Feature: Das Geheimnis der Formel-1-Motoren

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Feature: Das Geheimnis der Formel-1-Motoren
28.08.2019, 09:55

Mercedes gibt einen Einblick in das Herz eines Formel-1-Autos: Woraus besteht der Motor, worauf kommt es an und wie sieht die Entwicklung in den Jahren aus?

Die aktuelle Generation von Formel-1-Autos wird von Hochleistungs-Turbomotoren und elektrischen Hybrid-Power-Units angetrieben. Vor dem Ende der Sommerpause und dem anstehenden Rennen in Spa-Franchorchamps wirft Mercedes einen Blick auf das mechanische Herz der Power-Unit: den Verbrennungsmotor und dessen Weiterentwicklung seit dem Jahr 2014.

Aus welchen Elementen besteht eine Formel-1-Power-Unit?

Die FIA unterscheidet bei einer modernen Power-Unit (PU) zwischen sechs verschiedenen Bestandteilen. Das Herz der PU ist der Verbrennungsmotor (Internal Combustion Engine, kurz ICE), der eine Strukturkomponente des Fahrzeugs darstellt und das Chassis mit dem Getriebe verbindet. Die aktuellen Formel-1-Motoren sind Sechs-Zylinder-Motoren, die einen Zylinderbankwinkel von 90 Grad und 1,6 Liter Hubraum besitzen.

Das zweite Element ist der Turbolader (Turbocharger, kurz TC), der die Dichte der aufgenommenen Luft verstärkt und dem Motor dadurch mehr Leistung gibt.

Ein modernes Aggregat ist ein Hybridmotor, in dem zwei Elektromotoren Energie zurückgewinnen und freigeben. Zum einen die Motor-Generator-Einheit - Kinetisch (Motor Generator Unit-Kinetic, kurz MGU-K), die kinetische Energie beim Bremsen sammelt, und die Motor-Generator-Einheit - Hitze (Motor Generator Unit-Heat, kurz MGU-H), die mit dem Turbolader verbunden ist und überschüssige Energie aus dem Auspuff nutzbar macht.

Beide Motor-Generator-Einheiten wandeln die Energie ihrer jeweiligen Quelle in elektrische Energie um, die dann dazu eingesetzt werden kann, um das Fahrzeug anzutreiben. Die elektrische Energie wird im fünften Element der Power-Unit gespeichert - einer großen Batterie, die als Energiespeicher (Energy Store, kurz ES) bezeichnet wird.

Dieses komplexe System an verschiedenen Komponenten wird vom sechsten und letzten Bestandteil der PU gesteuert: der Kontrollelektronik (Control Electronics, kurz CE). Jedem Fahrer stehen im Verlauf einer Saison je drei Komponenten der ICE, MGU-H und TC sowie je zwei Komponenten von ES, CE und MGU-K zur Verfügung. Diese dürfen in jeder beliebigen Kombination eingesetzt werden. Wenn ein Fahrer das erlaubte Limit überschreitet, erhält er eine Zurückversetzung in der Startaufstellung.

Wie funktioniert der Verbrennungsprozess im ICE eines Formel-1-Autos?

Der Verbrennungsprozess im Herzen des ICE erfolgt, wenn das Benzin und die Luft sich mischen und entzündet werden, um Energie freizusetzen. Dieser Prozess funktioniert exakt wie in einem Straßenfahrzeug, allerdings fallen die Systeme ein wenig komplexer aus.

Die Verbrennungsluft wird durch den Lüftungskanal hinter dem Überrollbügel in den Motor geleitet. Der Luftdruck wird durch einen Kompressor verstärkt, der Teil des Turboladers ist. Dieser Prozess erhöht die Lufttemperatur, weshalb die Luft danach in einem Ladekühler wieder abgekühlt werden muss, bevor sie über den Luftsammler am oberen Ende des Motors eingespeist wird. Von dort durchläuft sie die sechs Einlasskanäle und die beiden Einlassventile bis in die Zylinder.

