مسابقات فرمول یک و ایندی کار چه تفاوت‌هایی دارند؟

یکی از رفقا در خواست توضیحات درباب موتورای اف۱ رو داد خواستم براتون یه توضیحی داده باشم

اول از همه بگم بنظر خودم کامل نیست هنوز کار داره اما خوبه، بدک نی،با این حال ممکنه دیدتون به F1 رو تغییر بده، امیدوارم دوست داشته باشید

خب اگر بخوای کلی حساب کنی F1 موتورای V10 و V8 هم داشته ولی امروزه چون قوانین به ۱.۶ لیتر ۶ سیلندر محدود شدن درباب همین ۱.۶ لیتریا صحبت میکنیم
خب از اول شروع میکنیم
استارت موتور های F1 به این سادگیا نیست
اول موتور و با آب جوش و میکنن تا سیلندر گشاد تر بشه این گشاد بودن سیلندر باعث میشه وقتی سیلندر گشاد شد تازه میتوننن پیستون هارو جا بزنن حالا که پیستون ها جا شد موتور استارت میخوره دو دقیقه وقت دارید که موتور و روشن کنید موتور روشن میشه رو دور ۴۰۰۰ تا کار میکنه اگر تو این دو دقیقه با پمپ آب و خالی کنن موتور نجات پیدا میکنه اگر نتونستید موتور نابود میشه به این نوع میگن Shark fit مثل کوسه ای میمونه که در خشکلی اسیر شده و دو دقیقه وقت هست تا به دریا بیندازینش وگرنه میمیره،

خب بریم سراغ سرسیلندر ها
هممون دیگه قضیه میل سوپاپ ریس با لیفت و زمانبندی بالا رو می‌دونیم پس بهتره به چیزای دیگه بپردازیم
موتورای F1 به جای فنر سوپاپ از پنوماتیک والو استفاده میکنن، یعنی در واقع همون سوپاپه ولی فنر حذف شده، حالا این مورد برای چیه و چرا کاربرد داره؟! همه می‌دونیم F1 موتورای بسیار دور بالایی هستن وقتی دور بسیار بالا میره فاصله ای که فنر سوپاپ سوپاپ رو برمیگردونه تا به بادامک ( البته تو اف وان بین میل سوپاپ و سره سوپاپ ما یه نوع اسبک جدا داریم که بین این دو قرار میگیره که اونم باعث استیبل شدن و کاهش خوردگی تو دور های بالا میشه) برخورد کنه طولانی تر میشه این طولانی تر شدن باعث بک فایر میشه این بک فایر توان موتور و نابود میکنه، تصور کنید موتور داره انفجار میکنه میکنه ولی سوپاپ دود باز بشه علنا کل کمپرس موتور از بین میره. این سیستم پنوماتیک این مشکل رو حل کرده،
طرز کارش به این صورتکه انتهای بالایی سوپاپ
به صورت پیستون در نظر گرفته شده که درون سیلندری و قرار گرفته شده پیستون سوپاپ به وسیله اورینگ تو سیلندر آب بندی میشه در کنار موتور یه مخزن نیتروژن هست که به درون سیلندر سوپاپ شیلنگ کشی میشه در ورودی سیلندر ما یه فشار شکن به همراه ساچمه و فنر و داریم که فشار داخل سیلندر و تنظیم میکنه این مخزن نیتروژن با فشاری حدوده ده بار به صورت سوپاپ و باز و بسته میکنه، خودم کع دیدم سیستمی شبیه به سیلندر نیم دنده یا اور در گیربکس بادی خودروهای سنگین بود، این سیستم و رنو تو سال ۸۶ ابداع کرد بعد از اون ما تو F1 و موتو جی پی همچین سیستمی داریم تو بخش خودرو های جاده ای هم فراری ۸۱۲ از این سیستم استفاده میکنه که واقعاً نمی‌دونم چطور فراری همیچین کاری کرده ، این سیستم مستهلک هست و نیاز به سرویس داره امکان نشتی از پیستون سوپاپ هست اگر سرویس ها انجام نشه باعث افتاد سوپاپ تو سیلندر و حتی برخورد با پیستون میشه،
این سیستم بسیار سیستم Camless یا موتور بدون بادامک هست که بخاطر پیچیدگی و اعتماد پایین به کار گرفته نشد

