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fachreferat

Von Pia Vogel

Formel 1 motoren

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Inhaltsangabe

Allgemeine Details

Aufbau

Entwicklung 1950 - 2021

Vergleich

Fazit

Fortschritte

1

Allgemeine details

Grundsätzliches über Formel 1

Grundsätzliches

10 Teams mit je 2 Autos

2021: 4 Motorhersteller vertreten (Renaut, Honda, Ferrari, Mercedes-Benz)

Jedes Jahr neue Regeln, die Rahmenbedingungen festlegen

2

entwicklung

1950 - 2021

1950 - 1988

1

2

3

4

1950er

1960er

1970er

1980er

  • Nicht identisch und noch kein allgemeines Regelwerk
  • Einführen erster Motorkonzepte

  • Rückschritt durch Regelwerk
  • Dann von V4 bis V12 Motoren alles vertreten

  • Überwiegend Cosworth V8 Motoren
  • 1977: Renault verbaut erstmal Turbolader

  • Überwiegend V6 Motoren mit Turboladern
  • Mitte der 80er von BMW 1430 PS

1989 - 2021

5

6

7

8

1989 - 1995

1996 - 2005

2006 - 2013

2014 - 2021

  • Verbot der Turbolader wegen schlechter Sicherheitsstandarts
  • Wiederverwendung des Cosworth V8

  • Begrenzung des Hubraums und auf V10 Motoren
  • Drehzahl stieg enorm an

  • Einführen einer Drehzahlobergrenze
  • Begrenzung auf V8 Motoren, 2,4 l Hubraum
  • Einführung des kinetic energy recovery systems (KERS) in 2009

  • Begrenzung auf V6 Hybridmotoren
  • Wiedereinführung des Turboladers
  • MGU-K und MGU-H erstetzen KERS

Motorenvergleich

V12: 1995; 700 - 760 PS; 3 l Hubraum; 132 kg
letzter benutzter V12 in F1




V10: 2002; 820 - 900 PS; 3 l Hubraum; ca. 95 kg
sehr erfolgreicher Motor




V8: 2006; 747 PS; 2,4 l Hubraum; 95 kg
Hondas erstes eigens Team seit 1968




V6: 2015; ca. 700 PS; 1,6 l Hubraum; 145 kg
Hondas erster Fromel 1 Motor seit 2008

2021 Motor

  • Power Unit (PU) besteht aus sechs Bauteilen
  • 1,6 Liter V6 Turbo-Hybridmotor
  • Drehzahl von max. 15 000 U/min
  • Treibstoff: bleifreies Benzin; erneuerbarer Inhalte im Benzin 5,75 %
  • 110 kg Benzin pro Rennen Verbrauch von > 40 l auf 100 km
  • Einspritzsystem:
    • Direkteinspritzung mit max. 500 bar
    • nur eine Einspritzdüse
    • je zwei Ein- und Auslassventile
  • Entzündungssystem: Einfunken-Zündung druch eine Zündkerze
  • PU muss mindestens 150 kg wiegen
  • Wirkungsgrad über 50%
  • PS: - Mercedes: 1015 - 1044
- Honda: 1014 - 1027

- Ferrari: 995 - 1010
- Renaut: 1000 - 1005
  • ca. 1 Mio. € bei eigener Herstellung

3

Aufbau

2021-PU

Aufbau

Konzeptmotor

Renault 2021
V6 Motor

Internal Combustion Engine - ICE

  • "Herz der PU"
  • 1,6 l – V6 Verbrennungsmotor
  • Liefert ca. 700 PS
  • Verbindet Chassis mit Getriebe
  • Drei Komponente pro Saison
  • Funktionsweise (erfolgt wie bei Straßenfahrzeugen):
    • Verbrennungsluft durch Lüftungskanal in Motor geleitet
    • Direkteinspritzung des Benzins in Brennkammer
    • Mischung vom Kolben verdichtet und von Zündkerzen entzündet
    • Kolben geht nach unten durch Explosion
    • Kolben treibt über Pleuelstange Kurbelwelle an
    • Kolben wieder hoch, öffnen der Auslassventile
    • Bis zu 15.000 Mal pro Minute (250 Mal pro Sekunde)


