Como Funcionam os Atuais Motores Híbridos da Fórmula 1?
Sabe-se que a F1 utiliza uma das tecnologias mais avançadas do mundo, inclusive muitas tecnologias automotivas que utilizamos em nossos carros de passeio, foram primeiro implantados e testados na F1, como a transmissão semiautomática e o freio a disco só para exemplificar.
Ao longo do tempo, a F1 usou a tecnologia para aumentar a produção de motores relativamente pequenos. Desde 2014 a FIA introduziu uma nova geração de unidades de potência, extremamente complexa. O atual motor de combustão e os sistemas híbridos possuem potência de 1.000 CV, mas permanecem impopulares para alguns, principalmente devido aos custos, mas é uma das grandes invenções da engenharia.
Até a temporada 2013 os carros de F1 eram empurrados por um motor V8 de 2,4 litros com um sistema híbrido simples, e como parte de uma reformulação tecnológica, foram substituídos por um tipo de motor totalmente novo. Os motores atuais funcionam resumidamente da seguinte forma: Há um pequeno motor de combustão interna V6 1600 CC turboalimentado e com injeção direta de combustível limitado por um medidor de fluxo de combustível. Aliado ao motor de combustão estão dois sistemas híbridos, um recupera a energia cinética do carro na frenagem (ERS-K) e o outro recupera a energia cinética do turboalimentador (ERS-H). Combinadas, estas tecnologias permitem que o piloto tenha cerca de 1.000 CV no pedal sempre que necessário em uma volta, com um pouco mais disponível na qualificação. Apesar desta enorme produção, o carro de corrida queima apenas 110 Kg de combustível na corrida, o que seria menos de 135 litros, um terço menos do que os antigos motores V8.
Tecnologia da Combustão da Fórmula 1
A forma mais óbvia de aumentar a potência de um motor é acelerar o máximo possível, ou usar bastante impulso. No entanto, a partir das regras de 2014, isso não é mais possível, pois através de uma aplicação de uma regulação do fluxo de combustível, ou seja, não há combustível disponível para o motor girar além de 12.500 RPM ou permitir uma grande quantidade de impulso. Devido a isso, os engenheiros tiveram que desenvolver um motor que produza potência com escassez de combustível.
A equipe Mercedes encontrou uma boa solução para o desafio, a ignição pré-câmara, onde em uma câmara de combustão normal, a vela de ignição acende a mistura ar/combustível e a chama criada se espalha para fora da câmara, queimando toda a mistura no processo. Isto é bom quando há combustível suficiente para misturara na proporção certa em toda a câmara de combustão. Quando não há, é difícil obter a combustão total. A ideia da Mercedes divide a mistura ar/combustível em dois lugares: a câmara de combustão principal tem uma mistura fraca de ar/combustível, mas uma mistura mais rica é mantida dentro de uma pequena câmara ao redor da vela de ignição. Com esta configuração de pré-câmara, o plug acende a mixagem rica. À medida que se expande, é direcionado através de pequenos orifícios entre a pré-câmara e para a câmara de combustão abaixo. Esses jatos de chama acendem totalmente até mesmo a mistura fraca para a combustão completa.
Com essa tecnologia de pré-câmara, a Mercedes se manteve na frente dos rivais até 2019.
Em termos de embalagem do motor de combustão, turbo e sistemas híbridos, existem dois layouts básicos. As regras já definem o posicionamento dos parafusos de montagem do motor, o ângulo ‘V’ e o tamanho e espaçamento máximo do pistão. Restrito pela arquitetura básica do motor, estava disponível apenas a liberdade do acondicionamento de um único turbo acima do motor e ao longo da sua linha central.
Adotar uma abordagem não convencional era o mantra da Mercedes, por isso desenvolveram uma configuração única. Com a ideia de uma instalação compacta de intercooler de um turbo montado na frente e o impacto térmico reduzido de um turbo montado na parte traseira, foram usados ambos. O conjunto turbo convencional é dividido, a turbina acionada pelo escapamento quente na parte traseira do motor e o compressor mais frio na frente. As duas partes são unidas por um longo eixo que passa pelo ‘V’ do motor, este eixo seria a principal razão para não adotar esta abordagem, a diferença na aceleração e desaceleração das duas unidades separadas cria enormes cargas de torção no eixo de conexão. Isso significa que o eixo era muito rígido e pesado para transferir as cargas. O caminho que a Mercedes tomou, foi usar um eixo flexível, a torção ao longo do seu eixo compensava a diferença na inércia dos dois impulsores. A Renault e a Ferrari começaram e mantiveram os turbos convencionais montados na traseira, enquanto a Honda encontrou uma solução mais parecida com a da Mercedes.
