Przegląd rozwiązań technicznych w obszarze wydechu (cz.1)

Czym są spaliny? Dla chemików to gazowy produkt procesu spalania, dla ekologów natomiast zło toczące ten świat, ale aerodynamicy F1 nie podzielają tej awersji.

Stare sztuczki

Idea wykorzystania gazów spalinowych do wspomagania platformy aerodynamicznej samochodu F1 nie jest nowa. Do jej narodzin przyczyniło się połączenie dwóch korzystnie współistniejących zjawisk w latach '80 ubiegłego stulecia. Pierwszym z nich był dynamiczny rozwój nauki i poziomu badań nad dynamiką płynów w sporcie motorowym, drugim zaś triumfalny pochód turbodoładowania wpływającego wprost na ilość gazów spalinowych, które aż prosiły się o wykorzystanie. Na dodatek wszystko podsycała chęć odzyskania choć ułamka docisku generowanego przez obszar podłogi po zakazaniu rozwiązań wywołujących zjawisko znane jako efekt przyziemny. Dlaczego więc ubiegłoroczny wydech wyrzucający spaliny w dyfuzor (ang. Exhaust Blown Diffuser - EBD w Polsce przez trudności w bezpośrednim tłumaczeniu nazwany w dużym uproszczeniu dmuchanym dyfuzorem) znany z grubsza od ćwierć wieku, został okrzyknięty w ubiegłym sezonie wielką innowacją?

W 1999 roku, gdy po niezwykle owocnych latach '90 Adrian Newey wkraczał w długi okres kręcenia się w kółko, swoją dekadę zaczynał inny geniusz aerodynamiki - Rory Byrne. Utalentowany projektant znalazł rozwiązanie kilku problemów związanych z niskim umieszczeniem wylotu spalin, który towarzyszył F1 nieprzerwanie od lat ery turbo.

Wraz ze stopniowym skracaniem układów wydechowych, ich ujście pod koniec lat '90 przesunięto w okolice mocowania dolnych wahaczy poprzecznych tylnych kół. W takim układzie bardzo gorące gazy spalinowe powodowały przegrzewanie się elementów zawieszenia, podłogi i mocowań tylnego skrzydła, powodując ich deformacje. W sytuacji, gdy niski wydech generował więcej strat niż korzyści, został przemieszczony z podłogi na osłony chłodnic, pozostając tam na kolejne 11 lat. Jako że dekada to w F1 długi okres, wydech umieszczony na górze stał się czymś absolutnie naturalnym i oczywistym. Tak oczywistym, że ktoś w końcu musiał to zmienić, a historia z gracją zatoczyła koło.

Co prawda obecne silniki pozbawione są doładowania, ale wielki krok w rozwoju oprogramowania i sprzętu do badań obliczeniowej dynamiki płynów (ang. Computational Fluid Dynamics - CFD) oraz sięgnięcie po zaawansowane lekkie materiały żaroodporne i termoizolacyjne pozwoliły dużo lepiej zrozumieć wpływ spalin na aerodynamikę oraz połączyć wszystkie zalety niskiego wydechu z kontrolą temperatur. Postęp tak jak 25 lat wcześniej wspomagany było pragnieniem odzyskania docisku utraconego w skutek obostrzeń aerodynamicznych.

O co w tym chodzi?

Z konstrukcyjnego punktu widzenia ubiegłoroczne rozwiązania EBD były do siebie podobne - układ wydechowy prowadzony był wzdłuż skrzyni biegów na poziomie podłogi. Same spaliny wykorzystywano natomiast na dwa podstawowe sposoby w zależności od obranej wcześniej konstrukcji podwójnego dyfuzora, który w stawce przybierał różne formy (tylko Red Bull konstruował dyfuzor z myślą o EBD). Pierwszy ze sposobów zakładał przyśpieszenie strugą spalin przepływu powietrza po zakrzywionej powierzchni podłogi, co przyczyniało się do zwiększenia docisku samo w sobie oraz do wygenerowania większego podciśnienia w dyfuzorze dzięki wysysaniu zeń powietrza na jego wylocie „od tyłu”, czyli zwiększanie przyssania bolidu do toru. Drugi sposób zakładał wykorzystanie otworów i szczelin w podłodze poprzez wpuszczenie przez nie spalin wprost w dyfuzor, przyśpieszając tym samym przepływ powietrza w kanałach dyfuzora i zwiększając podciśnienie pod samochodem. Drugi ze sposobów był skuteczniejszy, jednakże doprecyzowanie przepisów w strefie dyfuzora, a zwłaszcza zakaz istnienia otworów i szczelin w kluczowej przestrzeni podłogi zablokował możliwość stosowania tego rozwiązania. Fakt ten zmusił zespoły do wzmożonego wysiłku intelektualnego, a ich efektem jest szeroki wachlarz rozwiązań wydechowych, jaki mamy niewątpliwą przyjemność podziwiać w tegorocznej stawce maszyn.

