Egy zseni búcsúja a frontvonaltól – Adrian Newey munkásságának emlékére

Rég nem írtam már a műszaki rovatba, de ezzel az évvel lényegében – egyelőre leglábbis úgyfest – elbúcsúzunk egy olyan technikai zsenitől, akit nagyon tisztelt a szakma, a publikum – és én is.

Adrian-Newey-007

Adrian Newey egy olyan ember a szememben – januártól már remélem, szakmabeli is -, aki a régi mérnökgéniuszokra emlékeztet, talán az egyik utolsó a legnagyobbak közül.

Elmesélhetném, hogy hogyan élt, hová járt iskolába, hogyan alakult a karrierje – nem fogom megtenni; aki akarja, guglizza ki. Ez a tech rovat, és mivel Newey is ennek élt, én is technikai cikkel engedem útjára. Egy sokkal extravagánsabb történettel rukkolnék inkább elő, amelyhez pár éve Kopi segítségével jutottam hozzá.

A történet Newey Mona Lisájáról, egyik legnagyobb mérnöki alkotásáról szól. A cikk a Racetechmag nevű műszaki magazinban jelent meg 2011 júliusában, mely lényegében Pat Symonds munkája. A számos helyen megforduló F1-es mérnök arról a mesterműről mesél nekünk, melyet maga Newey járatott csúcsra a Red Bull uralkodásának idején: a forróbefúvásos diffúzorokról .

“Lehull a függöny” a trükkről

A forróbefúvásos diffúzorokat a Brit Nagydíjon betiltották. Pat Symonds elmagyarázza nekünk, hogyan jöttek rá a top csapatok arra, mit kell tenniük a kipufogógázzal, hogy elérjék a „légfüggöny-hatás”-t.

A forróbefúvásos diffúzorok tavaly látványosan robbantak be a köztudatba újra az F1-ben és idén újfent számos vitára adnak okot. Ez alatt a viszonylag rövid idő alatt azonban alapvető változások történtek abban, hogyan használják őket.

A 2010-es szezonban a dupla diffúzorok legálisak voltak, lehetőséget adva ezzel megnyitni a diffúzor belépő élét a kipufogógázoknak, átirányítva ezzel a hátsó légtér középső részére. A dupla diffúzor egy igen hathatós eszköz volt, és a felsőbb rétegeken keresztül áramoltatott – amelyet a padlólemez rései tápláltak, viszonylag messze a hátsó tengely középvonalától -, a feladata pedig a levegő megvezetése volt az alsóbb régiókban. Ezt tovább fokozták (elsősorban a Red Bull) azzal, hogy a kipufogót is alul vezették ki, további légáramlást és plusz megvezetést adva ezzel a fő légáramlatnak. Ez elég nagy sebességű áramlást gerjesztett, tovább csökkentve ezzel a diffúzorban lévő nyomást és növelve a hátsó leszorító erőt.

A teljes leszorító erő és valójában az átlagos nyomás természetesen a kipufogón keresztülmenő áramlás függvénye, és bár a dupla diffúzor már önmagában is hatékony áramlást biztosított, maga a változás az, hogy a nyomás változtathatósága a gázpedál állásával lehetségessé vált, még ha nem is volt feltétlen kívánatos.

2011-re a dupla diffúzorokat betiltották a Technikai Szabályzat 3.12.5-ös cikkelye alapján, amely csak teljesen zár réseket engedélyez a padlólemezen, azokat is csak az oldalszekrények keresztirányú kezdővonalától előrébb.

A legtöbb csapat elkezdte úgy pozícionálni a kipufogót, hogy a kipufogógáz áramlása a padlólemez külső éleit célozza, a nélkül, hogy megszakították volna az alváz hátsó része felszínének folytonosságát. Legjobb ismereteink szerint a kipufogó nyílása a diffúzor zónájában volt, noha ismert, hogy például a Lotus-Renault más elgondolás szerint járt el, és előrevezették a kipufogót az oldaldobozokhoz, a csonkot pedig a hűtőnyílás előtt/alatt helyezték el.

A téli tesztek során úgy tűnt, a McLaren is egy hasonló első kipufogó-kivezetéssel próbálkozik, bár azt hiszem, egészen más módon alakították ki a Lotus-Renault-éhoz képest, mert az ő kivezetésük jóval távolabb volt az autó középvonalától.

