2014 Formula 1 Sezonu: ERS Çağı

Formula 1 takımları, pilotları ve hatta seyircileri bile bu sezon enerji geri dönüşüm sistemlerini anlayabilmek için büyük mücadeleler verecekler. Craig Scarborough bu sistemlerin neden 2014’ün anahtarı olacağını açıklıyor.

Yeni turbo motora ek olarak enerji geri dönüşüm sistemleri 2014’te Formula 1 araçları için performans karşılaştırmasının büyük bir parçasını oluşturacaklar. Şimdi ise turun çoğu bölümü boyunca 160 beygir güç üretecek bu sistemden iki tane var.

Bu teknoloji mühendisler, sürücü ve seyirciler için devasa mücadelelerle birlikte geliyor. ERS’nin verimliliği ve dayanıklılığı yarış sonuçlarına veya hatta şampiyonluklara etki edecek gibi görünüyor, ve 2014 Formula 1’in enerji yönetim yılı olacak.

 

ŞİMDİYE KADAR F1’DE KERS

2000’de Toyota ilk başarılı hibrid yol otomobilini tanıtmıştı. Çevreci görüşlerin yükselmesiyle birlikte F1 2009’da KERS ile hibrid teknolojilere ilk adımını attı.

Bir F1 aracı her hızlandığında ciddi miktarda enerji yakar ve araç fren yaptıkça bu kinetik enerji frenlerden ısı yoluyla çöpe atılır. Enerji geri dönüşüm teknolojileri (ERS-Energy Recovery System) bu çöpe giden enerjiyi depolar ve güç artışı sağlayacak şekilde tekrar kullanır.

2009’un büyük kural değişikliklerinin bir parçası olarak Kinetik Enerji Geri Dönüşüm Sistemleri (KERS) kurallara eklendi ve kullanımıu da sıkı bir şekilde kontrol edildi.

Frenleme anında enerji normalde arka frenler tarafından emilirdi, ancak artık bunun yerine güç ünitesine bağlı bir jeneratör tarafından geri toplanıyor. Bu jeneratörün güç üretmesi bir miktar frenleme etkisi yaparken aynı zamanda da bir batarya paketini şarj ediyordu.

Sonra ise sürücünün güç artışına ihtiyacı olduğu zaman güç elektronikleri bağlantıları tersine çeviriyor ve batarya paketindeki enerjiyi jeneratöre geri göndererek  bir motor gibi çalışmasını sağlıyordu, ve sisteme 6.7 saniye boyunca 80 beygir güç ekliyordu. Bu güç artışı sürücünün direksiyondaki bir düğmeye basması ile devreye sokuluyordu ve göstergelerde de ne kadar kullanım süresi kaldığı gösteriliyordu.

Sürücüler en iyi tur zamanı için KERS’i en iyi nasıl kullanabilecekleri konusunda tavsiyeler alıyorlar ve genellikle yavaş veya orta hızdaki virajların çıkışında küçük miktarlarda KERS kullanıyorlar. Ancak KERS ayrıca ‘bas ve geç’ cihazı olarak da kullanılabilir veya savunma amaçlı bir taktik olarak da kullanılır.

Bu koşullar altında takımlar KERS’i daha verimli, dayanıklı ve hafif yapmaya çalıştılar.

Takımlar 2010’da masrafları kısmak için KERS kullanmamaya karar verdiler ve daha sonrasında, sadece dört yıllık bir kullanım sonucunda teknoloji son halini aldı. 2013’ün sonunda tüm pil, motor-jeneratörce elektronikler 25 kg’dan daha hafiflemişti.

KERS F1’e 2009’da Girmişti

Yüzde 80’in üzerinde bir verime ulaşan KERS demek oluyordu ki toplanan gücün yüzde sekseni arka tekerlere geri aktarılabiliyordu. Dayanıklılık ise çok daha iyiydi, ancak hala yüzde yüz olamadı.

Çoğu takımlar sıralamalar veya yarışlarda KERS’i kaybettiler, çünkü sistem aşırı ısınıyordu veya bir şekilde çalışmıyordu. KERS’in ortalama tur başında 0.3 saniye fark yarattıını düşünürsek bu bir felaket olmamakla birlikte bir dezavantaj olabiliyordu.

