E-TURBO – DYNAMIKIN DER FORMEL 1

ZUKUNFTSWEISENDE VERÄNDERUNGEN

In den Entwicklungsabteilungen der ver-schiedenen Formel-1-Teams ist man der Meinung, dass in der aktuellen Saison die größte technische Veränderung in der Geschichte der Formel 1 stattfindet. „Das Formel-1-Reglement 2014 basiert auf zwei grundlegenden Performance-Einschränkungen: einer maximalen Menge von 100 kg Kraftstoff und einem maximalen Benzinfluss von 100 kg pro Stunde“, so eine Aussage des Mercedes AMG Petronas Formula One Teams. Remi Taffin, Leiter für alle Streckenakti-vitäten bei Renault, erklärt es wie folgt: „100 kg Kraftstoff stehen vom Start bis ins Ziel des Rennens zur Verfügung. 35 % weniger als 2013. Das bis 2013 ein-gesetzte KERS (Kinetic Energy Recovery System) wird von der MGU-K (Motor-Generator-Unit – Kinetic) und der MGU-H (Motor-Generator-Unit – Heat) ersetzt. Diese beiden Einheiten werden nun unter der Bezeichnung ERS (Energy Recovery System) zusammengefügt. In ihrer Einheit bringen sie auch ein Mehr-gewicht von rund 40 kg mit sich und

benötigen mehr Platz. Die MGU-K darf beim Bremsen pro Runde eine Energie von 2 MJ speichern, die MGU-H hinge-gen unbegrenzt. Aus dem Energievorrat ist die Abgabe von 4 MJ, das Zehnfache des bisherigen Werts, pro Runde erlaubt. Das entspricht einer zusätzlichen Leis-tung von 120 kW für 33 s, oder dem Leis-tungsbedarf für ein Drittel einer Runde mit den bisher verwendeten V8-Motoren. Die kinetische Energierückgewinnung gewinnt also an Wert.“ Taffin gibt wei-terhin zu bedenken, dass 2014 zu jeder Zeit möglichst viel Energie, die sonst nicht nutzbar und damit verloren wäre, gesammelt und wieder dem Fahrzeug-system zugeführt wird. Die Werte für die Energieauf- und Energieabgabe sind im Reglement verankert. Mit seiner Aus-sage, dass die Formel 1 gegenüber der Serie effizienter sei, provoziert Taffin. Er verifiziert dies mit folgender Erklä-rung: „Zurückzuführen ist das auf die Direkteinspritzung, den Turbolader und natürlich das Downsizing. Wir nutzen aber auch die Abgasenergie maximal aus. Eines Tages können wir vielleicht sogar ohne Schadstoffausstoß fahren. Da ist alles möglich.“Motor-Generator-Unit – Heat (MGU-H)

(Bild © Mercedes AMG Petronas Formula One)

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ENTWICKLUNG REPORT

Report

Ein viel diskutiertes und emotional besetztes Thema ist das Downsizing

und der elektrisch unterstützte Turbolader (E-Turbo) in der Formel 1

der Saison 2014. Der Chefpromoter Bernie Ecclestone konnte sich mit

seinem „Nein“ gegen die FOTA (Formula One Teams‘ Association) nicht

durchsetzen. Er wurde überstimmt, und die FIA (Federation International

de l´Automobile) hat das neue Reglement für 2014 festgeschrieben.

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Report

Gesamtansicht des Renault-Energy-Formel-1-Motors (Bild © Renault)

TECHNISCHE SPEZIFIKATIONEN

Der Turbolader zählt zu den kritischsten Komponenten im neuen Antriebsstrang und ist gleichzeitig ein Allroundtalent. Elektrische Unterstützung erhält das Turbinenrad kurzzeitig während des Be-schleunigungsvorgangs. Somit wird das magische „Turboloch“ verhindert und der Turbolader erreicht schneller seine opti-male Drehzahl (maximal 125.000/min). Auf das neue System bezogen, treibt während der Beschleunigung zunächst die MGU-K (maximal 50.000/min) den Turbolader an. Ermöglicht wird dies durch eine direkte Verbindung der MGU-K zur Kurbelwelle. Die MGU-K lädt die Batterie in den Phasen auf, in denen sich der Motor im Schleppbetrieb befindet. Bei der MGU-H ist es umgekehrt – sie lädt im Schubbetrieb. Ein Ladevorgang kann nur in dem Zeitraum stattfinden, in dem der Turbolader bei Vollgas überschüssige Energie entwickelt. Dabei wird ein Teil der Turbinenleistung zur Verdichtung der Luft verwendet, ein anderer zum Auf-laden der Batterie. Das bedeutet, dass bei Erreichen ihrer leistungsrelevanten Dreh-zahl die MGU-H in den Generatorbetrieb

