Przegląd rozwiązań technicznych w obszarze wydechu (cz.2)

Inaczej niż Red Bull do sprawy podszedł McLaren, przynajmniej na początku...

MP4-26 był najbardziej tajemniczą konstrukcją w obszarze wydechu. Długo nie było wiadomo, co wymyślono w Woking i czym właściwie dysponują srebrne samochody. Mylne doniesienie niemieckiego magazynu Auto Motor und Sport, wymieszane z luźną interpretacją mrocznych słów Martina Whitmarsha, iż ich bolid wzbudzi wiele kontrowersji, skłaniały wielu do spekulacji nad super zaawansowanym przednim wydechem, bo przecież Renault nie mogłoby być lepsze od McLarena. Przez kilka dni wydechu dopatrywano się więc w tak brawurowych szczegółach, jak zaślepkach śrub, czujnikach, Rurkach Pitota i szczelinach montażowych rozdzielacza… W międzyczasie co rozsądniejsi zauważyli fragmenty rury wydechowej w okolicy tylnej struktury energochłonnej, zakrzywione w formie kolanek do środka.

Czas przyniósł nowe informacje. Pomysł McLaren nazwano octopus box - ośmiornicą. Według spekulacji jest to rodzaj puszki, niebędącej integralną częścią wydechu, do której ładowane są spaliny z obydwu układów wydechowych, następnie opuszczając ją przez kilka mniejszych wylotów. Jeśli sugerować się nazwą, wylotów tych miałoby być 8 lub 6, wliczając otwory na wprowadzenie wydechu. Tak jak oczywistą innowacyjność i kreatywność, trzeba również podkreślić uderzającą karkołomność przedsięwzięcia. Konstrukcyjnie wyzwanie nie jest szczególnie strome, ale odpowiednie sterowania gazami wewnątrz octopus box to już wyższy stopień wtajemniczenia. Nic dziwnego, że nawet zespół klasy McLarena pogubił się.

&,artykuly/wydech_octopus.jpg,,
Wizja ośmiornicy Craiga Scarboroughe'a (żródło: http://scarbsf1.wordpress.com/)

Potencjalną zaletą rozwiązania, a raczej szansą przy założeniu poprawnego działania jest maksymalne wykorzystanie otworu na rozrusznik oraz precyzyjny rozdział strug spalin w okolicy dyfuzora, co z pewnością wpływa korzystnie na jego efektywność. Oczywiście nie jestem w stanie powiedzieć precyzyjnie, w jaki sposób, gdyż to przywilej zarezerwowany dla ludzi, którzy mają przed oczyma wyniki symulacji CFD z wielkiego jak dom komputera w McLaren Technology Center.

Wad w tym przypadku niestety można uzbierać całą garść. Pierwszą z nich jest trudność zmuszenia systemu do pracy wraz z kontrolą temperatur, co nie jest tak oczywiste przy niedawnym ograniczeniu dla stosowania ceramiczno-węglowych kompozytów odpornych na wysokie temperatury. W ramach redukcji kosztów FOTA nie zezwoliła McLarenowi na zbudowanie układu wydechowego z materiału o nazwie PyroSic - opatentowanego i produkowanego jedynie przez francuską firmę Pyrometal System.

Elementem utrudniającym inżynierom życie jest też punkt 5.6 Regulaminu Technicznego ograniczający ilość wylotów spalin do dwóch w logicznym ciągu - dwa rzędy cylindrów w układzie V, dwa kolektory, dwa ujścia spalin. Można się gimnastykować, ale dwa to nie osiem i najprawdopodobniej to było przyczyną zainteresowania się przez FIA sympatyczną ośmiornicą.

Aktualnie przyszłość octopus box jest nieznana, ale idea została skutecznie wyrugowana z pokładu McLarena przez uproszczone rozwiązanie, które okazało się wydechem na modłę Red Bulla. Ponieważ zmiana jak za dotknięciem czarodziejskiej różdżki uzdrowiła MP4-26, można spodziewać się, że w tym roku nie zobaczymy już ośmiornicy.

[color=#339966]Plusy:[/color]
[color=#339966]+[/color] Ciekawa idea na przyszłość

[color=red]Minusy:[/color]
[color=red]-[/color] Drogie, skomplikowane i nie działa...

Przednia rewolucja Renault - odważni aż do granic

Przednia dwojako - zarówno w kategoriach jakości, jak i fizycznej obecności wydechu w samochodzie. Na deser pozostał nam FEE - Forward Exhaust Exit, określany również jako Exhaust Blown Floor - dmuchana podłoga, a na potrzeby opracowania po prostu przedni wydech.