2013’te 11 takımın tamamı KERS kullandı ve dört farklı sistem mevcuttu:Ferrari, Renault, Mercedes ve Williams. Red Bull daha iyi paketleme yapabilmek için kendi batarya paketini geliştirdi, ancak diğer bileşenleri Renault Sport’tan edindi.

Birbirlerinden farklı olsalar da her sistem aynı temel şekle sahipti ve bazı durumlarda Marelli gibi aynı elektronik tedarikçilerinden gelen donanımları kullanıyorlardı. Batarya sistemleri ise Saft ve A123 gibi üreticilerden tedarik ediliyordu.

Genelde motor-jeneratör ünitesi (MGU) bir dişli ile motorun krank milinin önüne monte edilir. Bu alçak ve düz yerleşim MGU’nun normalde yakıt deposunun olması gereken yere taşacağı anlamına gelir ve şasinin bu bölümüne bir girinti yapılması gerekir.

Alternatif akım üreten MGU’nun bataryaları şarj edebilmesi için doğru akıma dönüştürülmesi gerekir. Bu görev KERS güç kontrolcüsü tarafından yapılır, üç kalın kablo MGU’dan gücü alır ve güç kontrol ünitesine götürür ve ikili bir kablo da gücü batarya paketine ulaştırır.

Genelde bu güç kontrolcüleri sidepodlara monte edilir ve içine konulduğu metal kasa bir yol aracının aküsü boyutlarındadır.

Aynı kontrolcü güç akışını tersine de dönüştürebilir. Bu kısım FIA’nın standart ECU (Electronic Control Unit – Elektronik Kontrol Ünitesi) tarafından kontrol edilir.

Son olarak bir karbon fiber kutu içerisine monte edilmiş bir dizi Lityum İyon pil hücreleri ile batarya paketi hazırlanır. Bu batarya bir kasa kutu bira boyutlarındadır.

Magneti Marelli KERS bileşenleri

Bu sistemin elektrik içeren parçası olduğu için kurulumda dikkate alınan en büyük şey güvenliktir. Çoğu takımlar batarya paketini yakıt deposunun altındaki özel bölmeye yerleştirirler.

Ancak McLaren kendi sistemini sağ taraftaki sidepoda yerleştirmişti ve Red Bull kendisinkileri vites kutusunun çevresine koymuştu.

Şarj veya deşarj edilirken dolaşan büyük miktarlardaki akımla birlikte MGU, güç kontrolcüsü ve bataryalar çok ısınır. Bu sistemlerin en iyi çalışma sıcaklığı oda sıcaklığından yüksek sıcaklıklar olmasına rağmen hiçbiri çok yüksek sıcaklıkta çalışamamaktadır.

Takımlar önceden ısıtma ve gerekli soğutma sistemleriyle onları en uygun çalışma sıcaklığında tutmaya çalışırlar. Çoğu zaman yarışlarda artan sıcaklıklar sürücülerin aşırı ısınmayı önlemek için sistemi devre dışı bırakmaları gerekir. Güç elektronikleri ve batarya için su soğutma kullanılırken MGU’nun yağ ile soğutulması gerekir.

KERS’in başarı olarak algılanması ve ERS’nin motorsporlarındaki öncüsü olmasına rağmen gerçekte etkisi sınırlıydı. Güç çıkışı konusundaki kısıtlamalar en güçlü sistem için asla bir teknolojik yarışa dönüşemedi.

Belki asla olması gerektiği gibi pazarlanamamıştır. Honda ve Toyota’nın F1’den gitmesi ile birlikte sporun motor tedarikçilerinin hiçbirinin hibrid teknoloji içeren bir yol aracı yok.

Gerçekte 2009’dan bu yana kazanılan yarışların çoğu bir Prius’un güç ünitesinden çok da farklı olmayan bir sistemle kazanıldı!

 

2014 KURALLARI VE ERS

Bu yıl ERS genişletilirken artık aracın performansının çok daha büyük bölümü hibrid teknolojilerden gelecek.

Buna ulaşmak için FIA yeni kurallarda kinetik enerji geri dönüşümündeki sınırlamaları biraz azalttı ve atıl enerjiyi toplayacak bir sistem daha ekledi.

