Paul Steenhoff
Alle Formule 1 fans zitten dit weekend aan de buis gekluisterd als Max Verstappen straks met zijn nieuwe Honda-motor startklaar op de grid staat. Anno 2019 zijn die fans al lang geen 100 % petrol heads meer. Een zo snel mogelijke wagen is een slimme combinatie van de beste accutechnologie, efficiënte elektromotoren; en vooruit, bruut vermogen.
Vroeger waren het brute pk’s, dito motoren en lef van de coureur die bepaalden wie als eerste over de finish kwam. Maar er is heel veel veranderd in de F1. Niet alleen wat betreft de veiligheid van de rijder, maar vooral ook onderhuids waar tegenwoordig een hybride aandrijflijn schuil gaat. Het draait dus sinds 2014 om hybride techniek aan boord die wordt samengevat onder de term Energy Recovery System (ERS).
Onder het ERS vallen de MGU-K (Motor Generator Unit Kinetic, red.) en de MGU-Heat. Tijdens het remmen, slaat de MGU-K de energie op die normaal verloren gaat in hitte van de remmen. Een groot deel van die kinetische energie wordt opgeslagen in een batterij. De MGU-K kan net zoals de MGU-H twee kanten op werken: opslag van energie in een batterij of omgekeerd: het leveren van energie. Die opgeslagen elektrische energie wordt gebruikt om de 1.6 liter V6-benzinemotor in de strijd te ondersteunen als dat nodig is. De MGU-K kan naast generator namelijk ook dienen als elektrische motor die direct verbonden is met de krukas en zo de bolide een duwtje in de rug kan geven. De MGU-K produceert maximaal 120 kW wat gelijk staat aan 160 pk. Veel coureurs gebruiken deze extra energie om in te halen waarbij ze de turbulente lucht van hun voorganger het hoofd moeten bieden. Er zijn overigens plannen om de MGU-H weer af te schaffen maar tot het zover is, leggen we de werking uit.
De MGU-H is gekoppeld aan de as van de turbo en kan net als de MGU-K elektriciteit opwekken die opgeslagen wordt in een batterij die de energie ook weer kan vrijgeven. Op volle toeren draait de turbo 100.000 toeren per minuut. Wanneer de auto accelereert, wordt de elektrische energie weer gebruikt om de turbo aan te jagen, wat weer onmiddellijk kracht oplevert waarmee het vroegere turbogat verleden tijd is. De MGU-H kan zijn energie ook rechtstreeks aan de MGU-K leveren.
In de F1-auto bevindt zich slechts één batterij (op Ferrari na, die gebruikte er in het seizoen 2018 twee). Hoewel de elektriciteit van verschillende bronnen afkomstig is, wordt het op één plaats opgeslagen. De batterij is plat en onder de benzinetank geplaatst.
Wat voor batterij er precies in de F1-wagens staat kan Prof.dr.ir Marnix Wagemaker, hoofd van de sectie opslag van elektrochemische energie aan de TU in Delft, niet zeggen gezien de variaties van materialen die in de batterij mogelijk zijn. Wel kan hij de randvoorwaarden schetsen: ‘Allereerst zullen teams zich richten op een batterij die zo licht mogelijk is en een hoge energiedichtheid heeft, oftewel veel Joules per kilo kan bevatten. Op basis daarvan kom je op een Li-ion batterij, echter binnen dat type batterijen zijn er steeds meer varianten van de elektrodes (de plus- en de minpolen) die het lithium opslaan. Waar de eerste generaties Li-ion batterijen lithium/ kobalt elektrodes gebruikten, wordt het kobalt nu gedeeltelijk voor nikkel en aluminium vervangen waardoor de energiedichtheid toeneemt. Maar het zijn de exacte specificaties en eisen voor de F1 toepassing die bepalen welke batterij optimaal is.’
