Diepgaande analyse van het MGU-H-systeem van Formule 1 en de voordelen van polymeercomponenten

De MGU-H (Motor Generator Unit - Heat) is een belangrijk onderdeel van de hybride aandrijfeenheden van moderne Formule 1-auto 's. Het werkt samen met de MGU-K (Motor Generator Unit - Kinetisch) om de energie-efficiëntie en algemene prestaties te verbeteren door afvalwarmte van de turbo terug te winnen en om te zetten in elektrische energie. Deze energie kan worden opgeslagen in de Energy Store (ES) van de auto of worden gebruikt om de turbocompressor aan te drijven, waardoor het turbogat wordt verminderd en de motor optimaal presteert. De MGU-H speelt een cruciale rol bij het efficiënter maken van F1-motoren, waardoor teams het vermogen kunnen maximaliseren en tegelijkertijd het brandstofverbruik kunnen verlagen.

De extreme omstandigheden waarmee de MGU-H te maken krijgt, zoals hoge temperaturen, draaisnelheden en elektrische eisen, maken het noodzakelijk om geavanceerde materialen te gebruiken die bestand zijn tegen deze belastingen. Polymeren zijn een integraal onderdeel van het MGU-H systeem en bieden voordelen zoals thermische weerstand, elektrische isolatie, corrosiebestendigheid en lichtgewicht eigenschappen. Hier wordt uitgelegd hoe de MGU-H werkt en hoe polymeren deze geavanceerde technologie verbeteren.

Hoe het MGU-H systeem werkt

De MGU-H is rechtstreeks aangesloten op de turbocompressor van de auto, een apparaat dat het motorvermogen verhoogt door inkomende lucht te comprimeren, waardoor een efficiëntere verbranding mogelijk is. Als de turbocompressor draait, aangedreven door uitlaatgassen, genereert deze aanzienlijke hoeveelheden warmte, waarvan een groot deel normaal gesproken verloren zou gaan. De MGU-H vangt deze energie op en zet deze om in elektrische energie.

1. Energieterugwinning: De MGU-H is bevestigd aan de as van de turbocompressor, waar hij werkt als een generator en de rotatie-energie omzet in elektrische energie. Deze energie kan dan worden opgeslagen in de Energy Store (ES) voor later gebruik of onmiddellijk worden gebruikt.

2. Gebruik van energie: De MGU-H kan de opgeslagen elektrische energie gebruiken om de as van de turbo rechtstreeks aan te drijven. Dit helpt turbogat te elimineren en zorgt ervoor dat de turbo op optimaal toerental blijft, zelfs wanneer de uitlaatgasstroom onvoldoende is, zoals bij lagere motortoerentallen. Dit systeem zorgt voor een soepelere acceleratie en betere motorprestaties.

De MGU-H werkt bij extreme toerentallen van meer dan 120.000 tpm en wordt blootgesteld aan uitlaatgassen met temperaturen van meer dan 1.000°C. Deze omstandigheden brengen aanzienlijke uitdagingen met zich mee op het gebied van thermisch beheer, mechanische spanningen en elektrische isolatie, waardoor het gebruik van geavanceerde polymeren van cruciaal belang is.

Hoe polymeren het MGU-H-systeem verbeteren

Thermische weerstand

De turbocompressor genereert extreme hitte en het beheersen van deze hitte is een van de belangrijkste uitdagingen voor de MGU-H. Hoogwaardige polymeren zoals PEEK (Polyether Ether Ketone) en PTFE (Polytetrafluoroethyleen) worden gebruikt in verschillende onderdelen van het MGU-H systeem omdat ze bestand zijn tegen hoge temperaturen zonder te degraderen.

• PEEK staat bekend om zijn vermogen om temperaturen van meer dan 250 °C aan te kunnen. Het wordt gebruikt in onderdelen die onder hoge druk staan, zoals lagerhuizen, afdichtingen en montagedelen dicht bij de turbocompressor, om ervoor te zorgen dat deze onderdelen hun structurele integriteit behouden, zelfs onder intense hitte.

• PTFE wordt gebruikt in afdichtingen en isolatielagen vanwege de thermische stabiliteit, waardoor het continu kan werken bij temperaturen tot 260°C. Dit zorgt ervoor dat kritieke onderdelen van de MGU-H worden beschermd tegen thermische schade, waardoor het systeem efficiënt kan functioneren, zelfs in de ruwe omgeving van de motorruimte.

Elektrische isolatie

Aangezien de MGU-H elektrische energie genereert en overdraagt, is elektrische isolatie essentieel voor een veilige en efficiënte werking. Polymeren met een hoge diëlektrische sterkte, zoals polyimide (PI) en PTFE, worden gebruikt om elektrische componenten te isoleren.

