Formel 1

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Formel 1 war, ist und wird immer ein Teil der Ferrari DNA sein. Gleichzeitig ist sie aber auch eine wahre Schule für technische Forschung. Man darf nie die Möglichkeit aus den Augen verlieren, die Ideen und Lösungen der Rennwagen, die mehr und mehr Reglements unterliegen und den Fahrern angepasst werden, in die Serienproduktion der schönsten Straßenwagen der Welt zu übernehmen. Formula Ferrari ist eine Plattform, um drei Punkte zu analysieren: die Einführung der Hybridtechnologie, die Entwicklung des Benzinverbrauchs im Laufe des vergangenen Jahrzehnts und die Auswirkungen von Simulationen auf die Entwicklung der Aerodynamik.

Simulation

Im Laufe der vergangenen 20 Jahre wurde die Aerodynamik zu einem Bereich des Wagens, der außergewöhnlichen Einfluss auf die Leistung hat und womit sich die Rennwagen weiter und weiter von den Straßenwagen entfernten. Dies führte vor allem zu einer Kostenexplosion. Die Aufgabe diese Kosten zu reduzieren führte zur allmählichen Einführung einiger Einschränkungen, von der Größe der Modelle, die im Windtunnel eingesetzt werden, zur Anzahl der Stunden, in denen die Anlagen genutzt werden. Gleichzeitig führten Fortschritte vor allem im IT-Bereich zu neuen Möglichkeiten Aerodynamik zu untersuchen. Stichwort: Computational Fluid Dynamics. Hiermit konnte das Wissen um die Aerodynamik der Fahrzeuge erheblich erweitert werden und konsequenterweise die Fahrzeuge effizienter gestaltet werden: die Wagen wurden somit auch schneller gemacht, um die Chancen auf einen Sieg zu erhöhen.
Um die Auswirkungen dieser Technologie anschaulich zu machen muss man lediglich einen Blick auf Tabelle 1 werden. Hier sieht man den Anstieg der Rechenleistung in den vergangenen 15 Jahren.

Tabelle 1
Jahr CPU RAM Nr**
1997 3 1 Gb 0,3
2002 > 100 > 30 Gb > 1
2007 > 1000 > 180 Gb > 100
2012 > 5000 > 1 Tb > 700

** Nr.: Zahl der im Windkanal durchgeführten Tests
pro Woche

Es ist nur zu logisch, dass Aerodynamik zu einem der wichtigsten Bereiche wurde, was auch mit Blick auf Einschränkungen in anderen Bereichen nur zu gerechtfertigt scheint (etwa das Verbot die Triebwerke weiterzuentwickeln).

Die Fertigung der Frontflügelnase des Wagens soll als Beispiel dienen, um anschaulich zu machen wie schnell sich der Bereich der aerodynamischen Entwicklung voranschreitet. Dabei blicken wir auf die vier Jahren, in denen die Reglements so gut wie unverändert blieben (2009-1012). Der aerodynamische Abtrieb bei einer konstanten Geschwindigkeit (300 km/h) konnte um rund 40% gesteigert werden (Tabelle 2).

 
Tabelle 2
Jahr Wagen Abtrieb
2009 F60 6.000 N
2010 F10 7.500 N
2011 F2011 8.000 N
2012 F2012 8.500 N

 

 

 
 

Entwicklung des Spritverbrauchs von 2003-2013: Effizienz und Vorschriften

Das Jahrzehnt in dem von V10 auf V8 umgestellt wurde, war für die Formel 1 Motoren-Ingenieure ein extrem anstrengendes. Veränderungen in den Motorsportreglements und den technischen Vorschriften verliefen auf drei Ebenen: Standardisierung einiger zentraler Parameter, Einschränkungen und schließlich Verbot der strukturellen Elemente der Motoren, Verlängerung der Lebensdauer der Motoren von rund 350 Kilometer im Jahr 2002 auf aktuell etwa 2.500 Kilometer.

All dies hatte auch eine Auswirkung auf den spezifischen Benzinverbrauch mit einer Reduzierung von rund zehn Prozent. Effizienterer Verbrauch bedeutete auch gesteigerte Leistung. Besonders ab 2010, als während den Rennen nicht mehr getankt werden durfte, spielte dies eine besondere Rolle. Hierbei darf man die Unterstützung des langjährigen Scuderia Ferrari Partners Shell nicht vergessen. Das Unternehmen lieferte wertvolle Beiträge zur Leistungssteigerung vor allem, als spezielle Weiterentwicklungen der Motoren zur Leistungssteigerung verboten wurden.