Coś prostego w tyle stawki - zabrakło środków lub kreatywności

Pierwszy z rodzajów patentów wydechowych, który warto wyróżnić łudząco przypomina konstrukcje ubiegłoroczne według opisanego wyżej modelu numer 1, tj. przyśpieszenie przepływu na zakrzywionej powierzchni podłogi z dodatkiem przeciskania spalin przez jedyną dozwoloną regulaminowo szczelinę w podłodze - otwór na rozrusznik.


Prosty wydech Williama z wylotem spalin na górną płaszczyznę podłogi i otwór rozrusznika

System taki działa lepiej z dyfuzorem płaskim, niż z dowolną konfiguracją podwójną, choć należy domyślać się, że dla mniejszych ekip - bo takie głównie poszły w tym kierunku - największą z jego zalet jest to, że w ogóle 'działa', co zostało potwierdzone przez duże zespoły w 2010 roku. Przedstawicielami nurtu klasycznego są Williams, Force India, Sauber, Toro Rosso (w zmodyfikowanej formie szczelinowego wylotu), Lotus, Virgin i HRT. Już pierwszy rzut oka wskazuje, iż mamy do czynienia z zespołami od 6 do 12 pozycji klasyfikacji konstruktorów 2010. Pewnym usprawiedliwieniem największego w tym gronie Williamsa, jest skupienie się na innowacyjnej bardzo małej skrzyni biegów i własnym bateryjnym KERS. Reszta natomiast stanowi grupę zespołów o zdecydowanie ograniczonych zasobach, dla których w większości ten rok przyniesie pierwsze doświadczenia z EBD.

Dość nieoczekiwaną, zaletą takiego wydechu jest to, że od niego do skuteczniejszego rozwiązania Red Bulla (problem ten zostanie rozwinięty w dalszej części tekstu) prowadzi całkiem krótka i niezbyt wyboista ścieżka rozwoju.

[color=#339966]Plusy:[/color]
[color=#339966]+[/color] Projekt niskiego ryzyka - niepodważalne zwiększenie skuteczności aerodynamicznej podłogi
[color=#339966]+[/color] Niewygórowana cena i akceptowalna dla małych ekip zasobożerność projektu
[color=#339966]+[/color] Umiarkowany spadek mocy silnika przy najwyższych obrotach
[color=#339966]+[/color] Duży margines rozwojowy

[color=red]Minusy:[/color]
[color=red]-[/color] Tak jak we wszystkich tego typu projektach duże uzależnienie balansu przyczepności od obrotów silnika
[color=red]-[/color] Niski poziom eksploracji potencjału spalin
[color=red]-[/color] Zwiększenie objętości tyłu przez lokalizacje układu wydechowego przy skrzyni biegów

(nie należy ważyć jakości koncepcji jedynie ilością oraz stosunkiem plusów do minusów - czasami jeden duży plus przewyższa tuzin minusów i odwrotnie!)

Mercedes GP: Mamy inną koncepcję niż wszystkie dotychczasowe, choć nie najbardziej radykalną

Wielu zastanawiało się, co Ross Brawn miał na myśli wypowiadając te słowa, lecz nie zgadł nikt. Pomysł Mercedesa debiutujący podczas ostatniej sesji testowej w Barcelonie okazał się zaskakujący.


Wydech Mercedesa z wylotem spalin zbliżonym do środka samochodu

Wylot spalin w modelu W02 został wyraźnie przesunięty w kierunku przodu pojazdu, do wysokości samego kolektora i silnika. Bez wątpienia Ross Brawn nie kłamał - to swoiste zaprzeczenie idei lansowanej przez Red Bulla oraz pod żadnym pozorem nie przedni wydech w ścisłym ujęciu Renault. Umieszczenie wydechu w tym miejscu znacznie obniża energię spalin w kluczowych dla konkurencji miejscach, czyli w otworze rozrusznika i krawędzi podłogi przy kołach. Pozornie daremne działanie ma jednak sens.

