Benzinháború dúl a Forma-1-ben

2016.03.08. 14:52
2014 óta ismét a turbómotoroké a főszerep az F1-ben, és ez újabb benzinháborút indított el. A Forma-1-es csapatok és az olajcégek szoros kapcsolata évtizedek óta magától értetődő, miközben a szabályok és a technológia folyamatos változása néhány korszakban az átlagosnál is nagyobb teret adott az üzemanyagok egyedi fejlesztésének.

A II. Világháború előtti Grand Prix-korszakban és az F1 kezdeti éveiben a hatalmas teljesítményű kompresszoros motorok elképesztő termikus problémákkal küzdöttek. Mivel akkoriban nem szabályozták a benzinhasználatot, ezért a legtöbb esetben kellő mennyiségű alkoholt is kevertek a motorok hűtésének javítására. 

Az ötvenes évek közepén a motorszabály-változásokkal az üzemanyagok is változtak, a Mercedes korszakalkotó 2,5 literes, közvetlen befecskendezésű benzinmotorja például az alábbi recept szerinti üzemanyaggal állt rajthoz: 45% benzin, 25% metil-alkohol, 23% repülőgépbenzin, 3% aceton, 2% nitrobenzol és további 2%, máig titkos összetevő. Az elegy annyira agresszív volt, hogy minden egyes versenynap végén le kell szívni, és normál benzinnel átöblíteni a nyolchengeres motort, különben másnapra kikezdte volna az üzemanyag. A 2,5 literes éra második felében, 1958 és 1960 között a csapatok teljesen áttértek a 130 oktános repülőgépbenzinre, ám ezt követően az olajtársaságok nyomására a hétköznapihoz sokkal közelebb álló üzemanyagok felé billent a mérleg nyelve.

A '80-as évek és az első turbókorszak hozta a következő komoly változást, amikor is különböző egzotikus üzemanyagok készültek, melyek javarészt tömve voltak toluollal és egyéb lobbanékony, aromás összetevővel. Az 1000 lóerő feletti csúcsteljesítmény kergetése mellett a turbókorszak előrehaladtával egyre fontosabbá vált az üzemanyaghatékonyság kérdése, hogy az egyre csökkenő maximálisan tankolható üzemanyagmennyiségbe minél több energiát zsúfoljanak bele. Az 1989-es szívókorszak beköszöntével aztán néhány éven belül megint változott a helyzet, a kisebb nyomáson, de sokkal magasabb fordulatszámon dolgozó atmoszférikus motorépítés a pneumatikus szelepvezérlés bevezetésével lépte át addigi határait, és hozta magával az addigi legextrémebb, rakétaüzemanyaghoz hasonlított benzinverziókat.

Az addigi prímet a Shell vitte, a V10-es korszak hajnalán azonban az Elf keveréke volt a non plus ultra, és akkoriban nem volt ritka az évi 300 különböző keverék elkészítése sem a benzinlaborok boszorkánykonyháin. Az extra lóerőkhöz extra veszélyesség is társult, a versenybenzinnel dolgozó csapattagok védőruhában, gázmasszkkal dolgoztak az egészségre különösen ártalmas benzingőzök között.

Éppen ezért nem is tartott sokáig a használatuk, az FIA még a '90-es évek közepe előtt kitiltotta az alkoholt, a különböző nitrogéntartalmú vegyületeket (pl. dinitrogén-tetroxid, dinitrogén-oxid, vagy nitrometán azaz „nitro”) és egyéb gyors égésű, vagy égést elősegítő komponenseket. Minimális eltérésekkel ekkor már a mai is érvényben lévő szabályozás lépett életbe, ami az összes EU-s egészségügyi és biztonsági előírás szerinti, benzinkutakon kapható üzemanyagokra épül. A jelenlegi versenybenzinek összetételüket tekintve szinte teljesen megegyeznek a kereskedelmi forgalomban kapható legjobb üzemanyagokkal, mindössze összetevőik aránya más.

Ennek ellenére a 2014-es hibridkorszak beköszöntével újra elkezdődött a benzinháború, míg ugyanis a V8-as éra befagyasztott motorszabályai és a majd két évtized alatt maximálisra járatott szívómotor-koncepció teljesen elérte a határait üzemanyag fejlesztési szempontból, addig a kisebb, turbós, közvetlen befecskendezésű motorok, és turbóról energiát skalpoló MGU-H megjelenése teljesen új területeket szabadított fel a vegyészek szempontjából. Nem véletlen, hogy egy tankolási és átfolyási mennyiség vezérelte szabályrendszerben az üzemanyag jelentősége a sokszorosára nőtt. Mivel a tüzelőanyag közel 200, különféle szerkezetű szénhidrogén-molekula összessége, így ezeknek a molekuláknak a szerkezete, nagysága döntő mértékben befolyásolja az versenybenzin tulajdonságait.

2014-ben, a jelenlegi korszak első évében akár 30-40 lóerős fejlődés sem volt elképzelhetetlen az üzemanyag segítségével, és azóta is folyamatos a kifejezetten a 266,6 cm³-es, közvetlen befecskendezéses égésterekre szabott benzinvariácók tökéletesítése, ráadásul már a motortervezés legelső fázisától. Sőt, ma már ott tartunk, hogy egy adott motorból csakis a hozzá tervezett üzemanyaggal hozható ki a legtöbb. Jó példa erre a Mercedes tavaly ősszel, Monzában bevetett új motorja, amellyel már az idei erőforrás fejlesztéseinek ágyaztak meg, és összesen 42 különböző Petronas üzemanyagverzióból került ki a végső, az égéstérhez legjobban illő változat, a hozzá tökéletesen passzoló gyújtási térképpel.