Az alatt az idő alatt, amíg tájékozódtam a téma felől, senki nem tudott a rendszerről olyan fotót készíteni, ami egyértelműen meghatározta volna, valójában merre is tartanak. Amit biztosan tudunk, az az, hogy ellentétben a Lotus-Renault-val, ők nem voltak képesek a rendszerüket elfogadható mértékben működőképessé tenni, és mire jött az első verseny, átálltak egy, a Red Bulléhoz hasonló rendszerre, ami már életképesnek bizonyult.

A kipufogóvég pozícionálásában az alváz kijárata felé a csapatok eltérő módozatokat használtak az áramlás megvezetéséhez, kiaknázva 2010-es tapasztalataikat. Most, hogy a diffúzor áramlásába kerül bele, a kipufogógázok árama úgy viselkedik, mint egy légfüggöny, majdnem, mint egy áramló szoknya.

Amit a légfüggönyről tudni kell

A légfüggöny általánosságban véve arra használatos, hogy elkülönítse a hideg és meleg levegőt az épületekben. Gyakran találkozhatunk vele, ha belépünk egy bolt fotocellás ajtaján: még ha kint hideg is van, a légfüggöny után kellemes meleget érzünk, vagy épp fordítva, spórolva ezzel a klíma és a fűtés költségein. Ez hatékony módja a meleg/hideg levegő elszivárgásának megállítására; e nélkül például a fűtött épület levegője egy ajtónyitással akár 105 kW-nyi energiát is veszíthet az ajtó minden egyes méterén. Ez a hatalmas energiaveszteség keltette életre azt a tanulmányt, melyre egyértelműen bemutatja, hogy az elsődleges paraméterek között van, melyek növelik a légfüggöny hatékonyságát, mint szeparáló rendszer, a tömegáram sebessége. A valóságban a tanulmány nem vizsgálta felül a tömegáramot, ennélfogva talán korrektebb lenne, ha azt mondanánk, hogy a valódi ellenőrzött paraméter az áramlás impulzusa.

beolvasás00051. ábra

Hogy megértsük az okát, miért ennyire hatékony a légfüggöny ezen a területen is, fontos, hogy érzékeltessük, a hátsó gumiknak rendkívül káros hatása van a diffúzorra. Az áramlás elkülönülése, amit a gumik okoznak, rendkívül ingadozó és turbulens.

beolvasás00082. ábra

Az elkülönült levegő a kerekekről a turbulens áramlás „buborékai” formájában robban szét, amelyek természetesen igyekeznek az alacsony nyomású terek felé áramlani a kerék közelében. Az egyik ilyen alacsony nyomású szektor maga a diffúzor, ezért a leválasztott turbulens áramlás gyakori tendenciával áramlik be ide és tölti ki a teret. Ez azért kellemetlen, mert ezzel növeli a nyomást, ezáltal tönkreteszi a leszorító erőt. Ezt láthatjuk az első, második és harmadik ábrán, egy F3-as autóval ábrázolva. Köszönet érte Rob Lewisnak és a TotalSimnek.

 

A gázelvétel problémája

Ha a kipufogót felhasználjuk egy légfüggöny generálására, elkülöníthetjük azokat a turbulens áramlatokat, melyek egyébként semmissé teszik a diffúzor által keltett leszorító erőt. Azonban, mint a kipufogó bármilyen felhasználása az aerodinamikai előnyök kihasználására, a hatás mértéke annak függvényévé válik, mit tesz a versenyző a jobb lábával. Ez bármilyen feltétel mellett problémássá válhat, de igazán csak akkor válik szignifikánssá, amikor a gázpedál egyik végpontjából a másikba kerül, teljesen új egyensúlyi helyzetet teremtve ezzel. Ennek következtében, hogy korlátozzák az egyensúly eme hatalmas kilengéseit, mindennél fontosabbá vált, hogy megpróbálják az áramlás mértékét olyan magas szinten tartani, amennyire csak lehetséges mind gázadáskor, mind gázelvételkor.

beolvasás0006

3. ábra

Ennélfogva tulajdonképpen szükségessé vált, hogy fenntartsák az áramlás magas impulzusát. Az általános áramlástanban (hőáram, tömegáram, és áramdinamika) a fluxus az a mennyiség, amely megmutatja, hogy milyen mértékű az áramlás egységnyi felületen egységnyi idő alatt. Általánosítva, fluxusként definiáljuk az áramlási jelenséget, és vektormennyiségnek tekintjük. Fajlagosan a fluxus impulzusát definiálhatjuk az áramlás impulzusának mértékeként egységnyi idő alatt, más szavakkal az impulzus idő szerinti deriváltjaként.