خب بریم سراغ محفظه احتراق
F1 برای کاهش مصرف سوخت و ذخیره سوخت از سیستم پری چمبر ایگنیشن استفاده میکنه این سیستم شمع و انژکتور رو در یک مسیر قرار میده وقتیکه جرقه ایجاد میشه انفجار از این مسیر داخل سرسیلندر عبور میکنه وقتی به انتهای مسیر می‌رسه که وارد محفظه احتراق بشه، در انتهای مسیر به چند خروجی تقسیم میشه این باعث میشه انفجار در چند نقطه به صورت همزمان فرود بیاد و در عملیات خودسوزی تخفیف قائل میشه و از طرفی از هدر رفتن سوخت و تمام ظرفیت گرمایی سوخت استفاده بشه، در انتها اجازه میده که تراکم بالاتر بره ازین سیستم تو موتورای F163 فراری داریم که ماهله براشون ردیف کرده بخوام نظر خودمو بگم خودروهای جاده ای شرایطی نیستن نیاز به همچین چیزی داشته باشن چون محدودیتی پشتشون نیست، این سیستم و ماهله طی مکاتبه و گفت و گو با مارانلو برای موتورهای فراری ارائه کرد، این تکنولوژی از تکنولوژی خود احتراقی موتور های دیزل و قطعه ای به شمع یا شمع گرم کن بهش میگن که باعث میشه محفظه احتراق گرم بشه تا هنگام سرما گازوئیل راحتتر مشتعل بشه glow plug استفاده میکردن، به اینصورت که پیستون ها به صورت دوم یا کله قندی بودن و محفظه احتراق یه محفظه دیگه ای برای قرار گرفتن قسمت کله قندی پیستون داشت، در این محفظه چون تراکم با نهایت خود می‌رسید نیازی به شمع نبود اما در قسمت پایین و صاف تر پیستون شمع بکار میومد تا از حداکثر ظرفیت گرمایی سوخت استفاده بشه

این سیستم pre chamber ignition از جنگ جهانی دوم تو موتورای دیزل نظیر ماک لنوا، بعد ها تو مرسدس تو مدلهای om606، OM605 و هوندا سیویک نسل یک مدل 1973 موسوم به CVCC اجراش کرد، که همه گذاشتنش کنار بخاطر اینکه چمبر و محفظه دوده و کربن میگرفت با تنظیم نبودن پاشش سوخت به شدت مستهلک میشد و حتی از نوک ترک میخورد و به داخل سیلندر میوفتاد

