Двигатели машин Ф1 используют бензин в качестве топлива. Топливо Ф1 не может содержать составы, которые не содержаться в коммерческом бензине, в отличие от спиртосодержащего топлива, используемого в американских гоночных сериях с открытыми колесами. Смеси настраиваются для максимальной отдачи в текущих погодных условиях или на определенных трассах. В течение периода истории, когда команды были ограничены определенным объемом топлива в течение гонки, использовались экзотические высокоплотные топливные смеси, которые были тяжелее чем вода, так как энергоёмкость топлива зависит от его массовой плотности .Большинство команд получает топливо бесплатно от технических партнёров, как правило это крупные мировые производители. Топливо (в данном случае бензин) это жидкость которая смешивается с воздухом внутри цилиндра для того чтобы обеспечить сгорание и последующие мощное расширение в цилиндре. Чем лучше топливо распределяется в камере сгорания и чем более энергоёмкие частицы содержаться в см3 топлива тем большую мощность оно может выдать при том же количестве или тем выше будет экономия топлива.
Было бы слишком легко если бы не было никаких ограничений. Ограничения ФИА накладываются на октановое число, содержание кислорода и азота и плотность. Бензин не может содержать компоненты которые не содержаться в коммерческом бензине. Требования к коммерческому бензину установлены постановлением Европейского парламента по бензину в 2000 году. Благодаря математическим моделям позволяющим определить итоговую мощность и конечные характеристики бензина, топливо может быть изменено для повышения мощности болидов в в рамках ограничений установленными ФИА.
Чтобы удостовериться что, команды и поставщики топлива не нарушают топливные ограничения, FIA требует, чтобы Эльф, Shell, и другие поставщики топлива предоставляли образец топлива, который они собираются использовать в гонке. В любое время, инспекторы FIA могут запросить образец топлива и сравнить "отпечатки пальцев" топлива используемого по ходу гонки с образцом который был предоставлен поставщиком топлива. Команды обычно соблюдают это правило, но в 1997, Мика Хаккинен был лишен третьего места в Spa-Francorchamps в Бельгии после того, как FIA обнаружило, что химический состав топлива не соответствует правилам.
В годы основания Ф1 смеси создавали химики. Они создавали агрессивные смеси из таких веществ как бензол, метанол, ацетон и нитробензол, некоторые из этих смесей должны были удаляться из двигателя немедленно после тестов или гонок. Без этой предосторожности двигатели просто не пережили бы ночь. Позже вплоть до конца 60-х годов использовался керосин до тех пор пока список допустимых добавок не было значительно сокращен решением ФИА ."для безопасности пилотов и механиков".
К концу 70-х правила разрешали использование высокооктанового бензина, продаваемого во Франции Италии Германии и Англии. Бензин с октановым числом 101 был доступен на европейских заправочных станциях и его октановое число могло быть повышено до 102. Когда этот тип бензина перестал открыто продаваться, поставщикам команд было разрешено создавать топливо специально под эту категорию. В результате топливо стало более сложным и сильно отличалось от коммерческого бензина.
В 80-е ограничение на октановое число 102 сохранялось и ограничения теперь коснулись содержания кислорода и азота (до 2% для обоих веществ) По прошествии времени были наложены новые ограничения, такие как давление паров, плотность содержание бензола и этила. Вплоть до начала 90-х Топливные компании экспериментировали с более чем 300 смесями за сезон.
В 1992 ФИА запретила использование в топливе любых компонентов, которые не содержаться в коммерческом бензине. Начиная с 1993 года и по сегодняшний день разрешено использование только неэтилированного бензина марки "супер" соответствующего стандартам ЕС.
Целью создания топлива является получение наибольшей мощности от двигателя с сохранением надёжности и с учётом расхода топлива.
На первом этапе проводится компьютерное моделирование при этом база данных работает более чем со 100 образцами сырья для получения экспериментального бензина. В поиске наилучших смесей высокого уровня мощности позволяющего выиграть критически важные доли секунды инженеры могут даже "сжечь" виртуальный бензин, без создания реальных образцов топлива. Некоторые команды развили компьютерные технологии так что даже могут проверить виртуальный бензин в виртуальном двигателе. Эта математическая модель позволяет отслеживать работу двигателя с различными видами топлива и физико-химических свойств сырья.