Zalety

Tworzenie systemów z gatunku EBD jest kompromisem między maksymalizowaniem własności aerodynamicznych a pracą silnika z przesunięciem języczka u wagi ku aerodynamice. Mercedes poszedł w przeciwnym kierunku i poświęcając część potencjału energii spalin, dał odetchnąć pełną piersią silnikowi. Mówiąc kolokwialnie, silnikowi z tak krótkim kolektorem pracuje się lżej na najwyższych obrotach. Przyjęcie takiej filozofii może oznaczać, że Mercedes stawia na prędkość - Srebrne Strzały mogą w tym sezonie brylować na punktach pomiaru prędkości, nawet jeśli konkurencja dogoniła niemieckie silniki rodem z Northamptonshire pod względem mocy maksymalnej.

Inną zaletą takiego wydechu jest mniejsze niż w innych systemach EBD uzależnienie aerodynamicznego balansu przyczepności od stopnia otwarcia przepustnicy, a co za tym idzie większa przewidywalność i stabilność maszyny z punktu widzenia zawodnika podczas jazdy i dla inżynierów przy szukaniu optymalnych ustawień. To oczywiście teoria. Praktyka wskazuje, że okno optymalnych ustawień MGP W02 jest wąskie jak ucho igielne.

Krótki wydech to też możliwość odchudzenia tyłu samochodu, ograniczając szerokość zwężenia kształtu butelki Coca-Coli, jedynie do szerokości skrzyni biegów i układu amortyzatorów (np. systemu ze sztywnym cięgnem - pull rod) bez konieczności uwzględniania gabarytów rury wydechowej wraz z izolacją termiczną.

Mercedes dysponuje również możliwością podgrzewania tylnych opon przez spaliny, co może okazać się dużą zaletą przy delikatności produktów Pirelli. Wiąże się to z możliwością łagodniejszego rozgrzewania tylnych opony przed startem, zachowując cenne gramy gumy. Jest to jedyny wspólny mianownik z modelem wydechu stosowanym w Renault i może pomagać konstrukcji, która pałaszuje opony w zastraszającym tempie.

Wady

Samo działanie wydechu z Brackley wydaje opierać się na tłoczeniu powietrza na zakrzywioną powierzchnię podłogi, a główna wada - o której już wspomniałem - to utrata wysokiej energii spalin na przestrzeni dzielącej wydech od obszaru dyfuzora. Trudno powiedzieć, jaka przyszłość czeka tę filozofię, choć pewną wskazówką jest to, że aktualnie nie podbija ona serc dyrektorów technicznych konkurencyjnych stajni. Wydaje się, że konstrukcja ta dobrze współgrałaby z ekstremalnie podciętymi sekcjami bocznymi (tzw. podwójna podłoga) Toro Rosso, lecz z tak krótkim rozstawem osi oraz architekturą wewnętrzną sekcji bocznych (http://img189.imageshack.us/img189/5628/img1378rp.jpg), osiągnięcie radykalnego stopnia podcięcia jest dla Mercedesa praktycznie nieosiągalne.

[color=#339966]Plusy:[/color]
[color=#339966]+[/color] Brak spadku mocy silnika przy maksymalnych obrotach i wysokie prędkości na prostych
[color=#339966]+[/color] Ułatwiona kontrola temperatur wewnątrz sekcji bocznych
[color=#339966]+[/color] Niska zależność balansu przyczepności od obrotów silnika
[color=#339966]+[/color] Możliwości znacznego wyszczuplenia tyłu bolidu

[color=red]Minusy:[/color]
[color=red]-[/color] Niewykorzystanie pełni potencjału energii spalin
[color=red]-[/color] Umiarkowany potencjał rozwojowy

Red Bull ponownie wdzięczny do kopiowania

Adrian Newey nie zawiódł swoich fanów. Mimo, iż wydech pokazany na prezentacji modelu RB7 przypominał to, czym dysponował Sauber, Williams i spółka, już następnego dnia mistrzowie świata przypomnieli o swojej kreatywności.


