فناوری هیبریدی و توربوشارژر در فرمول یک؛ انقلاب مهندسی موتورهای مسابقه‌ای

فناوری هیبریدی و توربوشارژر در فرمول یک

مسابقات فرمول یک (Formula 1) همیشه یکی از مهم‌ترین میدان‌های توسعه فناوری در صنعت خودروسازی بوده است. بسیاری از نوآوری‌هایی که امروز در خودروهای تولید انبوه دیده می‌شوند، ابتدا در شرایط سخت مسابقات اتومبیلرانی آزمایش شده‌اند. از ساختارهای سبک فیبرکربنی گرفته تا سیستم‌های بازیابی انرژی و پیشرانه‌های پیشرفته، فرمول یک نقش مهمی در شکل‌گیری فناوری‌های مدرن خودرو داشته است.

یکی از بزرگ‌ترین تحولات فنی تاریخ این مسابقات در فصل ۲۰۱۴ رقم خورد؛ زمانی که قوانین جدید، تیم‌ها را به استفاده از موتورهای کوچک‌تر توربوشارژ و سیستم‌های پیشرفته هیبریدی ملزم کرد. این تغییر تنها به کاهش حجم موتور محدود نبود، بلکه شیوه تولید، ذخیره و استفاده از انرژی در خودروهای مسابقه‌ای را به شکل اساسی تغییر داد.

در این نسل از خودروهای فرمول یک، موتورهای ۲.۴ لیتری V8 تنفس طبیعی جای خود را به پیشرانه‌های ۱.۶ لیتری V6 توربوشارژ دادند. اگرچه توان موتور احتراق داخلی کاهش پیدا کرد، اما استفاده از دو سامانه بازیابی انرژی جنبشی و حرارتی باعث شد قدرت قابل توجهی دوباره به مجموعه قوای محرکه بازگردد.

در ادامه، فناوری هیبریدی فرمول یک، نحوه عملکرد سیستم ERS، نقش توربوشارژر و تاثیر این تغییرات بر استراتژی تیم‌های مسابقه‌ای را بررسی می‌کنیم.

تحول موتورهای فرمول یک در سال ۲۰۱۴؛ خداحافظی با V8 و ورود V6 توربوشارژ

تا پایان فصل ۲۰۱۳، خودروهای فرمول یک از موتورهای ۲.۴ لیتری هشت سیلندر V8 تنفس طبیعی استفاده می‌کردند. این پیشرانه‌ها توان تقریبی ۷۵۰ اسب بخار تولید می‌کردند و بخش عمده نیروی مورد نیاز خودرو از طریق احتراق سوخت تامین می‌شد.

اما از فصل ۲۰۱۴، قوانین فنی جدید FIA ساختار پیشرانه‌ها را تغییر داد. موتورهای جدید باید از نوع ۱.۶ لیتری V6 با زاویه ۹۰ درجه، تزریق مستقیم سوخت و توربوشارژر استفاده می‌کردند. حداکثر دور موتور نیز به ۱۵ هزار دور در دقیقه محدود شد.

توان موتور احتراق داخلی در ابتدای این دوره حدود ۶۰۰ اسب بخار بود؛ رقمی که نسبت به نسل قبلی کاهش محسوسی داشت. با این حال، این کاهش قدرت به معنای افت مشابه عملکرد خودرو نبود. سیستم بازیابی انرژی ERS می‌توانست در کنار موتور بنزینی، قدرت الکتریکی قابل توجهی در اختیار خودرو قرار دهد.

در واقع، فلسفه اصلی این تغییر، حرکت از موتورهای پرحجم و پرمصرف به سمت مجموعه‌های محرکه کوچک‌تر، پربازده‌تر و پیچیده‌تر بود؛ مجموعه‌ای که در آن مدیریت انرژی به اندازه تولید قدرت اهمیت داشت.

سیستم ERS در فرمول یک چیست و چگونه کار می‌کند؟

سیستم ERS یا Energy Recovery System به مجموعه فناوری‌هایی گفته می‌شود که انرژی تلف‌شده در بخش‌های مختلف خودرو را بازیابی کرده و پس از تبدیل و ذخیره‌سازی، دوباره در اختیار سیستم محرکه قرار می‌دهند.