Второй этап включает создания маленьких партий различных типов экспериментального бензина и тестирование в лаборатории на соответствие регламенту. Затем образцы топлива проверяются в двигателе для определения мощности и уровня расхода топлива. После отбора типов топлива которые должны быть наиболее эффективны для двигателя команды, проводятся испытания надёжности на динамометре и на трассе. Как только тип топлива выбран его образец отправляют в Англия для проверки и утверждения ФИА.
Топ команды работая с поставщиками используют приблизительно 3600 литров топлива, 200 литров машинного масла, 180 литров масла для коробки передач, 80 литров гидравлической жидкости, 20 литров хладагента и нескольких килограммов жира за гонку. За 5 дней до гонки инженеры уже находятся на месте проведение гонки и проверяют наличие топлива а также проверяют хромотографическое и спектрометрическое оборудование необходимое для диагностики двигателя. По окончании гонки все неиспользованные продукты возвращаются поставщику.
Как уже было сказано ранее гоночное топливо Ф1 должно содержать те же компоненты что и обычное топливо. Все различия определяются пропорциями различных компонентов. Из-за этих ограничений углеводородные компоненты могут быть разделены на две основные категории:
Предельные
углеводороды(Parаffin), алканы. Данный класс углеводородов содержит в составе молекулы достаточное количество атомов водорода для насыщения атомов углерода. Парафины содержат прямые или разветвленные молекулярные цепочки с простыми углерод-углеродными связями. Алканы имеют общую формулу CnH2n+2. Бензиновая фракция нефти содержит легкокипящие углеводороды C6-C9, с температурой кипения до 140 градусов Цельсия. Эталонными веществами для определения октаногого числа бензина считаются н-гексан, C6H14 (ОЧ=0) и 2,2,4-триметилпентан, C8H18 (ОЧ=100). Парафины не вступают в реакцию с большинством химических реагентов, но легко окисляются.
Нафтеновые (Naphthenic). Данные углеводороды имеют циклическое строение с простыми связями. Они обладают превосходными свойствами при низких температурах, главным образом используются при производстве смазочных материалов.
Непредельные углеводороды.
У этого класса соединений недостаточно атомов водорода для насыщения атомов углерода, в результате чего образуются кратные углерод-углеродные связи.
Ароматические углеводороды- соединения содержащие бензольное ядро (цикл из шести атомов углерода, содержащий три двойные связи, но не фиксированными между определенными атомами углерода как у циклоалкенов, а равномерно распределенными между всеми шестью). Название класса обязано сильному запаху данных соединений. Главные ароматические соединения: бензол, толуол, стирол.
Диолефины или диеновые- непредельные углеводороды открытого строения, имеющие две двойные связи.
Ацетилен (Acetylene)- представитель класса алкинов- непредельные соединения имеющие одну тройную связь.
Заморозка» разработки двигателей, унификация электронных блоков управления… Технический регламент Формулы-1 становится все жестче, и командам все сложнее сбрасывать доли секунды на круге.
В таких условиях еще важнее кооперация между гоночными инженерами и поставщиками топлива и масел — как, например, между Ferrari и концерном Shell. Всех секретов мне в шелловской передвижной лаборатории на Гран При Италии не раскрыли, но все же…
для каждого этапа Гран При итальянская команда получает бочки с бензином Shell — его для Ferrari делают в топливной лаборатории Shell Global Solutions UK в Торнтоне близ Манчестера (см. АР №5, 2002). Там же, где производят гоночное топливо для всех команд WRC и 24 часов Ле-Мана (в этих сериях Shell является эксклюзивным поставщиком), а также для американской команды Shell-Pennzoil Motorsport серии NASCAR или для мотоконюшни Ducati, участвующей в чемпионатах MotoGP и Superbike.
Разработку спортивных масел и топлива ведут те же люди, которые занимаются рецептурой обычных, товарных продуктов: так выгоднее. Их — не более 50 человек. Но есть и «спецбригада» по Формуле-1 — пять-семь человек выезжают на все Гран При в передвижной лаборатории, «приписанной» к Ferrari. Этот прицеп тянет на звание самого дорогого в мире — оборудования, включая масс-спектрометр, в нем на шесть миллионов фунтов стерлингов!