wechselt. Sie zweigt die überschüssige Energie, die nicht zum Verdichten der Ansaugluft gebraucht wird, entweder direkt in den Elektromotor (MGU-K) oder in die Batterie ab. Dabei entscheidet ein Softwareprogramm mit den entspre-chenden Steuereinheiten, wie groß der Anteil ist, den die elektrische Komponente zur Leistungsabgabe beisteuert. Bei gefor-derter Effizienz ist der Anteil an elektri-scher Leistung im Spritsparmodus auf der Rennstrecke größer. Renaults Chef-ingenieur Naoki Tokunaga verweist auf die Komplexität der Rekuperation und Leistungsabgabe und stellt die Wichtig-keit des Energiemanagements heraus. Die Steuerung entscheidet über die Leistungs-abgabe der beiden Antriebsmöglichkeiten, also darüber, wie viel aus der konventio-nellen Kraftstoffverbrennung und der elektrischen Energie im Speicher zum Einsatz gebracht werden kann. Der stän-dige Abgleich zwischen der gefahrenen Rundenzeit, dem Kraftstoffeinsatz und dem Verbrauch zielt auf ein Optimum. Für dieses Berechnungsmodell fanden die Ingenieure eine neue Bezeichnung, die sogenannte Minimum-Rundenzeit-Grenze. Diese gilt es unter allen Umständen im

Blick zu behalten und sich daran zu orien-tieren. Eine Berechnung, die nur mit größ-ter Rechnerleistung vollbracht werden kann. Das Ganze geschieht völlig unmerk-lich für den Fahrer. Dieser kann sich voll und ganz seinem Hauptaugenmerk – dem Fahren – widmen. Tokunaga erwidert die Frage nach der Unabhängigkeit der Fahrer mit folgender Aussage: „Der Fahrer kann weiterhin zwischen unterschiedlichen Motorprogrammen auswählen und damit das Kontrollsystem außer Kraft setzen, zum Beispiel, wenn er überholen will. In der Theorie kannst du das so oft wie möglich machen, aber wer es übertreibt, muss später mehr Kraftstoff sparen. Voller Boost geht im Rennen vielleicht ein oder zwei Runden, aber nicht länger.“ Renaults Chefingenieur gibt zu bedenken, dass die Fahrer ihren Fahrstil anpassen müssen. „Wenn der Fahrer Vollgas gibt, übernimmt das Kontrollsystem die Leistungsverteilung unter der Vorgabe, so schnell wie möglich mit der noch zur Verfügung stehenden Kraftstoffmenge zu fahren. Vollgas heißt deshalb nicht mehr unbedingt Vollgas. Es ist für das Kontrollsystem nur der Hin-weis, dass der Fahrer jetzt maximale Leis-tung will. Die Leistungsabgabe kann aber

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Gesamtansicht des Renault-Energy-Formel-1-Motors (Bild © Renault)

MERCEDES AMG PETRONAS FORMULA ONE TEAM

2 FRAGEN AN …MTZ _ Bei der hohen Leistung in der Formel 1 ist der kurzfristige Leistungsbedarf des E-Turbos nicht so relevant wie in der Serie. Was sagen Sie zu dieser Aussage?MERCEDES-F1-TEAM _ Anhand des neuen Reglements ist es durch die Einschränkung der Kraftstoff- und Durchflussmenge eine besondere Herausforderung, eine optimale Effizienz bei der Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie zu erzie-len. Zu diesem Zweck haben wir einen hubraumkleineren Vollhybrid-Turbomotor entwickelt, der über 30 % mehr Leistung pro verbrauchter Einheit Benzin liefert. Die MGU-H ist ein völlig neuer E-Motor, der nicht genutzte Energie aus dem Abgas-strom in elektrische Energie umwandeln und dem Energiespeicher zuführen kann. In der Beschleunigungsphase kann diese Energie dazu genutzt werden, die MGU-H anzutreiben, um damit den Turbolader zu beschleunigen. Auf diese Weise kann das „Turboloch“ ausgeglichen werden.