A V8-as érához képest az egyik legnagyobb különbség a közvetlen befecskendezés, amivel az üzemanyagtöltet 500 baros nyomáson közvetlenül az égéstérbe érkezik, nem pedig a szívócsőbe, ahogy korábban. Ennek következtében rendkívül gyorsan, szinte molekulákra hullva kell porladnia az égéstérbe préselt levegőben, hogy a leghatékonyabb keveréket képezhesse a turbófeltöltés jelentette légfeleslegben. Ehhez elsősorban a versenybenzin felületi feszültségét kell csökkenteni, hogy minél gyorsabban menjen végbe a szétporladás. A 27,7 gramm/mp átfolyási szabály (100 kg/óra) értelmében pedig egységnyi idő alatt nem juthat több üzemanyag az égéstérbe, tehát kizárólag a hatékonyság növelésével lehet extra lóerőkre szert tenni.

Mindeközben meg kell oldani a nagyobb nyomás és magasabb hőmérséklet jelentette extra hűtési problémákat is (20%-kal nőtt a kenőanyagok hőterhelése a V8-asokhoz képest), és a turbómotorok visszatérésével újra problémát jelentő kopogásos égés kiküszöbölését is. A Renault egyik fő gondja is ez utóbbi, a nagy kompressziójú, alacsonyabb fordulaton dolgozó turbós V6-osai közül több veszett oda a kopogás okozta dugattyúproblémák miatt. Éppen ezért a Total olajcéggel karöltve kiemelten dolgoznak a kopogás megszüntetésén mind a versenybenzin, mind az égéstér változtatásával.

A Renault 2015-ös szezonban használt motorja
A Renault 2015-ös szezonban használt motorja

Pusztán az üzemanyagok szempontjából a kopogás veszélye oktánszámnöveléssel csökkenthető lenne, azonban a maximális teljesítmény eléréséhez nem a legmagasabb oktánszámon keresztül vezet az út: ha túlságosan megnövelik, kevesebb lóerő lesz a végeredmény. A 100 kg/órás versenylimittel ráadásul minél több kalóriát kell egységnyi üzemanyagba sűríteni, ám minden olyan összetevő, ami növeli az oktánszámot, egyúttal csökkenti is a hajtóanyag energiasűrűségét. A siker itt is tökéletes arányok megtalálásán múlik, és pl. egy új fejlesztésű hengerfej és a hozzá tartozó rafinált motorvezérlés sokat segíthet az ily módon kiaknázható teljesítmény megtalálásában, amihez viszont érthető módon folyamatos egyeztetésre van szükség a motorgyártóval. Nem véletlen, hogy a gyári csapatok ilyen szempontból is előnyben vannak, az erőforrásaik a saját üzemanyagszállítójuk benzinjével működnek a leghatékonyabban.

A V6-os turbómotorok hatásfoka elképesztő fejlődésen ment keresztül az elmúlt 2-3 évben, hiszen a szívómotoros éra 30% körüli termikus hatásfoka tavaly már 45% környékén mozgott a Mercedes bevallása szerint, az idei fejlesztésekkel pedig már 47%-ról indul a licit. Mivel a benzin fűtőértéke, azaz átlagos energiatartalma 44,4 MJ/kg, a 100 kg-os átfolyási szabály értelmében az motorba érkező üzemanyagból kihozható össz-energiatartalom 4440 MJ, ami munkára átváltva 1233,33 kWh, közérthetőbben 1664 lóerő.

A Ferrari mozgó üzemanyaglaborja
A Ferrari mozgó üzemanyaglaborja

Vagyis 100 százalékos hatékonyság mellett ennyi lóerőt lehetne kipréselni a mai üzemanyag-átfolyási szabályok mellett a V6-osokból, ha minden benzincsepp munkára fogható lenne. Az elképesztő, 47%-os termikus hatásfok azt is elárulja, hogy nagyjából hol tart jelenleg a Mercedes a fejlesztésben: 790 lóerő környékén, amihez még hozzájön az energiavisszanyerő rendszerekből érkező, és a szabályok által maximalizált 163 LE (120 kW), így nagyságrendileg már 950 lóerő körül járnak a szezonkezdetkor, de az őket üldöző Ferrari is bőven átlépte már a 900 lóerős küszöböt.

Az égés hatékonyságának javítása ráadásul nemcsak a lóerőket, de a visszanyerhető energia mennyiségét is növeli, amiből további teljesítményelőny származik, így az üzemanyagok összetételének optimalizálásával több legyet üthetnek egy csapásra. A hibridkorszak előírásai tehát alapjaiban változtatták meg az eddigi motorépítési szokásokat és vele együtt az üzemanyag jelentőségét, és mindezek sosem látott fejlődést eredményeznek. A mostani V6-osok fejlesztése még jó néhány évig felfelé ívelő pályán mozog majd, így szabályváltoztatások nélkül is biztosan eljön az 1000 lóerős motorok ideje, amihez ráadásul páratlan hatékonyság és megbízhatóság is társul.