Wagemaker vervolgt: ‘Wat naast gewicht, en dus energiedichtheid, in ieder geval een rol speelt is dat de batterij ook snel veel energie moet kunnen opslaan en weer afgeven als je alleen al kijkt naar de hoeveelheid energie die vrijkomt bij het remmen. Met andere woorden, het lithium moet zich snel tussen anode en kathode kunnen bewegen waarbij het elektrolyt dat zich in de elektrodelaag bevindt normaal gesproken de vertragende factor is. Door die elektrodelaag dunner te maken kan het lithium zich sneller bewegen maar dan verminder je weer de hoeveelheid lithium die opgeslagen kan worden en daarmee de energiedichtheid. Het is dus balanceren met materialen en zoeken naar de ideale samenstelling voor dit specifieke doel.’ Gelet op de uitleg van professor Wagemaker is het dus niet eenvoudig te definiëren wat voor batterij er onder de tank ligt bij een F1-bolide. Het is aannemelijk dat de verschillende teams ook met verschillende batterijen rijden waarvan de samenstelling en gebruikte materialen variëren en stevig onder de pet worden gehouden.
Zoals het zich nu laat aanzien zijn de mogelijkheden tot het genereren en gebruiken van elektrische energie in de F1 zo goed mogelijk benut voor de techniek die we nu in huis hebben. Experts zijn daarom van mening dat verbeteringen gezocht moeten worden in de V6-motor die onder andere het beste moeten zien te halen uit de 105 kg benzine die aan boord is. In het Formule 1-reglement staat dat de benzine die door de F1-bolides verbruikt wordt, alleen gemaakt mag worden van stoffen die ook in de benzine voor een gewone straatauto te vinden zijn. Dat wil niet zeggen dat je een F1 bij jouw tankstation zult treffen. Het blijkt dat voor ieder team de benzine op maat wordt gemaakt door de grootste oliemaatschappijen van de wereld. Zo krijgt ieder team de beste mix voor de auto en omstandigheden van dat moment. Per wedstrijd kan het type benzine dus wisselen. De Fédération Internationale de l’Automobile, aangeduid als FIA, is de waakhond die van alle stoffen die in de benzine zitten, aangeeft wat de minimum- of maximumwaardes mogen zijn. Om dat te kunnen controleren moeten alle teams voor het seizoen én voor iedere race een monster van hun benzinemengsels inleveren, zoals een atleet zijn plasje moet inleveren. Dat mengsel wordt door de FIA getest en gekeurd. De FIA zegt dat zij dat per raceweekend zeker veertig keer doen. Ook het oliepeil van de motoren wordt in de gaten gehouden, aangezien het verbranden van motorolie extra vermogen oplevert.
Lees verder onder de foto
Max Verstappen in zijn nieuwe bolide, de RB15 (copyright: Charles Coates/Getty Images)
Sinds 2017 mogen elk seizoen vijf verschillende mengsels worden gebruikt, waarvan maximaal twee per Grand Prix-weekend. Per race mag een auto maximaal 105 kg benzine meenemen, 5 kg meer dan de jaren ervoor omdat de auto’s zwaarder zijn geworden. De benzine wordt in kilo’s aangegeven en niet in liters, omdat het volume kan variëren door bijvoorbeeld temperatuur. Bij de start van de race zit in de tank van een Formule 1-auto tussen de 135 tot 145 liter benzine. Hoe haal je met deze brandstof het beste uit de 1600 cc V6 turbomotor?
Iemand die dat weet is Ernest Knoors die onder andere voor Cosworth de motoren ontwikkelde voor de Formule 1-teams. Zo maakte Knoors een tocht langs BMW tot Ferrari hem overnam. Uiteindelijk werkte hij zestien jaar in F1 om daarna in de DTM verder te gaan. DTM staat voor Deutsche Tourenwagen-Masters en wordt gezien als de Formule 1 van de toerwagens. Nu verzorgt hij met zijn eigen team MTEK de inzet van twee BMW M8 auto’s in het WEC (World Endurance Championship). De thuisbasis ligt vlakbij München. Knoors: ‘De hoeveelheid benzine die in de formule 1 mag worden verbruikt is gelimiteerd tot 100 kilo per uur en dát is de beperkende factor in de hoeveelheid vermogen die een motor kan opwekken. Kijk, de turbo kan een bijna ongelimiteerde hoeveelheid lucht via de twee inlaatkleppen per cilinder in de motor blazen omdat de maximale turbodruk niet gelimiteerd is. Maar als er te weinig benzine aan de hoeveelheid lucht wordt toegevoegd, krijg je een te arm mengsel of een niet volledig homogeen mengsel. Te arme mengsels hebben de neiging in de verbrandingsruimte van de motor ongecontroleerd te gaan verbranden waardoor je de zogenoemde detonatie krijgt, ook wel kloppen of pingelen genoemd. Even is dat niet erg, maar aanblijvende detonatie zorgt ervoor dat een motor allereerst minder vermogen gaat leveren maar blijft de detonatie aanhouden, dan ontstaat er onherstelbare schade aan de motor. De huidige F1-motoren hebben daarom per cilinder een of meer klopsensoren om die klop te kunnen registreren. Wordt er klop gesignaleerd, dan zal het motormanagementsysteem het ontstekingstijdstip later zetten net zolang tot er geen detonatie meer optreedt. Dit gaat wel ten koste van vermogen maar is essentieel voor de levensduur van de motor.’