خب بریم سراغ پخش پاور ترین برقی
تو بخش پاورترین احتمالا MGU H و MGU K و یا ERS یا KERS رو زیاد شنیدید که توضیح خواهم داد
KERS: kinetic energy recovery system
سیستم بازیافت انرژی جنبشی
ERS: Energy recovery system
سیستم بازیابی انرژی
این دوتا در واقع به سیستم های MGU H و MGU K خطاب میشن
اصلاً خودتون درگیر این اسامی نکنید حتی تو ویکیپدیا هم سرچ نکنید چون یه سری چیزای دیگه براتون میاره که اصن ربطی به F1 ندارن،
در ادامه خودم توضیح میدم تا این ابهامات برطرف بشه
اول بیایید ریشه یابی کنم
MG: موتور و ژنراتور
U: یونیت یا واحد
K: kinetic یا چرخشی
H: heat یا گرما
حالا قسمت اول یعنی موتور و ژنراتور براتون توضیح میدم
بیس و پایه این تشکیلات برقی به این صورت هست که ما یه روتور داریم یه استاتور( بالشتک هم میگن)، استاتور مثل محفظه ای استوانه ای شکل تشکیل شده از سیم پیچ های مسی و آلومینیوم میمونه که روتور هم که اونم از سیم پیچ مس و آلومینیوم رو درون خودش قرار میده روتور که دور تا دور شفت محصور شده به وسیله نیروی مغناطیسی که درون استاتور ایجاد شده به حرکت درمیاد و شفت رو به حرکت درمیاره، تمام این تشکیلات درون پوسته هستن دو طرف شفت نیز به وسیله بلبرینگ در پوسته قرار گرفته شدن تا به راحتی به حرکت دربیان،
استاتور در اطراف به وسیله سیم پیچ های مسی احاطه شده با افزایش بسته های سیم پیچ فاز های موتور هم تغییر میکنن مثلاً تو موتورهای الکتریکی امروزی که عمدتاً سه فاز هستن یعنی سه بسته سیم پیچ دارن
اساس کار به این صورته که ما اگر به وسیله باطری به روتور برق بدیم و مرتبا ترمینال های باطری رو عوض کنیم روتور شروع به حرکت میکنه چون همچین امکانی وجود نداره ما از ذغال و کموتاتور استفاده میکنیم ( سیستم براشلس و فاقد ذغال هم داریم که چون ربطی به تاپیک نداره توضیح نمیدم) بسیاری از وسایل برقی با این بیس و پایه کار میکنن مثل دینام، استارت،دریل، سنگ فرژ، موتور برق و…
خب ما موتورای برق زیادی داریم ولی بیشتر رو دو مورد القایی ( انسکرون) و سنکرون مانور می‌دیم
موتورهای الکتریکی های پرفورمنس از نوع سنکرون آهن ربا دائم هستن
تفاوت عمدشون اینکه سرعت روتور ثابت هست و زیره فشار هم بازم ثابت میمونه که تو بخش پرفورمنس ثبات یه چیزه حیاتیه،
تفاوت در ساختارشون با موتور القایی اینکه روتور برق DC یا جریان نا متناوب تأمین میشه
استاتور با برق AC متناوب کار میکنه
در موتور القایی ما فقط با برق AC کار میکنیم
خب اساس کار موتور الکتریکی بهتون گفتم حالا بریم سراغ بخش ژنراتور
تو بخش ژنراتور ما نیاز به یه اینورتر AC به DC داریم ( همون‌طور که بالا گفتم تو موتورای سنکرون ما هم جریان برق متانوب AC و نا متناوب DC)
اینورتر به وسیله تغییر فرکانس و تغذیه موتور بین حالت های ژنراتور و موتور سوییچ میکنه، اینورتر سرعت و گشتاور هم تعیین می‌کنه تا فشار بیش از حد به موتور نیاد و بسوزه
به این صورت که:
چرخش روتور و برق DC روتور = حالت ژنراتور
برق AC استاتور و AC روتور = حالت موتور
در حالت ژنراتور چون برق DC توسط اینورتر اعمال و کنترل میشه، نیاز به نیروی مکانیکی زیادی هست در اف وان ما این نیروی مکانیکی از فلایول موتور و دوره شفت توربو می‌گیریم( همون سیستم بازیافت انرژی جنبشیKERS)، به این سیستم regenerative Brake یا سیستم ترمز احیا کننده میگن که هم به توقف زودتر خودرو کمک میکنه هم به شارژ باطری کمک میکنه
مهندسی خیلی شاخی هم نداره دستکم برای غربیها، این قائده از تمام لوکوموتیوها موتورای صنعتی بگیرید تا جاده ای و موتور اسپورت ثابته اولین ماشین هم با تکنولوژی regenerative Brake یا سیستم ترمز احیاء شونده از کمپانی امیترون AMC(American motor corp) بود که در سال 67 رونمایی شد، کم کم به خودروهای برقی سرایت کرد و درنهایت به موتور اسپورت نظیر F1 کلاس هایپرکار لمان رسید،
یه نکته دیگه ای که وجود داره اینکه سیستم امروزی نیازمند سیستم Brake by wire یا ترمز الکتریکی هست که به وسیله ECU که برای ترمز تعبیه میشه اعلام میکنه که باطری پر شده و گنجایش ذخیره انرژی دیگر وجود نخواهد داشت
این سیستم Brake by wire اولین بار توسط GM برای کانسپت EV1 رونمایی شد، GM با رونمایی ازین ماشین یه چهار پنج اختراعات و ابداعات به دنیای خودرو هدیه کرد الان هم فکر میکنم تنها کوروت C8 هست که بین سوپرکار ها همچین سیستمی رو داره، ماجرای خودروهای برقی هم همون‌طور که گفتم جدا از بقیه هستن،
حالا بریم سراغ یونیت ها
MGU H
اولاً بر خلاف عموم این سیستم به هیچ عنوان حرارت و به برق تبدیل نمیکنه، این یه کج فهمیه که توضیح میدم،