این فناوری در واقع نسل پیشرفته‌تری از سیستم KERS است که پیش از آن در فرمول یک مورد استفاده قرار می‌گرفت. سیستم KERS عمدتا انرژی جنبشی حاصل از ترمزگیری را بازیابی می‌کرد، اما ERS علاوه بر این قابلیت، انرژی حرارتی گازهای خروجی اگزوز را نیز به چرخه تولید و مصرف انرژی وارد کرد.

سیستم ERS در نسل ۲۰۱۴ از دو بخش اصلی تشکیل می‌شد:

• MGU-K: واحد بازیابی انرژی جنبشی که انرژی حاصل از کاهش سرعت خودرو را بازیابی می‌کند.
• MGU-H: واحد بازیابی انرژی حرارتی که با توربوشارژر ارتباط مستقیم دارد و از انرژی گازهای خروجی اگزوز استفاده می‌کند.

این دو بخش در کنار باتری یا واحد ذخیره انرژی (ES) و تجهیزات الکترونیکی کنترل، یک سامانه یکپارچه را تشکیل می‌دادند که می‌توانست در شرایط مختلف مسابقه، انرژی را بازیابی، ذخیره یا آزاد کند.

MGU-K؛ بازیابی انرژی ترمزگیری و افزایش قدرت خودرو

یکی از مهم‌ترین اجزای سیستم هیبریدی فرمول یک، واحد MGU-K یا Motor Generator Unit-Kinetic است. این قطعه به مجموعه انتقال قدرت و میل‌لنگ موتور احتراق داخلی متصل می‌شود و می‌تواند هم در نقش ژنراتور و هم در نقش موتور الکتریکی فعالیت کند.

زمانی که راننده در انتهای یک مسیر مستقیم به ترمزگیری نزدیک می‌شود، MGU-K وارد حالت ژنراتور می‌شود. در این شرایط، بخشی از انرژی جنبشی خودرو که در حالت عادی هنگام ترمزگیری به گرما تبدیل و تلف می‌شد، به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

این انرژی در واحد ذخیره انرژی خودرو نگهداری می‌شود تا در زمان مناسب دوباره مورد استفاده قرار بگیرد.

هنگامی که راننده به شتاب‌گیری نیاز دارد، MGU-K عملکرد خود را تغییر می‌دهد و مانند یک موتور الکتریکی، نیروی اضافی در اختیار مجموعه محرکه قرار می‌دهد. این توان می‌تواند شتاب خودرو را افزایش دهد یا به تیم اجازه دهد با مدیریت بهتر انرژی، مصرف سوخت را کاهش دهد.

در سیستم سال ۲۰۱۴، حداکثر توان MGU-K به ۱۲۰ کیلووات، معادل حدود ۱۶۰ اسب بخار، می‌رسید. همچنین در هر دور مسابقه، حداکثر ۲ مگاژول انرژی از طریق این واحد قابل بازیابی بود و حداکثر ۴ مگاژول انرژی ذخیره‌شده می‌توانست از واحد ذخیره انرژی به MGU-K منتقل شود.

با در نظر گرفتن این محدودیت‌ها، راننده می‌توانست در مجموع حدود ۳۳ ثانیه در هر دور از حداکثر توان الکتریکی این سیستم استفاده کند.

بنابراین، MGU-K فقط یک سیستم کمکی برای افزایش قدرت نبود؛ بلکه یکی از ابزارهای اصلی مدیریت انرژی در طول مسابقه به شمار می‌رفت.

MGU-H؛ بازیابی انرژی حرارتی توربوشارژر

دومین بخش مهم سیستم ERS، واحد MGU-H یا Motor Generator Unit-Heat است. این فناوری در مقایسه با سیستم KERS قدیمی، یک پیشرفت اساسی محسوب می‌شد؛ زیرا امکان استفاده از انرژی حرارتی گازهای خروجی موتور را فراهم می‌کرد.

MGU-H مستقیما به محور مشترک توربین و کمپرسور توربوشارژر متصل است. هنگامی که گازهای داغ خروجی موتور از توربین عبور می‌کنند، انرژی زیادی در اختیار این مجموعه قرار می‌گیرد. MGU-H می‌تواند بخشی از این انرژی را دریافت کرده و آن را به برق تبدیل کند.

