Een diepgaande duik in het MGU-K-systeem van Formule 1 en hoe het polymeren gebruikt.

De MGU-K (Motor Generator Unit - Kinetic) is een belangrijk onderdeel van de hybride aandrijfeenheid die in moderne Formule 1-auto 's wordt gebruikt. Als onderdeel van het Energy Recovery System (ERS) vangt de MGU-K kinetische energie op tijdens het remmen en slaat deze op in de accu van de auto, waarna deze energie wordt gebruikt om de motor van extra vermogen te voorzien. Met dit systeem kunnen F1-auto's energie terugwinnen die anders verloren zou gaan en deze gebruiken om de prestaties en efficiëntie te verbeteren, wat aansluit bij het streven van Formule 1 naar duurzaamheid en energie-efficiëntie. Polymeren spelen een cruciale rol in de constructie en functionaliteit van het MGU-K systeem, met name op gebieden als elektrische isolatie, thermisch beheer en structurele integriteit. Laten we eens diep duiken in hoe het MGU-K systeem werkt en waar polymeren worden gebruikt.

Overzicht van het MGU-K systeem

De MGU-K werkt zowel als generator en als motor. Wanneer de auto vertraagt, werkt de MGU-K als een generator die de kinetische energie van de auto omzet in elektrische energie. Deze energie wordt opgeslagen in de Energy Store (ES), een krachtige accu. Tijdens het accelereren of rijden met hoge snelheid schakelt de MGU-K over naar de motormodus, waarbij de opgeslagen energie wordt gebruikt om de motor van extra vermogen te voorzien, waardoor de prestaties verbeteren en het brandstofverbruik daalt.

De MGU-K is verbonden met de krukas van de motor en kan tot 120 kW (161 pk) vermogen oogsten tijdens het remmen. Het is een component met hoge snelheid en hoge belasting die werkt in extreme thermische en mechanische omgevingen, waardoor het gebruik van geavanceerde materialen, waaronder polymeren, essentieel is voor de efficiëntie en betrouwbaarheid.

Hoe polymeren worden gebruikt in het MGU-K-systeem

1. Elektrische isolatie

Aangezien de MGU-K een elektrisch aangedreven systeem is, wordt er veel gebruik gemaakt van hoogwaardige polymeren voor de elektrische isolatie. Het systeem bestaat uit een stator en een rotor, waarbij de beweging van de rotor elektriciteit opwekt. Om kortsluiting te voorkomen en een efficiënte energieoverdracht te garanderen, worden isolatiematerialen zoals PTFE (polytetrafluorethyleen) en polyimide (PI) gebruikt om de elektrische wikkelingen in de motor- en generatorunits te isoleren.

• PTFE wordt gebruikt voor draadisolatie en het coaten van de wikkelingen in de motor en generator vanwege de uitstekende elektrische isolatie-eigenschappen en het vermogen om hoge temperaturen te weerstaan. Het is ook bestand tegen chemicaliën en brandstoffen, wat essentieel is in de ruwe omgeving van een Formule 1 motorruimte.
• Polyimide films, zoals Kapton, worden ook gebruikt als isolatie rond kritieke elektrische componenten. Deze folies zijn bestand tegen extreme temperaturen (tot 400°C) en bieden een uitstekende diëlektrische sterkte, waardoor elektrische stromen veilig door het systeem stromen zonder schade te veroorzaken.

2. Thermisch beheer

Een van de grootste uitdagingen van het MGU-K systeem is het thermisch beheer. Het constante schakelen tussen motor- en generatormodi, gecombineerd met de hoge energiedoorvoer, genereert aanzienlijke warmte. Om ervoor te zorgen dat de MGU-K onder deze omstandigheden efficiënt en betrouwbaar werkt, worden in verschillende onderdelen van het systeem polymeren met een uitstekende hittebestendigheid gebruikt.

• PEEK (Polyether Ether Ketone) wordt vaak gebruikt voor onderdelen die bestand moeten zijn tegen hoge temperaturen en mechanische spanning, zoals behuizingen, connectoren en interne steunen in de MGU-K. De thermische stabiliteit van PEEK zorgt ervoor dat het de hitte kan verdragen die wordt gegenereerd tijdens energieterugwinning en inzet zonder te vervormen of aan sterkte in te boeten. Bovendien maakt de uitstekende weerstand van PEEK tegen slijtage en chemische blootstelling het materiaal ideaal voor deze omgevingen met hoge druk.

• Thermische isolatielagen van polymeer schuim of op siliconen gebaseerde polymeren worden ook gebruikt in en rond de MGU-K om de warmteafvoer te beheren. Deze materialen helpen bij het beschermen van gevoelige elektronische componenten en voorkomen dat warmte wordt uitgestraald naar andere kritieke systemen in de auto, zoals het accupakket en de vermogenselektronica.

