Укрощение ERS: режимы и настройки

 

Современные силовые установки болидов Формулы 1 считаются столь сложными для обычных болельщиков, что большинство даже и не пытается вникнуть в суть. Причем, в суть не только устройства и принципа работы этих устройств, но и в сам механизм управления этими устройствами пилотом болида.

 

Вместе с тем, управление этими устройстами далеко от простого "Вкл." и "Выкл.". Давайте же хотя бы частично рассмотрим, что же именно можно изменить в работе гибридной составляющей силовой установки, в том числе и непосредственно во время пилотирования по трассе.

 

Часть 1: Устройство СУ

 

Итак, давайте сначала немного поговорим о самой силовой установке. Она состоит из трех компонентов: двигатель внутреннего сгорания, MGU-K, MGU-H. Это если говорить непосредственно об исполняющих элементах СУ, которые нас интересуют.

 

ДВС (ICE)

В качестве двс (расшифровывается эта аббревиатура как - Двигатель Внутреннего Сгорания (Internail Combustion Engine) используется турбированный шестицилиндровый V-образный двигатель, объемом 1.6л, с высокопроизводительным одиночным турбонаддувом (давление наддува в теории неограничено (по факту 3-4 бар), ограничение по оборотам - 125000 об/мин). Угол развала блока цилиндров 90°, по 4 клапана на цилиндр (2 впуск и 2 выпуск), непосредственный впрыск топлива, причем топливные форсунки должны развивать давление не более 500 бар.

Турбокомпрессор позволяет использовать энергию отработавших выхлопных газов, чтоб вогнать в малый объем цилиндров больше воздуха. Перед попаданием во впускной коллектор нагретый в компрессоре воздух проходит через промежуточный охладитель (интеркуллер) в результате чего воздух охлаждается и повышается его плотность. В принципе, в обычных дорожных авто используется тот же принцип.

Так как на двигателе установлен очень большой турбокомпрессор, то естественно он обладает очень значительным турбо лагом. Поэтому, в переходных режимах, когда мощность потока выхлопа не может обеспечить раскрутку вала турбонаддува, до обеспечения оборотов оптимального давления наддува, подключается электродвигатель (MGU-H), помогающий раскрутке турбины и поддерживающий ее обороты.

Особенностью и отличием некоторых турбонаддувов современных двигателей в F1 является наличие двух впускных патрубков на улитке турбины. Данное решение позволяет эффективно использовать один турбонаддув в V образном двигателе, с двумя выпускными коллекторами. Любые средства регулирования турбины, westgate итд. запрещены регламентом FIA.

 

MGU-K

Расшифровывается эта аббревиатура как Motor Generator Unit-Kinetic — блок мотор-генератора кинетической энергии. По сути, это тот самый KERS, который с 2009 года умеет накапливать кинетическую энергию с задних тормозов и передавать ее в батареи. MGU-K непосредственно соединён с коленвалом ДВС и собирает энергию на торможении (включаясь в режим накопления энергии во время торможения, то есть когда передача энергии от двигателя к  колесам не требуется), отдавая её высоковольтному накопителю. При разгоне MGU-K добавляет свою мощность к мощности основного агрегата.

 

MGU-H

Этот компонент гибридной установки расшифровывается как Motor Generator Unit-Heat. По своей сути, это электрический мотор-генератор, сидящий на одном валу с турбокомпрессором. И работать он может в обе стороны: извлекать энергию из выхлопных газов и раскручивать турбину до рабочих оборотов, чтобы уменьшить эффект турбо-ямы (Turbo-LAG) на переходных режимах (переключении передач). Поскольку во время переключения передач обороты двигателя снижаются, снижается и поток выхлопных газов. А поскольку именно этот самый поток и вращает турбину, то и ее обороты, соответственно, так же падают, вследствие чего снижается полезная мощность.

На практике это проявляется следующим образом - вы нажимаете на педаль газа, но машина, вместо того, чтобы начинать резво набирать скорость, словно "призадумывается", и лишь потом начинает набор скорости. Вот этот момент, когда она "призадумывается", и называется "турбо-ямой или турбо лаг.