لازمه اول یه توضیحی ابتدایی درباره این یونیت بدم
این یونیت در اف 1 بر روی توربو شارژ ها کار می‌کنه
وقتی موتور رو دور بالاست و وست گیت ها باز هستن یعنی سرعت شفت توربو بسیار بالاست در حدی که توربو برای برداشتن بوست اضافی وست گیت ها رو باز کرده تا بار تخلیه بشه، در حالیکه موتور با درجه بوست مشخصی کار میکنه حالا MGU H که به شفت توربو متصل هست در حالت ژنراتور( همون سیستم ترمز احیاء کننده) فعال میشه مقداری از سرعت اضافی شفت رو برای تولید برق میگیره مهندسان برای اندازه‌گیری این مقدار اول سرعت شفت رو وقتی رو لود اضافه قراره میگیره اندازه گیری میکنن بعد ساختار روتور و استاتور برای تحمل نیروی دورانی و سپس پالس و فرکانس مطلوب اینورتر بر اساس گنجایش باطری تعیین میکنن،
حالا ساختار به این صورت هست که
F1 از هم از توربو استفاده میکنه اما قسمت کمپرسور توربو ( قسمت سرد) عقب و قسمت توربین ( قسمت گرم) جلوی موتور قرار میگیره بین این دوتا شفت توربو قرار داره که از درون واحد MGU H رد میشه
MGU H قبل از رسیدن به بخش کمپرسور توربو رو ذخیره میکنه، در ریس استفاده کنه یا به باطری میده یا میتونه برای از بین بردن توربو لگ استفاده کنه!!!
این جدا بودن کمپرسور ( قسمت سرد) و قسمت توربین ( قسمت گرم) ابداع مرسدس بود،
پیش از اون در موتورای هوندا یونیت بین توربین و کمپرسور فشرده شده و گنجانده شده بود
در موتورای رنو و فراری یونیت MGU H به پشت قسمت توربین توربو قرار داشت
ابداع مرسدس چندتا مزیت داشت اول اینکه قسمت گرم و سرد توربو از هم دور بودن یعنی هوای خنک تری از انترکولر ها به موتور می‌رسید این یعنی شما نیاز به Air to water cooler برای خنک کردن موتور ندارید( صرفه جویی در وزن)، دومین مورد چون توربین به قسمت عقب موتور نقل مکان کرده بود میتونه بین سیلندر های موتور قرار بگیره گیربکس میتونست جلوتر بیاد و در مرکز قرار بگیره که خودش باعث تقسیم وزن بهتر میشه، در این سیستم شفتی که روتور به حرکت درمیاره در واقع شفت توربو هست،
حالا ما یونیت MGU K هم داریم
سیستمش کاملاً مشابه MGU H هست با این تفاوت به جای شفت توربو به وسیله دنده به فلایول وصل میشه
به جایی که سرعت شفت توربو کم بشه مثل یه ترمز موتوری عمل می‌کنه و سرعت میل لنگ و کم می‌کنه، توقف سریع‌تر انجام میشه و بر اساس قاعده سیستم ترمز احیاء کننده هنگام ترمز گیری ها مثل ژنراتور تولید برق میکنه و باطری رو شارژ میکنه یه نکته دیگه ای هم که داره اینکه باعث کاهش وزن میشه، ترمز های عقب ماشین های F1 دیسک و لنت و سیلندر ترمز کوچیکتری دارن و این یعنی صرفه‌جویی در وزن،
سیستم باطری و انرژی استور هم به وسیله پوشش فیبرکربنی محافظت میشه بعضی از تیم ها اینورتر رو روی باطری قرار میدن باطری ها لیتیوم یونی هستن و به وسیله آب و یا روغن هیدرولیک خنک میشن مخازن روغن و آب و خنک کننده ها در ساید پنل ها قرار دارن قوای برقی سرجمع ۱۶۰ اسب به موتور اضافه میکنن
بریم سراغ بخش موتور
اولاً چون سایز سوپاپ ها بسیار بزرگه باید شمع ها به میزان زیادی کامپکت و کوچیک باشن در گذشته مشکلاتی برای شمع ها پیش میومد شمع ها بر اثر دمای احتراق بسیار زیادی محفظه احتراق کج میشدن تا وقتیکه کمپانی‌ بزرگ federal -mogul یا فدرال موگل که کمپانی چمپیون یکی از بزرگترین و قدیمی ترین کمپانی های تولید کننده شمع زیره نظرش هست رو در تولیدو اوهایو فرا میخونه تونستن شمعی بسازن که هم نازک تر و ظریف تر باشه هم مقاومت لازم رو داشته باشه ازون موقع به بعد باز هم شمع ها کوچیکتر میشن
شمع ها ساختار surface Gap دارن ( یعنی قسمت الکترودشون صافه)
این نوع شمع ها رو آقایی بنام کیا کائفر بنیانگذار کارخونه موتور سازی مارین مرکوری(mercury) اختراع کرد و تا الان هم برای موتور هاش تولید میکنه، این شمع ها در ریسینگ و سوپر بایک ها هم استفاده میشه، حدوده ۶ درصد هم بهبود مصرف سوخت داره برای موتورای دور بالا عالیه ولی تو دور های آیدل و سلو عملکرد چندان درخشانی نداره بخاطر همین در خودروهای جاده ای استفاده نمیشه
حالا چرا F1 ازین مدل شمع ها استفاده میکنه اینکه اولا موقعی که pre chamber ignition به F1 نیومده بود ازین شمع ها استفاده میکردن چون اون قسمت تنگ شمع ها باعث میشد به پیستون برخورد کنه( انقدر نسبت تراکم بالاست!!!) مورد اول بعد از ورود Jet ignition حل شد ولی مورد بعدی که اهمیت داره اینکه اون قسمت تنگ که بالاتر گفتم باعث داغ شدن بیش از حد میشه طوری که مثل ذغال قرمز میشه که همین باعث خودسوزی و ناک میشه