Juntamente com a colocação do turbo, o resfriamento do ar de admissão é dividido entre as equipes. À medida que o turbocompressor pressuriza o ar, o ar aquece. Mas as equipes precisam do ar mais frio e denso para a câmara de combustão e devido a isso é utilizado um trocador de calor para resfriá-lo. Para isso, é usado um intercooler, existem dois tipos que são aplicados na F1. O intercooler mais conhecido é o ar-ar, funcionando como um radiador, onde o ar comprimido quente dentro do núcleo é resfriado pelo ar ambiente mais frio que passa do lado de fora. São simples e leves, mas ocupam muito espaço nos sidepods, o que é ruim para a aerodinâmica do carro. Algumas equipes escolheram um tipo diferente de intercooler, do tipo água-ar, onde o ar comprimido dentro do núcleo é resfriado pela água externa. Isto ocasiona um resfriamento um pouco menor, mas é mais consistente, pois é menos afetado pela velocidade do carro, pois há menos ar passando pelo sidepod, especialmente nos momentos críticos antes do início da corrida. Entretanto, a água na camisa ao redor do intercooler precisa ser resfriada em um radiador de água separado. Isso torna a configuração mais pesada e complexa, mas o radiador de água ocupa menos espaço no sidepod, por conta disso é um ganho aerodinâmico em relação à configuração ar-ar. Com os ingredientes certos: mistura de combustível, técnica de combustão, embalagem e refrigeração, o motor produz cerca de 530 CV por litro. Mesmo com um menor fluxo de combustível e capacidade cúbica, o atual motor de combustão cria mais potência do que os antigos motores V8 que substituiu.
Tecnologia Híbrida na F1
Ter dois sistemas híbridos no carro contribui para a maior parte das complicações da unidade de potência atual. Embora dividido, é mais simples de entender, pois é baseado na mesma tecnologia dos carros de passeios híbridos/elétricos e até mesmo semelhante aos carrinhos de brinquedo de controle remoto. Há uma bateria (ES-Energy Store), uma unidade geradora de motor (MGU) e uma eletrônica de controle (CE) para conectar os dois.
MGU é um motor elétrico CA sem escovas de imã permanente, que alimenta o carro à medida que utiliza a energia armazenada ou pode funcionar como um gerador para devolver a energia à bateria. A bateria é um conjunto de células de íons e lítio, capazes de distribuir ou armazenar rapidamente muita energia para a MGU. Entre estes dois está a Unidade Eletrônica de Controle, que converte a corrente elétrica CA do MGU em CC da bateria. A circulação da eletricidade em cada um desses dispositivos cria calor, de modo que cada elemento requer resfriamento líquido, que é o fluido dielétrico exigido pela FIA para a bateria para evitar o risco de choque elétrico caso seja danificada, enquanto água/glicol é mais eficiente e normalmente usada para MGU e CE. Portanto, ambos os sistemas de refrigeração precisam que bombas e radiadores sejam embalados dentro do compartimento do motor.
ERS-K
Dada a mesma arquitetura básica, os dois sistemas híbridos operam de maneira diferente. O ERS-K é mais simples, pois o MGU é engrenado na frente do virabrequim, nesta posição a unidade pode ser acionada pelo motor. Ao injetar energia, a carga da bateria passa pelo CE e entra na MGU. Isso aplica 161 CV ao sistema de transmissão para ajudar na aceleração do carro. Durante os primeiros testes, ocorreram problemas com eixos e engrenagens que quebravam sob a liberação repentina de torque. Devido a isso, os engenheiros encontraram maneiras mais suaves de aplicar o torque e criaram um eixo giratório entre o MGU e o motor para absorver os picos no fornecimento de potência.
Na sua aplicação inversa, o ERS-K recupera a energia durante a frenagem, à medida que o piloto freia o software da ECU muda o MGU para o modo gerador que envia carga para a bateria. O arrasto gerado cria ‘freios’ no sistema de transmissão, a ponto de os freios traseiros dificilmente serem usados em velocidades mais baixas.
O potencial do ERS-K acaba restringido pelas regras, pois no modo motor ele pode fornecer apenas 161 CV, enquanto no modo gerador só pode economizar 2mJ de energia para a bateria. Neste caso o motor só tem energia para cerca de 33s de impulso em uma volta. Embora se possa armazenar 4mJ de energia, a recuperação de uma volta pode ser salva e implantada como impulso duplo em outra volta.
