تاریخچه موتورهای فرمول یک – قسمت دوم

فرمول یک ایران – در قسمت اول، ضمن معرفی مختصر انواع موتور به بررسی تاریخچه موتورهای فرمول یک از پیدایش این رقابت (سال ۱۹۵۰) تا ۱۹۷۷ پرداختیم. در این قسمت نگاهی خواهیم داشت به وضعیت موتورها از سال ۱۹۷۷ تا حال حاضر.

۱۹۷۷ الی ۱۹۸۸: پیشرفت سریع توربو

قوانینی که در سال ۱۹۶۶ معرفی شدند استفاده از موتورهای تنفس طبیعی تا سقف سه لیتر را مجاز می‌دانستند. علاوه بر این تیم‌ها مختار به استفاده از موتورهای توربوی ۱٫۵ لیتری بودند اما این بخش از قوانین تا سال ۱۹۷۷ مغفول ماند. در آن سال بود که رنو (Renault) خودروی RS01 را که به وسیله موتور ۱٫۵ لیتری V6 رنو-گردینی (Renault-Gordini) تغذیه می‌شد، رونمایی کرد.

این رنوی توربودار و سنگین (به علت استفاده از آهن به جای آلومینیوم)، تشنه سوخت و همواره نامطمئن بود. به آن به علت تمایلش به جوش آوردن لقب قوری زرد داده بودند! اگرچه RS01 یک خودروی مسابقه ای موفق نبود اما آزمایشگاه سیار موثری برای رنو به شمار می‌رفت که به آن‌ها اجازه پیشبرد مفاهیم توربو را می‌داد و راه را برای پیشرفت‌های آینده باز می‌کرد. جانشین آن، RS10 رنو را به سمت اولین برنده خودروی توربو در فرمول یک در گرندپری ۱۹۷۹ فرانسه هدایت کرد. ورق در حال برگشتن بود.

رنو به سروکله زدن با مفاهیم جدید ادامه داد؛ احتراق برقی در سال ۱۹۸۲ معرفی شد و تزریق آب در ۱۹۸۳٫ که این دومی ‌روشی برای خنک کردن محفظه احتراق بود تا از انفجار ناقص و زودهنگام جلوگیری کند. این موتور نهایتاً در پایان سال ۱۹۸۳ با کسب ۱۵ برد کنار گذاشته شد؛ موتوری که در سال ۱۹۷۷ قدرتی برابر با ۵۰۰ اسب بخار داشت، در سال ۱۹۸۳ و قبل از بازنشستگی، قدرتش به ۷۰۰ اسب بخار رسیده بود.

آغاز عصر توربو مصادف شد با تمرکز بخش تحقیق و توسعه تیم‌ها بر درک و استفاده از تاثیر آیرودینامیک در طراحی. موفقیت موتور F12 (فراری در میانه دهه ۷۰ سه بار عنوان قهرمانی سازندگان را به دست آورد) به شدت تحت شعاع عدم انطباق این موتور عریض و پایین با تئوری های آیرودینامیکی قرار گرفت. آلفارمئو به موتور V12 بازگشت اما فراری دومین تیمی ‌بود که با ساخت موتور ۱۲۰ درجه ای V6 در سال ۱۹۸۱ به انقلاب موتورهای توربو پیوست.

نوآوری رنو، فرمول یک را تغییر داد؛ در ۱۹۸۳ موتورهای توربو، قدرت غالب بودند و در ۱۹۸۶ موتورهای تنفس طبیعی کاملاً از میان رفتند.

