Renault Sport F1: Neues Formel 1-Triebwerk für 2014

Renault stellt im Rahmen der internationalen Luftfahrtmesse in Le Bourget sein neues Formel 1-Antriebssystem "Energy F1-2014" vor. Kernstück ist ein komplett neu entwickelter 1,6-Liter-V6-Turbomotor mit rund 440 kW/ 600 PS Leistung. Weitere 120 kW/ 160 PS werden von umfangreichen Systemen zur Energierückgewinnung bereitgestellt. In der Gesamtsystemleistung ist die neue Antriebseinheit stärker als die aktuellen 2,4-Liter-V8-Saugmotoren, während gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch um 35% sinkt. Mit dem hocheffizienten Kraftpaket untermauert Renault seine Position als führender Motorenhersteller der Formel 1.

Ab 2014 hält auch in der Formel 1 der Trend zum Motorendownsizing Einzug, den Renault in der Serie bereits maßgeblich geprägt hat. Das neue Motorenreglement schreibt den Einsatz von energieeffizienten 1,6-Liter-Aggregaten mit Turboaufladung und umfangreicher Energierückgewinnung vor.

"Energy F1-2014" verbindet Serie und Rennsport

Ziel des Automobil-Weltverbands FIA ist es, die Rolle der Formel 1 als Testlabor für die Serie zu stärken. Dies gilt insbesondere für die Entwicklung leistungsstarker und energieeffizienter Turboaggregate sowie die stärkere Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Um die enge Verbindung zwischen Serie und Rennstrecke zu demonstrieren, nennt Renault sein neues Formel 1-Triebwerk "Energy F1-2014".

"Unsere große Aufgabe wird darin bestehen, die Energieeffizienz zu steigern und gleichzeitig das hohe Leistungsvermögen zu erhalten, das von Formel 1-Fahrzeugen erwartet wird", erklärt Jean-Michel Jalinier, Präsident von Renault Sport F1, die kommenden HerausForderungen. "Renault hat hier mit seinen ENERGY-Motoren in der Serie bereits wichtige Pionierarbeit geleistet", so Jalinier weiter.

"Da in der kommenden Formel 1-Fahrzeuggeneration ein rund 600 PS starker Verbrennungsmotor und ein 160 PS starkes Energierückgewinnungssystem zusammenarbeiten, ist es beim Energy F1-2014 sinnvoller, von einem Antriebssystem statt nur von einem Motor zu sprechen", so Rob White, Technischer Direktor von Renault Sport F1.

Enge Vorgaben für die Entwicklung

Das neue Reglement schreibt unter anderem vor:

• V6-Motor mit maximal 1,6 Liter Hubraum
• Aufladung per Single-Turbolader
• Unterstützung des Antriebs durch kraftvolle Systeme zur Energierückgewinnung (ERS = Energy Recovery System)
• Kraftstoffdurchfluss-Begrenzung auf 100 kg/h (bisher kein Limit)
• Kraftstoffmenge-Begrenzung auf 100 kg pro Rennen (bisher unbegrenzt)
• Maximal 5 Motoren pro Fahrer in der Saison 2014 und 4 Triebwerke in den Folgejahren

Neben Hubraum und Turboaufladung hat die FIA unter anderem auch Zylinderwinkel, Bohrung-Hub-Verhältnis und die Zahl der Ventile verbindlich festgelegt. Für die Höchstdrehzahl gilt die Obergrenze von 15.000 1/min (bisher: 18.000 1/min). Weitere Vorgaben sind Vierventiltechnik und Benzin-Direkteinspritzung.

Noch stärkerer Elektro-Boost durch ERS

Anstelle des bisherigen KERS-Systems (Kinetic Energy Recovery System), das ausschließlich die Bewegungsenergie (kinetische Energie) des Autos speichert und wieder für den Antrieb nutzt, unterstützt ein deutlich komplexeres System zur Rückgewinnung von Energie den Verbrennungsmotor ab 2014.

Mit rund 120 kW/ 160 PS liefert das neue ERS (Energy Recovery System) die doppelte Leistung von KERS (60 kW /82 PS). ERS besteht aus 2 Bausteinen: ERS-K (Energy Recovery System – Kinetic) und ERS-H (Energy Recovery System – Heat).

ERS-K ist mit dem bisherigen KERS vergleichbar. Kernelement ist ein Generator (Motor Generator Unit – Kinetic = MGU-K). Er wandelt die kinetische Energie, die beim Bremsen in Form von Reibungswärme entsteht, in elektrische Energie um. Die MGU-K-Einheit ist an die Kurbelwelle angeflanscht und funktioniert beim Beschleunigen als zusätzlicher Elektromotor.

Pro Rennrunde darf die Motor-Generator-Einheit vier Megajoule (MJ) Energie aus den Batterien abrufen, zehnmal so viel wie beim aktuellen KERS.

Neu: Motor-Generator-Einheit am Turbolader

Das zweite Rekuperationssystem ERS-H ist eine komplette Neuentwicklung und transformiert einen Großteil der Abwärme des Turboladers in elektrische Energie. Dabei treibt die Welle des Turboladers auch die Motor Generator Unit – Heat (MGU-H) an, die für die Energieumwandlung sorgt.

Der so erzeugte Strom wird in Akkus gespeichert und kann situationsabhängig auf zwei Arten genutzt werden: Er wird an die MGU-K abgegeben, oder er wird – beispielsweise beim Beschleunigen aus niedrigen Drehzahlen – wieder zur MGU-H geleitet, die jetzt nicht mehr als Generator, sondern als Elektromotor arbeitet und die Turboladerwelle antreibt. Vorteil: Die Ansprechzeit des vergleichsweise großen Turboladers wird verkürzt. Es steht sofort genug Ladedruck zur Verfügung, und das gefürchtete "Turboloch" bleibt aus.