ERS-H
O ERS-H é mais complexo, pois é outra conexão do MGU e CE, mas se conecta diretamente à bateria e ao MGU-K. No entanto, o motor está ligado diretamente no turbo, pelo que a unidade gira até 125.000 RPM, um enorme desafio para a engenharia.
Como motor, o MGU pode ajudar a girar o turbo, mas não para criar impulso quando acelerado como se fosse um superalimentador elétrico. Em vez disso, o motor pode manter as rotações do turbo alta quando o acelerador atua como um sistema Anti Lag (ALS), isso retira a energia da bateria, mas pela falta de combustível disponível, isso é ainda atraente, já que estratégias normais de ALS que consomem combustível, queimam combustível no escapamento para manter o turbo girando.
No modo gerador, o ERS-H pode ser utilizado de diversas maneiras; algumas simples, outras mais complexas e outras ainda secretas.
Em um turbo típico, existe o problema de criar muito impulso, pois a pressão de escape gira o turbo muito rápido em aceleração total. Isto é controlado por uma válvula de escape chamada wastegate, que libera a pressão de escape reduzindo a velocidade do turbo e despejando o excesso de gases em um tubo de escape separado. É um sistema que funciona bem, mas a energia dos gases de escape é desperdiçada, então a F1 permite que o MGU atue no modo gerador, desacelerando o turbo e criando eletricidade ao fazê-lo.
Diferente do ERS-K, não existe limite para a quantidade de energia que pode ser recuperada do MGU, pois a bateria terá capacidade tanto para 2mJ do ERS-K quanto para o ERS-H. Sendo assim, quanto maia puderem utilizá-la, mais tarefas motoras poderão ser realizadas com a energia recuperada. O uso óbvio para isso seria manter o turbo girando fora do acelerador com o turbo MGU-H, mas as regras permitem que o ERS-K seja alimentado com energia recuperada do turbo. Assim, quanto mais as equipes conseguirem recuperar a energia, mais poderão redirecioná-la para o ERS-K e ampliar o aumento 161 CV.
Recuperar a energia do turbo sempre que o efeito wastegate for necessário, não é suficiente. Em 2014 a maioria das equipes começaram com o turbo dimensionado corretamente para o funcionamento convencional do motor. A Mercedes operava um turbocompressor do tamanho de um prato na frente do motor, um turbo superdimensionado poderia ser útil, mesmo que não fosse necessário para o impulso extra que ele criou, mas um turbo maior precisaria de mais tempo de ‘vastegate’ aberto para evitar que acelerasse demais o motor. Dest forma, o MGU poderia funcionar por períodos mais longos e efetivamente reunir mais energia, mesmo que o efeito de contrapressão do turbo possa prejudicar o pico de potência, a energia reutilizável obtida poderia ser utilizada em outros lugares da pista para tempos de voltas mais rápidos. Uma estratégia utilizada é a potência máxima nas retas, a energia recuperada do turbo é direcionada diretamente para o MGU-K para aumentar 161 CV.
A Ferrari inicialmente errou este truque, pois tinham uma válvula de escape projetada com mais fluxo para reduzir a contrapressão, pensando que a potência da combustão era mais importante do que a recuperação de energia. Logo a equipe reconsiderou a estratégia e mudou para wastegate e ERS-H que era mais parecida com a da Mercedes. A Honda também perdeu na estratégia para a Mercedes em seu retorno à F1 em 2015 com um motor projetado para ser bem embalado, o turbo foi subdimensionado para caber dentro do ‘V’ do motor, prejudicando assim a estratégia ERS-H, e como a maioria dos fabricantes, a Honda levou tempo para amadurecer o design do MGU-H, as altas RPM e o estresse térmico tornam um dos aspectos mais difíceis de dominar do ERS. Isso chegou ao ponto em que na maioria das pistas, as equipes têm energia suficiente para usar o impulso de 161 CV durante quase toda a volta em que ele pode ser usado, muito além da implantação do ERS-K de 33s.
Diferente do KERS que foi usado entre 2009 e 2013, esta distribuição de energia não é um simples botão no volante, em vez disso, o software ECU da equipe decide quando aplicar o impulso ERS. O piloto pode alternar entre diferentes mapas que fornecem potência ERS pressionando o pedal do acelerador.
Conclusão
Por terem uma potência superior a 1000 CV, com o seu escasso abastecimento de combustível e apenas três unidades de potência para uma temporada completa que tem mais de 20 corridas, são verdadeiramente o auge da tecnologia automotiva. Quem sabe num futuro não muito distante poderemos ter carros com energia totalmente elétrica, mas por enquanto os motores híbridos são um grande passo para o futuro.