In de jaren ’80 is er geëxperimenteerd met klopvaste benzine door er onder andere het gevaarlijke benzeen aan toe te voegen waardoor er uit een motor van normaal 800 pk wel 1.500 pk werd gehaald. Meer recent werd er vanuit het carter motorolie aan het mengsel toegevoegd waardoor extra vermogen werd ontwikkeld. Nu mag het olieverbruik maximaal op 0,6 l per 100 km liggen. De FIA heeft inmiddels vrijwel alle sluipwegen weten dicht te timmeren om ervoor te zorgen dat er gelijkwaardige auto’s aan de start komen die een eerlijke wedstrijd rijden. Knoors meldt dat er bij teams zoals Ferrari zich tussen de 200 en 300 mensen bezighouden met alleen de ontwikkeling van de motor en aandrijflijn.
Voor 2019 luidt het voorstel om de brandstoflimiet op te hogen van 105 naar 110 kg. Per seconde zuigt de 900 pk sterke V6-motor 650 l lucht naar binnen. Boven de coureur bevindt zich de luchthapper waar de lucht wordt aangezogen. Zo heeft de motor geen last van steentjes, rubber en ander materiaal dat kan worden opgeworpen door de banden van de voorgangers. Belangrijk, want sinds 2018 mogen er per seizoen ‘maar’ drie motoren worden versleten. Het aantal toeren per minuut (RPM) is teruggebracht naar 15.000 om de motoren een langer leven te gunnen. De huilende Ferrari Tipo 043 F1 V12 Tipo 043 uit 1994 had een inhoud van, 3.5 l en leverde 750 pk bij 14.500 RPM. De krachtigste F1-motoren zonder turbo waren de V10 motoren uit 2004 met 930 pk bij 19.050 RPM. Dat was de BMW P84 V10. Dat is verleden tijd door ingrijpen van de FIA. De FIA heeft ook bepaald dat er eind moest komen aan het experimenteren met legeringen en andere materialen voor het motorblok. Aluminium- en ijzerlegeringen mochten alleen worden gebruikt voor zuigers, cilinders, drijfstangen en krukas. Dit alles in een poging een meer gelijkwaardige race te krijgen. Verder is het voor bouwers een grote opgave het blok en de motorolie voldoende te koelen. Aan de zijkant van de auto zitten speciale luchthappers die de radiateurs voor koelwater en olie koelen. Noodzakelijk want eenmaal op stoom loopt de temperatuur van het uitlaatsysteem op naar 1.000 °C. De uitlaat is dunner dan 1 millimeter en bestaat uit nikkel-alloy 625, een op nikkel gebaseerde legering dat 1.100 °C kan weerstaan. De uitlaat zit vast aan het spruitstuk dat meer dan € 600.000 kan kosten.
Ondanks alle techniek wil het niet zeggen dat dat het F1 rijden kinderspel is geworden. Zaken die wij in onze dagelijkse auto’s heel normaal vinden zoals rembekrachtiging, ABS en traction control, ontbreken in een F1-auto. Dat betekent dat er hard gewerkt moet worden aan boord. Daarnaast krijgt een coureur te maken met zijdelingse G-krachten die variëren tussen de vier en vijf G wat gelijk staat aan vier- tot vijfmaal het eigen gewicht. Om de bochten en de optredende krachten te kunnen weerstaan, is training noodzakelijk. En ja, dat geldt ook voor Max Verstappen.