Przedni wydech Renault wyrzucający spaliny pod podłogę samochodu

Gdy krótko po prezentacji nowej maszyny Renault, z padoku toru Ricardo Tormo napływały pierwsze doniesienia o daremnych próbach odnalezienia wydechu, który to rzekomo miał zasilać rodzaj przedniego dyfuzora, nawet przy dozie sceptycyzmu wielu facetów czuło się jak dzieci, tuż przed rozpakowaniem świątecznych prezentów. Domysły znalazły częściowe potwierdzenie następnego dnia.

Wśród ponad tysiąca samochodów używanych dotychczas w cyklu wyścigów Formuły 1, Renault R31 jest pierwszą konstrukcją z wylotem spalin poprowadzonym tak wyraźnie przed silnik względem osi podłużnej pojazdu. Dlaczego zdecydowano się na tak odważny krok? Tak jak Adriana Neweya, również Dyrektora Technicznego Lotus Renault GP i zarazem aerodynamika Jamesa Allisona nie satysfakcjonowało rozwiązanie wykorzystujące otwór rozrusznika. Ponieważ wyeliminowano otwory i szczeliny w podłodze wprowadzające cześć spalin w dyfuzor, zadano sobie pytanie: dlaczego by nie wprowadzić całości spalin pod samochód? Jedyną drogą ku temu, było wysunięcie wydechu przed przednią krawędź podłogi. Gdy zarząd zespołu dał zielone światło, było już tylko trudniej.

Skala przedsięwzięcia

Współczesny samochód F1 jest produktem niezwykłym - pojazdem lądowym bardziej przypominającym wytwory przemysłu aeronautycznego, niż jakiekolwiek samochody. Chęć maksymalizacji osiągów powiązana z agresywną miniaturyzacją sprawia, że wewnętrzna architektura urządzeń i systemów samochodu praktycznie nie dopuszcza możliwości pozostawienia pustych przestrzeni. Ciasno upakowane podzespoły tworzą pozorną jedność. Jeśli przyjrzeć się bocznym sekcjom samochodu F1, pod nachylonymi chłodnicami ujrzy się gros systemów, urządzeń elektronicznych i hydrauliki, tym bardziej przy obecności KERS. Z drugiej strony aerodynamicy bezwzględnie żądają jak największego stopnia podcięcia sekcji bocznych, dla zwiększenia efektywności aerodynamicznej podłogi. Jak pogodzić to z obecnością kilkucalowej rury wydechowej rozgrzanej do czerwoności w tym miejscu? Zaplecenie gorącego niczym dno piekła układu wydechowego między elektroniką wymagało przyjęcia pełnej integracji koncepcji przedniego wydechu z resztą samochodu od samego początku projektu i odpowiednio dużych zasobów.

Pierwsze zdjęcia z Australii pokazały, że wydech prowadzony jest przy samej podłodze, omijając zbiornik paliwa i KERS, kierując się następnie pod delikatnym kątem w kierunku osi podłużnej bolidu, by na końcu zakręcić pod kątem ok. 135 stopni na zewnątrz, tworząc wylot spalin. Ta logiczna konstrukcja wymaga zastosowania wyrzeźbienia homologowanego monokoku po to, aby nie zwiększać nadmiernie objętości sekcji bocznych. Ewentualny brak dostosowania podwozia do wydechu od samego początku prac koncepcyjnych na projektem utrudnia fakt, iż musi on być solidnie ekranowany bezpośrednią oponą z materiałów termoizolacyjnych i poprowadzony w dedykowanym zamkniętym profilu z kompozytów węglowych.

Nowe podejście w chłodzeniu wymagało indywidualnego odseparowania elektroniki i chłodnic, oraz silnego pobudzenia przepływu powietrza przez całe sekcje boczne w kierunku tyłu, czego zewnętrznym objawem są duże wloty powietrza, których jedynie część odpowiada za zasilenie samych chłodnica silnika. Zdjęcia najlepiej ukazują różnice między np. Ferrari 150° Italia (http://i.imgur.com/mLQih.jpg) a Renault R31 (http://www.formula1.com/wi/597x478/sutton/2010/d11aus449.jpg) w obszarze architektury sekcji bocznych. Liczne podzespoły Ferrari są wyraźnie odsłonięte, podczas gdy skromna ilość wrażliwych urządzeń Renault (wiele z nich zostało przemieszczone gdzie indziej - np. na nos samochodu) znajduje się w szczelnych puszkach.

Dostosowania wymagały również dolne boczne struktury energochłonne (ang. Side Impact Tubes - SIT), które zostały ukształtowane tak, aby umożliwić niskie zamontowanie ujścia wydechu i kierowanie spalin pod podłogę, a nie nad nią. Biorąc pod uwagę skalę wyzwania można powiedzieć, że zespół o 30 letnim doświadczeniu konstruktorskim musiał nauczyć się projektowania samochodów F1 od nowa. To wyjątkowa konstrukcja i imponującym jest fakt, że wszystko działało niemal od początku z pełną kontrolą temperatur.

