Technika: Palivové systémy v F1 (+ video)

Týmy F1 si navrhují a provozují palivovou nádrž, sací čerpadla a kolektory, dodavatelé motorů mají zodpovědnost za hlavní palivové čerpadlo, filtry a vstřikovací trysky.

Jaká je funkce palivového systému motoru?Úkolem palivového systému motoru je získávat palivo z nádrže a dodávat jej do motoru, kde je rozstřikováno do nátrubků, aby se smísilo se vzduchem cestou do válce, kde se tato směs zapálí, aby vytvořila krouticí moment.

Palivo musí být dodáno do vstřikovacích trysek při správném tlaku, aby mohlo být množství vstřikované směsi přesně měřeno. Palivový systém je tedy navržen pro získávání paliva a zvyšování a regulování tohoto tlaku pomocí důmyslných mechanických pump.

Palivový systém začíná palivovou buňkou (nádrží), která se nachází uvnitř monokoku za pilotem, ale před motorem. Jeho velké, nepropustné vaky vyrobené z neprůstřelného materiálu vojenského stupně zadržují veškeré potřebné pro vůz během závodu - přibližně 160 kg či 230 litrů.

Nádrž uvnitř monopostu F1 (zdroj: Sauber Motorsport AG)

Hadice vedoucí palivo do motoru jsou vybaveny lámavými spojkami, když se tedy motor oddělí při nehodě od šasi, palivo z těchto poškozených hadic nemůže vytéct, což by mohlo způsobit riziko požáru jako při ohnivých nehodách v 70. letech.

Palivo je uvnitř vaku kvůli zatáčení, akceleraci a brždění vystavováno příčnému a bočnímu přetížení. Proto se rozlévá po nádrži, pohybuje se ze strany na stranu a zepředu dozadu sem a tam. V důsledku to může být náročné jej získávat, když se pohybuje uvnitř nádrže, obzvlášť když je ho méně. Představte si, jaké to je pít s brčkem, když se voda pohybuje kolem dokola v misce, a srovnejte to s pitím pomocí brčka z láhve!

Nádrž proto obsahuje několik nízkotlakých elektricky napájených "sacích čerpadel," obvykle 3 či 4, které jsou rozmístěny tak, aby nasávaly palivo z rohů nádrže. Filtry na jejich vstupu čerpadla chrání před poškozením, které by mohlo být způsobeno nečistotami v palivové buňce. Sací čerpadla dodávají palivo do drobné nádoby v palivové buňce. Této nádobě se říká kolektor. Jeho kapacita činí obvykle 2,5 kg či 3 litry.

Kolektor je natlakován pomocí sacích pump. Obsahuje dostatek paliva pro hlavní čerpadlo, aby ho mohlo nepřerušovaně dodávat i při výpadku sacích čerpadel při nízkých úrovních. Mějte na paměti, že motor běžící při plných otáčkách potřebuje 3,5 litru paliva na minutu. Vypadá jako láhev od limonády otočená dnem vzhůru. Je tedy dlouhá a štíhlá, aby zajistila konstantní dodávku paliva.

Z technické dokumentace Renaultu RS27 (zdroj: Renault Sport F1)

Další fázi je pro kolektor doručení paliva do mechanicky ovládaného palivového čerpadla, které ho pro změnu dodává vstřikovacím tryskám. Ve skutečnosti se dá role hlavního palivového čerpadla přirovnat k domácí tlakové myčce, která je ovládána zmáčknutím tlačítka - čerpá vodu při nízkém tlaku a dodává ji při mnohem vyšším tlaku do pistole, odkud je dle potřeby vystřikována. Když ale tlačítko není zmáčknuté, nic není dodáváno.

Čerpadlo je plně mechanické a musí být na vstupu chráněno jemným filtrem. Poskytuje průtok paliva odpovídající k otáčkám motoru. Palivo spotřebovávané motorem také přibližně úměrné otáčkám při plném plynu. Při uzavřené škrticí klapce ale motor nespotřebovává žádné palivo.