Turbocharger - TC

  • Turbolader („Turbo“)
  • 1977 - 1988 in Formel 1 vertreten
  • Drehzahl auf 125.000 U/min beschränkt
  • Drei Komponente pro Saison
  • Energie-Rückgewinnungssystem, welches mit MGU-H verbunden ist
  • Soll Wärmenergie des Abgases gewinnbringend nutzen
  • Funktionsweise:
    • Über Einlassbereich gelangen heiße Abgase zum Turbinenrad
    • Dort thermische in kinetische Energie umgewandelt
    • Verdichterrad wegen Welle mit selber Geschwindigkeit und saugt deswegen Frischluft von außen an
    • Luft in Verdichtergehäuse verdichtet und in einzelne Kolben geleitet
    • Steigert somit Leistung und Effizienz des Motors
  • Probleme:
    • entstehen eines "Turboloches"
    • Verdichtete Luft von Kompressor erhitz sich zu stark

Motor Generator Unit-Heat - MGU-H

  • Motor Generator Einheit – Hitze
  • Drei Komponente pro Saison
  • Eines von zwei Rückgewinnungsaggregaten im Hybridteil des Motors
  • Direkt mit Welle des Turboladers verbunden
  • Somit auch auf 125.000 U/min beschränkt
  • Steuert Geschwindigkeit des Turboladers
  • Durch Einführung praktisch kein Turboloch mehr
  • Wandelt abgegriffene Hitzeenergie aus Abgas in elektrische Energie
  • Energie betreibt entweder MGU-K, Turbolader oder wird gespeichert
  • Keine Vorgabe für mögliche umgewandelte Energiemenge
  • Kann maximal 2MJ an Batterie pro Runde abgeben
  • Komplizierter Vorgang und sehr teure Herstellung
  • Seit 2017 Abschaffung in Diskussion (2025/26)
  • Abschaffung soll neue Motorhersteller anlocken

Motor Generator Unit-Kinetic - MGU-k

  • Motor Generator Einheit – Kinetisch
  • Drei Komponente pro Saison
  • Zweites Rückgewinnungsaggregat im Hybridteil des Motors
  • Drehzahl auf 50.000 Umdrehungen die Minute beschränkt
  • Wandelt beim Bremsen "überschüssige" Wärme der Reifen/Bremsen um
  • Gibt Energie beim Beschleunigen an Kurbelwelle ab
  • Komplizierterer Vorgang als bei MGU-H
  • Kann maximal 2MJ pro Runde produzieren
  • Kann maximal 4MJ pro Runde abgeben
  • Verlustausgleich durch MGU-H
  • Energie speicherbar in Batterie
  • Bremst beim Bremsvorgang zusätzlich zu Bremsen Hinterräder ab

Energy Store - ES

  • Energiespeicher
  • Lithium-Ionen-Batterie
  • Zwei Komponente pro Saison
  • Speichert elektrische Energie von MGU-K und MGU-H
  • Kann MGU-K und MGU-H antreiben, wenn nötig
  • Festgelegt, wie viel sie aufnehmen und freigeben kann
  • Nicht festgelegt, wie viel sie insgesamt speichern kann
  • Gibt ca. 300 PS extra für ca. 30 sek pro Runde
  • Muss zwischen 20 - 25 kg wiegen

Control Electronics - CE

  • Kontrollelektronik
  • Steuert und kontrolliert alle fünf anderen Bauteile
  • zwei Komponente pro Saison
  • Teilweise direkt bei Batterie positioniert
  • Endgültige Positionierung bei jedem Team individuell
  • Mit Lenkrad verbunden
  • Überhitzungsgefährdet -> eigener spezieller Wasserkühlkreislauf