A gáz lendülete, mint minden másé, egyszerűen a tömegétől és a sebességétől függ, és vektornak tekintjük. Ha ebből kifolyólag a kipufogógáz áramát álló autónál, álló alkatrészek mellett elhaladva vennénk figyelembe, csak a gáz tömege és sebessége lenne érdekes számunkra, hiszen egyértelműen meghatározná a lendületét.

A valóságban viszont az autó nem áll, és e miatt az a turbulens áramlás sem, melyet a légfüggönnyel szeretnénk elkülöníteni. Összefoglalva, ha figyelmen kívül hagyjuk a turbulens áramot, a kipufogócső olyan, mint egy fúvókacsatlakozás egy áramlásba, ahol a sebesség lecsökken magának az autó sebességének köszönhetően. Ezeknél az áramlásoknál a szuperszonikus és a szubszonikus áramokra jellemző néhány tulajdonság is fellelhető, melyekkel elsősorban nagysebességű repülő járműveknél találkozhatunk. Egy másik tudományos munka szerint a kapcsolódás módja a fúvott sugár sebessége és a szabad áram sebessége között alapvetően befolyásolja az egész rendszer működését.

f1-diffuser-014. ábra: a Mercedes forróbefúvásos diffúzora (http://www.f1technical.net)

Érthetőbben, egy adott geometriájú aerodinamikai rendszernél az abszolút hatásfok három tényező függvénye: az autó sebessége, a tömegáram a kipufogón keresztül és a kipufogógáz sebessége a csonk kijáratánál.

Gázadásnál a kipufogógáz tömegárama meglehetősen könnyen becsülhető az üzemanyag tömegáramából és a keverék minőségéből. Teljes teljesítményen a V8-as motorok 0,05 kg üzemanyagot égetnek el másodpercenként. Ilyen körülmények között a kompresszió-viszonyuk jó közelítéssel 13,3:1. Következésképpen teljes tömegáram, eltekintve a gyújtás pontos idejétől, megállapítható a befecskendezett üzemanyag és a beszívott levegő mennyiségéből. Ha az üzemanyag tömegárama 0,05 kg/s, a levegőből 13,3-szor ennyire van szükség, tehát a légtömeg árama 0,665 kg/s. Tehát a teljes tömegáram, amely a motorba kerül, 0,715 kg/s. Valójában a motor annyi levegőt szív be, amennyit csak lehetséges, és a befecskendezett üzemanyag mennyisége nagyjából ettől függ, de a folyamat ettől még ugyanaz.

 

A kipufogógáz sűrűsége

A kipufogógáz sűrűségét újra és újra meg kell határoznunk; közelítő becsléshez elegendő, ha hasonlítjuk a levegőhöz adott hőmérsékleten és nyomáson. A valóságban ez egy nagyjából 4%-nyi pontatlanságot eredményez, pontosabb megoldáshoz számolnunk kell az üzemanyag moláris tömegeivel és a gyújtás végtermékeinek keveredési arányával. Sajnos a benzin egy elég komplex kémiai elegy, de a meghatározó szénhidrogén benne mindenképp az oktán (C8H18). Írjuk fel az oktán reakcióegyenletét oxigénnel:

Kép1

Ha figyelembe vesszük a kényszerű, az egyenlet két oldalán lévő molekuláris tömegegyenlőséget, meghatározhatjuk a kipufogógáz aktuális tömegét. Valójában egyenlet bal oldala csupán közelítés, teljesen korrekt és pontos választ ezzel sem fogunk kapni, ahhoz teljesebb analízis szükséges. A teljes egyenlethez a benzin további alkotórészeivel is fel kellene írnunk a bal oldalt, a jobbat pedig az égés valamennyi végtermékével, beleértve a kormot és a többi szennyezőanyagot is.