3. Gewichtsreductie

De prestaties van een F1-auto zijn sterk afhankelijk van het gewicht, en elke gram telt. Polymeren worden vaak gekozen vanwege hun hoge sterkte-gewichtsverhouding, waardoor ingenieurs het gewicht van het MGU-K-systeem kunnen verlagen zonder de duurzaamheid of prestaties in gevaar te brengen. Lichtgewicht polymeren zoals met koolstofvezel versterkte polymeren (CFRP) worden gebruikt in de structurele onderdelen van de MGU-K, zoals behuizingen en montagebeugels.

• CFRP-componenten bieden de nodige sterkte en stijfheid om de interne mechanismen van de MGU-K te beschermen en tegelijkertijd het totale gewicht van het systeem laag te houden. Dit is cruciaal, omdat een lager gewicht van de MGU-K niet alleen de acceleratie en het bochtengedrag van de auto verbetert, maar ook een betere energie-efficiëntie mogelijk maakt.

4. Duurzaamheid en trillingsbestendigheid

Het MGU-K systeem wordt blootgesteld aan aanzienlijke mechanische spanningen, zoals trillingen, hoge draaisnelheden en de krachten die ontstaan tijdens het remmen en accelereren. Elastomere polymeren, zoals siliconen en fluorelastomeren, worden gebruikt in onderdelen zoals afdichtingen en pakkingen om trillingen te absorberen en de structurele integriteit van de MGU-K te behouden.

• Siliconen afdichtingen worden in de MGU-K gebruikt om flexibiliteit te bieden en ervoor te zorgen dat kritieke onderdelen beschermd blijven tegen vuil, stof en binnendringende vloeistoffen. Deze afdichtingen moeten bestand zijn tegen hoge temperaturen en drukken terwijl ze na verloop van tijd elastisch blijven.
• Trillingsdempende materialen gemaakt van elastomere polymeren zijn ook geïntegreerd in het MGU-K systeem om gevoelige onderdelen te beschermen tegen de intense trillingen die optreden tijdens het racen. Dit voorkomt voortijdige slijtage van interne onderdelen en verlengt de levensduur van de unit.

5. Koelsystemen en vloeistoffen

Efficiënte koeling is essentieel voor de werking van het MGU-K systeem, omdat oververhitting kan leiden tot vermogensverlies en mogelijk falen van het onderdeel. Op polymeer gebaseerde koelvloeistofslangen en vloeistofleidingen worden gebruikt om koelvloeistof van en naar de MGU-K te transporteren. Deze slangen zijn vaak gemaakt van materialen zoals PTFE of EPDM (Ethyleen Propyleen Diene Monomeer rubber), die flexibiliteit, hittebestendigheid en chemische duurzaamheid bieden.

• PTFE-koelvloeistofleidingen zijn geliefd omdat ze bestand zijn tegen hoge temperaturen en tegen de chemicaliën die in moderne koelvloeistoffen voorkomen. Deze slangen zijn essentieel voor het handhaven van de optimale bedrijfstemperatuur van de MGU-K en zorgen ervoor dat deze efficiënt functioneert tijdens de race.

Voordelen van het gebruik van polymeren in het MGU-K systeem

• Hoge prestaties in extreme omstandigheden: Door het gebruik van geavanceerde polymeren kan het MGU-K systeem efficiënt werken onder de extreme hitte, druk en elektrische eisen van Formule 1-races. Materialen zoals PEEK en PTFE bieden de nodige thermische en chemische weerstand om de uitdagende omgeving van de motorruimte te weerstaan.

• Gewichtsreductie: Door traditionele materialen te vervangen door lichtgewicht polymeren zoals CFRP en PEEK kunnen ingenieurs het totale gewicht van het MGU-K systeem verlagen, waardoor de prestaties van de auto verbeteren zonder aan duurzaamheid in te boeten.

• Verbeterde duurzaamheid en betrouwbaarheid: Polymeren zoals fluorelastomeren en siliconen helpen het systeem te beschermen tegen slijtage, trillingen en omgevingsvervuiling, zodat de MGU-K tijdens de hele race betrouwbaar presteert.

• Elektrische efficiëntie: Hoogwaardige isolatiematerialen zoals polyimidefolies en PTFE zorgen ervoor dat elektrische stromen soepel en veilig stromen, waardoor het risico op elektrische storingen wordt verkleind en de energieterugwinning en het gebruik worden gemaximaliseerd.

Conclusie

Het MGU-K-systeem in Formule 1-auto's is een kritisch onderdeel van de hybride aandrijfeenheid van de auto, dat energie opvangt en gebruikt om de prestaties en efficiëntie te verbeteren. Polymeren spelen een cruciale rol in de constructie en functionaliteit van dit systeem en dragen bij aan elektrische isolatie, thermisch beheer, gewichtsvermindering en duurzaamheid. Door gebruik te maken van de unieke eigenschappen van materialen als PEEK, PTFE en CFRP kunnen F1-teams de prestaties van de MGU-K optimaliseren en ervoor zorgen dat deze betrouwbaar werkt onder de intense omstandigheden van Formule 1-races. Naarmate de F1-technologie zich blijft ontwikkelen, zal het gebruik van geavanceerde polymeren in energieterugwinningssystemen een belangrijke factor blijven bij het verleggen van de grenzen van prestaties en efficiëntie.