In der Grafik kann man die Veränderungen des spezifischen Verbrauchs unter Einfluss anderer Faktoren, wie dem KERS und dem Nutzen der Abgase zur Steigerung des Abtriebs und eines Vorhersage, wie es ab 2014 mit dem neuen Triebwerk aussehen wird, erkennen. Ab dem kommenden Jahr werden wir eine beachtliche Reduzierung bemerken, da das Projekt auf Effizienz basiert: die Einführung einer festgelegten Durchflussmenge, dem e-Turbo, Direkteinspritzung und gesteigerter Leistung durch KERS, werden die entscheidenden Faktoren im Hinblick auf die Gesamteffizienz des Triebwerks sein.

FERRARI F1 POWERUNIT SPECIFIC FUEL CONSUMPTION HISTORY
 
 

Von KERS zu ERS

Im Jahr 2009 debütierte die Hybridtechnologie in der Formel 1 mit der Einführung des KERS (Kinetic Energy Recovery System), wobei die beim Bremsen erzeugte Energie an der Hinterachse genutzt wurde. Den Teams war freigestellt, ob sie das System nutzen wollten. Ferrari nahm die Herausforderung an und holte damit einen Vorsprung heraus, der in von fünf Jahren Entwicklung gesammelt werden konnte (wobei im Jahr 20120 das KERS nicht auf der Strecke eingesetzt wurde). Dieser Wissensvorsprung machte sich bezüglich Technologietransfer in Straßenwagen und mit Blick auf die neuen Triebwerksreglements ab 2014 positiv bemerkbar.

Basierend auf den technischen Reglements liegt die maximale pro Runde zur Verfügung stehende Energie bei 60kW für eine Gesamtenergie von 400 kJ. Der Aufbau des Systems besteht aus einem Elektromotor, der an einen Verbrennungsmotor verbunden ist. Ausgestattet ist das System mit einer elektronischen Steuerungseinheit und einem Batteriesatz. Gewicht, die Möglichkeit Leistung zu doppeln, kompakte Maße, Installation im Wagen selbst sowie Zuverlässigkeit und die Sicherheit des Teams und des Fahrers sind die wichtigsten Parameter dieses Projekts, da die Leistungssteigerungen, die damit erzielt werden können, durch die Reglements festgelegt sind. Im Laufe der fünf Jahre konnten bedeutende Ergebnisse bezüglich der Gesamteffizienz erzielt werden:

  • -10% Volumen
  • -20% Gewicht
  • -40% Kosten pro Einheit
  • -90% Kosten pro Rennen
  • 100% Verfügbarkeit in Qualifying und Rennen

Die Einführung des KERS hatte aber auch Nebeneffekte. So etwa Schritte hin zur Miniaturisierung von elektrischen und elektronischen Komponenten, der Entwicklung fortschrittlicher Systeme zur Energiespeicherung, Personaltraining im technischen Bereich und Management in Sachen Sicherheit sowie allgemeine Steigerung des Know-hows des Unternehmens.

2014 ist eine Revolution in der Formel 1 mit der Einführung eines neuen Triebwerks: 1.600 ccm V6 mit einer maximalen Drehzahl von 15.000 U/Min., Direkteinspritzung, e-Turbo und KERS. Das Hybridelement ist somit eine Kombination aus thermischer Energie des Triebwerks und kinetischer Energie aus dem nun bereits „klassischen“ KERS. Der Spritdurchfluss ist auf 100 kg/h begrenzt und es dürfen nur 100 kg Sprit pro Rennen verwendet werden. Jeder Fahrer hat über die gesamte Saison fünf Triebwerke zur Verfügung, im Gegensatz zu den acht wie es derzeit der Fall ist. In Zukunft soll diese Zahl noch weiter verringert werden.

Das Hybridsystem besteht aus einem Motor zur Rückgewinnung kinetischer Energie (MGUK) und thermischer Energie (MGUH). Beide sind mit einer Batteriezelle auf den beiden Seiten des Wagens und einem Motor auf der anderen verbunden.

Auf einer Runde können maximal 120 kW durch das MGUK genutzt werden, während der Gesamtenergiewert bei 4MJ begrenzt ist (doppelt so viel wie aktuell; eine zehnfache Steigerung der Gesamtenergie, wobei das, was gespeichert werden kann, der Hälfte entspricht). Die vom MGUH generierte Energie kann frei genutzt werden. Dies bedeutet, dass wenn KERS bisher ein Teil ist, der den Ausschlag geben kann, in Zukunft das System nicht nur effizient sein muss, sondern es auch den Ausschlag bezüglich der Leistung geben wird. Hinsichtlich der Rundenzeiten rechnet man damit, dass dank der neuen Technologie rund drei Sekunden eingespart werden können. Die Höchstleistung wird in etwa auf dem aktuellen Niveau liegen (etwa 750 PS).


Das Diagramm zeigt den Aufbau des Triebwerks ab 2014:

POWER UNIT ENERGY FLOW
 

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