F1-motoren: buitencategorie techniek deel 2
Door Ramses Bossuyt, 3 January 2006
Het is weer een hele tijd geleden dat we de taart van de F1 techniek hebben aangesneden. Vandaag staat er weer een stuk klaar over F1-motoren. De twee vorige features over dit onderwerp kun je hier en hier terugvinden. Zoals het vorige artikel duidelijk maakte, is er een wereld van verschil tussen F1-motoren en de motoren die we in onze wagens terugvinden. Vandaag vervolgen we onze wandeling doorheen de wereld van de F1-motor.
Enkele grote verschillen in ontwerp zijn reeds aan bod gekomen in de vorige feature. Maar laten we ‘ns bij het begin beginnen, het starten van de motor. Als we in onze wagen stappen draaien we aan de sleutel – of drukken we op de startknop als we over een wat hippere wagen beschikken – en niet veel later begint de motor te grommen. Zo eenvoudig gaat het evenwel niet bij een F1-motor. Voordat een F1-motor wakker wordt, moet een team van ingenieurs en mecaniciens een hele startprocedure doorlopen.
Alvorens de F1-motor starten, moet hij voorverwarmd worden om de olie - en in mindere mate ook het koelwater - op temperatuur te krijgen. Als de motor warm genoeg is kan de eigenlijk startprocedure beginnen. De ingenieurs verbinden hun laptop met de motorstuureenheid en laden de juiste sturingskaarten in. Vervolgens moeten ze met een paswoord bevestigen dat de motor gestart mag worden. Dan komen de mecaniciens aandraven met de starter, die eruit ziet als een lange staaf. Deze verbinden de monteurs met de een as van de versnellingsbak (achteraan de wagen). Aangezien de versnellingsbak via de koppeling verbonden is met de motor, kan zo de motor aangedreven worden. Via de starter laten ze de motor een paar minuutjes op een voor een F1 motor laag toerental, zijnde 4000 à 5000 tpm, draaien om de oliesmering volledig op te starten. Wanneer dit gebeurd is, start men de ontsteking en slaat de motor aan. Vervolgens geeft men (via een laptop) enkele korte gasstoten om zeker te zijn dat de olie over de gehele motor verspreid is.
Wanneer de ingenieurs de motor starten voor de race, schakelen ze de paswoord-bevestiging natuurlijk uit, zodat de motor snel gestart kan worden indien de rijder de motor laat afslaan in de pits. In zo’n geval is voorverwarmen en het opstarten van de oliesmering ook niet meer nodig, aangezien de motor nog warm is en de olie nog goed verspreid is over de motor. Zo zie je maar dat het starten van een F1-motor niet even eenvoudig is als het omdraaien van de contactsleutel.
Twee erg belangrijke onderdelen aan een motor zijn de inlaat en de uitlaat. De inlaat bij een gewone benzinemotor bestaat uit de luchtfilter, inlaatbuis, gasklep, en een inlaatcollector die de lucht over de verschillende cilinders verdeeld. Bij een F1-motor begint het verhaal ook met een luchtfilter, maar voor de rest volgt hij het dagdagelijks principe niet. De luchtfilter en feitelijke luchtinlaat is vlak boven het hoofd van de rijder geplaatst zodat de motor voorzien is van een volledig vrije luchtstroom die geen obstakels voor zich heeft. Zoals bovenstaande schets laat zien ziet het inlaatsysteem van een F1-wagen er ‘smurfmuts’-vormig uit, die driehoekige muts is in feite de inlaatkamer en vervangt de inlaatbuis van een gewone motor. In tegenstelling daarmee is een F1-motor niet voorzien van een echte inlaatcollector. De 10 inlaatkelken van de cilinders zitten onderaan vrij in de luchtkamer en zuigen zo de lucht de motor in. 