Zasada działania

System FEE przydziela gazom spalinowym kilka szczegółowych zadań, które sumarycznie przyczyniają się do wzrostu skuteczności aerodynamicznej całej podłogi. Z racji technologicznej odmienności tego rozwiązania częściowo są to zadania inne od tych, które realizują opisane wcześniej wydechy rozlokowane w tylnych częściach bolidów konkurencji.

Podstawowym zadaniem rur wydechowych jest zasilenie przepływu powietrza w obszarze krawędzi podłogi, gdzie silne zawirowania pochodzące od przednich kół czynią go trudnym w zarządzaniu. Wiry te mają tendencję do zasysania powietrza spod podłogi i zakłócania jego przepływu, dlatego strugi spalin o wysokiej energii tworzą rodzaj kurtyny utrzymują energię przepływu powietrza pod samochodem i separujące je od środowiska zewnętrznego. Przy standardowych rozwiązaniach wydechu, za odciąganie turbulencji od krawędzi podłogi odpowiada przednie skrzydło i deflektory, które to dzięki zastosowaniu FEE można uprościć, czyli zredukować opór aerodynamiczny. Zaangażowanie spalin w zarządzanie przepływem w tym obszarze niesie więc za sobą duże korzyści. Kolejna z funkcji spalin opiera się na tej samej zasadzie, co dmuchane dyfuzory: struga spalin z dwóch wydechów o prędkości kilkuset metrów na sekundę, jak wskazuje równanie ciągłości strugi, przyśpiesza przepływ powietrza atmosferycznego pod samochodem, tworząc tym samym podciśnienie, czyli dodatkowy docisk. Korzyści są więc tym większe, im mniejsza jest prędkość z którą porusza się pojazd, choć oczywiście aerodynamiczne profity nie zanikają całkowicie wraz ze wzrostem prędkości. Spaliny przy wylocie zawsze pozostają dużo szybsze od samochodu w ramach jego prędkości maksymalnych. Kolejne ewolucje podłogi w strefie wydechu jasno wskazują na obrany kierunek rozwoju - zespół projektantów stara się skierować całość spalin pod podłogę, zupełnie nie korzystając z efektu przyśpieszenia przepływu na jej górnej płaszczyźnie. To coś zupełnie innego od systemu Mercedesa.

FEE na torze

Jedną z największych zalet przedniego wydechu jest generowanie docisku między osiami samochodu, a nie tylko na jego skraju, jak w wypadku wspomagających dyfuzor tylnych wydechów. Docisk zbliżony do geometrycznego środka samochodu znacznie ułatwia ustawienie go, poprawia jego balans i zachowanie na wybojach. Tworzy też słabszą zależność aerodynamicznego balansu przyczepności od stopnia otwarcia przepustnicy, szczególnie na tle rozwiązania Red Bulla.

Z kilku przyczyn przedni wydech jest wielkim przyjacielem trakcji tylnej osi, szczególnie przy niskich prędkościach i na starcie, gdyż generuje on przepływ powietrza pod samochodem i podciśnienie jeszcze zanim ten ruszy z miejsca. Oddzielny rozdział stanowi aspekt temperatury spalin - one też wspomagają trakcję. Spaliny podgrzewają powierzchnię opony a także asfalt przed bezpośrednim kontaktem z gumą, niwelując tym samym różnice temperatur między nimi i wspomagając reakcje chemiczne odpowiedzialne za przyczepność na poziomie molekularnym. Drobne różnice okazują się bezcenne, gdy o wyniku walki na starcie decydują centymetry. Materiał ten pisałem jeszcze przed wyścigiem w Malezji i całe szczęście rozgrywka na Sepang International Circuit zdaje się potwierdzać słuszność założeń. Fenomenalny start obydwu R31 z brudnej strony toru i zawstydzanie zarówno McLarena jak i Red Bulla na wyjściach w wolnych zakrętów mimo większego zużycia opon daje do myślenia. Z pożytecznością temperatury wiąże się jeszcze kilka potencjalnych subtelności, których jednakże nie było jeszcze okazji zweryfikować - np. osuszanie mokrego toru tuż przed oponą na starcie, brak konieczności intensywnego rozgrzewania tylnych opon przez buksowanie czy też podtrzymanie korzystnej temperatury mieszanki podczas fazy neutralizacji w wyścigu.