1988

در آن زمان توانایی مهندسان در افزایش قدرت موتورها از توانایی آن‌ها در حفظ و نگه‌داری موتورها پیشی گرفت. نتیجه آن موتورهایی بودند که به آن‌ها “موتورهای زمان‌گیری” می‌گفتند. موتورهای زمان‌گیری که به آن‌ها لقب نارنجک داده شد به این منظور طراحی شده بودند که تنها چند دور دوام بیاورند. موتورهایی که در مسابقه ۸۰۰ اسب بخار تولید می‌کردند، می‌توانستند برای تحمل فشار بیشتر و تولید ۱۲۰۰ اسب بخار در زمان گیری تقویت شوند. موتورM/12/13/1 توربوی L4 بی ام و(BMW) به موتوری که توانایی تولید ۱۴۰۰ اسب بخار در زمان گیری را دارد شهرت یافت؛ قویترین موتور فرمول یکی که تولید شده بود. در حالی که توربو شارژر برای فرمول یک اختراع نشده بود، این فرمول یک بود که تکنولوژی را به جلو سوق می‌داد. نکته مثبت قضیه قدرت فوق العاده ای بود که موتورهای توربو تولید می‌کردند. اما به قیمت عدم اطمینان زیاد، قابلبت رانندگی ضعیف و مصرف بالای سوخت. دهه ۱۹۸۰ شاهد قوی و قوی تر شدن موتورهای توربو بود اما در پشت صحنه سازندگان موتور درگیر حل مشکلات ذاتی این تکنولوژی بودند و با به کارگیری فناوری پیشرفته احتراق و مواد، فرمول یک را به نقطه ای رساندند که در چند سال از قدرت ۵۰۰ به ۸۰۰ اسب بخار رسیدند. فرمول یک سال ۱۹۸۹ را بدون توربو پشت سر گذاشت اما میراث آن دوره موتورهای توربوی با دوام، اقتصادی و با قابلیت رانندگی بالا بود که در دهه ۹۰ برای خودروهای جاده‌ای فراگیر شدند.

۱۹۸۷ الی ۱۹۹۴: موتور ۳٫۵ لیتری

در ادامه الگویی که در دهه‌های ۵۰ و ۶۰ شکل گرفته بود، حرکت به سمت قوانین جدید بار دیگر الهام بخش تنوعی وسیع در طراحی موتور شد. طبقه موتورهای تنفس طبیعی ۳٫۵ لیتری در سال ۱۹۸۷ معرفی شدند اما استفاده درست از آن‌ها احتمالاً از ۱۹۸۹ آغاز شد. تمام سازندگان موتور آرایش V شکل را انتخاب کردند اما به انواع مختلف؛ موتور‌های V8، V10 و V12 همگی در سال ۱۹۸۹ توانستند فاتح مسابقات شوند هرچند شاخص ترین آن‌ها موتور ۷۲ درجه ای V10 هوندا با ۶۰۰ اسب بخار بود که قدرت مکلارن آلن پروست (Alain Prost) برای کسب پیروزی‌ها را تامین می‌کرد. V10 آرایشی جدید در فرمول یک بود که حد وسطی از موتور قدرتمند V12 و موتور کم مصرف V8 بود.

از آن جا که تامین کنندگان موتور هدف را رسیدن به قدرت موتورهای توربو قرار داده بودند، نوآوری‌ها ادامه پیدا می‌کرد. علاقه فرمول یک به علم مهندسی مواد که در عصر موتورهای توربو به شدت پیشرفت کرده بود، با معرفی شیرهای ساخته شده از آلیاژ تیتانیوم توسط هوندا ادامه پیدا کرد. در همین حال رنو شیرهای بادی را معرفی کرد (با کنترل راحت تر و وزن کمتر در بالای موتور نسبت به فنرهای رفت و برگشتی مرسوم). موتور V10 هوندا به قدرت ۶۵۰ اسب بخار در ۱۳۸۰۰ دور دقیقه در سال ۱۹۹۰ رسید (درحالی که آنها نیز از شیرهای بادی استفاده می‌کردند). اما آن‌ها معتقد بودند همچنان قدرت‌های بیشتر قابل حصول است. بنابراین در ۱۹۹۱ به سراغ موتورهای ۶۰ درجه ای V12 رفتند که نتیجه آن جهشی برزگ در قدرت خروجی بود و با قدرت بیش از ۷۵۰ اسب بخار به تنها برنده سازندگان تبدیل شدند که از موتور V12 استفاده می‌کردند.

1991

رنو در استفاده از موتور ۶۷ درجه‌ای V10 اش پشتکار نشان داد و به پیشرفت در سرعت و قدرت موتور ادامه داد و در پایان عصر موتورهای سه لیتری در سال ۱۹۹۴ به قدرت تقریبی ۸۰۰ اسب بخار یعنی تقریباً معادل قدرت خروجی موتورهای توربو دست یافت.

۱۹۹۵ الی ۲۰۱۳: کوچک، محدود و ثابت

در سال ۱۹۹۵، به عنوان یکی از راهکارهای اصلی به منظور محدود کردن سرعتی که در فرمول یک در حال به دست آمدن بود، حجم موتور به ۳ لیتر کاهش پیدا کرد. در واقع استفاده از قوانین برای محدود کردن سرعت از اینجا آغاز شد. موتورهای سبک‌تر در سرعت‌های بیشتر می‌توانند کار کنند بنابراین سازندگان به بهبود قدرت خروجی به کمک افزایش دور موتور و استفاده از آلیاژهای جدید برای کم کردن وزن ادامه دادند. اثر جانبی استفاده از موتورهای سبک این بود که تیم‌ها برای رسیدن به وزن حداقل، شروع به استفاده از مقادیر زیادی ماسه کردند.

