So funktioniert ein Formel-1-Motor

Von mySPOX-User Manül
Montag, 22.03.2010 | 14:47 Uhr
Mercedes stattet in der Formel-1-Saison 2010 drei Teams mit Motoren aus
© xpb
Advertisement
Club Friendlies
Do19.07.
Livestream: Liverpool testet gegen Blackburn und BVB
Vegeta Croatia Open Umag Men Single
ATP Umag: Tag 1
CSL
Shandong Luneng -
Shanghai SIPG
Vegeta Croatia Open Umag Men Single
ATP Umag: Tag 2
Club Friendlies
Besiktas -
Reading
MLB
All-Star Game: National League -
American League
Copa Sudamericana
Lanus -
Junior
J1 League
Hiroshima -
Gamba Osaka
J1 League
Nagasaki -
Kobe
CSL
Guangzhou Evergrande -
Zhicheng
Vegeta Croatia Open Umag Men Single
ATP Umag: Tag 3
Club Friendlies
Sion -
Inter Mailand
Club Friendlies
Dynamo Dresden -
Huddersfield
Bucharest Open Women Single
WTA Bukarest: Tag 4
Club Friendlies
Wolverhampton -
Ajax
Vegeta Croatia Open Umag Men Single
ATP Umag: Tag 4
Club Friendlies
Blackburn -
Liverpool
MLB
Cardinals @ Cubs
Swedish Open Men Single
ATP Bastad: Viertelfinale
Bucharest Open Women Single
WTA Bukarest: Viertelfinale
Vegeta Croatia Open Umag Men Single
ATP Umag: Viertelfinale
Club Friendlies
Besiktas -
Krasnodar
Hall of Fame Tennis Championships Men Single
ATP Newport: Viertelfinale
MLB
Cardinals @ Cubs
Glory Kickboxing
Glory Super Fight Series: New York
MLB
Mets @ Yankees
MLB
Twins @ Royals
Glory Kickboxing
Glory 55: New York
International Champions Cup
Man City -
Borussia Dortmund
MLB
Astros @ Angels
Swedish Open Men Single
ATP Bastad: Halbfinale
CSL
Shanghai SIPG -
Guangzhou Evergrande
Bucharest Open Women Single
WTA Bukarest: Halbfinale
International Champions Cup
FC Bayern München -
PSG
Vegeta Croatia Open Umag Men Single
ATP Umag: Halbfinale
Club Friendlies
Benfica -
FC Sevilla
Club Friendlies
Marseille -
Villarreal
MLB
Cardinals @ Cubs
MLB
Mets @ Yankees
World Matchplay
World Matchplay: Tag 1
Hall of Fame Tennis Championships Men Single
ATP Newport: Halbfinale
MLB
Red Sox @ Tigers
MLB
Astros @ Angels
J1 League
Kobe -
Shonan
J1 League
Tosu -
Sendai
Swedish Open Men Single
ATP Bastad: Finale
CSL
Hebei CFFC -
Jiangsu
World Matchplay
World Matchplay: Tag 2 -
Session 1
Allsvenskan
AIK -
Brommapojkarna
Bucharest Open Women Single
WTA Bukarest: Finale
Vegeta Croatia Open Umag Men Single
ATP Umag: Finale
MLB
Twins @ Royals
MLB
Cardinals @ Cubs
World Matchplay
World Matchplay: Tag 2 -
Session 2
Hall of Fame Tennis Championships Men Single
ATP Newport: Finale
International Champions Cup
Liverpool -
Borussia Dortmund
MLB
Astros @ Angels
MLB
Mets @ Yankees
World Matchplay
World Matchplay: Tag 3