انرژی تولیدشده از این طریق دو کاربرد اصلی دارد:

1. انتقال به باتری یا واحد ذخیره انرژی برای استفاده در زمان مناسب.
2. ارسال مستقیم انرژی به MGU-K برای کمک به تامین قدرت الکتریکی خودرو.

یکی از ویژگی‌های مهم MGU-H این بود که محدودیت بازیابی و انتقال انرژی آن مانند MGU-K به سقف مشخص ۲ یا ۴ مگاژول در هر دور محدود نبود. همین ویژگی، نقش این واحد را در مدیریت انرژی خودرو بسیار مهم می‌کرد.

به بیان ساده، در حالی که MGU-K انرژی حاصل از کاهش سرعت خودرو را بازیابی می‌کرد، MGU-H از انرژی حرارتی تولیدشده در موتور استفاده می‌کرد؛ دو منبع متفاوت که در کنار یکدیگر بازده کلی مجموعه محرکه را افزایش می‌دادند.

ارتباط سیستم هیبریدی با توربوشارژر؛ راهکاری برای حذف تاخیر توربو

یکی از مشکلات شناخته‌شده موتورهای توربوشارژ، پدیده‌ای به نام Turbo Lag یا تاخیر توربو است. این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که راننده پدال گاز را فشار می‌دهد، اما توربوشارژر برای رسیدن به سرعت چرخش مورد نیاز به زمان احتیاج دارد. در نتیجه، افزایش فشار هوای ورودی و تولید قدرت با تاخیر همراه می‌شود.

در خودروهای معمولی، این تاخیر می‌تواند بر پاسخگویی موتور و تجربه رانندگی تاثیر بگذارد. در مسابقات فرمول یک که اختلاف زمانی بسیار کوچک نیز اهمیت دارد، چنین مشکلی می‌تواند تاثیر قابل توجهی بر عملکرد خودرو داشته باشد.

فناوری MGU-H برای مقابله با این مشکل نیز به کار گرفته شد.

در زمان کاهش فشار گازهای خروجی و افت سرعت توربین، MGU-H می‌تواند به جای فعالیت در حالت ژنراتور، مانند یک موتور الکتریکی عمل کند و توربوشارژر را به سرعت مورد نیاز برساند.

به این ترتیب، زمانی که راننده دوباره پدال گاز را فشار می‌دهد، توربوشارژر برای رسیدن به دور مناسب به زمان کمتری نیاز دارد و پاسخ موتور سریع‌تر خواهد بود.

این قابلیت علاوه بر بهبود شتاب‌گیری، به مهندسان اجازه می‌داد فشار بوست توربوشارژر را با دقت بیشتری کنترل کنند و از انرژی موجود در مجموعه محرکه استفاده بهینه‌تری داشته باشند.

کاهش مصرف سوخت؛ یکی از اهداف اصلی قوانین جدید فرمول یک

تغییرات فنی سال ۲۰۱۴ تنها با هدف افزایش پیچیدگی موتورهای مسابقه‌ای انجام نشد. کاهش مصرف سوخت و افزایش راندمان انرژی نیز از مهم‌ترین اهداف این مقررات بود.

در نسل قبلی، خودروهای فرمول یک در یک مسابقه معمولی به طور میانگین حدود ۱۶۰ کیلوگرم سوخت مصرف می‌کردند. اما قوانین جدید، حداکثر میزان سوخت قابل استفاده در هر مسابقه را به ۱۰۰ کیلوگرم محدود کرد.

همچنین حداکثر نرخ جریان سوخت به ۱۰۰ کیلوگرم در ساعت رسید. این محدودیت باعث شد تیم‌ها نتوانند صرفا با افزایش میزان تزریق سوخت، قدرت بیشتری تولید کنند و ناچار بودند بازده موتور و سیستم بازیابی انرژی را به شکل دقیق‌تری مدیریت کنند.

در چنین شرایطی، سیستم ERS نقش تعیین‌کننده‌ای در استراتژی مسابقه پیدا کرد. رانندگان و مهندسان باید تصمیم می‌گرفتند در کدام بخش‌های پیست انرژی ذخیره‌شده آزاد شود و در چه زمان‌هایی بازیابی انرژی اولویت داشته باشد.

