بررسی سیستم اگزوز خودروهای فرمول یک

فرمول یک ایران – اگزوز در خودروهای فرمول یک نه تنها دود موتور را خارج می‌کند، بلکه باعث می‌شود موتور در وضعیت بهینه‌تری کار کند و همچنین بر عملکرد توربوشارژر و خواص آیرودینامیکی خودرو نیز تأثیر می‌گذارد.

بخار خارج شده از اگزوز خودروی مرسدس W11 فصل ۲۰۲۰

سیستم اگزوز خودروهای فرمول یک چگونه کار می‌کند؟

سفر گاز‌های خروجی موتور دقیقاً از لحظه احتراق در داخل سیلندر شروع می‌شود. سپس در مرحله تخلیه (خروج دود)، پیستون در سیلندر بالا آمده و با باز شدن سوپاپ‌های دود، گازهای تولید شده، از فضای سیلندر خارج می‌شوند. دود در این مرحله از یک سری لوله رابط و هدرز (Headers) عبور می‌کند. هدرز باعث می‌شوند که دود سیلندرها دیرتر ترکیب شده و به خاطر عدم ازدحام گازها در خروجی هدرز، دودها راحت تر خارج شوند و عملکرد موتور بهتر شود. پس هر سیلندر به یک لوله رابط وصل می‌شود (قرمز، بنفش و آبی). در این مدل هدرز لوله‌ها به صورت پیچ و خم دار و به صورتی فشرده قرار می‌گیرند تا فضای طولی کمتری اشغال شود. در این سفر دودها در جمع کننده به هم می‌پیوندند (نارنجی) و وارد لوله چُپُقی می‌شوند (زرد). دو لوله چپقی (هر کدام از یک سمت موتور می‌آیند) نهایتاً به سمت توربوشارژر هدایت می‌شوند.

لوله‌های رابط، جمع کننده و لوله چپقی در پاور یونیت هوندا RA6618H فصل ۲۰۱۸

با توجه به سازنده موتور، مجموعه لوله‌های رابط، جمع کننده و لوله‌های چپقی یا به صورت یک قطعه واحد ساخته می‌شوند و به توربوشارژر متصل می‌شوند یا به صورت قطعات جداگانه. لوله اگزوز (آبی) گاز‌های خروجی را از توربوشارژر می‌گیرد و از پشت خودرو به بیرون هدایت می‌کند. گازهای اضافی که با توجه به سرعت توربو از طریق لوله چپقی وارد توربوشارژر نمی‌شوند، مستقیماً از طریق لوله دیگری که تعدادش می‌تواند یک یا دو عدد باشد (قرمز) خارج می‌شوند.

ترکیب بندی لوله‌های اگزوز و گاز‌های اضافه در چهار پاوریونیت مختلف. بالا سمت چپ: مرسدس(ریسینگ پوینت RP20). بالا سمت راست: فراری SF1000. پایین سمت چپ: هوندا (ردبول RB16). پایین سمت راست: رنو (مکلارن MCL35) – فصل ۲۰۲۰

بر عکس این که به نظر می‌رسد سیستم اگزوز نسبتاً ساده است، باید گفت که یک دانش عظیم در پشت پرده طراحی آن قرار دارد که پارامتر‌های مختلفی نظیر طول و قطر لوله اگزوز، چیدمان قطعات و … را تعیین می‌کند. طراحی این سیستم نیاز به دقت فراوان دارد چرا که قطعاً در نمودار گشتاور بر قدرت موتور تأثیر می‌گذارد.

نصب اگزوز

یک نکته مهم: هر چقدر می‌توانید سیستم اگزوز را فشرده‌تر در خودرو قرار دهید. بدنه خودرو را می‌توانید محکم‌تر بسازید و در نتیجه آیرودینامیک بهتری خواهید داشت.