ERS’nin bu yeni dünyasında motor konusunda bir çok terim değişti. Artık ‘güç ünitesi’ tanımını duyuyoruz, bu içten yanmalı motor ve ERS ünitelerinin toplamına verilen isim.

Eskiden KERS adındaki sistem şu an ERS-K olarak adlandırılıyor ve artık iki kat güç üretebiliyor ve beş katı enerji depolayabiliyor. Bundan sonra bir de ERS-H adı verilen yeni bir sistemimiz var, bu da motorun turbosuna monte edilmiş ve atıl ısıdan yararlanan bir teknoloji.

ERS-H, ERS-K’dan farklı olarak topladığı enerjiyi ERS-K’nın motoruna yönlendirebilir veya kendi MGU ünitesi yardımıyla turbonun kendisini hızlandırabilir. Bu süreç turbo gecikmesini düşürecektir.

KERS sistemine göre bir diğer değişiklik de ERS-K MGU motor ünitesinin artık motorun önüne yerleştirilmemiş olması. Bu ünitenin boyutu iki katına çıkmış durumda ve yeni motor paketleme kuralları ile birlikte motorun yanına konumlanacak. Tam yeri motorun yanında, önkısma daha yakın ve egzozun altı olarak belirlendi. Bu yerleşim daha önce bu bölgere yer alan su pompası, alternatör ve hidrolik pompaların yerlerinin değişmesi gerektiği anlamına geliyor.

ERS-H motorunun ise turbonun içinde olması gerekiyor. Şimdiye kadar MGU ünitesinin turbonun önünde olduğu (Renault) ve iki turbo türbininin arasında olduğu (Mercedes) tasarımlar gördük.

Mercedes güç ünitesinin fotoğrafındaki çözüm gerçekte kullanılan şey olmayabilir, MGU’nun Renault ünitesinde görüldüğü gibi turbonun önüne koymak daha uygun olabilir.

Bu çözüm MGU’yu sıcak turbodan uzaklaştırır ve güç ünitesinin emme kutusunun altına yerleştirilmesini sağlayabilir.

Turbo dönerken MGU da aynı hızda, yaklaşık 100000 devirde dönecek, ancak turboya doğrudan değil de bir küçültme dişlisi ile bağlanırsa daha yavaş da dönebilir.

Mercedes’in 2014 motoru

Bu hızlarda çalışan bir cihaz tasarlamak ve oluşan ısı ve sürtünme ile mücadele etmek büyük bir mücadele olacak.

Her iki MGU bataryaya bağlanmadan önce bir güç kontrol ünitesine bağlanacaklar.

Artık çok daha fazla olacak akım ile başedebilmek için bataryanın KERS günlerinden çok daha büyük olması gerekecek.

Bu zorunluluk sidepodlarda ve yakıt deposu altında daha fazla alan kaplayacak. ERS donanımının tümü soğutmaya ihtiyaç duyacak ki bu da daha büyük radyatörler için daha büyük sidepodlar tasarlanmasını gerektirecek.

Bu güç kaynakları birleşince bu küçük benzin motorlu sistem 2013 motorları kadar güç üretebilecek hale gelecek. Ancak ERS elektrik motorlarından oluşuyor ve bu motorlar doğaları gereği her devirde yüksek tork üretebiliyorlar ki bu da araçların düşük devirde de yüksek torklara sahip olmalarını sağlayacak.

Geçmişte sürücü tarafından bir düğme ile kontrol edilebilecek KERS’in yerine 2014 araçlarında sürücüler sadece gaza basacak ve elektronik sistemler ERS’nin ne zaman kullanılacağına karar verecek. Ancak 2013’te olduğu gibi 2014’te de  sürücüler direksiyondan belirledikleri birkaç güç haritasına sahip olacaklar, ancak yine de sürücülerin tüm gücü devreye sokabilecekleri ‘sihirli’ bir düğmeye de sahip olacakları düşünülüyor.

ERS-K ile karşılaşılan beklenmeyen bir sorun da arka frenlerle ilgili. MGU enerjiyi depolamak için bir fren gibi davranıp aracı yavaşlatıyor. Enerji toplama seviyesine ve bataryaların şarj durumuna göre bu frenleme etkisi değişiklik gösterebilir.