MLB
Twins @ Blue Jays
MLB
Yankees @ Rays
MLB
Diamondbacks @ Cubs
MLB
White Sox @ Angels
World Matchplay
World Matchplay: Tag 4
MLB
Red Sox @ Orioles
MLB
Yankees @ Rays
MLB
Diamondbacks @ Cubs
MLB
White Sox @ Angels
Jiangxi Open Women Single
WTA Nanchang: 3. Tag
MLB
Yankees @ Rays
MLB
Dodgers @ Phillies
World Matchplay
World Matchplay: Tag 5
Club Friendlies
Huddersfield -
Lyon
Club Friendlies
Marseille -
Real Betis
MLB
Red Sox @ Orioles
International Champions Cup
Juventus -
FC Bayern München
International Champions Cup
Borussia Dortmund -
Benfica
International Champions Cup
Man City -
Liverpool
International Champions Cup
AS Rom -
Tottenham
MLB
White Sox @ Angels
International Champions Cup
AC Mailand -
Man United
Moscow Ladies Open Women Single
WTA Moskau: Tag 4
Jiangxi Open Women Single
WTA Nanchang: 4. Tag
International Champions Cup
Atletico Madrid -
Arsenal
World Matchplay
World Matchplay: Tag 6
Club Friendlies
Blackburn -
Everton
MLB
White Sox @ Angels
MLB
Royals @ Yankees
MLB
Twins @ Red Sox
MLB
Athletics @ Rangers
Copa Sudamericana
San Lorenzo -
Temuco
Jiangxi Open Women Single
WTA Nanchang: Viertelfinale
Moscow Ladies Open Women Single
WTA Moskau: Viertelfinale
BB&T Atlanta Open Men Single
ATP Atlanta: Viertelfinale
World Matchplay
World Matchplay: Tag 7
MLB
Royals @ Yankees
MLB
Twins @ Red Sox
MLB
Blue Jays @ White Sox
MLB
Mariners @ Angels
FIVB Beach Volleyball World Tour
Tokio: Tag 4
Jiangxi Open Women Single
WTA Nanchang: Halbfinale
J1 League
Kobe -
Kashiwa
J1 League
Hiroshima -
Urawa
J1 League
Tosu -
Iwata
Moscow Ladies Open Women Single
WTA Moskau: Halbfinale
CSL
Jiangsu -
Shandong Luneng
International Champions Cup
Arsenal -
PSG
Club Friendlies
St. Pauli -
Stoke
MLB
Royals @ Yankees
International Champions Cup
Benfica -
Juventus
World Matchplay
World Matchplay: Tag 8
International Champions Cup
Chelsea -
Inter Mailand
BB&T Atlanta Open Men Single
ATP Atlanta: Halbfinale
MLB
Cubs @ Cardinals
International Champions Cup
Man United -
Liverpool
International Champions Cup
FC Bayern München -
Man City
MLB
Twins @ Red Sox
FIVB Beach Volleyball World Tour
Tokio: Tag 5
MLB
Mariners @ Angels
International Champions Cup
FC Barcelona – Tottenham
Jiangxi Open Women Single
WTA Nanchang: Finale
CSL
Guangzhou Evergrande -
Chongqing
Moscow Ladies Open Women Single
WTA Moskau: Finale
Club Friendlies
FC Groningen -
Werder Bremen
Allsvenskan
AIK -
Kalmar
MLB
Royals @ Yankees
MLB
Twins @ Red Sox
World Matchplay
World Matchplay: Tag 9
MLB
Mariners @ Angels
BB&T Atlanta Open Men Single
ATP Atlanta: Finale