اما وقتی دمای گازهایی که خارج می‌شوند به ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد، با توجه به اینکه لوله اگزوز تنها چند میلی‌متر با بدنه ماشین فاصله دارد، باید به فکر یک روش عایق‌بندی عالی و پوشش ضد حرارتی جدید بود. به صورت کلی، طراحی اگزوز کاربردی، طرحی است که تعادل کاملی بین بهره‌برداری از موتور و عملکرد توربوشارژر در کوچک‌ترین پَکِیج ممکن، بدون آسیب رساندن به اجزای اطراف ایجاد می‌کند.

در ابتدای دورۀ موتورهای توربو-هیبریدی در سال ۲۰۱۴، تیم‌ها کمپرسور را در جلوی بخش موتور و توربو را در پشت آن قرار می‌دادند. بعضی از تولیدکنندگان تصمیم به انتخاب مَنیفولد جمع و جور، لوله‌های رابط کوتاه و در مقابل، لوله‌های چپقی بلندتر (از جمع کننده تا توربو) گرفتند. اگر چه از نگاه طراحی بهینه، سیستم باید لوله‌های رابط بلندتر می‌داشت تا نه تنها باعث کاهش اندازه سایدپادها شود، بلکه باعث شود تا شکل موسوم به بطری نوشابه که در خودروهای فرمول یک می‌بینیم بهتر پیاده‌سازی شود. برای این که لوله‌های چپقی بلند را بتوانند محکم به موتور ببندند، اغلب طول‌شان را نابرابر در نظر می‌گرفتند که البته این مسئله خللی را برای سیستم توربوشارژر ایجاد نمی‌کرد.

مدیر بخش مهندسی شرکت SST Technology (تولید کننده اگزوز خودروهای فرمول یک)، نیک هنری (Nick Henry)، یادآور شد:

در اوایل دوره توربو، تیم‌ها سراغ منیفولدهای قدیمی با لوله‌های رابط هم اندازه رفتند. ولی فواید مدل سنتی به قدری چشم‌گیر نبود که استفاده از آن ادامه پیدا کند و نهایتاً تیم‌ها مدل جدید با لوله‌های نابرابر را طراحی کردند تا بتوانند مجموعه جمع و جورتری بسازند. در حقیقت توربوشارژر خودش مستقلاً گازها را مکش می‌کند و به عبارت دیگر، منتظر موتور نمی‌ماند تا پیستون گازها را به بیرون هدایت کند. لذا سیستم قدیمی دیگر برتری قابل توجهی ارائه نمی‌کرد.

سیستم اگزوز خودروی مرسدس W11 فصل ۲۰۲۰

سر هم کردن یک سیستم اگزوز که بسیار محکم و فشرده باشد، چالش‌های مخصوص خودش را دارد و باید فاکتورهای زیادی را در طراحی مد نظر قرار داد. وقتی از مدیر فنی تیم آلفا تاوری، جودی اِگینتُن (Jody Egginton)، خواسته شد تا درباره سیستم اگزوز خودروهای فرمول یک توضیح دهد، وی اینگونه شرح داد:

از اولین مراحل طراحی خودرو این است که خروجی کمپرسور باید کجا باشد، که این را پاوریونیت خودرو مشخص می‌کند. پس در رابطه با معماری موتور بحث‌هایی باید صورت بگیرد. سپس یک لوله خم شده به شکل حرف S هست که گاز‌ها را از کمپرسور به لوله اگزوز می‌برد. شما باید مطمئن باشید که هندسه این مجموعه را طوری بچینید که حداکثر بهره‌وری را ایجاد کند. پس در این مرحله نیز باید شروع به محاسبات دینامیک سیالات کنید. هندسه‌ای که طراحی می‌کنید، هیچ وقت کامل نیست؛ چرا که کامل‌ترین هندسه، مجموعه‌ای مستقیم و بدون پیچ و خم است که امکان پذیر نیست.