Szerencsére nem kell vegyészeknek lennünk ahhoz, hogy a tökéletes válasz közelébe érjünk. Mégpedig azért nem, mert egy Silva nevű tudós kollégám már megcsinálta nekünk. Az energia-egyensúlya a kipufogógáz tömegáramának a következőképp néz ki:

Kép2

és

Kép3

 ahol:

  • ρg a kipufogógáz sűrűsége,
  • Cp,g a kipufogógáz fajhője,
  • z a kipufogó axiális pozíciója a hossztengely mentén,
  • vz az áramlássebessége longitudinális irányban,
  • Tg a kipufogógáz hőmérséklete,
  • hg,i a belső hőátadási tényező,
  • Ga a kipufogócsonk felszíne,
  • m_g a kipufogógáz tömegárama és
  • Af a kipufogóvég keresztmetszete.

Egy további tanulmány bemutatja a kipufogógáz tipikus jellemzőit, mellyel közelebb kerülhetünk a megoldáshoz:

Kép4

Kép5

Hozzáteszem, ezek a munkák szolgálhatnak más hasznos információval is, amikor szimuláljuk a forróbefúvásos diffúzorok viselkedését, akár CFD-vel (számítógéppel vizsgált áramlásdinamika), akár szélcsatornában. Például ezekkel:

Kép6

Kép7

ahol:

  • Kg a hővezetési tényező,
  • μg a kipufogógáz dinamikai viszkozitása.

Fontos, hogy ne feledjük, a szimuláció során a nyomás és a hőmérséklet változtatása közben ügyelnünk kell a levegő összenyomhatóságára. A CFD-ben természetesen ez megnöveli a számítási időt, erre jellemzően a RANS (Reynolds-averaged Navier-Strokes) szimulációt használjuk. A szélcsatornában a dinamikai hasonlóság elérése körülményes, és pont ezek miatt a legjobb összehasonlító paraméter a már fentebb említett impulzus.

Átrágva magunkat egy kis elméleten, nézzük meg, hogyan is lehet a leghatékonyabban alkalmazni ezt az eszközt, és miért lett annyira központi téma a forróbefúvásos diffúzor. Belátható, hogy az alapvető faktor a szívott kipufogó szerepében egy bizonyos formájú légfüggöny kialakítása, ennek következtében a turbulens áramlatok beszívódásának megakadályozása a diffúzor irányába, ezért pedig akkorára növeljük a lendület fluxusát, amennyire csak lehetséges. Megállapíthatjuk, hogy a lendületi fluxus adott tömegáram mellett arányos a kipufogógáz kilépő sebességével – az autó sebességét leszámítva; végül is az alapvető cél a kipufogógáz sebességének növelése annyira, amennyire csak lehet úgy, hogy növeljük a kipufogón keresztülmenő tömegáramot.

Gázadásnál ezekkel a mutatókkal nincs különösebb probléma. A tömegáram magasra szökik a fojtószelep nyitásával, a kipufogócsonk pedig igen forró a magas középnyomású égésnek köszönhetően. Gázelvételnél, zárt fojtószelep mellett pont az ellenkezője következik be. A zárt fojtószelep drasztikusan csökkenti a motoron keresztülmenő tömegáramot, a gyújtás és az égés hiánya pedig azt eredményezi, hogy nem termelődik hő a kipufogógázban.

11

5. ábra: a Red Bull rendszere (http://www.f1technical.net)

A gyakorlatban persze a kipufogócsonknak nincs ideje felvenni a környező alacsony hőmérsékletet, pláne úgy, hogy folyamatosan hőt vesz fel a motorból és magából a kipufogórendszerből is. Hozzátéve még, a motor gázelvételnél sem hűl le igazán, hiszen ekkor a motorfék működik, mely negatív nyomatékának jelentős részét a KERS üzemeltetéséhez használunk fel.

A lényeg, hogy a hőmérséklet és a tömegáram is kisebb gázelvételnél. Ennek kompenzációjára a legegyszerűbb módszer a fojtószelep kényszerített nyitva tartása gázelvétel alatt is. Ekkor a motor egy nagy, dugattyús légkompresszorként üzemel, látszólag feleslegesen elpazarolt sűrítési ütemekkel. Zárt fojtószelepnél tényleg nem túl hatékony, de ha levegőt szívatunk a rendszerbe, nagy fordulattartományokban akár 0,4 kg/s-os tömegáramot is elérhetünk a kipufogócsonknál. Ezt hívjuk hidegbefúvásos módszernek.