برای مثال، استفاده از حداکثر توان الکتریکی در مسیرهای مستقیم می‌توانست به افزایش سرعت کمک کند؛ اما مدیریت نادرست انرژی ممکن بود باعث شود خودرو در بخش‌های حساس دیگر مسابقه با کمبود توان الکتریکی روبه‌رو شود.

در نتیجه، مسابقه دیگر فقط به مهارت راننده و توان موتور وابسته نبود و مدیریت هوشمند انرژی نیز به یکی از عوامل تعیین‌کننده موفقیت تیم‌ها تبدیل شد.

تاثیر فناوری هیبریدی بر وزن و طراحی خودروهای فرمول یک

اضافه شدن باتری، واحدهای ژنراتور، تجهیزات الکترونیکی و سیستم‌های خنک‌کننده مورد نیاز، چالش‌های جدیدی برای طراحان خودروهای فرمول یک ایجاد کرد.

این تجهیزات فضای بیشتری اشغال می‌کردند و وزن مجموعه محرکه را افزایش می‌دادند. از طرف دیگر، تیم‌ها باید اجزای جدید را در شاسی بسیار فشرده خودرو جای می‌دادند، بدون آنکه تعادل وزنی و عملکرد آیرودینامیکی خودرو به شکل نامطلوبی تحت تاثیر قرار بگیرد.

به همین دلیل، طراحی سیستم خنک‌کاری، محل قرارگیری باتری‌ها، مسیر عبور هوا و چیدمان اجزای فنی اهمیت بیشتری پیدا کرد.

در قوانین اولیه سال ۲۰۱۴، حداقل وزن خودرو با راننده ۶۹۱ کیلوگرم تعیین شده بود و این مقدار در ادامه فصل به ۶۹۲ کیلوگرم افزایش یافت. این موضوع نشان می‌داد که افزایش وزن ناشی از فناوری هیبریدی تا چه اندازه برای تیم‌ها به یک مسئله مهندسی مهم تبدیل شده است.

از سوی دیگر، خروجی اگزوز نیز تغییر کرد. در نسل جدید، استفاده از یک خروجی مرکزی اگزوز جایگزین آرایش قبلی شد. همچنین طراحی مسیر خروج گازها به شکلی انجام می‌شد که تیم‌ها نتوانند از جریان اگزوز برای ایجاد نیروی آیرودینامیکی غیرمجاز استفاده کنند.

این تغییرات نشان می‌داد که ورود فناوری هیبریدی تنها موتور خودرو را تحت تاثیر قرار نداده و طراحی کلی خودروهای فرمول یک را نیز دستخوش تحول کرده است.

خرابی سیستم ERS؛ چالشی جدی برای تیم‌های مسابقه‌ای

با افزایش وابستگی خودروهای فرمول یک به سیستم‌های الکتریکی و بازیابی انرژی، قابلیت اطمینان این تجهیزات به یکی از مهم‌ترین دغدغه‌های تیم‌ها تبدیل شد.

در موتورهای V8 قدیمی، بخش عمده قدرت از طریق موتور احتراق داخلی تولید می‌شد و خرابی سیستم KERS به معنای از دست رفتن تمام توان کمکی بود، نه قدرت اصلی موتور.

اما در نسل هیبریدی ۲۰۱۴، سهم سیستم‌های بازیابی انرژی در عملکرد خودرو بسیار بیشتر شد. در نتیجه، خرابی MGU-K، MGU-H یا واحد ذخیره انرژی می‌توانست افت قابل توجهی در عملکرد خودرو ایجاد کند.

برای مثال، از کار افتادن MGU-K به معنای از دست رفتن امکان استفاده از حدود ۱۶۰ اسب بخار توان الکتریکی این واحد بود. هرچند موتور احتراق داخلی همچنان می‌توانست خودرو را به حرکت درآورد، اما راننده در رقابت با خودروهای مجهز به سیستم سالم ERS با مشکل جدی مواجه می‌شد.

علاوه بر این، اختلال در MGU-H می‌توانست عملکرد توربوشارژر و بازیابی انرژی حرارتی را نیز تحت تاثیر قرار دهد. به همین دلیل، تیم‌ها مجبور بودند علاوه بر افزایش قدرت، زمان زیادی را صرف آزمایش دوام، خنک‌کاری و پایداری سیستم‌های هیبریدی کنند.