مرحله بعد، نوبت به انتخاب قطر لوله اگزوز می‌رسد. از طرفی باید محدوده قانونی را رعایت کرد و از طرفی دیگر، باید ببینید چگونه لوله اگزوز در کنار پایه بال عقب قرار می‌گیرد. دوباره تأکید می‌کنم، شما یک مسیر عالی برای نصب لوله اگزوز می‌خواهید اما در طرف مقابل، مهندسان آیرودینامیک هم نمی‌خواهند که هیچ چیزی در مسیر باد در طول کاور موتور قرار گیرد. در غیر این صورت، جریان هوا به سمت جناغ‌ها هدایت می‌شود و همچین چیزی را نمی‌خواهید. این خواسته مهندسان در اولویت قرار دارد چرا که آیرودینامیک همیشه حرف اول را می‌زند. پس تلاش می‌کنید تا بهترین محل نصب لوله اگزوز را پیدا کنید و نحوه جهت‌گیری دود را بعد از خروج به دست می‌آورید.

وی در ادامه صحبت‌هایش افزود:

در داخل، شما با ترکیبی از طراحی سیستم تعلیق، عملکرد پاوریونیت و سر هم کردن قطعات سر و کار دارید اما از بیرون این آیرودینامیک و طرح کلی خودروست که باید با آن‌ها دست و پنجه نرم کنید. اگر یک لوله اگزوز مستقیم داشتید، که البته از دیدگاه عملکرد پاوریونیت بسیار هم ایده‌آل بود، آن گاه یک سوراخ مسخره در پشت کاور موتور به وجود می‌آمد و جریان هوا در اطراف پایه بال عقب به طرز وحشتناکی به هم می‌ریخت. شما این را نمی‌خواهید. همه چیز به عملکرد کلی خودرو برمی‌گردد.

سیستم اگزوز خودروی آلفا رومئو C39 فصل ۲۰۲۰ – آبی: لوله اگزوز، قرمز: لوله گازهای اضافی

طراحی فیزیکی و نصب، بدون شک مشکل‌ترین بخش طراحی سیستم اگزوز خودروهای فرمول یک مدرن هستند. طراح ارشد تیم هاس، راب تیلور (Rob Taylor)، نظر خود را در رابطه با سیستم اگزوز خودروهای فرمول یک این گونه ابراز داشت:

مشکل ما در بحث نصب و جایگذاری قطعات، مجموعه لوله‌های رابط و ورودی توربین در بغل موتور و مجاور بخش جلویی جعبه دنده بود. سپس تلاش کردیم تا محلی برای خروج هوا در جریان رو با بالای رادیاتورها پیدا کنیم. ما تعداد زیادی رادیاتور در خودرو داریم که دائماً تلاش می‌کنیم یک روش خلاقانه برای جایگذاری آن‌ها پیدا کنیم. گاهی تعجب می‌کنید که چرا من قطعه‌ای که قرار است خنک‌کاری کند را مجاور بخشی قرار می‌دهم که واقعا داغ است؟ پاسخ: چون این تنها جایی هست که در اختیار دارید. یکی از خنک‌کننده‌های مرکزی ما در مجاورت لوله اگزوز است. چرا باید همچین کاری انجام دهید؟ چون مجبورید.

آیرودینامیک

علاوه بر بهینه‌سازی شکل قطعات و طریقه نصب آن‌ها برای رسیدن به بدنه‌ای باریک و مناسب در زمینه آیرودینامیک، از گازهای خروجی اگزوز نیز به منظور بهبود عملکرد آیرودینامیکی استفاده می‌شود. مشهورترین نمونه، دیفیوزرهای دمیده شده (Blown Diffusers) بودند که اولین بار در فصل ۲۰۱۰ بر روی خودروی RB6 ردبول دیده شدند.

مهندسان در این سیستم تصمیم گرفتند که زاویه اگزوز نسبت به محور طولی خودرو را طوری طراحی کنند که گاز خروجی از اگزوز به سمت دیفیوزر هدایت شود. گازها پس از خروج از اگزوز وارد یک دریچه در پشت خودرو و مقابل اگزوز شده و از طریق یک مسیر انتقالی به پشت خودرو هدایت می‌شوند. در طول این مسیر به علت انحنای موجود در آن می‌توان از این گازها برای ایجاد نیروی داون فورس استفاده شود.