ساختار موتوری F1 آنچنان رو استقامت قطعات موتوری کارنکرده خب قاعدتاً هم نیاز نی چون F1 مسابقه استقامت نیست وزن ماشین ها انقدر هم زیاد نیست که رو موتور فشاری بیاره،
پیستون ها فورج آلومینیومی هستن نتونستم آلیاژ دقیق آلومینیومش رو پیدا کنم ولی حدس می‌زنم 4032 باشه چون 2618 لقی زیادی بین سیلندر و پیستون میطلبه
و F1 خیلی رو میزان لقی تمرکز داره
میزان لقی براشون مهمه چون محدودیت میزان سوخت و مصرف سوخت دارن وقتی لقی زیاد باشه کمپرس به قسمت پایین موتور و کارتر میزنه، این یعنی هدر رفتن قدرت موتور یا هدر رفتن سوخت، سیستم روغنکاری F1 متشکل از یک پمپ اصلی و 7 تا 8 پمپ کمکی هست، بین خودروهای تولیدی فقط موتور LT7 کوروت ازین حیث با موتورهای F1 برابری می‌کنه، انقدر محدودیت سوخت رو F1 لحاظ میشه، که بعضاً کمپانی ها از روغن به جای سوخت هم استفاده میکنن حدوده یک تا 1.2 لیتر مصرف روغن در هر صد کیلومتر دارن، این روغن می‌تونه از طریقه پمپ کمکی روغن یا شیر برقی که بره دریچه گاز منتهی میشه به موتور میرسه
سیستم سوخت‌رسانی از نوع Direct injection هست یعنی برای هر بانک سیلندر نیازمند یه پمپ بنزین هستن پمپ بنزین هم از طریق حرکت بادامک میل سوپاپ سوخت و تزریق میکنن، امروزه موتورهای F1 بالای 10 هزار تا دور نمیزنن، دلیلش هم اینه محدودیت مصرف سوختی که براشون لحاظ کردن اجازه نمیده که پمپ بنزین، بنزین و بالای 10 هزار دوز پاشش کنه، پس دنده رو روی 12 هزارتا عوض میکنن که تا 10 هزارتا دورموتور بیاد پایین و موتور جون داشته باشه،
از تأمین کننده های موتور میشه
به کمپانی هایی نظیر گرت Garrett اشاره کرد که برای F1 توربو تولید میکنه، اخیرأ هوندا توربو شارژر هاشو از IHI میگیره، اشاره کرد
کمپانی DelWest سوپاپ تولید میکنه
ماهله پیستون های فراری رو میزنه، کاسورث و بنز تو انگلیس فورجینگ و عملیات حرارتی انجام میدادن
Capricorn و chambon میل لنگ میسازن
پنکل یا pankle شاتون میسازن( عجیبی اسمی از شاه شاهان بهترین کمپانی تولید کننده شاتون یعنی Carrillo نیست) شاتون ها هم تیتانیومی هستن مشابه سوپراسپورت های پرفورمنس،
NGK و champion شمع تولید میکنن
مگنتی مارلی و بوش و مک لارن کامپیوتر یا ECU تولید میکنن، شرکتهای دیگه ای هم هستن که ساپورت میکنن،
خیلی موارد دیگه هم بود که یه صفحه دیگه حداقل میشد
همینا رو نوشتم امیدوارم دوست داشته باشید

37

4