Dort kommt das Benzin ins Spiel. Formel-1-Motoren besitzen, wie die meisten modernen Straßenfahrzeuge auch, eine Direkteinspritzung in die Brennkammer. Das Benzin darf per Reglement mit maximal 500 Bar eingespritzt werden. Während dieser Wert geringer ausfällt als die 350 Bar, die normalerweise bei der Direkteinspritzung in einem Benzinmotor eines Straßenautos zum Einsatz kommen, liegt er weit unter dem Wert eines modernen Dieselmotors, in dem der Benzindruck bis zu 2.500 Bar erreichen kann.

Die Mischung aus Luft und Kraftstoff wird vom Kolben verdichtet und danach von den Zündkerzen entzündet. Die Kraft der Verbrennung drückt den Kolben nach unten, der durch eine Pleuelstange mit der Kurbelwelle verbunden ist und diese dadurch antreibt. Wenn der Kolben sich wieder anhebt, öffnen sich die Auslassventile, um die Auspuffgase aus dem Motor zu entlassen. Nun kann der gesamte Prozess wieder von vorne beginnen - bis zu 15.000 Mal pro Minute (oder 250 Mal pro Sekunde).

Die Auspuffgase werden dazu verwendet, um das Turbinenrad des Turboladers anzutreiben, der wiederum den Kompressor antreibt. Der Rest wird durch das Auspuffrohr abgegeben, wobei ein Wastegate-System dazu verwendet wird, um den Druck in dieser Phase zu kontrollieren.

Welche anderen Systeme sind Teil des ICE?

Zum Motor gehören auch sehr komplizierte und komplexe Öl- sowie Wassersysteme, die zwischen den unterschiedlichen Elementen liegen. Diese sorgen dafür, dass der Motor reibungslos funktioniert und regulieren die Temperatur, die unheimlich wichtig ist, wenn man bedenkt, dass die Gastemperaturen in der Brennkammer bis zu 2.600 Grad Celsius erreichen können.

Die Hauptaufgabe des Wasserkreislaufs ist es, die Temperaturen der vielen verschiedenen Elemente und Materialien zu kontrollieren, aus denen die Power-Unit besteht. Vom Kurbelgehäuse bis zum Zylinderkopf geht es nur ums eins: Der Motor darf nicht überhitzen. Dafür wird jede Menge Ingenieurskunst angewandt, von der Kontrolle des Wasserkreislaufes bis zur Effizienz der Pumpe.

Welche Fortschritte hat Mercedes seit 2014 erzielt?

Das Power-Unit-Reglement blieb seit seiner Einführung zu Beginn der Saison 2014 relativ stabil. Dadurch hat sich die grundlegende Philosophie der PU seit der ersten Version vor fünf Jahren nicht erheblich verändert. Dank zahlreicher Veränderungen in anderen Bereichen konnte das Team bei Mercedes in Brixworth jedoch jedes Element der Power-Unit verbessern und dadurch mehr Leistung abrufen sowie die thermische Effizienz steigern.

Im Jahr 2014 leistete die PU 900 PS und hatte eine Wärmeeffizienz von 44 Prozent. Das bedeutet: 44 Prozent der Energie aus dem Kraftstoff wurden in nutzbare Arbeit umgewandelt, mit der das Fahrzeug angetrieben wurde. Im Verlauf der Jahre wurde der Wärmewirkungsgrad stetig gesteigert, bis er im Jahr 2017 auf dem Prüfstand die 50-Prozent-Marke durchbrach.

Wo hat das Team in den letzten Jahren mehr Leistung gefunden?

In den vergangenen fünf Jahren hat sich das Team alle Bestandteile des Motors genau angesehen, um mehr Performance und eine bessere Effizienz zu erreichen. Ein Bereich, an dem das Team viel gearbeitet hat, war zum Beispiel der Durchfluss von Gasen durch den Motor - sowohl in Form der Verbrennungsluft, die in den Motor eingespeist wird, als auch bei den Auspuffgasen, die diesen wieder verlassen.