• Polyimide films, zoals Kapton, worden gebruikt in bedradingsisolatie en elektrische connectoren. Deze folies bieden uitstekende isolatie-eigenschappen en zijn bestand tegen extreme temperaturen, zodat de elektrische energie die door de MGU-H wordt gegenereerd veilig wordt overgedragen zonder risico op kortsluiting of elektrische storingen.

• PTFE wordt ook gebruikt als isolator voor bedrading en andere elektrische componenten. De niet-geleidende eigenschappen zorgen ervoor dat hoogspanningsstromen veilig worden opgevangen, waardoor energieverlies wordt voorkomen en de elektrische systemen van de MGU-H worden beschermd.

Corrosiebestendigheid

De MGU-H werkt in een zeer corrosieve omgeving, blootgesteld aan uitlaatgassen en vloeistoffen zoals brandstof en olie. Polymeren zoals PEEK en PTFE zijn van nature corrosiebestendig, waardoor ze ideaal zijn voor componenten die deze zware omstandigheden moeten weerstaan.

• PEEK en PTFE worden gebruikt in afdichtingen, pakkingen en beschermende coatings om corrosie door blootstelling aan uitlaatgassen en andere bijproducten van de motor te voorkomen. Hun corrosiebestendigheid zorgt ervoor dat de MGU-H componenten hun duurzaamheid en prestaties in de loop van een race behouden, waardoor er minder vaak onderhoud nodig is en de betrouwbaarheid toeneemt.

Gewichtsreductie

Gewichtsbesparing is een belangrijk punt in de Formule 1, omdat een lichtere auto sneller kan accelereren en beter stuurt. Polymeren zijn veel lichter dan metalen, waardoor ze een ideale keuze zijn voor onderdelen die zowel sterk als licht moeten zijn.

• Koolstofvezelversterkte polymeren (CFRP) worden gebruikt in behuizingen en montagebeugels in het MGU-H-systeem. Deze composieten zijn niet alleen ongelooflijk sterk, maar ook aanzienlijk lichter dan traditionele metalen onderdelen. Deze gewichtsvermindering verbetert de algehele prestaties van de MGU-H en de auto als geheel, wat bijdraagt aan betere rondetijden en een lager brandstofverbruik.

Trillingsdemping en duurzaamheid

De MGU-H wordt blootgesteld aan intense trillingen door de hogesnelheidswerking van de turbocompressor. Er worden polymeren gebruikt om de impact van deze trillingen te verminderen en gevoelige onderdelen te beschermen.

• Elastomere polymeren, zoals siliconen en EPDM (Ethyleen Propyleen Diene Monomeer rubber), worden gebruikt in trillingsdempende bevestigingen en afdichtingen. Deze materialen helpen bij het absorberen van mechanische spanningen, waardoor de slijtage van de onderdelen van het systeem wordt verminderd en de algehele betrouwbaarheid van de MGU-H tijdens races wordt verbeterd.

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

1. Thermische stabiliteit: Polymeren zoals PEEK en PTFE zijn bestand tegen de hoge temperaturen die door de turbolader worden gegenereerd, zodat de MGU-H efficiënt werkt zonder schade door hitte.

2. Elektrische isolatie: Materialen zoals polyimide en PTFE bieden essentiële elektrische isolatie, zodat de MGU-H veilig en efficiënt elektrische energie kan opwekken en overdragen.

3. Corrosiebestendigheid: Het gebruik van corrosiebestendige polymeren zoals PEEK zorgt ervoor dat de MGU-H bestand is tegen blootstelling aan uitlaatgassen en vloeistoffen, wat de duurzaamheid en levensduur van het systeem ten goede komt.

4. Gewichtsvermindering: Door lichtgewicht polymeren zoals CFRP te gebruiken, kunnen Formule 1-teams het gewicht van het MGU-H-systeem verlagen, waardoor de algehele prestaties van de auto verbeteren.

5. Duurzaamheid en trillingsdemping: Polymeren zoals siliconen en EPDM absorberen trillingen en beschermen de MGU-H tegen mechanische stress, waardoor de betrouwbaarheid tijdens races toeneemt.

Conclusie

De MGU-H is een kritisch onderdeel van moderne Formule 1-motoren, waarmee teams energie uit het uitlaatsysteem kunnen terugwinnen en gebruiken om de prestaties en efficiëntie van de motor te verbeteren. Polymeren zijn essentieel voor een betrouwbare werking van de MGU-H onder extreme omstandigheden en bieden belangrijke voordelen zoals thermische weerstand, elektrische isolatie, corrosiebescherming, gewichtsvermindering en trillingsdemping. Door gebruik te maken van geavanceerde polymeermaterialen kunnen Formule 1-teams de grenzen verleggen van wat mogelijk is met hybride technologie, zodat hun auto's zowel snel als efficiënt zijn op het circuit.