Aby hlavní čerpadlo vyrovnalo množství dodávaného paliva tomu, které je požadováno, obsahuje variabilní výtlačný mechanismus, jenž je ovládán důmyslným zařízením pro regulaci tlaku. Poté, co palivo projde čerpadlem a posledním filtrem v rozdělovači paliva, je dodáno do vstřikovacích trysek při vysokém tlaku (95 barů). Technická pravidla zakazují tlak převyšující 100 barů.

Vstřikovací trysky jsou v technické hantýrce precizní elektro-mechanické magnetické ventily řízené SECU (standardizovanou elektronickou řídicí jednotkou). Hardware a řídicí software SECU je pro všechny motory stejný, ale kalibrace jsou v rámci rozsahu stanoveném FIA volné.

Vstřikovací systém současného osmiválce Renault RS27 (zdroj: Renault Sport F1)

Palivo je dodáváno, když je elektromagnet pod napětím. Pod vysokým tlakem se dostává do nasávaného vzduchu v přesně daném okamžiku motorového cyklu, aby bylo dosaženo optimálního plnění válce a přípravy směsi pro efektivní spalování a tudíž i výkonnost motoru.

 

Jak se palivový systém změnil během éry osmiválců?Kromě rutinních změn kvůli každoročnímu vývoji vozů se celkové rozvržení palivového systému změnilo jen málo kromě změny velikosti palivové buňky kvůli zákazu dotankovávání od roku 2010. Ta mohla být dříve menší, obsahovat palivo potřebné mezi zastávkami (řekněme 70 kg), nyní však musí být dostatečně velká, aby pojala palivo pro celý závod.

Větší palivová buňka zvýrazňuje problém se získáváním posledního množství paliva sacím čerpadlem: - větší plytký objem paliva ve spodní části nádrže se pomocí sacích čerpadel hůře sbírá- větší zájem se soustředí na teplotu paliva. Palivo je ohříváno vedením a zářením tepla ze zbytku auta (např. z výfuků, z motoru atd.). Vyšší teplota paliva snižuje výkonnost motoru a také ztěžuje jeho sběr sacími čerpadly.

Vývojem tyto výzvy byly překonány. Pro snížení přenosů tepla do paliva pomohly změny v designu vozů, dodatečné zábrany proti formování paliva či vylepšování palivových buněk a designu sacích čerpadel.

Tlak při vstřikování paliva je dle pravidel omezen na max. 100 barů (zdroj: Renault Sport F1)

 

Čeho bychom nyní byli svědky, kdyby nedošlo k zmrazení motorů?V tomto případě by vývoj byl vlastně více omezen technickými pravidly než zmrazením motorů. Tlak pro vstřikování je omezen na max. 100 barů (neboli 100krát vyšší než normální tlak vzduchu na hladině moře) a jediná vstřikovací tryska na válec musí být umístěna v sacím traktu.

Tato pravidla postavila mimo zákon využívání vstřikovacích systémů o velmi vysokém tlaku a také využívání přímého vstřikování do spalovací komory.

Vzhledem k vyšší technické svobodě je možné, že by byly vyvinuty složitější vstřikovací systémy, možná o více vstřikovacích tryskách na válec s dodávaným tlakem o 500 barech (odpovídá tlaku 5 km pod hladinou moře, váze slona balancujícího na poštovní známce či jedné osobě snažící si udržet 50 obřích tryskových letadel).

Z výkonnostního hlediska by se vyplatilo díky větší síle, lepší ovladatelnosti a spotřeby paliva.

Animace pohybu paliva v nádrži při průjezdu šikanou Ascari v Monze ukazuje, jak náročný je sběr paliva v monopostu F1 (zdroj: Sauber F1 Team)

Zajímavá statistika a faktaPři 18 000 ot/min - těsně před zásahem omezovače - palivové trysky vstřikují každých 6,6 ms po dobu 2,7 ms při naplno otevřené škrticí klapce. Každá vstřikovací tryska dodává 0,049 cm3 paliva, což přibližně odpovídá množství jedu při kousnutí hada.

Motor při plně otevřených škrticích klapkách za stejných podmínek spotřebovává v závislosti na okolních poměrech mezi 3,5 - 4 litry paliva za minutu - polovinu toho, co vaše sprcha během denního sprchování.