این دوره نسبتاً با ثبات از لحاظ قوانین موتور، منجر به همگرایی نیز شد به طوری که در سال ۱۹۹۸ تمام تیم‌ها از موتور V10 استفاده می‌کردند و این اولین بار در تاریخ بود که اینچنین درجه‌ای از توافق در فرمول یک دیده شد. چند سال بعد موتور سه لیتری V10 در قوانین به عنوان تنها موتور مجاز در نظر گرفته شد.

افزایش قدرت و دور موتور ادامه پیدا کرد و به کمک به کارگیری CAD/CAM و شناخت بهتر چرخه احتراق و سوخت، موتورهای V10 در اوایل قرن بیست و یکم قدرتی نزدیک به ۹۰۰ اسب بخار در ۱۹۰۰۰ دور در دقیقه تولید می‌کردند. موتورها در سال ۲۰۰۴ به اوج خود رسیدند و به همین علت است که خیلی از رکوردهای سریع ترین دور پیست در آن سال ثبت شده است. با این حال اواخر عصر موتورهای V10 شاهد تحمیل شدن محدودیت‌های جالبی بود؛ در سال ۲۰۰۴ موتورها ملزم به دوام در کل آخر هفته شدند. در سال ۲۰۰۵ این الزام به دو آخر هفته افزایش یافت و این آغازی برای تمرکز بر روی عمر و دوام موتورها بود.

1998

در سال ۲۰۰۶ موتورهای V10 سه لیتری با موتورهای ۲٫۴ لیتری V8 جایگزین شدند. فلزهای غیرمعمول با هدف کم کردن هزینه‌ها ممنوع شدند. قدرت خروجی به ۷۰۰ تا ۷۵۰ اسب بخار کاهش یافت با این حال در همان سال موتور سری CA کازوورث به عنوان اولین موتور ۲۰۰۰۰ دور موتوری فرمول یک شناخته شد.

کاهش هزینه‌ها نقش زیادی بر سیاست گذاری سال‌های آینده – از جمله محدودکردن توسعه که در پایان ۲۰۰۶ تحمیل شد و الزامات طول عمر بیشتر – داشت و به دنبال آن اولین محدودیت دور موتور در تاریخ فرمول یک؛ ۱۹۰۰۰ دور در دقیقه در سال ۲۰۰۷ و ۱۸۰۰۰ دور در دقیقه در سال ۲۰۰۹٫

2008

سیستم بازیابی انرژی جنبشی (KERS)

در حالی که موتورهای V8 در حوالی ۷۵۰ اسب بخار درجا می‌زدند، در سال ۲۰۰۹ خودروی فرمول یک به واسطه معرفی سیستم بازیابی انرژی جنبشی هشتاد اسب بخار دیگر بدست آورد. سیستم بازیافت انرژی جنبشی نوعی هیبرید ملایم بود که با هدف بیشتر شبیه کردن خودروی فرمول یک به خودروهای معمولی معرفی شد. این سیستم انرژی تحت ترمزگیری را بازیافت می‌کرد، آن را در باتری ذخیره می‌کرد و به راننده اجازه می‌داد آن را به سیستم انتقال قدرت بازگرداند.

مشخصات اولیه محتاطانه بود؛ موتور ژنراتور ۶۰ کیلو واتی و حداکثر ۴۰۰ کیلو ژول به کار گیری در هر دور به راننده ۸۰ اسب بخار اضافی در ۶٫۶ ثانیه می‌داد. کرز سی کیلوگرم به وزن خودرو اضافه می‌کرد که مفید بودن آن را برای تیم‌ها با توجه به اینکه نمی‌توانستند کمترین وزن را داشته باشند تحت تاثیر قرار می‌داد. با این وجود، خودروهای مجهز به کرز شروع به بردن مسابقات از میانه فصل کردند. مکلارن mp4/24 مجهز به موتور مرسدس اولین خودروی هیبریدی بود که فاتح مسابقه فرمول یک لقب گرفت؛ این افتخار در گرندپری مجارستان نصیب لوئیس همیلتون (Lewis Hamilton) شد.