Чтобы исключить негативный эффект турбо-ямы, как раз и используется MGU-H. В тот момент, когда поток выхлопных газов начинает ослабевать, включается электромотор и начинает раскручивать турбину вместо потока выхлопных газов из выпускного коллектора. Таким образом, никаких провалов и даже кратковременной потери мощности во время переходных моментов не наблюдается.

А вообще, MGU-H позволяет в целом значительно увеличить КПД двигателя, что разумеется положительно сказывается на топливной экономичности, что весьма немаловажно в условии нынешних ограничений по расходу топлива.

Именно поэтому, еще в 2013 году тепловой генератор был назван весьма перспективным вектором развития двс, и компания, добившаяся на этом поприще больших, нежели у других производителей, успехов, получает заметный выигрыш в мощности, причем без повышения расхода топлива.

Иначе говоря, в машину можно залить меньше топлива, она становится легче, и соответственно, быстрее. 

 

Нынешние производители моторов в Формуле 1 расположили тепловой генератор в разных местах. Если в Renault и Ferrari расположили его непосредственно рядом с турбокомпрессором, то в Мercedes подошли к задаче более креативно - тепловой генератор разместили на длинном валу с другой стороны двигателя.

Что касается Honda, то япнские мотористы вначале склонялись к решению большинства, затем пытались копировать решение Mercedes (которое, к слову, до сих пор так и остается наиболее удачным), но потерпев в прошлом году сокрушительное фиаско (вал турбины на высоких оборотах подвергался столь сокрушительным вибрациям, что неминумо начиналось структурное разрушение как самой турбины и теплового генератора, так и других модулей, включая даже электронику. Это приводило к тому, что инженеры были вынуждены ограничивать максимальные обороты коленвала и MGU-H,, дабы не раскручивать этот самый вал слишком сильно. Естественно, следствием стала просто чудовищная потеря мощности), решили остановиться на некоем гибридном промежуточном варианте, который, впрочем, так же оказался на редкость ненадежным.

К следующему году, по слухам, японские мотористы готовят совершенно новое решение по этому вопросу, поэтому - как знать, может быть им все-таки удастся добиться успехов и даже начать вплотную конкурировать с остальными производителями.

 

 

Варианты расположения MGU-H 

 

 

Находясь на одном валу с турбиной, вал генератора системы MGU-H может раскручиваться до разрешенных 125.000 об/мин, при этом, количество запасаемой им энергии не регламентировано и некоторые устройства успешно вырабатывают свыше 90 kBt.

Помимо вышеперечисленных функций, применение MGU-H может распространяться для питания энергоемких систем двигателя, таких как маслонасос, бензонасос, помпа охлаждения двигателя итд. Команды по своему усмотрению, могут использовать данную возможность, заменив узлы на электрические и запитав их с помощью MGU-H, можно высвободить несколько дополнительных лошадей с ДВС.

 

Как уже говорилось, в отличие от MGU-K, величина потоков энергии (выработка в качестве генератора и работа как электромотора) правилами не ограничена. Это даёт инженерам мощный рычаг для управления балансом энергии в машине. Если учесть работу ДВС и мотор-генераторов, в сумме энергия в болиде может перекачиваться по семи направлениям.

 

 

При торможении блок MGU-K перекачивает энергию от колёс в аккумуляторную батарею. Кстати, вес её лимитирован снизу и сверху (от 20 до 25 кг). Тут батарея отдаёт энергию блоку MGU-H, который быстро выводит турбокомпрессор на предельные обороты (свыше 100 тысяч об/мин). Далее — ситуация обгона. Здесь и батарея, и MGU-H поставляют ток для MGU-K, который развивает пиковую мощность, ускоряя болид. Наконец, при обычном ускорении запас в батарее не меняется, но происходит передача энергии от MGU-H к MGU-K.