Beim Einlasssystem stellte der Luftsammler ein entscheidendes Entwicklungsgebiet dar. Er sitzt an der Spitze des Motors zwischen dem Ladeluftkühler und den Einlassventilen. Die beiden Luftsammler, einer pro Zylinderbank, halten die Druckluft, die aus dem Kompressor kommt, und sorgen für eine stabile Quelle an verdichteter Luft, selbst bei unterschiedlicher Versorgung (anlässlich verschiedener Verdichterdrehzahlen) und Bedarf (ein Motor im Leerlauf benötigt weniger Luft als ein Motor unter Volllast).

Aus dem Sammler wird die Luft durch verschiedene Einlasssysteme in die Zylinder geleitet. In der Saison 2014 schrieb das Reglement ein fixes Geometriesystem für den Luftsammler vor. Dabei ließ es wenig Raum für Performanceverbesserungen. Diese Regel wurde für die Folgesaison geändert, sodass die Ingenieure neue Wege einschlagen konnten.

Dadurch verdoppelte sich nicht nur die Größe der Luftsammler, sie beinhalten jetzt auch ein viel komplexeres Trompetensystem. Diese Schächte in Form von Trompeten sind unterschiedlich lang und entsprechend dadurch der passenden Länge für die Motordrehzahl. Auf diese Weise helfen sie damit, die Menge an Luft, die in den Motor eingespeist wird, zu maximieren. In der Saison 2015 wurden aus den Trompeten eher Posaunen.

Nun gleitet die Einlasstrompete auf und ab und verändert bei jeder Bewegung die Länge des Einlasssystems. Dadurch kann das Trompetensystem samt des Luftflusses an die Drehzahl des Motors angepasst und so die beste Länge für die unterschiedlichen Umdrehungen pro Minute bestimmt werden, um die beste Leistung zu erzeugen.

Ein Teil dieser Evolution lässt sich sogar von außen erkennen: Seit dem Jahr 2015 wuchs die Größe der Luftsammler jedes Jahr stetig an, sodass Kohlefaserteile die Länge des Motors erhöhten und rund um die Motorabdeckung sogar aus dem Bodywork herausstehen. Deshalb kann man an jeder Seite der Motorabdeckung kleine Höcker erkennen.

Hat das Team noch auf eine andere Weise am Gasfluss im Motor gearbeitet?

Ein weiterer Bereich, in dem es große Verbesserungen gegeben hat, ist das Auspuffsystem. Seine Form, Länge und Durchmesser haben einen enormen Einfluss auf die Motorleistung. Je schneller die beim Verbrennungsprozess entstandenen Auspuffgase aus der Brennkammer befördert werden können, desto schneller kann der neue Brennzyklus beginnen.

Andy Cowell

Andy Cowell ist bei Mercedes verantwortlich für die Motorenabteilung

Foto: LAT

Im Jahr 2014 verwendete das Team ein leichtgewichtiges Auspuffsystem, das auf den kürzesten Weg vom Zylinderkopf bis zur Turbine des Turboladers setzte. Dieses System hatte zwei Vorteile: Es verursachte nicht viel Gewicht und die kurzen Rohre sorgten dafür, dass auf dem Weg zur Turbine des Turboladers und der MGU-H nicht viel Hitze verloren ging. Im Jahr 2015 führte das Team jedoch ein komplexeres System ein, das dabei half, die Leistung des Motors zu erhöhen.

In diesem verbesserten Auspuff waren die Hauptrohre (die sechs Rohre, die direkt vom Zylinderkopf wegführen) gleich lang, aber das Sekundärrohr war länger, was die Leistungskurve und die Leistungsabgabe des Motors veränderte. Seitdem hat das Team in jedem Jahr ein neues Auspuffsystem eingeführt, um jedes Mal mehr Leistung aus dem Motor herauszuholen.

Auf welche anderen Gebiete hat sich das Team sonst noch konzentriert?