Впрочем, аналогичные лаборатории есть и у трех-четырех других ведущих команд, а оборудование для анализа топлива стараются иметь даже аутсайдеры. Какие козыри Shell дает Ferrari? Прежде всего, их сотрудничество — давнее: впервые желтая ракушка появилась на комбинезоне Энцо Феррари еще в 1930-х годах, когда он был простым гонщиком команды Alfa Romeo. Потом Shell сопровождал уже самостоятельную Скудерию Ferrari с момента ее основания в 1947 году до начала 80-х годов. Затем был долгий перерыв, после которого, в 1996 году, компания Shell вернулась к Ferrari. Кстати, шелловцы уверяют, что их вовлеченность в разработку и обслуживание гоночных болидов Ferrari гораздо выше, чем в аналогичных связках Elf/Renault F1 или Mobil/Toyota. Но бюджет Шелла примерно в два раза меньше, чем 300 с лишним миллионов долларов в год, которые вкладывает в Формулу-1 концерн Exxon Mobil.
В распоряжении «масляного» отдела есть инфракрасный спектрограф для определения состава жидкости — например, в случае течи: моторное это масло или трансмиссионное? Но основной прибор — спектрометр американской фирмы Spectro, выявляющий наличие, характер и количество продуктов износа в маслах.
Ключевой элемент спектрометра — вращающийся графитовый дисковый электрод. Нижней частью он погружен в пробу масла объемом 2—3 мл, а сверху в него упирается графитовый стержень, заточенный по особому профилю. Между стержнем и диском зажигается электрическая дуга, спектр горения которой зависит от наличия в масле определенных элементов — диагностируется до 32 видов примесей. А интенсивность горения электрической дуги в каждом спектре говорит о количестве посторонних частиц
Shell поставляет для Ferrari все масла, смазки и топливо — только тормозная жидкость используется марки Brembo. Наибольший простор для маневра дает масло: его состав техтребования вообще никак не регулируют. Но о своих наработках в этой области шелловцы рассказывать не спешат — даже индекс вязкости держат в секрете. Не отрицают лишь того, что он заметно выше, чем у самых густых дорожных моторных масел: иначе не обеспечить прочность масляной пленки при скоростях вращения коленвала до 19000 об/мин и при температурах масла до 140 градусов. А с тех пор как в 2007 году в Формуле-1 ввели правило «один мотор на две гонки», роль присадок в масле возросла еще больше.
А главное — важнее стала работа передвижной лаборатории по ранней диагностике состояния агрегатов. Поэтому с этого года для анализа износа двигателя по количеству взвешенных частиц в масле используется новый спектрометр с вращающимся дисковым электродом. Образцы масла из двигателя поступают на анализ каждый раз, когда машина заезжает в боксы во время практики или квалификации — итого до 40 проб за уик-энд. Сам анализ занимает 30 секунд, но обычно делают два замера — и через 5—10 минут информация о состоянии мотора, коробки передач или гидросистемы оказывается у инженеров Ferrari. Кстати, наивысшие требования по чистоте масла предъявляются именно к гидравлической системе — размер взвешенных частиц не должен превышать трех микрон! А после Гран При, уже в стационарной лаборатории, делаются более серьезные анализы.
Другую половину передвижной лаборатории занимает оборудование для анализа топлива. Зачем оно нужно, если состав бензина жестко ограничивается техническим регламентом?
Дело в том, что на самом деле в правилах оговорены диапазоны тех или иных характеристик. Например, октановое число по исследовательскому методу может лежать в пределах от 95 до 102 единиц, а плотность — от 720 до 775 кг/м³. Разница в плотности в 7,5% при столитровом баке автомобиля Формулы-1 — это около 5,5 килограммов. Представляете — только за счет массы топлива можно выиграть до 0,25 секунды на круге?
Внутри трейлера-лаборатории: на левом верстаке — оборудование для экспресс-анализа бензина, на правом — «масляное» хозяйство
Но не все так просто. Как правило, более легкие фракции сгорают менее эффективно. То есть топливо может быть или легким, или «мощностным». Какое выбрать — зависит от трассы, но чаще всего применяются «промежуточные» рецептуры. Кстати, состав масел тоже меняется от трассы к трассе — например, в Австралии смазке приходится работать при влажности воздуха всего 10%, а в Сингапуре — при всех 95%. Но если масло влияет в большей степени на надежность двигателя, то бензин — прежде всего на время прохождения круга.