نقش فناوری هیبریدی فرمول یک در آینده صنعت خودروسازی

یکی از دلایل اصلی حرکت فرمول یک به سمت پیشرانه‌های هیبریدی، نزدیک‌تر کردن فناوری خودروهای مسابقه‌ای به نیازهای صنعت خودروسازی بود.

در دنیای خودروهای تولید انبوه، کاهش مصرف سوخت، کنترل آلایندگی و افزایش راندمان موتور به موضوعاتی اساسی تبدیل شده‌اند. فناوری‌هایی مانند بازیابی انرژی ترمز، موتورهای الکتریکی کمکی، مدیریت هوشمند انرژی و توربوشارژرهای پیشرفته نیز در همین مسیر توسعه پیدا کرده‌اند.

اگرچه سیستم‌های مورد استفاده در فرمول یک به دلیل شرایط مسابقه، هزینه ساخت و سطح عملکرد، مستقیما قابل استفاده در خودروهای عادی نیستند، اما اصول مهندسی به‌کاررفته در آنها می‌تواند به توسعه فناوری‌های جاده‌ای کمک کند.

برای نمونه، بازیابی انرژی هنگام ترمزگیری اکنون یکی از اجزای اصلی خودروهای هیبریدی و الکتریکی محسوب می‌شود. همچنین مدیریت الکترونیکی توربوشارژر و کنترل دقیق جریان انرژی، زمینه توسعه پیشرانه‌های پربازده‌تر را فراهم کرده است.

به همین دلیل، فرمول یک را می‌توان فراتر از یک رقابت سرعت دانست؛ این مسابقات بستری برای آزمایش فناوری‌هایی هستند که ممکن است در آینده به خودروهای مورد استفاده روزمره راه پیدا کنند.

جمع‌بندی؛ فرمول یک چگونه تعریف قدرت موتور را تغییر داد؟

ورود پیشرانه‌های ۱.۶ لیتری V6 توربوشارژ و سیستم بازیابی انرژی ERS در سال ۲۰۱۴، یکی از مهم‌ترین نقاط عطف تاریخ فنی فرمول یک بود. این تغییر نشان داد که برای تولید قدرت بیشتر، لزوما به موتورهای حجیم‌تر و مصرف سوخت بالاتر نیاز نیست.

ترکیب موتور احتراق داخلی با واحدهای MGU-K و MGU-H، امکان بازیابی انرژی جنبشی و حرارتی را فراهم کرد و مفهوم جدیدی از عملکرد و راندمان را در خودروهای مسابقه‌ای به وجود آورد.

از سوی دیگر، این فناوری‌ها ثابت کردند که مدیریت انرژی می‌تواند به اندازه قدرت خام موتور اهمیت داشته باشد. در این نسل از خودروها، موفقیت تنها به توانایی تولید قدرت وابسته نبود، بلکه نحوه ذخیره، توزیع و استفاده از انرژی نیز در نتیجه مسابقه نقش داشت.

اهمیت این تحول فقط به پیست مسابقه محدود نمی‌شود. بسیاری از اصول مهندسی به‌کاررفته در سیستم‌های هیبریدی فرمول یک، در توسعه خودروهای کم‌مصرف و پربازده امروزی نیز کاربرد دارند. به همین دلیل، فرمول یک همچنان یکی از مهم‌ترین آزمایشگاه‌های فناوری در صنعت خودروسازی جهان به شمار می‌رود.

سوالات درباره فناوری هیبریدی فرمول یک

ممکنه بپسندی

رانندگان فورمولا به چه موسیقی گوش می دهند؟

۱۳۹۵-۰۷-۱۹

راننده افسانه ای فرمولای فراری درگذشت

۱۳۹۵-۰۵-۱۶

رویاپردازی هولناک چری؛ ورود سازنده تیگو و فونیکس به دنیای ربات های انسان نما، تاکسی‌های پرنده و هوش مصنوعی!

۱۴۰۵-۰۷-۲۹

رونمایی تسلا رودستر 2026: خودرویی که پرواز کرد، پشتک زد و شتابش زیر یک ثانیه بود!

۱۴۰۵-۰۷-۲۴