Wydech Red Bulla z wylotem spalin w obszar między kołem a dyfuzorem

Ponieważ aerodynamików w Milton Keynes nie satysfakcjonował zwykły system EBD skierowany na zakrzywioną podłogę i otwór rozrusznika, zdecydowano się eksploatować potencjał innego obszaru. Spaliny wykorzystano w pięciocentymetrowym pustym obszarze między dyfuzorem i podłogą, a tylnym kołem. Przerwa ta nie jest dziełem przypadku - jest ograniczeniem regulaminowym. Swoją genezę znajduje w 2005 roku, jako jeden z kluczowych elementów ograniczania skuteczności aerodynamicznej podłogi. Określona Regulaminem Technicznym pusta przestrzeń odpowiedzialna jest za zasysanie do dyfuzora powietrza z górnej płaszczyzny podłogi, co bezpośrednio przyczynia się do zmniejszenia podciśnienia w dyfuzorze, a więc poważnej redukcji docisku.

W Red Bullu założono, że struga spalin o bardzo dużej energii i skupionym przepływie tuż za wylotem układu wydechowego uszczelni obszar między dyfuzorem a kołem, tworząc rodzaj poziomego płaszcza, ograniczającego zasysanie powietrza z góry podłogi do dyfuzora, zachowując tym samym wyższe podciśnienie pod samochodem.

Pomysł ten jest bardzo dalekim krewnym nadmuchu ciepłego powietrza stosowanego zimą przy wejściach do np. supermarketów - gdzie automatyczne drzwi praktycznie nigdy się nie zamykają. Gazy nie są oczywiście w stanie zastąpić ciała stałego, którym kiedyś było włókno węglowe niemal dotykające bocznych ścianek opon, ale choćby połowiczna rekompensata w tym obszarze niesie za sobą potężne korzyści. Dodatkowo spaliny mieszając się z powietrzem pod bolidem i przyśpieszając jego przepływ, dają efekt podobny do klasycznego EBD. Korzyści płynące z tego rozwiązania pozwalają również na podniesienie tyłu samochodu i zbliżenie przedniego skrzydła do ziemi, co znacząco zwiększa skuteczności całej platformy aerodynamicznej.

Słuszność idei potwierdza impet, z jakim konkurencja przystąpiła do jej powielania - Ferrari wyrobiło się na testy, McLaren na weekend w Australii a Williams i Sauber już wkrótce staną się dumnymi posiadaczami. Zaletą dla konkurencji a wadą dla Red Bulla jest to, że gdy posiada się już klasyczny niski wydech, dość łatwo jest osiągnąć omawiany boczny wydech. Wystarczy utworzyć w podłodze zamknięty profil, który doprowadzi spaliny na wysokość tylnego koła i dopracować mapowanie silnika.

Zalety generalnie opisane zostały wyżej, wady natomiast to przede wszystkim bardzo duża zależność balansu docisku aerodynamicznego od stopnia otwarcia przepustnicy, zwiększone skomplikowanie i zużycie drogiej podłogi oraz większe stłumienie silnika na najwyższych obrotach przez znaczną długość wydechu. Za swoistą wadę można uznać również niski potencjał rozwojowy, ponieważ jest to krańcowe rozwiązania w tym obszarze.

[color=#339966]Plusy:[/color]
[color=#339966]+[/color] Poprawa trakcji (przyczepności podczas przyspieszania)
[color=#339966]+[/color] Znacznie zwiększony docisk tylnej osi zwłaszcza w szybkich zakrętach
[color=#339966]+[/color] Możliwości podniesienia tylu bolidu i zbliżenia przedniego skrzydła do ziemi
[color=#339966]+[/color] Długi wydech poprawia pracę silnika na niskich obrotach

[color=red]Minusy:[/color]
[color=red]-[/color] Bardzo duże uzależnienie balansu przyczepności od obrotów silnika
[color=red]-[/color] Stłumienie silnika na najwyższych obrotach
[color=red]-[/color] Większe skomplikowanie konstrukcji drogiej podłogi
[color=red]-[/color] Rozwiązanie trudne w wymyśleniu a łatwe do skopiowania przez konkurencję


Zobacz także:

• Przegląd rozwiązań technicznych w obszarze wydechu 2011 (część 2)