Wie funktioniert ein Formel-1-Motor? Wie viel besser sind Formel-1-Bremsen gegenüber normalen Bremsen? Warum sind die Reifen so entscheidend? Für alle, die die extreme Technik in der Formel 1 genauer verstehen wollen, erklärt mySPOX-User Manül - in der Community hoch geschätzter Experte für technische Fragen - in seiner Technik-Kolumne auf SPOX spannende Details, die einen Formel-1-Boliden zu einem Wunderwerk der Ingenieurs-Kunst machen. Teil 1: Der Motor.

Liebe SPOX-Leser,

Mehrfach habe ich aus der Community Anfragen bekommen, ob ich denn nicht mal Formel-1-Technik genauer erklären könne, oder bin darum gebeten worden, mal über das ein oder andere Technikthema etwas zu schreiben. Ich bin sehr stolz, Euch nun zusammen mit der SPOX-Redaktion gleich eine ganze Technik-Serie präsentieren zu können und dafür auch eine entsprechende Plattform geboten zu bekommen.

Damit Ihr die Rennen vielleicht mit einem anderen Fokus verfolgen könnt und die Formel 1 von ihrer interessanten Seite kennen lernt, werde ich in den nächsten Wochen einen kleinen Einblick in die Einmaligkeit der Technik geben. Dann verschwinden vielleicht die vorschnellen Schmährufe auf bestimmte Regeländerungen.

Kommentare wie "bei Testfahrten geht es doch um nichts" oder "wow, ist Team XY weit hinten" wird der eine oder andere vielleicht nach dem Lesen meiner Texte überdenken. Bei genauerer Betrachtung kann man jeder einzelnen Runde Erkenntnisse abgewinnen über die Probleme, Entwicklungen und Vorteile der einzelnen Teams. Testfahrten und Trainings sind mehr wert als jedes Rennen, egal wie viele Punkte man holt.

In den nächsten Wochenwünsche ich Euch also viel Spaßmit meinem Versuch, die Spannung und das Interesse an der Formel 1 zu erhöhen. Bei inhaltlichen Unklarheiten scheut Euch bitte nicht, die Kommentarfunktion zu nutzen und zu fragen.

Der erste Teil der Serie wird sich mit dem Herzen eines jeden Renners befassen.

Der Motor

Einleitung: So wie unser Herz uns tagtäglich antreibt und unsere Energie im Körper verteilt, so ist es für jeden Rennwagen der Motor, der über Tempo und Erfolge entscheidet. Man könnte den Motor ganz einfach als Energieumwandler bezeichnen, anders also als unser Herz. Aber auch ihn kann man hören, und Energie durchströmt sein Bahnen.

Zugegeben: Aus rein technischer Sicht haben die modernen F-1-Motoren ein wenig an Attraktivität verloren, seit sie 2006 so radikal vereinheitlicht wurden. Hätte ich noch gegen Ende der neunziger Jahre an dieser Stelle eine umfangreiche Diskussion über Zylinderbankkonzepte, Baumaterialien, Drehzahllimits und Neigungswinkel abhalten können, so kann ich diesen Teil anno 2010 recht kurz halten.

Denn alle F-1-Motoren dürfen seit eben dieser Regeländerung bis heute nur über 8 Zylinder, 2,4 Liter Hubraum und ein Drehzahllimit von 18.000 Umdrehungen pro Minute verfügen. Alle nicht-Eisen-Materialien sind für den Motorenbau verboten. So bestehen die Motoren inzwischen überwiegend aus Aluminium, diversen Legierungen und Stahl (z.B. Kurbelwelle & Kolben).

Benzinverbrauch: Im Durchschnitt lag der Benzinverbrauch dieser Hightech-Aggregate in der vergangenen Saison bei zirka 60 Litern auf 100 Kilometern Renndistanz. Unter Berücksichtigung der neuen Regeln wird eben dieser Aspekt in diesem Jahr sehr stark über Sieg oder Niederlage mitentscheiden.

Hierin liegt es auch begründet, dass sich die Teamvereinigung FOTA recht einheitlich gegen die Veröffentlichung der Spritmengen nach dem Qualifying ausgesprochen hat, wie es noch 2009 der Fall war. Denn man möchte um jeden Preis verhindern, dass die Konkurrenz Rückschlüsse auf die Spriteffizienz ziehen kann.