Ein weiteres Gebiet, auf dem das Team Fortschritte erzielt hat, sind die verwendeten Materialien. Große Teile des Motors bestehen aus Metall (zum Beispiel der Zylinderkopf, der aus Aluminium gefertigt wird), allerdings schreibt das Reglement nicht immer genau vor, welche Metalle verwendet werden müssen. Entsprechend kann die Auswahl der richtigen Legierung und der richtigen Komponenten großen Einfluss auf die Zuverlässigkeit und die Leistung des Motors haben.

Gleichzeitig arbeitet das Team auch ständig an der Reduzierung von Reibung. Reibung kostet Leistung, während die Energie als Wärme abgegeben wird. An dieser Stelle spielen die Schmiermittel von Petronas eine wichtige Rolle, da der Ölfilm zwischen den belasteten Komponenten die Reibung verringert und dadurch die Leistung steigert. Zur gleichen Zeit reduziert er aber auch die Abnutzung und verbessert dadurch die Zuverlässigkeit.

Auch der Transport des Öls an jene Stellen des Motors, an denen es benötigt wird, ist ein wichtiger Entwicklungsbereich. Der Motor wird enormen G-Kräften ausgesetzt, die beim Bremsen, Beschleunigen oder der Kurvenfahrt die vier- oder fünffache Erdbeschleunigung erreichen können.

Damit das Öl jede Komponente erreicht, die es braucht, es gleichzeitig aber auch wieder aus dem Motor herauskommt, wird ein sehr komplexes Absaugsystem benötigt. Am unteren Ende des Motors befinden sich etwa zehn Ölpumpen, die Öl aus dem Zylinderkopf und der Kurbelwelle sowie einigen anderen Bereichen ziehen, um sicherzustellen, dass der Öltank niemals trocken ist.

Welche Rolle spielt der Kraftstoff bei der Jagd nach Performance?

Das Benzin kommt im Herzen des Verbrennungsprozesses zum Einsatz und hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung des Motors. Das Reglement schreibt vor, dass der Kraftstoff bleifrei sein muss. Dadurch ist er wie das Benzin in einem Straßenfahrzeug.

Benzin

Formel-1-Autos könnten auch mit handelsüblichem Benzin fahren

Foto: Sutton

Kann man eine Power-Unit also potenziell mit normalem Sprit für ein Straßenauto von der Tankstelle betreiben? Man könnte es, aber es würde einige Veränderungen an der Kalibrierung nach sich ziehen, zum Beispiel bei der Zündung. Man würde auch einen spürbaren Leistungsverlust feststellen. Warum? Weil der Sprit, den das Team verwendet, in den vergangenen acht Jahren speziell für die Mercedes-Power-Unit entwickelt und feingetunt wurde.

Eine Gruppe von Petronas-Ingenieuren arbeitet kontinuierlich an der chemischen Zusammensetzung des Kraftstoffs, um sicherzustellen, dass dessen Charakteristiken den Anforderungen des Motors entsprechen. Diese Entwicklungsarbeit wird in enger Zusammenarbeit mit den Thermodynamikingenieuren von HPP geleistet.

Wie lange dauert es, eine Formel-1-Power-Unit zu bauen und wie sieht der Prozess aus?

Power-Units sind komplexe Maschinen. Mit der Leistung stieg aber auch die Komplexität. Im Jahr 2014 benötigten zwei Personen rund zwei Wochen, um eine Power-Unit zu bauen. Fünf Jahre später würde diese Aufgabe mit der gleichen Anzahl an Personen drei Wochen dauern.

Aus diesem Grund musste das Team in Brixworth versuchen, diesen Zeitraum zu verkürzen, damit es durch den Montageprozess keine wertvolle Entwicklungszeit verliert. Deshalb arbeiten nun mehr Leute an der Montage der Power-Units. Somit dauert es weiterhin zwei Wochen, um eine PU zusammenzubauen, allerdings ist dabei mehr Personal in den Prozess eingebunden.

Mit Bildmaterial von LAT.

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