F1-motoren: buitencategorie techniek deel 1
Door Ramses Bossuyt, 6 April 2005
De vorige technische feature bracht een inleiding tot de automotor. Maar in de koningsklasse van de autosport, komen we geen doodgewone motoren tegen, maar pure technische klassestaaltjes, die sterk verschillen van de blokken die zich onder de motorkap van onze wagens bevinden. Deze feature zal dieper ingaan op de verschillen tussen de F1-motor en de alledaagse automotor.
De regels bepalen in grote mate hoe de huidige F1-motoren eruit zien. De FIA dicteert dat een F1-motor een 4-takt 10-cilinder motor moet zijn met een cilinderinhoud van maximaal 3 liter. Het moeten atmosferische motoren zijn, d.w.z. dat ze niet voorzien mogen zijn van enige vorm van drukvulling, bv. een turbosysteem. De doorsnede van de cilinders moet cirkelvormig zijn, het maximum aantal kleppen per cilinder is 5. Krukas en nokkenassen mogen enkel uit staal of gietijzer vervaardigd zijn en de andere onderdelen mogen niet uit koolstofvezel of gelijkaardige composieten geproduceerd zijn. Er zijn nog wat andere regels, maar daar zullen we in deze feature niet op ingaan.
Dit resulteert in volgende naakte cijfers. Een huidige F1-motor braakt rond de 900 pk uit. Het vermogen van sommige topmotoren zou zelfs rond de de 930 of zelfs meer paarden liggen. Dit seizoen zul je enkel V10’s met een cilinderinhoud van 3 liter onder de motorkap van de F1-wagens vinden. Ze draaien zonder probleem 19.000 toeren en sommigen flirten met de magische 20.000 tpm-grens. Hun stationair toerental ligt rond de 4.000 tpm. In vergelijking met een doordeweekse benzinemotor met een het maximum toerental van 6.500 tpm en een stationair toerental rond de 900 tpm, is dit een wereld van verschil. Ook qua brandstofverbruik scheren F1-motoren hoge toppen. Gemiddeld jagen zij er 70 liter door per 100 km, een gevolg van hun hoge toerentallen en hun sportieve inborst.
Waarom draaien F1-motoren op zo’n waanzinnig hoge toerentallen? Een F1-wagen moet zo snel mogelijk kunnen accelereren en hoge topsnelheden halen. Hiervoor moet zijn motor veel vermogen produceren. Hoe hoger het toerental, hoe meer vermogen een motor kan produceren. Als we de wetenschappelijke boeken ‘ns van onder het stof halen, dan vinden we hierin dat vermogen een uitdrukking is voor de arbeid per tijdseenheid. Bij een hoger toerental doen er zich meer arbeidsslagen per seconde voor, vandaar dat het vermogen dan hoger is. Echter een hoog toerental is niet iets dat men gratis aangeboden krijgt. Om de hoge toerentallen die F1-motoren draaien te bereiken moeten de ingenieurs veel moeite en veel kosten doen. Hoe hoger het toerental, hoe groter de inertiekrachten die op de bewegende onderdelen van de motor inwerken. De inertiekrachten kunnen echter verlaagd worden door lichtere (lees: duurdere) materialen te gebruiken. Langs de andere kant kunnen de ingenieurs ook sterkere onderdelen en sterkere materialen gebruiken die hogere inertiekrachten aankunnen, waardoor het toerental verder opgedreven kan worden. Ook op vlak van de motorlay-out kunnen de ingenieurs de inertiekrachten beïnvloeden. F1-motoren hebben namelijk een erg korte slag van de zuiger, waardoor de inertiekrachten beperkt blijven.
Een andere reden waarom F1-motoren zich op hun gemak voelen bij deze waanzinnig hoge toerentallen, is dat deze motoren niet lang moeten meedraaien. De laatste jaren is er op dit vlak een enorme storm door de reglementering gevlogen. Vroeger moest een F1-motor enkel een hele race of een hele kwalificatiesessie meegaan. Tegenwoordig moeten ze het twee weekends uithouden. Dit betekent dat deze motoren ontworpen zijn om ongeveer 1.500 km lang probleemloos mee te gaan. Echter dit is een peulschil vergeleken met de 250.000 tot 300.000 km die onze automotoren uithouden. Het is dus begrijpelijk dat een F1-motor makkelijker tot het uiterste gedreven kan worden.