Enge Vernetzung beider Motor-Generator-Einheiten

Beide Motor-Generator-Einheiten sind eng vernetzt. Ruft der Fahrer Drehmoment ab, so entscheidet die elektronische Steuerung je nach Situation, ob hierfür der Motor allein ausreicht, ob die MGU-K zusätzliche Energie bereitstellt, oder ob die MGU-H schnell und verzögerungsfrei die Rotationsgeschwindigkeit des Turbinenrads und damit den Ladedruck erhöht. Da beide Systeme hochmoderne und -komplexe technische Lösungen erFordern, nahm ihre Konstruktion mehr Zeit in Anspruch als die Entwicklung des V6-Aggregats.

Wichtig für die Rennstrategie: die Kraftstoffeinteilung

Neben der maximalen Energie, die aus den Batterien abgerufen werden darf, beinhaltet das neue Formel 1-Reglement als weiteren effizienzsteigernden Faktor die Beschränkung der Kraftstoffmenge. Pro Stunde dürfen maximal 100 kg Super Plus in den Motor fließen. Hierbei handelt es sich allerdings um einen theoretischen Wert, denn gleichzeitig ist auch die Spritmenge pro Fahrzeug und Rennen auf 100 kg beschränkt. Bei einer durchschnittlichen Renndauer von eineinhalb Stunden wird daher die Kraftstoffeinteilung zum zentralen Bestandteil der Rennstrategie.

"Keine Rennstrecke erlaubt es den Teams, die ganze Zeit Vollgas zu fahren, auf allen Kursen wird die Spritmenge bei normalem Formel 1-Tempo über die gesamte Renndistanz im Bereich der erlaubten 100 Kilogramm liegen, auf manchen etwas darunter, auf manchen etwas darüber. Dann müssen sich Fahrer und Teams entscheiden, wie sie den Kraftstoff einteilen. Insgesamt wird die Performance auf dem Niveau der Autos von 2013 liegen", sagt Naoki Tokunaga, Technischer Direktor für die neuen Antriebseinheiten.

Energiemanagement bestimmt über den Rennerfolg

Genauso wichtig wie das Kraftstoffmanagement ist das Energiemanagement. Während die Teams KERS bislang nur an wenigen Stellen einer Rennrunde einsetzen konnten, müssen sie 2014 genau überlegen, an welchen Punkten der Rennstrecke sie eher mit dem früh einsetzenden Ladedruck oder mit dem direkten Elektro-Boost Zeit gewinnen oder sich im Zweikampf Vorteile sichern. Außerdem kann es sinnvoller sein, Energie für bestimmte Beschleunigungsphasen zu sparen.

Zusätzlich zum begrenzten Benzindurchfluss gibt es als weiteren limitierenden Faktor die maximale Energie, welche die Fahrer aus den Batterien abrufen können. Die Akkus dürfen wie bei einem Hybrid-Pkw nur bis zu einem bestimmten Punkt entladen werden. Das heißt: Die Rennställe müssen auch auf diesen Faktor achten.

Um die Kosten weiter zu beschränken, dürfen die Teams 2014 pro Saison und Fahrer nur noch fünf statt aktuell acht Motoren einsetzen. Später wird die Zahl auf vier verringert. Weitere wichtige Entwicklungsziele für Renault Sport F1 waren deshalb Zuverlässigkeit und Robustheit.

Zweijährige Entwicklungszeit

Die Arbeiten an dem neuen Formel 1-Triebwerk starteten im Sommer 2011. Dabei arbeitete Renault Sport F1 eng mit seinen Kundenteams zusammen. Insbesondere der Entwicklungspartner Red Bull Racing spielte dabei eine wichtige Rolle. Die neuen V6-Aggregate verlangen eine komplett neue Chassis-Integration. Während der bewährte RS27-8-Zylinder 95 kg wiegt, kommt der neue 1,6-Liter-V6-Turbo auf ein Gewicht von 145 kg . Hinzu addieren sich weitere 35 kg für die Batterie und 20 kg für Nebenaggregate wie den Ladeluftkühler.

Wegen ihres Mehrgewichts und ihrer größeren Dimensionen hat die Antriebseinheit einen weit größeren Einfluss auf das Fahrzeugdesign als bisher. Der Turbolader ragt beispielsweise über das Getriebe in einen Bereich, wo bislang die Kupplung und die Aufhängungspunkte für die Hinterräder liegen. Die größere Batterie hat wiederum Einfluss auf Kühlerposition und Tankgestaltung.

Umfangreiche Prüfstandtests

Nach sieben Monaten Entwicklungszeit absolvierte der erste Einzelzylinder im Januar 2012 einen Test auf einem Spezialprüfstand des Renault Sport F1 Motorenkompetenzzentrums Viry-Châtillon. Im Juni 2012 hatte der komplette Motorenprototyp seine Prüfstandpremiere, allerdings noch ohne ERS-Komponenten. Nach rund zweimonatigen Zuverlässigkeitstests wurde das Aggregat im August 2012 erstmals über den gesamten Drehzahlbereich "ausgefahren". Im Februar 2013 starteten die gemeinsamen Tests von Motor, MGU-H und MGU-K. Im Juni 2013 folgte nach zwei Jahren Entwicklung der erste statische Test einer rennfertigen "Energy F1-2014"-Antriebseinheit.

Die Kundenteams werden ihre Triebwerkseinheiten Anfang Januar 2014 erhalten. Mitte Januar beginnen die Rennstreckentests, bevor im März 2014 der erste Grand Prix der neuen Saison startet.