Elke inlaatkelk heeft zijn eigen gasklep (die wel sterk verschilt van de gasklep uit een dagdagelijkse benzinemotor) en eigen benzine-injector, zoals naaststaande foto verduidelijkt. De inlaatkelken en hun inlaatkanalen zijn kort, maar breed. De reden hiervoor is dat een kort maar breed kanaal idealer is voor hoge toerentallen. Het nadeel is dat het koppel en vermogen in de wat lagere toerentallen hierdoor gecompromitteerd wordt. Vandaar dat F1-motoren voorzien van een systeem dat lengte van de inlaatkanalen van de kelken wat kan aanpassen aan het toerental. Doordat de lucht de inlaat zonder obstakels aan hoge snelheid kan binnenstromen en dankzij een doordachte vorm van de inlaatkamer kan een F1-motor ook profiteren van het zogenaamde ram-effect. Dankzij dit effect ontstaat er een kleine overdruk in de inlaat, waardoor de vullingsgraad van de cilinders verhoogt.
Niet enkel de inlaat, maar ook de uitlaat moeten de ingenieurs doordacht ontwerpen. De uitlaat van een F1-motor is niet zomaar een stel pijpjes waarlangs de uitlaatgassen kunnen ontsnappen. Er komt heel wat meer bij kijken. T.o.v. een gewone wagen hebben F1-motoren het voordeel dat ze niet aan allerhande milieu- of geluidsnormen moeten voldoen. Bij een F1-motor hinderen katalysatoren en geluidsdempers de stroming van de uitlaatgassen niet. Toch kan een F1-uitlaat niet met de natte vinger ontworpen worden. Om ervoor te zorgen dat de uitlaatgasstromen van de 5 cilinders per cilinderrij (4 cilinders in het geval van de V8’s van het komende seizoen) elkaar niet gaan tegenwerken, moeten de uitlaatpijpen van elke cilinder even lang zijn. Het is hierdoor dat F1-motoren van spaghetti-vormige uitlaten (zie foto) zijn voorzien. Net als bij het inlaatsysteem spelen de lengte en de breedte van de uitlaatkanalen een belangrijke rol met betrekking tot de stroming van de uitlaatgassen en de drukpulsen in het uitlaatsysteem. Echter de reglementen van de FIA verbieden enige vorm van variabel uitlaatsysteem. Dus tijdens het ontwerp van het uitlaatsysteem moeten de ingenieurs een compromis sluiten tussen topvermogen in de buurt van het maximaal toerental of voldoende kracht bij de middelhoge toerentallen, hetgeen van belang is bij het accelereren. Aangezien er zeer hete gassen uit de twee uitlaatpijpen ontsnappen heeft de uitlaat van de F1-motor ook een sterke invloed op de aërodynamica van de achtervleugel. Vandaar dat het ontwerp en de plaats van de uitlaatlijn ook voer is voor de ontwerpers van het aërodynamisch pakket van de wagen.
Een F1-motor kost al gauw zo’n ettelijke honderdduizende euro’s. Het duurt 8 tot 10 uren voor de monteurs om een F1-motor op te bouwen. Voordat een F1-motor in een F1-wagen gemonteerd wordt, ondergaat hij nog enkele tests om zeker te zijn dat hij opgewassen is tegen zijn zware taak. Wanneer een F1-motor er in slaagt om twee raceweekends af te leggen, wordt hij volledig gedemonteerd en gereviseerd. Alle onderdelen die versleten zijn of hun geplande loopbaan erop hebben zitten, worden vervangen. Ondanks het ongelooflijk hoog prijskaartje is een F1-motor ontworpen om maar 1500 km mee te gaan, enkele seizoenen geleden zelfs maar voor zo’n 400 km. De reden is dat deze brok hightech zoveel mogelijk kracht moet te leveren en tegelijkertijd zo compact en zo licht mogelijk moet zijn. Daarenboven mag het blok gedurende twee raceweekends tijdens extreme omstandigheden het bijltje er niet bij neerleggen.
De doelstellingen van een F1-motor en een alledaagse automotor zijn dus sterk verschillend. Het is dus ook niet verwonderlijk dat ze van elkaar afwijken wanneer we ze van naderbij bekijken. Een F1-motor is een grote blok hightech, waar we in de laatste twee features in grote lijnen reeds doorgelopen zijn. In de volgende feature zullen we enkele hightech onderdelen eruit halen en ze in detail onder de loep nemen.
Facebook
NuJij
eKudosF1 merchandise
Een hele winkel vol F1 modellen en spullen tegen scherpe en interessante prijzen. Kom zeker eens kijken!