Искусство смешивания «победного» топлива сродни микрохирургии: в «формульный» бензин может входить до 25 компонентов, в каждом из которых учитывается наличие до 250 химических соединений! Но для простоты их можно поделить на пять категорий в зависимости от «тяжести» фракций. На выбор состава топлива влияет масса факторов: характер трассы, температура и влажность воздуха, предполагаемая тактика дозаправок, вероятность появления машины безопасности… Для скоростных трасс обычно используется большее количество тяжелых, «мощностных» фракций. А для «затычных» автодромов важнее снижение веса топлива и обеспечение плавного разгона с «низов» — в чем помогают легкие фракции.
Но вся работа по созданию топлива ведется в основном в Торнтоне, а образцы топлива для каждой трассы заранее высылаются в FIA. Задача лаборатории на трассе иная: следить за тем, чтобы топливо не вышло за пределы техтребований и не отличалось от высланных ранее в FIA образцов (в частности, по содержанию биодобавок, которых в этом году должно быть не менее 5,25 %).
Этот колоссальный труд не пропадает зря — Shell успешно пользуется гоночной славой в маркетинговых целях. Например, на заправках Shell с 1998 года можно купить топливо V-Power: как говорят сами шелловцы, пакет присадок совпадает с гоночным на 80—90%! Мы, кстати, испытывали российский бензин Shell V-Power c октановым числом 95, купленный в Питере (см. АР №9, 2007). И… ничего не обнаружили. Во всяком случае, прибавки в мощности не заметили.
Что же содержится в тех заветных 10—20% «чисто гоночных» присадок? Или на самом деле дистанция между топливом в бензоколонке и бочках на заднем дворе Ferrari настолько велика?
Эффект того стоит.
Технический регламент «Формулы-1» четко определяет состав жидкости, на которой работают болиды — она на 99 процентов должна состоять из обычного высокооктанового бензина. По идее, в гражданскую машину можно залить немного спортивного топлива — и она поедет (правда, недолго, ведь ее двигатель не рассчитан на повышенную мощность). То же самое произойдет, если «угостить» творение гоночных конструкторов тривиальным АИ-95: техника сдвинется с места, но скорость будет далеко не чемпионской.
Но 1 процент различий вместе с ориентированием под определенный тип техники разительно влияет на поведение автомобиля. Часто разница между несколькими видами гоночного топлива составляет примерно 0,5 на круге — чего уж говорить про сравнения с привычным горючим с АЗС? Потому и стоит иногда бензин для болидов «Формулы-1» огромные суммы, и разрабатывают огнеопасные смеси с не меньшим тщанием, что и сами машины.
Высокооктановые эксклюзивы
Команды с небольшими бюджетами вроде «Форс-Индии» или «Хааса» обычно закупают топливо и смазочные материалы у крупных нефтеперерабатывающих компаний из премиального каталога, но у конюшен-гигантов процесс приобретения горючего отличается. Богатые и крупные коллективов заключают рекламно-партнерские контракты с самыми заметными игроками на рынке. Так «Феррари» в данный момент сотрудничает с американо-нидерландской компанией Shell, «Мерседес» уже несколько лет в альянсе с малайзийцами из Petronas, «Рено» давно работает вместе с Castrol/BP, «Ред Булл» обвешан наклейками Exxon Mobil, а «Макларен» недавно подписал соглашение с бразильцами из Petrobras.
Суть договора с производителями нефтепродуктов заключается не только в официальном брендировании всех горючих и смазочных материалов. Компании из своего штата формируют настоящие лаборатории из 50-70 человек, занимающиеся исключительно обслуживанием партнера из «Формулы-1». Они ведут постоянную работу с разрешенным к изменению процентом состава, экспериментируют с разными смесями и выводят оптимальные присадки для горючего под температурные особенности треков, конструктивные преимущества двигателей и даже пожелания пилотов. Каждый сотрудник подписывает жесткий договор о неразглашении, да и сами производители нефтепродуктов не продадут эксклюзивную горючую формулу конкурентам ни за какие деньги.