هیبرید

اشتیاق به پیشرفت تکنولوژی هیبرید منجر به ارائه قوانین متفاوتی در سال ۲۰۱۴ شد. جامع ترین تغییرات در تاریخ فرمول یک همراه با مشخصات پیچیده اما هدفی واضح بود: خودروی جدید باید یک سوم خودروهای V8 سوخت مصرف کند بدون آنکه افتی در عملکرد داشته باشد.

سازندگان مشخصات را برای موتور ۱٫۶ لیتری V6 دارای یک توربوشارژر توسعه دادند. این موتور مجهز به دو سیستم بازیافت انرژی می‌باشد: جانشینی پیشرفته تر برای کرز به منظور بازیافت انرژی به هنگام ترمزگیری و چرخه ترکیبی توربو با هدف بازیافت اتلاف حرارتی گازهای خروجی. این سیستم بازیافت انرژی ترکیبی می‌تواند ۱۲۰ کیلووات را به محور محرک منتقل کند و در هر دور از ۴ مگاژول استفاده کند. پاوریونیت (امروز با چیزی بیش از “موتور” سر و کار داریم) هم انرژی را بازیافت می‌کند و هم آن را به کار می‌گیرد و بیشتر به تنظیمات موتور بستگی دارد تا اینکه توسط راننده کنترل شود.

2015

محدودیت‌‌های جدید بر پاوریونیت از طریق حداکثر سوخت قابل مصرف در هر مسابقه، ۱۰۰ کیلوگرم و با حداکثر دبی ۱۰۰ کیلوگرم بر ساعت اعمال شد.

در حالی که هدف مقررات جدید هم راستا کردن فرمول یک با تقاضاهای فعلی صنعت خودروسازی یعنی اقتصادی، کوچک تر بودن و توربوشارژ بودن موتورها بود، اما ناخواسته محرک خلاقیت شدند به طوری که فرمول یک را یک دهه جلوتر از تکنولوژی حال حاضر صنعت خودروسازی قرار دادند. برای مثال بیشتر مسائل ای توربو (e turbo) پیش از آن که فرمول یک آن را در پیست پیاده کند، در حد تئوری و تست جاده ای بود.

با گذشت زمان ثابت شد نگرانی‌ها از این بابت که مقررات جدید، فرمول یک را تبدیل به رقابتی صرفاً اقتصادی می‌کند بی اساس است. در حالی که این موتورها با قدرت حدود ۷۵۰ اسب بخار کار خود را آغاز کردند، به سرعت در حال پیشرفتند به طوری که اکنون ممکن است قویترین موتورهای تاریخ فرمول یک باشند. این موتورها از ۹۵۰ اسب بخار تولیدی در اواخر عصر موتورهای V10 پیشی گرفته‌اند و به طور مداوم در زمینه‌هایی مانند سوخت، کنترل بهتر بر ERS، فهم بهتر از چرخه احتراق داخلی موتور V6 و کاهش اتلاف در حال توسعه اند.

در حالی که فرمول یک به ۶۵ سال نوآوری موتور می‌بالد، توسعه‌های آخر احتمالاً بزرگترین آن‌ها محسوب می‌شود. به راحتی می‌توان تفاوت تکنولوژی در موتور ۱٫۵ لیتری سوپرشارژ پراستفاده در اوایل دهه ۱۹۵۰ و وارث آن در سال ۲۰۱۶ را مشاهده کرد در حالی که موتور سال ۲۰۱۳ با موتور ۲۰۱۶ نیز بسیار متفاوت می باشد. ۱۲۵ سال توسعه بر روی موتور بنزینی، آن را از راندمان ۱۷ درصدی به ۲۵ درصد رساند در حالی که موتور V8 فرمول یک در ۲۰۱۳ راندمان فوق العاده ۲۹ درصدی را میسر کرد. سقف آرزوی توسعه دهندگان موتورهای هیبرید فعلی راندمان ۴۰ درصدی بود در حالی که فرمول یک همین حالا به راندمان ۴۵ درصدی رسیده و ۵۰ درصد نیز دور از دسترس به نظر نمی‌رسد.

تکنولوژی موتور فرمول یک در قدم بعدی به کدام سمت حرکت می‌‌کند؟ این سوال می‌‌تواند عنوان یک بحث جذاب باشد اما از شواهد و قرائن تاریخی می‌توان پیش‌بینی کرد باز هم با موتوری فوق‌العاده سروکار خواهیم داشت.