 

Часть 2: Управление СУ

Ну а теперь переходим к тому, как же, собственно, можно управлять всей этой силовой установкой. Для этого предусмотрено 4 регулятора:

MGU-K Energy: Количество генерируемой энергии MGU-K. Изменяется в процентах. 10-ти значная шкала от 0% до 100%. 100% — наиболее агрессивная настройка, которая позволяет накапливать наибольшее количество энергии. В итоге, мы можем повлиять на мощность и управляемость:

• Более высокий процент регенерации энергии с помощью MGU-K означает, что при сбросе газа задняя ось будет замедляться значительно быстрее. Это может приводить к нестабильности задней оси, избыточной поворачиваемости - «эффекту ручника» и нарушения тормозного баланса,чт ов свою очередь, повлечет увеличению зоны торможения.

• Меньший процент регенерации будет давать меньше энергии на электродвигатель, но позволит тормозить значительно стабильнее, избавит от проблем с балансом тормозов.

 

 

MGU-K Mode: Переключает настройки использования энергии, накапливаемой MGU-K. Например, в Ferrari используют 6 профилей работы электромотора, которые помогут достичь оптимальной мощности на нужных передачах в нужный момент:

Charging: режим накопления заряда батарей. Он позволяет наиболее быстро зарядить батареи, при этом электромотор не дает мощность на задние колеса. В этом режиме работает только двигатель внутреннего сгорания. Режим будет очень полезен на прогревочном круге перед стартом или быстрым кругом в квалификации.

Balanced Low: этот профиль высвобождает 10% энергии MGU-K на скорости 120 км/ч и повышает отдачу энергии по мере повышения скорости машины. Максимум мощности в 80% рекуператор выдает на скорости 170-250 км/ч. На скорости 250-300 км/ч мощность MGU-K снижается до 40%, ну а после 300 электромотор вообще отключается. Кроме этого, кинетический рекуператор срабатывает только, если педаль нажата более, чем на 50%. Но это еще не все: свои коррективы вносит работа электронного блока управления коробки передач, который ограничивает мощность силовой установки по следующей схеме:

1я: 0%
2я: 0%
3я: 20%
4я: 50%
5я: 100%
6я: 100%
7я: 100%
8я: 0%

Таким образом, чтобы получить моментальную мощность MGU-K, нужно умножить все эти значения, включая и процент открытия дроссельной заслонки. Например, мы едем 230 км/ч на 4 передаче с открытым дросселем. Таким образом, 0.8 х 0.5 х 1.0 = 0.4 (40%) от всей мощности MGU-K.

Balanced High: это более агрессивный режим работы MGU-K. На скорости 120 км/ч мотор выдает 70% мощности. Пиковую мощность в 100% он достигает на скорости 160-260 км/ч, после чего идет спад. На 280 км/ч уже  лишь 40% мощности, а после 300 км/ч электромотор выключается. Так же, как и в прошлом профиле, при нажатии акселератора менее, чем на 50%, MGU-K не будет выделять энергию. Карта коробки передач выглядит таким образом:

1я: 0%
2я: 50%
3я: 70%
4я: 100%
5я: 100%
6я: 100%
7я: 70%
8я: 0%

Поэтому на скорости 250 км/ч на 4й передаче MGU-K будет выдавать максимум накопленной энергии.

Overtake: пожалуй, это самый эффективный режим работы MGU-K, который используется в гонке. Это так называемый «обгонный» режим. Он позволяет получить прибавку в мощности для попытки обгона соперника. Мощность электродвигателя на 160 км/ч составляет 50%, затем она стремительно увеличивается до 100% до скорости 260 км/ч. После этого падает до 70%, но в отличии от предыдущих режимов, электромотор не отключается и работает до самой максимальной скорости. При этом энергия будет высвобождаться только при нажатии педали газа на 80%. При этом, на 80% открытия дросселя, высвобождается 40% энергии, на 90% — 80% и на 100% полная мощность электродвигателя. Все это опять же умножается на карту коробки передач.