Чем занимаются «нефтяные» люди в «Ф-1»
5-7 человек формируют специальную спецбригаду, колесящую по Гран-при в специальном моторхоуме, напоминающем передвижную лабораторию по прозвищу «масляный прицеп». Они приезжают на трассу за пять дней до Гран-при и проверяют правильность поставок горючих материалов. Но главная задача бригады – неустанно следить за составами топлива и смазочных материалов, для чего они за один уик-энд берут более 40 проб в том числе из отработанных жидкостей. Работа по сверке крайне важна, ведь если горючие смеси из болида не совпадут по своим свойствам с заявленными, то пилота ждет дисквалификация.
Каждая команда щедро инвестирует в подобный трейлер или оговаривает его наличие при заключении контракта с партнером: например, моторхоум «Шелл-Феррари» оценивается в целых семь миллионов евро.
Остальная «нефтяная» бригада, приписанная к конюшне «Формулы-1», не прекращает разработку новых химических составов круглый год. Исследования и производство проходят в специальных отдельных лабораториях в условиях строгой секретности — и новые присадки никогда не цедят сразу литрами. Обычно сперва небольшой объем продукта тестируют на миниатюрном моноцилиндровом моторе актуальной спецификации, а затем при успешных результатах новый сорт отправляют в команду, где его заправляют в два стендовых двигателя и гоняют 8 тысяч километров. Если команду устраивают свойства бензина, то уже затем его производят ограниченными партиями по 3600 литров и транспортируют на частном грузовом самолете к месту Гран-при. Всего же на разработку одного вида топлива уходит от двух до трех с половиной месяцев — например, «Феррари» за 2015 год сменила как минимум целых пять различных версий продукции Shell.
Одним из главных аспектов улучшения бензина является не только октановое число или горючие свойства, но и плотность. Она напрямую влияет на массу, и потому при снижении хотя бы на 7,5 процентов (при среднем исходном показателе в 775 кг/м3) болид поедет быстрее аж на 0,25 секунды с круга. В целом специалист компании Shell Алан Вардл признает возможность увеличения отдачи от силовой установки на целых 25 процентов лишь благодаря правильному подбору топливных и смазочных составов.
Огромные затраты
Судя по инсайдам из мира технологичных альянсов, самый большой бюджет на «Формулу-1» закладывает американский партнер «Ред Булл» Exxon Mobil. Его затраты оцениваются почти в 300 миллионов долларов в год — расходы Shell на сотрудничество с «Феррари» и вдвое меньше, если верит слухам. Видимо, именно за счет масштабной работы над топливом «быки» и умудряются иногда побеждать «Мерседес» и «Феррари», несмотря на средний по мощности и надежности двигатель «Рено».
Конечно же, гоночные команды не возмещают все затраты в полном объеме. Обычно их альянс с нефтеперерабатывающими корпорациями основан на рекламно-бартерной основе: конюшни размещают где только можно (в первую очередь на болидах) партнерскую символику и всячески помогают в продвижении производителя бензина. Некоторую часть в зависимости от условий договора команды все же погашают, но остальные расходы нефтяников засчитываются как спонсорская помощь. Еще сюда же входят затраты и на маркетинговую активацию сотрудничества (она может быть разной — например, производство совместных короткометражек, как было у «Макларена» и Mobil 1 в 2013 году).
Самые бедные команды тратят на максимально обогащенное стоковое топливо основных партнеров заводских команд около полмиллиона долларов (на весь сезон), однако самые крутые эксклюзивы, производимые для гигантов «Формулы-1», с учетом затрат на разработку могут стоить во много раз дороже — просто их оплачивают нефтяные компании. Так что, возможно, именно различия в уровне топлива создают внушительную разницу между заводскими и клиентскими командами, а не полумифические «недостаточно мощные спецификации поставляемых двигателей».
Формула 1 — это скорость!
Какое топливо (бензин) заливают в болиды Формулы 1?
Эрик Г. Хольтхузен, объясняет, процесс развития на рынке горюче смазочных материалов для команды Мерседес в Формуле 1. Давайте узнаем какой бензин заливают в болиды Формулы 1?
В настоящий момент для команды Мерседес Ф1, используется топливо компании Петронас (Petronas), который плотнее обычного, что позволяет сэкономить до 20 л в объёме не теряя при этом в производительности.