 

A forróbefúvás

Ahhoz, hogy magasabb hőmérsékletet érjünk el, mint amit a normál hővezetés segítségével kapunk a forró alkatrészektől, melyekkel a gáz a motorban találkozik, kívánatossá válik az üzemanyag begyújtása. Normál ciklusban ez a sűrítési ütem csúcspontja előtt történik meg, ami pozitív nyomatékot generál, amely gátolja a fékezést, e miatt a mi esetünkben nem túl kívánatos. Az sem járható út, ha kis adagokban fecskendezünk be üzemanyagot, korlátozva a nyomatékot, mert komoly nehézséget jelentene begyújtani a keveréket és valószínűleg megrövidítené az erőforrás élettartamát.

E miatt sokan vetették fel azt az ötletet, hogy a nyomaték csökkentését akkor is el lehetne érni, ha egy nagyobb mértékű gyújtási késleltetést állítanánk be, hiszen a benzin-levegő keverék akkor is begyulladhat, ha a dugattyú már lefelé mozog. Nem új az ötlet, korábban használtuk ezt a szizsztémát a kipörgésgátló rendszerekben, ehhez azonban nem elég hatékony – akkor lehetne, ha a gyújtás pillanata annyira el lenne tolva, hogy az égés már a munkaütem kezdeténél menne végbe. Ekkora gyulladási késedelemmel pedig rendkívül nehéz begyújtani a keveréket.

Teljes gázon a kipufogó-csatlakozásnál körülbelül 900-1000 oC-ot mérhetünk, ebből azonban egy számottevő rész elnyelődik a kipufogórendszerben, még ha a kipufogócsövek vastagsága nem is túl számottevő. Ha egy relatíve szerény keveréket juttatunk a hengertérbe (a fogyasztás minimalizálása miatt), de nem gyújtjuk meg szikrával, minden esélye megvan annak, hogy a keverék meggyullad, amint a kipufogórendszer torkába ért. A gyújtás ezen módja nem túl jól ellenőrizhető és a nyomás ugrásszerűen felemelkedik a csőben a gyulladás pillanatában, de a kívánt hatást, hogy növeljük a kipufogógáz hőmérsékletét, e miatt pedig a sebességét és az impulzusát, elértük.

Ez a viszonylag ellenőrizetlen módja az égésnek épp annyira hallható, mint amennyire káros a kipufogó élettartamára. Tavaly, amikor a hidegbefúvásos diffúzorokat használtuk, szintén megváltozott a kipufogók hangja, de sokkal kisebb és finomabb volt a különbség. A tavalyi Brit Nagydíjon figyeltem és rögzítettem számos autó hangját. Akkor még nem minden csapat használta a rendszert, és visszahallgatva a felvételeket, sok csapat teljesen eltérő stratégiával dolgozta ki saját módszerét.

A forróbefúvásos diffúzorokkal már más a helyzet: a hang elváltozása olyan mértékű, hogy egy televíziós közvetítésből is könnyedén meghallani.

Természetesen a rendszer kihasználtságának határt szab számos tényező. A motort nem célszerű üzemi hőmérséklet felett üzemeltetni, a kiáramló gáz hőmérsékletének, illetve a beadagolt üzemanyag mennyiségének pedig a környező, magas hőmérsékletre érzékeny alkatrészek tűrőképessége szab gátat – gondolok itt elsősorban a gumiabroncsokra, hiszen ezek üzemi hőmérséklete nagyjából tizede a kipufogó-csatlakozásban mérhető értéknek.

Azt hiszem, érdemes volt a cikket lefordítani, már csak azért is, mert anno Kopi azért küldte nekem ezt a magazin részletet, mert mindketten úgy éreztük, nem vagyok eléggé képben a diffúzorokat illetően – igaza volt. Ilyenkor látja igazán az ember fia, hogy miért fizet egy F1-es istálló évi 10 millió eurót.

Mindenesetre a szerkesztőség nevében is kellemes pihenést, de egyúttal jó munkát is kívánok Newey-nak, hiszen nem tűnik el teljesen a palettáról, csak kissé háttérbe vonul.

A kedves olvasóinknak pedig ezzel a kis szösszenettel kívánok békés és kellemes ünnepeket.