1я: 0%
2я: 0%
3я: 50%
4я: 100%
5я: 100%
6я: 100%
7я: 100%
8я: 100%

На скорости 220 км/ч (0.825) на полном газу (1.0) на третьей передаче (0.5), MGU-K выдает 0.825 х 1.0 х 0.5=0.4125 (41.25%) своей мощности.

Top Speed: режим, позволяющий достичь максимальной скорости на прямых. Режим подходит для скоростных трасс вроде Монцы или мексиканской трассы имени братьев Родригес. Режим позволяет минимально использовать ERS на маленьких скоростях и включается на более высоких скоростях. Начиная со 120 км/ч мощность MGU-K увеличивается до 60% на скорости 200 км/ч. На скорости 200-250 км/ч мощность составит 60%, которая падает до 50% на скорости 250-330 км/ч и остается на этому уровне до максимальной скорости. Как и в прошлом режиме, MGU-K начинает работать только при нажатии акселератора на 80%. При 80% нажатия на газ, пилот получит 40% мощности, при 90% — 80%, при полном нажатии на газ — все 100% мощности мотор-генератора.

По традиции, все это умножается на ограничения коробки передач:

1я: 0%
2я: 0%
3я: 0%
4я: 100%
5я: 100%
6я: 100%
7я: 100%
8я: 100%

В случае использования этого режима, на скорости 220 км/ч (60%) на полном газу (100%) на третьей передаче (0%), MGU-K не будет выдавать энергии (0.6 х 1.0 х 0=0).

Hotlap: как легко понять из названия, этот режим позволит преодолеть круг с максимально возможной эффективностью силовой установки и используется в квалификации (не путать с квалификационными режимами двигателей - речь идет только о режимах ERS).

Электромотор включается на скорости выше 100 км/ч и растет с 0 до 20% на скорости 120 км/ч. На скорости 160 км/ч выдаваемая мощность достигает 100%. И так до максимальной скорости. Система работает при нажатии на газ более, чем на 10% и линейно увеличивается при большем нажатии. И опять все это умножается на ограничения коробки передач:

1я: 20%
2я: 70%
3я: 70%
4я: 70%
5я: 70%
6я: 70%
7я: 70%
8я: 70%

Таким образом, на 220 км/ч (100% или 1.0) на полном газу (1.0) и на третьей передаче (70% или 0.7), мы получим 1.0 х 1.0 х 0.7 = 0.7 (70%) мощности MGU-K.

У многих может возникнуть резонный вопрос: «почему коробка передач ограничивает MGU-K на 70%?». Ответ прост: это просто позволит вам более эффективно расходовать запасенную энерги и даст доехать до конца круга, не израсходовав всю энергию раньше времени.

 

 

MGU-H Mode: режимы MGU-H. Эти настройки дают выбор режима MGU-H:

• Накапливать энергию, накопленную при помощи MGU-H в батарею

• Высвобождать ее сразу напрямую на электромотор.

MGU-H Save: режимы торможения двигателем (градация от 1 до 13). Этот параметр позволяет сохранить небольшое количество топлива на торможениях, при снятия ноги с педали газа, путем уменьшения загрузки мотор-генератора. Так же эта настройка может помочь компенсировать настройки забора энергии MGU-K. Есть два сценария использования этой настройки:

• Снижение значения снижает уровень торможения двигателем и уменьшает задержку трансмиссии на заднюю ось. Это значительно упрощает работу на торможении. Это также поможет обеспечить лучшую прижимную силу и стабильность. Но при этом, при торможении двигатель будет потреблять больше топлива - этот режим напрямую влияет на мгновенный расход топлива.

• Повышение значения помогает уравновесить значение регенерации MGU-K для лучшего баланса на торможении. Это уменьшит потребление топлива на торможении, но также ухудшит и стабильность машины на торможении.

 

Конечно, кроме вышеперечисленных настроек в прямом доступе пилота есть и множество других, но они относятся уже к другим элементам и системам болида.