Leistung und Drehmoment werden durch den E-Turbo nicht erhöht. Sind die Vorteile im unteren Drehzahlbereich bei der Formel 1 überhaupt ein Thema? Oder ist die Entwick-lung für die Serie von größerer Bedeutung?Die MGU-H besitzt zwei grundlegende Vorteile. Zunächst eine ganzheitliche Stei-gerung der Systemeffizienz, da die ansons-ten verlorene Energie mittels des Elektro-motors zurückgewonnen, in der Batterie gespeichert und wiederverwendet werden kann. Die Fahrbarkeit des Fahrzeugs wird verbessert, indem das „Turboloch“ elimi-niert wird. Mit Sicherheit bietet der Ent-wicklungsbereich des elektrischen Turbo-laders großes Zukunftspotenzial.

Renault-Energy-Formel-1-Motor mit MHU-K und MGU-H (Bild © Renault)

je nach den Umständen unterschiedlich ausfallen.“ Bei all diesen Über legungen stellen sich die Motorenhersteller einer großen Herausforderung: das Ansprechverhalten der neuen V6-Turbo-motoren auf das Niveau eines Saugmotors zu bringen.

KÜHLUNG ERFORDERT NEUE AERODYNAMIK

Die neue Formgestaltung, ersichtlich im Rahmen der Präsen ta-tion in Jerez (Spanien) anhand der augenscheinlichen Karosse-rieveränderungen, lässt die Formel-1-Fangemeinde kontrovers dis kutieren. Fast alle Teams präsentierten dort ihre Rennfahr-zeuge. Aerodynamik ist der wichtigste Faktor bei der Gestaltung der neuartigen Kühlluftzufuhr. Dabei fällt der Kühlung der Lade-luft des Turboladers größte Aufmerksamkeit zu. „Der Ladeluft-küh ler oder Intercooler, der die im Verdichter auf 150 °C erhitzte Ansaug luft auf 50 °C abkühlen muss, hat einfach eine gewisse Größe, die nicht unterschritten werden kann. Logischerweise muss er in un mittelbarer Nähe zum Turbolader verbaut sein, um die Zuleitungen so kurz wie möglich zu halten“, erklärt Renault-Motorenchef Rob White. Desweiteren ist das Zusammenspiel des Wastegate-Ventils und der thermischen Elektromaschine (MGU-H) von besonderer Bedeutung. Sollte hierbei durch eine fehlerhafte Steuerung der Ladedruck unverhältnismäßig stark steigen, ist mit einem Schaden zu rechnen. Niki Lauda, Aufsichtsratsvorsitzen-

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der des Teams Mercedes AMG Petronas Formula One, formulierte es wie folgt: „Dann fliegen die Fetzen“. Ferrari verbaut zurzeit als einziges Team Kühlertechnik aus den USA. Die Öl- und Wasserkühler sind etwa 15 % kleiner als vergleichbare Kühlersysteme der Mitbewerber, gleich-zeitig erzielt das Team mit dieser Technik eine effektivere Kühlung. Darüber hinaus ist bei der Auslegung des Kühlungssys-tems zu berücksichtigen, dass bei allen Teams eine größere Anzahl von Kompo-nenten, bis zu 30 verschiedene, zu denen das Wastegate-Ventil genauso gehört wie unterschiedliche Steuereinheiten, in das System integriert werden müssen.