Прошло чуть меньше тысячи дней, точнее 992, рассказывает Стив Джонсон, руководитель команды, которая занимается развитием эксплуатационных показателей в MAMG-HPP Mercedes AMG High Performance Powertrains в Бриксвордс (Brixworth), между публикацией новых правил Формулы 1 и первой победой болида Mercedes F1 W05 Hybrid в Мельбурне на гран-при Австралии.
Научно-Исследовательский Центр Петронас (Petronas) VILLASTELLONE.
Центр поиска Petronas Lubricants International Villastellone и MAMG-HPP, в четвёртом квартале 2011 года начали совместные эксперименты нового топлива. Они проводили его на модели с одним цилиндром, от будущего V6 PU106A Hybrid (при.авт. так называется двигатель, который установлен на болиде Мерседес 2014 года). Год спустя они уже проводили дальнейшие опыты используя весь двигатель. С начала разработок по 2014 год им пришлось смешать и проверить более 100 марок топлива. За этот период они смогли добиться прироста производительности двигателя в 5%.
Важно! Масло должно быть стабильным.
«Очевидно, что двигатель 1.6 V6 Turbo, меньше чем 2.4-литровый V8, который использовался до конца 2013 года» — рассказывает Эрик Г. Хольтхузен, инженер-механик и главный операционный директор группы Petronas Lubricants International, «и тем не менее его удельная мощность больше чем у его предшественника. Это означает, что он генерирует больше тепла, а это усугубляет задачу для масла. Смазка, не только подвергается более высокой тепловой нагрузке, но и должна подаваться с помощью уменьшенных насосов, которые в свою очередь созданы таковыми, чтобы не повлиять на размер самого двигателя.» Это означает, что стабильность масла становится ещё более важным фактором.
Сфера применения.
Расход топлива ограничен 100 кг в час. Помимо этого, уменьшение количества бензина в течении часа не должно превышать 30% от общего количества. Таким образом в топливе должна быть сконцентрирована высокая плотность энергии. Так же топливо будет иметь дело с высокими температурами в камере сгорания, это в свою очередь увеличивает риск детонации и проблемы связанные с оптимальным испарением в момент движения машины по прямой.
Поиск новых масел.
Всё удалось. Уровень потребления топлива был соблюдён (100 кг топлива на гонку). В плане надёжности, для каждого пилота разрешено использовать только 5 двигателей. При этом каждый элемент двигателя должен отработать по крайней мере 6 гран-при. Испытание новых смазочных материалов для двигателя, производились на соответствующих стендах как в Бриксвордс, так и в Брекли. Эти стенды позволяют проверить их работу в двигателе, без самого двигателя. Поскольку нет никаких ограничений касательно стандартов масла, здесь исследования были гораздо свободнее. Эти исследования в дальнейшем принесут пользу для испытаний масла для обычных автомобилей.
Плотный бензин, экономит 20 л, не теряя мощности
Поскольку регламент устанавливает максимальный вес бензина, который должен находится на борту, инженерам пришлось искать лазейки в плотности. Топливо с большей плотностью, будет занимать меньший объём и это позволит конструкторам создать меньший по размерам бак. По словам Стива Джонсона разница между более плотным топливом и таким же, но с плотностью гораздо меньшей может доходить в объёме до 20 л, т.е приблизительно в 15%. Хороший показатель для Формулы 1, которая очень внимательна к деталям.
Топливо из 30 компонентов.
Чтобы управлять плотностью и гарантировать топливу нужный максимум энергии для 1 кг, химики Петронас работали не покладая рук. Достаточно сказать, что бензин, который заливают в дорожные автомобили состоит из 5 компонентов. А топливо для Формулы 1 формируется от 15 до 30 компонентов. Несмотря на сходство с обычным бензином, топливо для Формулы 1 должно каждый раз соответствовать строгим пунктам правил. При этом оно должно содержать в себе те же самые компоненты из которых в большей мере состоит обычный коммерческий бензин, не прибегая к сложным химическим добавкам, для увеличения мощности.
От трека к дороге
Перенос технологий используемых в гонках на улицы, впрочем является одной из главных целей, которой задалась компания Петронас. Перейти от роли простых спонсоров, к роли технических партнёров одной из самых профессиональных команд Формулы 1, такой как например Mercedes AMG.