Bauweise: Das Reglement schränkt die Bauweisen zwar enorm ein, aber gerade deswegen sind Innovationen und Fortschritte in der Entwicklung besonders bedeutend und interessant. Denn trotz der regelbedingten Einschränkungen spielen die modernen Motoren aus technischer Sicht weiterhin eine elementare Rolle.

Einerseits in kleinräumiger Betrachtung der technischen Abläufe während des Betriebs, andererseits als struktureller Bestandteil eines jeden Chassis. Denn längst wird nicht mehr der Motor in das Chassis gebaut, sondern das Chassis um den Motor! Länge, Breite, Gewicht und Platzierung sind aerodynamische, Steifigkeits- und Balancekomponenten moderner Fahrzeuge.

VIDEO: Ein Formel-1-Motor auf dem Prüfstand

Ein moderner F-1-Motor besteht aus zirka 5000 Einzelteilen, von denen knapp 1500 in Bewegung sind. Konzeptionell unterscheidet einen F-1-Motor nur wenig von einem Straßenmotor. Die Unterschiede liegen wie immer im Detail. Betrachten wir dabei drei wichtige Variablen, um diese Unterschiede herauszuarbeiten: die Volumeneffizienz (VE), die Thermaleffizienz (TE) und die Mechanikeffizienz (ME).

Volumeneffizienz: Die VE beschreibt die Menge des Luft/Benzin-Gemisch in einem Zylinder im Verhältnis zur atmosphärischen Normalen. Ist die VE = 100%, so ist der Zylinder mit gleichem Luftdruck gefüllt, wie er außerhalb des Motors vorherrscht. Dieser Druck wird vor allem durch die Einlassventile und den Ansaugtrakt gesteuert. So erreicht beispielsweise ein BMW 8-Zylinder Straßenmotor eine VE von ca. 84% auf Normalnull (NN). Ein F-1-Motor anno 2009 dagegen zirka 96% auf NN. Diese höhere Effizienz liegt vor allem an besserer Programmierung, Schmierung und optimierten Ansaug- und Einlassprozessen. Mehr als 100% VE können nur durch Turbolader erreicht werden.

Thermaleffizienz: Unglücklicher Weise können von der gesamten Benzinenergie nur zirka ein Drittel in nutzbare Pferdestärken konvertiert werden. Zündfolgen, Kolben- und Zylinderbeschichtungen, Ventilpositionierung und Kammerdesign beeinflussen die TE. Ein durchschnittlicher Straßenmotor erreicht TE-Werte um die 0,26. Die 2009er F-1-Aggregate erreichen dagegen TE-Werte von zirka 0,35. Das ergibt eine zirka 35% höhere T-Effizienz im Vergleich zu einem Straßenmotor. Diese Steigerung liegt vor allem an der nahezu perfekten Steuerung von Zündfolgen über die Motorelektronik sowie Ventilpositionierung und optimiertem Brennkammerdesign.

Mechanikeffizienz: Die ME beschreibt die Differenz der Gesamtenergie, die der Motor produziert zur auf dem Prüfstand messbaren Energie. Denn von der Gesamtenergie geht durch Reibungs- und Dämmverluste einiges verloren. Reibung erzeugt Wärme, Wärme ist für einen Motor nutzlose Energie. Panelreibung, Lagerreibung, Wellenreibung und andere interne Reibungen in einem Formel 1 Motor erzeugen weitaus geringere Werte als in einem Straßenmotor, was die M-Effizienz um circa 40% verbessert, trotz deutlich höherer Drehzahlbereiche und Hitzebelastungen.

Ein F-1-Aggregat ist und bleibt also ein ultratechnisierter Teil eines Boliden. 300 Umdrehungen pro Sekunde, Hitzeentwicklungen bis zu 1200 Grad Celsius und das alles bei einem Gewicht von nur 95 Kilogramm (Reglement) bedeuten ganz einfach: ein technisches Extrem!