GRUNDLEGENDE VERÄNDERUNGEN IM MOTOR

Der vom Turbolader aufgebaute Druck, der auf Kolben, Pleueln und der Kurbel-welle lastet, ist aufgrund der Aufladung bei den neuen Formel-1-Motoren rund doppelt so hoch wie bei den bisher einge-setzten V8-Motoren. Der Druck im Brenn-raum kann auf über 200 bar steigen. Da-bei entsteht die Gefahr des „Klopfens“, ein Phänomen, das den Motor zerstören kann. Bisher verzichteten die Motoren hersteller der Formel-1-Teams auf eine Benzindirekt-einspritzung. Es erachtete niemand für relevant, obwohl es im Reglement nicht untersagt war. Nun greifen die Motoren-hersteller der Formel 1 auf ihre Erfah-rungen aus der Serie zurück. Reglement-bedingt ist der maximale Einspritzdruck dabei auf 500 bar begrenzt. Allerdings wird der Brennraum eines Serienmotors bei Volllast oftmals durch Kraftstoff ge-kühlt. Diese Maßnahme kann bei einem Pkw-Motor eingesetzt werden, da er selten unter ständiger Volllast gefordert wird. Anders in der Formel 1: Bei etwa 70 % eines Rennens wird die volle Leistung abverlangt. Daher sprechen sich die Motorenentwickler in der Formel 1 gegen eine Innenkühlung des Brennraums durch Kraftstoff aus, denn das würde gleichzeitig einen extrem hohen Kraft-stoffverbrauch bedeuten. Eine Entwick-lung, die die Teams aufgrund der Kraft-stoffbeschränkung im Reglement ver-meiden möchten und müssen.

Insgesamt sind grundlegende Verände-rungen im Bereich des Formel-1-Motoren-baus zu verzeichnen: Um Klopfen zu ver-hindern, müssen die Motorhersteller bei-spielsweise die Lage der Einspritzdüsen im Brennraum optimal auf die Einsatz-

Ferrari F14 T (Bild © Ferrari)

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bedingungen abstimmen. Auch der Aufbau der Kolben wurde gravierend verändert. Während bei den vorangegangenen Über-legungen der Motorenentwickler das Gewicht immer an erster Stelle stand und somit auch die Kolben leichter und dünner wurden, muss man jetzt aufgrund des Turbodrucks verstärkte Kolben nutzen. Die Zielsetzung be steht darin, maximale Leis-tung im niedrigeren Drehzahlbereich zu erreichen. Oder um es mit den Worten eines Motorenentwicklers des Mercedes AMG Petronas Formula One Teams zu sagen: „Die Motoren werden die Formel 1 auch wieder an die vorderste Front der Technologie bringen – das ist, was die Fans wollen“. Eine weitere interessante Feststellung betrifft die Geräuschentwicklung und den Sound: „Die neuen Aggregate klingen angenehmer als die vorherigen V8-Motoren. Die Motoren werden laut, aber schön klingen. Die Frequenz wird höher, und mit dem Turbolader bei 125.000/min werden sie laut sein.“

Die große Kunst ist es, die Leistung so einzusetzen, dass dabei die bestmögliche Rundenzeit bei der zur Verfügung stehenden Kraftstoffmenge herauskommt. Gleichzeitig ist die Formel 1 allein schon wegen des Kraftstoffverbrauchs von mehr als 40 l/100 km weit davon entfernt, „grün“ zu sein. Allerdings geben die Motoren-entwickler zu bedenken, dass die revolutionäre Technik, die aus derselben Menge Kraftstoff 30 % mehr Energie generiert, auch in Straßenautos eine sinnvolle Verwendung finden kann. Der größte Unterschied zu der in den vergangenen Jahren eingesetzten Tech-nik ist die Elektronik. So kommt der Elektroantrieb doch noch zu seiner Beachtung. In Kombination mit dem Verbrennungsmotor eine sinnvolle Ergänzung, um Effizienz in der Serie voranzubrin-gen. Interessant ist der kleine Umweg über die Formel 1.

WAS MEINEN WIR DAZU?

„NUN SPRICHT MAN IN DER FORMEL 1 ENDLICH WIEDER ÜBER DIE TECHNIK UND INS -BESONDERE ÜBER DEN MOTOR.“

Ein Comeback eines Motorenkonzepts, V6-Turbomotor, mit Historie und einem neuen Energiemanagement. Das ist die aktuelle Formel 1. Es ist immer wieder interessant, dass bereits ad acta gelegte Erfahrungen mit neuester Technik zusam-mengeführt und auf den neuesten Stand der Technik gebracht werden können. 1979 war der Ladeluftkühler die Inno vation am Turbomotor und brachte den Durchbruch. Energieeffizienz ist heute wichtiger und findet in einer medien wirk samen Motor-sport art – der Formel 1 – die ent spre chen de Beachtung. Motor sport und Serientechnik vereinen sich zu einer überaus beachtens-werten Effizienz steigerung – dank der E-Turbo-Technologie. DETLEF KREHL

MTZ-Korrespondent

Renault-Turbomotorenvergleich 1980 und 2014 (Bild © Renault)

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