Takımlar zaten enerji toplama sürecinde araca tur boyunca eşit yük bindirmesi için ayarlar yapıyorlar ancak sürücünün fren dengesini değiştirmesi gerektiğinde farklı frenleme etkileriyle karşılaşılıyor.

2014’teki çok daha karmaşık ERS ünitesi ve toplanması gereken çok daha fazla enerji olması sebebiyle bu fren dengesini yönetmek çok zor olacaktır.

Bu sebeple FIA büyük bir adım attı ve ilk kez arka frenlerde elektronik kullanımına izin verdi. Teknik kuralların 11.7. makalesinde ‘arka fren kontrol sistemi’ adıyla açıklanan bu sistem sürücülerin frenleme miktarına göre devreye giriyor ve ERS enerji toplama seviyesine göre arka frenleri denetliyor.

Aktif bir sistem olarak tanımlanmasına rağmen bu sistem hiçbir şekilde ABS (frenlemede lastiklerin kilitlenmesini önleyen sistem) kullanımına izin veremeyecektir.

Taraftarlar da yeni kurallardan etkilenecek

Sistem sürücünün pedala uyguladığı baskı miktarına göre çalışacak ve eğer sürücü çok fazla basarsa tekerlekler eskisi gibi kilitlenebilecektir.

Elbette güvenlik bir sorun teşkil ediyor. Frenleme aracın yüksek basınçlı hidrolik sistemleri tarafından yapılacaktır ve herhangi bir arıza oluşması halinde fren pedalındaki basınç frenlere doğrudan yönlendirilecektir.

Yeni ERS-K sürücü tam gaz verdiği zamanların çoğunda aracı hızlandıracak. Bataryanın şarj miktarı düşer ve enerji kalmazsa ERS-H bu sisteme ek bir enerji temin edebilecek ve ERS-K’nın görevini sürdürmesine yardım edebilecek.

Burada güç kullanımını dengelemek sıralamalarda ve yarışta anahtar faktör olacaktır ve bu elektrik gücü aracın daha az yakıt harcaması için ayarlanacaktır.

Bu sistemler bir güç ünitesi kontrol sistemi için çok fazla ve motor üreticilerinden çok takımların sistemi anlaması ve kontrol kodunu yazmaları büyük bir çaba gerektirecek. Bu yüzden daha fazla kaynağı olan büyük takımlar her pistte her sürücü için bu bulmacayı teker teker çözmek için çalışabilecekler.

Bu yeni sistemler çok karmaşık, çok az değişikliğe müsaade ediliyor ve ciddi titreşim, ısı ve yük altında çalışıyorlar. Bu yüzden dayanıklılığı kontrol altına almak eskiden KERS 80 beygir güç üretirken bile mümkün olamamıştı.

Ve 2013’te olanın aksine ERS arızası aracı dörtte üçü kadar bir güçle ortada bırakacak ve bu tur başına bir saniyenin üzerinde daha yavaş bir hale getirebilir, bu yüzden harcanan ek yakıttan bahsetmeye bile gerek yok.

Bu tür arızalar ortak olarak yaşanabilecek şeyler ve sürücülerin yarışlarına ciddi darbe vurabilir, hatta yarış dışı kalmaya kadar götürebilir.

Verimli bir ERS yakıt tüketimini sınırlayabilir. Yarış başına sadece 100 kg yakıt kullanımına izin verilmişken ERS’nin tur zamanından çok motor tarafından kullanılacak yakıt miktarını azaltmak için kullanılması ve motor için daha az yakıtla piste çıkılabilmesi için çalışılacak.

160 beygir gücün tamamının atıl enerjiden geliyor olduğunu hayal etmek güç. Bu inanılmaz bir teknoloji olacak ve F1’i daha çevreci olarak tanıtmaya faydalı olacaktır.

Bununla birlikte bu teknolojinin bir çoğu gizli kalacak, özellikle de donanım ve enerji yönetim stretejileri. TV ekranından bataryaların şarj seviyesi görünecek, ancak bir takım veya pilotun yarışta nasıl bir ERS/benzin dengesiyle devam ettiğini tam olarak anlamak mümkün olmayacak.

Takımlar ve motor üreticileri için taraftarları bu yeni teknolojiler hakkında bilgilendirmek serinin teknik imkanlarını açıklamak için can alıcı olacak.