W tym miejscu zasadne jest sformułowanie pytania, czy niezwykle gorące gazy spalinowe nie przyczyniają się do przegrzewania, nadmiernego zużycia tylnych opon lub w najgorszym wypadku zwęglenia ich? Odpowiedź na to pytanie brzmi: na szczęście nie. Uzasadnieniem samym w sobie może być zdrowy rozsądek zespołu, który dysponując imponującym zapleczem CFD nigdy by do tego nie dopuścił. Jeśli komuś to nie wystarczy, symulacje przeprowadzone na zbliżonych modelach poza zespołem wskazują, że przy prędkości ok. 250 km/h gazy spalinowe o temperaturze 800 stopni Celsjusza na wylocie kolektora, mieszając się z masami powietrza przed zetknięciem z oponą schładzają się do temperatury nieprzekraczającej 20 stopni na plus względem temperatury powietrza atmosferycznego. W dużym uproszczeniu oznacza to, że przy hipotetycznej temperaturze powietrza 30 stopni (całkiem ciepło), strugi opływające opony wzbogacone spalinami będą miały ok. 50 stopni a to wiele mniej, aniżeli wynosi optymalna temperatura pracy opon. O spaleniu więc nie ma mowy.

Co może przeszkadzać? Tak jak w wypadku długiego wydechu Red Bulla, również FEE dotyka większe przytłumienie silnika na najwyższych obrotach. Z formalnych źródeł wiadomo, że zakład silnikowy Renault Sport F1 w Viry-Chatillion wykonał tytaniczną robotę podczas projektowania wydechu, aby ograniczyć straty, co z resztą zaznacza jego odmienność rezonansowa - niespotykany w stawce rozrywający uszy ryk. Mniej formalnie Renault pod pretekstem corocznych zmian optymalizacyjnych i dostosowawczych do bardzo nietypowej konstrukcji, przemyciło do silnika porcję koni mechanicznych, dobijając do poziomu mocy motorów konkurencji. Za ciekawostkę można uznać fakt, iż Renault korzystając z ekstremalnie korzystnego poziomu spalania silnika RS27-2011 umyślnie zwiększa konsumpcje benzyny o 10% (kilkanaście kilogramów w wyścigu) poprzez częstsze korzystanie z zapłonu poza cyklem i bogatszej mieszanki w celu wyprodukowania większej ilości spalin. Dodatkowa porcja spalin ma oczywiście za zadanie zwiększać skuteczność działania wspomagających aerodynamikę wydechów. To kolejny przykład pójścia pod prąd obowiązujących trendów, po okresie redukcji spalania paliw kopalnych. Al Gore nie byłby zachwycony.

Koncepcja przedniego wydechu jest niezwykle ciekawa i zarazem niemal niemożliwa do skopiowania (zwłaszcza wobec postanowień porozumienia o redukcji zasobów RRA) bez uwzględnienia jej od początków projektu. Jej niepodważalną zaletą jest też duży margines na poprawę w wielu obszarach, których rdzeniem będzie umiejscowienie wylotu wydechu jak najbliżej osi samochodu i równoległy do niej kierunek wyrzutu spalin.

[color=#339966]Plusy:[/color]
[color=#339966]+[/color] Bardzo duża poprawa trakcji na starcie i w wolnych zakrętach
[color=#339966]+[/color] Podgrzewanie tylnych opon
[color=#339966]+[/color] Niewielkie uzależnienie balansu przyczepności od obrotów silnika
[color=#339966]+[/color] Wzrost docisku między osiami
[color=#339966]+[/color] Bardzo trudny/niemożliwy do skopiowania przez konkurencję w sezonie
[color=#339966]+[/color] Samochód jest głośny jak nigdy w historii V8
[color=#339966]+[/color] Długi wydech poprawia pracę silnika na niskich obrotach...

[color=red]Minusy:[/color]
[color=red]-[/color] ...lecz niestety osłabia na najwyższych
[color=red]-[/color] Drogi i czasochłonny projekt obarczony wysokim ryzykiem niepowodzenia
[color=red]-[/color] Trudność w kontroli temperatur wewnątrz sekcji bocznych
[color=red]-[/color] Podwyższone spalanie, więc ekolodzy są na nie

Przyszłość

To ważny obszar - może ważniejszy od dyfuzora w kwestii osiągów, tak, więc oczywiście wszystkie ekipy pracują już ze swoimi dostawcami silników, by jak najefektywniej wykorzystać energię płynącą z wydechu, ponieważ to nowa interesująca strefa rozwoju. Słowa Rossa Brawna są właściwym podsumowaniem rozważań o wydechach. Ewentualne dywagacje na ten temat nie wybiegają jednakże poza kolejny sezon. Fundamentalne zmiany w zespołach napędowych planowane na 2013 rok wywrócą wszystko do góry nogami. Wraz z rzędowym silnikiem, jedną turbosprężarką, dwa symetryczne kolektory wydechowe zastąpi jeden, co kompletnie pozbawi sensu współcześnie używane systemy.


Zobacz także:

• Przegląd rozwiązań technicznych w obszarze wydechu 2011 (część 1)