Zoals steeds bepaalt het gewicht de prestaties van de wagen meer dan dat het vermogen van de motor dit doet. Zodus investeren de renstallen niet enkel hopen geld in sterkere en lichtere materialen voor de bewegende delen van de motor, maar ook voor de niet bewegende delen. Al deze lichte materialen, samen met een compact gebouwde motor zorgen ervoor dat het leeggewicht van een moderne F1-motor minder dan 100 kg bedraagt. Niet alleen het gewicht van de motor op zich is belangrijk. Hij moet liefst ook een laag zwaartepunt hebben en niet te hoog zijn, zodat hij zo laag mogelijk in de wagen gemonteerd kan worden. Dit bevordert namelijk in sterke mate ook de wegligging van de wagen. Renault gebruikte tot en met 2003 om deze reden een V10 met een brede V-hoek van 111°. Een laag zwaartepunt is ook een van de motieven waarom F1-motoren een droog carter systeem gebruiken. Bij onze dagdagelijkse wagen (tenzij u de eigenaar bent van een sportwagen) wordt de motorolie onderaan opgevangen in het carter, dat als oliereservoir dient. Bij een droog carter systeem dient het carter niet meer als oliereservoir, maar is er een apart oliereservoir op de motor gemonteerd. Bij een F1-motor is dit het frietzakvormig reservoir dat op bovenstaande figuur te zien is. Het voordeel van een droog carter systeem is dat de motor minder hoog is en dus compacter, en het oliesysteem hogere g-krachten aankan.
Net als een gewone automotor zijn F1-motoren voorzien van waterkoeling. Echter een F1-motor maakt gebruik van twee iets kleinere radiatoren die in de sidepods ondergebracht zijn. Naast de radiatoren voor het koelwater, herbergen de sidepods ook radiatoren om de motorolie te koelen. 
De reden waarom F1-motoren kleinere radiatoren gebruiken is om de drag (zie features over aërodynamica) te reduceren. Vandaar ook dat het ingangskanaal van de sidepods divergerend is, net zoals een diffuser, om de snelheid van de inkomende lucht wat te verlagen. Een lagere luchtsnelheid reduceert ook de drag. Deze luchtsnelheid mag ook weer niet te laag zijn, want dan is er onvoldoende koeling. Nadat de lucht door de radiatoren gestroomd is, brengen speciaal ontworpen kanalen in de sidepods deze terug op snelheid, zodat deze zonder al te veel turbulentie gemengd kan worden met de buitenlucht. De manier waarop deze warme lucht terug in de luchtstroming gebracht wordt, is erg belangrijk voor de aërodynamische efficiëntie van de wagen, zeker met betrekking tot de achtervleugel. De aëro-ingenieurs kunnen door op een slimme manier gebruik te maken van deze warme lucht, de downforce van de achtervleugel en de vleugeltjes op de sidepods verhogen. De meeste teams opteren daarom voor een schoorsteen-uitlaat (soms in combinatie met enkele rooster uitlaten), zoals naaststaande foto duidelijk maakt.
Een ander verschil met een automotor is dat radiatoren van een F1-wagen niet voorzien zijn van een ventilator. Dit extra gewicht hebben ze ook niet nodig, aangezien de snelheden waarmee de F1-wagens rondjes afhaspelen voldoende groot zijn. Echter wanneer de wagens te lang achter de safety-car moeten rijden, is er te weinig koeling, waardoor koelwater en motorolietemperatuur hoog kunnen oplopen, met alle gevolgen vandien voor de betrouwbaarheid van de motor. Vandaar dat de teams voor de start ventilatoren voorzien van enkele zakjes ijs aan de ingang van de sidepods plaatsen om zo de temperaturen van de radiatoren extra laag te houden.
Om het lezen van deze features niet te langdradig te maken, onderbreken we hier even ons verhaal. In de volgende technische feature zullen we het verhaal over de vele verschillen tussen de F1-motoren en de motoren die ons dagelijks vervoeren verder uit de doeken doen.
Facebook
NuJij
eKudosF1 merchandise
Een hele winkel vol F1 modellen en spullen tegen scherpe en interessante prijzen. Kom zeker eens kijken!