Kolben und Kurbelwelle: Auch im Bereich des Kurbelwellendesigns unterscheidet sich der F-1-V8 von seinem Straßenbruder. Soweit mir bekannt ist, sind die aktuellen F-1-Motoren ausnahmslos mit 180 Grad-Kurbelwellen ausgestattet (auch Cosworth verfolgt dieses Konzept). Die Kurbelwelle setzt die geradlinige Auf-/Abbewegung des Kolbens im Zylinder in eine Drehbewegung um und leitet diese an die Kupplung und das Getriebe weiter.

VIDEO: Animation - so ist ein Motor aufgebaut

Kolben und Kurbelwelle sind über den sogenannten Pleuel miteinander verbunden. Bei F-1-Aggregaten lagern beide Pleuel der gegenüberliegenden Kolben auf einem Hubzapfen. Dieser Umstand dient der Vibrationsminimierung, denn der ideale Hubzapfenversatz errechnet sich aus der Formel: 180 Grad - 2x Zylinderwinkel = Hubzapfenversatz. In diesem Fall wäre das Ergebnis wegen des Zylinderwinkels von 90 Grad gleich Null, und es resultiert daraus quasi eine Aufhebung der freien Massenkräfte. Das Ergebnis ist ein optimierter Arbeitsablauf sowie eine Vibrationsminimierung im Vergleich zu einem Straßenmotor.

 

Kühlsystem: Diese Akkumulation von High-Performance-Teilen auf so engem Raum und mit so niedrigem Gewicht und unfassbaren Arbeitsgeschwindigkeiten erfordert ein absolut effizientes Kühlsystem. Wie bei einem Straßenauto geschieht dies auch in einem F-1-Boliden per Öl- und Luftkühlung.

Entgegen dem weitläufigen Aberglauben erfüllt die Hutze über dem Fahrerkopf jedoch keine Kühlfunktion, sondern sie dient der Luftzufuhr des Motors zur Versorgung des Benzingemischs. Desweiteren habe ich schon oftmals gehört, dass die Luft durch die Airbox in den Motor "gerammt" würde wie durch einen Turbolader. Dem ist nicht so. Ganz im Gegenteil erweitert sich der Luftkanal um alle Zylinder gleichmäßig zu füllen (1).

Die Kühler waren in den 2009er Modellen geneigt in den Seitenkästen angeordnet und kühlen auf Grund ihrer extrem feinen Lamellenstruktur effizienter als die Autokühler bei Straßenmodellen. In diesem Jahr sieht man bereits bei einigen Boliden unterschiedliche Anordnungen (vgl. Ferrari F10, Sauber C29), um Platz für den größeren Tank zu schaffen.

Ich habe leider nirgends Angaben über die Ölmenge im Kreislauf eines F-1-Motors gefunden, weiß aber, dass zirka 70% des gesamten Öls im Motorenbereich selbst befindlich sind und nur 30% außerhalb des Motors gekühlt werden. Pro Minute muss das Öl somit drei bis viermal komplett im Kreislauf zirkulieren, um ausreichend gekühlt werden zu können.

Kühl- und Ölsystem sind der Aerodynamik untergeordnet. Alles ist auf minimale Cw-Werte bei maximaler Funktion ausgelegt. So muss sich die Lage der Kühler (2) trotz schlechterer Leistung (im Vergleich zur senkrechten Positionierung) an der strömungsgünstigeren Form der Seitenkästen orientieren. Auch der Öltank ist bei den neuen Modellen teilweise neu angeordnet worden (z.B. bei Red Bull), um den Radstand möglichst kurz zu halten.

Ebenso wie das Kühlsystem spielen Motor und Getriebe-/Differentialkomplex zu Gunsten besserer Aerodynamik- und Balanceeigenschaften untergeordnete Rollen und übernehmen Befestigungsfunktionen der Hinterradaufhängung sowie Steifigkeitsfunktionen.

Dazu in der nächsten Folge mehr!

Werbung
Werbung
Werbung
Werbung