerungen im Herz der Struktur des internen Verbrennungsmotors

Turbolader

Der Turbolader ist ein Bauteil zur Energierückgewinnung, das die Energie der Auspuffgase dazu nutzt, eine einstufige Auspuffturbine anzutreiben, die wiederum über eine Welle einen einstufigen Kompressor antreibt, wodurch der Druck im Ansaugtrakt (die Luft, die dem Motor für die Verbrennung zugeführt wird) steigt. Der erhöhte Ladedruck kompensiert die Hubraumreduzierung und die Verringerung der Drehzahl im Vergleich zu den V8-Motoren, so dass immer noch viel Leistung aus einem langsameren und kleineren Motor herausgeholt werden kann. Der Turbolader ist das Schlüsselsystem für die erhöhte Effizienz des internen Verbrennungsmotors.

ERS

2014 hat die Bezeichnung des Energierückgewinnungssystems zwar einen Buchstaben verloren (aus KERS wurde ERS), das System wurde aber trotzdem deutlich ausgeklügelter. Energie kann noch immer über die Motor Generator Unit (MGU) von der Hinterachse aufgenommen oder an die Hinterachse abgegeben werden, jedoch wird dieses System nun als MGU-K (für kinetisch) bezeichnet und darf die doppelte Maximalleistung wie noch 2013 abgeben (120 kW oder 161 PS, statt 60 kW oder 80,5 PS). Es darf pro Runde fünfmal so viel Energie (2 MJ) aufnehmen und zehnmal (4 MJ) so viel abgeben wie 2013, das entspricht etwa 30 Sekunden lang volle Leistung. Der Rest der Energie wird von MGU-H (H steht für Heat, englisch für Wärme) eingespeist. MGU-H ist ein elektrisches Bauteil, das mit dem Turbolader verbunden ist. Wo der V8-Motor noch einen einzigen mögliche 'Energie-Weg' bot, um die Effizienz mittels KERS zu steigern, gibt es bei ERS bis zu sieben verschiedene Effizienz-fördernde Wege.

MGU-K

Die Motor Generation Unit-Kinetic (MGU-K) hat die doppelte Leistungsfähigkeit des vorangegangenen KERS-Motors und arbeitet nach dem gleichen Prinzip. Ein Teil der kinetischen Energie, die normalerweise von den hinteren Bremsen vernichtet wird, wird nun während der Bremsphase in elektrische Energie umgewandelt und in der Batterie gespeichert. Wenn das Auto beschleunigt, wird die in der Batterie gespeicherte Energie wieder an MGU-K abgegeben, wodurch ein zusätzlicher Boost mit einer Maximalleistung von 120 kW (etwa 160 PS) für über 30 Sekunden pro Runde an die Hinterachse abgegeben wird.

MGU-H

Die Motor Generation Unit-Heat (MGU-H) ist ein neues elektrisches Bauteil, das direkt mit der Welle des Turboladers verbunden ist. Dazu wird Energie der Auspuffgase, die über den Bedarf des Kompressors hinaus verfügbar ist, von der Turbine aufgenommen, von MGU-H in elektrische Energie umgewandelt und in der Batterie gespeichert. Während MGU-K maximal 2 MJ pro Runde aufnehmen darf, gibt es bei MGU-H kein Limit. Diese zurückgewonnene Energie kann dann dazu verwendet werden, Power für MGU-H bereitzustellen, damit der Turbolader beschleunigt wird, was wiederum dabei hilft, das Turboloch zu beseitigen. Diese neue Technologie erhöht die Effizienz der Power Unit und ist vor allem gleichzeitig eine Methode, um gute Fahrbarkeit bei einem aufgeladenen, Hubraum-kleineren Motor sicherzustellen.

ES

Die Batterie (auch ES, vom englischen Energy Store) macht genau das, was sie verspricht: sie speichert Energie, die von den beiden Motor Generation Units (MGUs) eingespeist wird, um sie dann wieder an die gleichen Systeme zurückzugeben. Sie ist in Bezug auf Maximal- und Minimalgewicht beschränkt: Das Maximalgewicht (25 Kilogramm) setzt den Ingenieure ein aggressives Ziel, während das Minimum (20 Kilogramm) verhindert, dass Gewichtsreduktion um jeden Preis vorangetrieben wird.

kJ / MJ / kW

Ein Joule (ninja) ist die Einheit von Energie (kinetisch, wärme, mechanischer, elektrischer, etc.). 1000 Joule sind ein Kilojoule (kJ), eine Millionen Joule sind ein Megajoule (MJ). Um das etwas zu veranschaulichen: Die Einheit Kilojoule wird häufig dazu benutzt, die in Nahrungsmittel enthaltene Energie anzugeben. Ein Megajoule hingegen beträgt etwa die kinetische Energie eines Fahrzeugs mit dem Gewicht von einer Tonne, das 160 Stundenkilometer schnell fährt. Ein Watt (W) ist die Einheit von Leistung, die den Energiefluss beschreibt. 1000 Watt sind ein Kilowatt (kW). Diese Einheit wird meist dazu benutzt, um die Leistung eines Motors anzugeben. 1,34 PS entsprechen etwa einem Kilowatt.

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