4

vergleich mit "normalen" Motoren

- Verbrennungsmotor

- Hybridmotor

Vergleich Reiner Benzinmotoren

Formel 1 Motor 2021

M276-Motorreihe

  • Zylinder: V6
  • Zylinderbankwinkel: 60°
  • Viertaktmotor
  • Hubraum: 3/3,5 l
  • 248/401 PS
  • Drehzahl: 5000 - 6500 U/min
  • Treibstoff: Benzin
  • Effizienz: ca. 30 - 35 %
  • Direkteinspritzung mit 200 bar
  • Gewicht: 170 - 180 kg
  • Lebensdauer: 100.00 - 200.00 km

  • Zylinder: V6
  • Zylinderbankwinkel: 90°
  • Viertaktmotor
  • Hubraum: 1,6 l
  • 700 PS
  • Drehzahl: max. 15 000 U/min
  • Treibstoff: Benzin
  • Effizienz: >50%
  • Dirketeinspritzung mit max. 500 bar
  • Gewicht: min. 150 kg
  • Lebensdauer: 5.000 - 10.000 km

Vergleich Verbrennungsmotoren

Formel 1 Motor 2021

e:HEV-Hybridsystem


  • Zylinder: R4
  • Hubraum: 1,5 l
  • 107 PS
  • Drehzahl: 6000 U/min
  • Treibstoff: Benzin
  • Spritverbrauch: 4,2 - 6.2 l auf 100 km

  • Verbrennungsmotor ist "primäre Antriebskraft"
  • Zylinder: V6
  • Hubraum: 1,6 l
  • 700 PS
  • Drehzahl: max. 15 000 U/min
  • Treibstoff: Benzin
  • Spritverbrauch: 40 l auf 100 km

Vergleich Elektromotoren

Formel 1 Motor 2021

e:HEV-Hybridsystem

  • ein Elektromotor, ein Generator

  • Elektromotor ist "primäre Antriebskraft"
  • 131 PS
  • Lithoim-Ionen-Batterie: 0,9 kWh

  • zwei Elektomotoren (MGU-H, MGU-K), die zeitweise als Generatoren fungieren

  • ca. 300 PS
  • Lithium-Ionen-Batterie: 2,0 kWh

5

Technische Fortschritte/ Entwicklungen

Durch die Formel 1 auf den Serienmarkt

Fortschritte

Motoreffizienz

Sprit

Weniger Gewicht

  • "Je leichter, desto schneller"
  • Investigation in Forschung für neue Materialen
  • Aluminium, Carbon und Fiberglas

  • Spritverbrauch senken:
    • Formel 1 hat festgelegte Menge an Benzin, die pro Rennen genutzt werden darf
    • Verschiedene Rennsituaion, in denen mehr oder weniger Sprit benötigt wird
    • Dafür höher Effizient nötig, die sich steuern lässt
  • Emissionen verringern:
    • Zusammensetzung des Benzins
    • Verbrennungsprozess

  • 2013: F1-Motoren bei ca. 20 % Effizienz
  • Forschungen in Bereichen wie Gasfluss im Motor, Reibungsminimierung, Kühlungssysteme und mehr
  • Übernehmen mancher Entwicklungen für Serienautos

Entwicklungen

MGU-H

Energierückgewinnungs-system

Turbolader bei Ferrari

  • Ferrari gewinnt 1982 & 1983 Konstrukteursweltmeisterschaft
  • Anschließend Einführung der Turbotechnik für Straßenautos
  • Zwei Jahre später bereits große Entwicklungsschritt wie z.B. Twintubor
  • Nach 1989 kaum noch Turbolader
  • Ab 2014 wieder Entwicklung mit Turboladern

  • Stellt in ursprünglicher Form technische Basis für Rekuperation
  • Heute in vielen Hybrid- und E-Autos verwendet
  • Findet aber auch Verwendung bei Verbrenner

  • Mercedes entwickelt daraus Abgasturbolader mit integriertem Elektromotor
  • Turbolader wandelt auch Wärme vom Abgas in nutzbare Energie um
  • Eingebauter Elektromotor verhindert Turboloch


FAZIT

Danke Für Eure Aufmerksamkeit

end ceremony