بیشتر بخوانید؛ ردبودل و سیستم بحث برانگیز دیفیوزر دمنده (Blown Diffuser)

دیفیوزرهای دمیده شده – خودروی ردبول RB6 فصل ۲۰۱۰

تیم‌ها همچنین بال‌های مینیاتوری موسوم به صندلی میمون (Monkey – Seat) را امتحان کردند که عقب لوله اگزوز نصب می‌شد و جریان گاز خروجی اگزوز را به زیر بال عقب هدایت می‌کرد. این قطعه دو فایده داشت؛ اول این که با افزایش سرعت جریان هوا در این ناحیه، فشار کاهش می‌یافت که باعث به وجود آمدن تفاوت زیادی بین فشار بالای بال عقب (منطقه پرفشار) و پایین آن (منطقه کم‌فشار) می‌شد؛ این یعنی افزایش داون‌فورس. دوم این که جریان انرژی زیاد به سختی از هم جدا می‌شد، بنابراین فرستادن گازهای خروجی اگزوز به زیر بال عقب این امکان را به تیم‌ها می‌داد تا بال عقب را به شکل خمیده تری اجرا کنند.

بال مینیاتوری یا صندلی میمون – خودروی هاس VF-16 فصل ۲۰۱۶

راب تیلور درباره چالش‌های تیم هاس می‌گوید:

چند سال پیش، ما بالچه‌های متعددی در برابر خروجی اگزوز داشتیم اما با محدودیت‌هایی که فیا اعمال کرد استفاده از آن‌ها کاملاً ممنوع شد. قبلاً تغییرات ما بیش‌تر برای این بود که یک سیستم واحد از دیفیوزر، بال میانی و بال اصلی درست کنیم تا آن‌ها بتوانند با هم به وظیفه‌شان عمل کنند. هر چه قدر که بتوانید در این مسیر موفق‌تر باشید، می‌بینید که مقاومت این مجموعه به جریان هوا بیش‌تر می‌شود، در نتیجه در سرعت‌های پایین‌تر نیز داون‌فورس بیش‌تری دارید.

اگر به اندازه این بالچه‌ها و پایه‌هایشان بنگرید، متوجه می‌شوید که نمی‌توانند به خودی خود تأثیری در افزایش داون‌فورس داشته باشند، اما وقتی به همه آن‌ها به عنوان یک مجموعه نگاه می‌کنید، درمی‌یابید که وجود آن‌ها باعث می‌شود مهندسان بالی با خمیدگی بیش‌تر بسازند که در سرعت‌های پایین هم داون‌فورس مطلوبی ایجاد می‌کند.

با ممنوعیت صندلی میمون از بالچه T استفاده می‌شود – بالا سمت چپ: رنو RS20، بالا سمت راست: فراری SF1000، پایین چپ: آلفا تاوری AT01، پایین سمت راست: مرسدس W11 – فصل ۲۰۲۰

با تغییر قوانین مربوط به صندلی میمون و محل قرارگیری لوله اگزوز، تیم‌ها خروجی اگزوز را به سمت بال عقب خم کردند. این خمیدگی بر طبق قوانین می‌توانست حداکثر ۵ درجه باشد. این در خودروی رنو RS18 در فصل ۲۰۱۸ دیده شد. از طرف دیگر، مهندسان سطح زیرین بال عقب را با پوشش ضد حرارت پوشاندند تا از فیبر کربن در برابر حرارت گاز‌های اگزوز محافظت کنند.

جودی اگینتن مسئله را این گونه تشریح می‌کند:

در هر صورت می‌دانیم که لوله اگزوز باید در عقب خودرو قرار گیرد و مستقیماً با جریان هوا در تماس است. پس ما دائما می‌کوشیم تا مجموعه‌مان را بهینه‌تر و کمبودهایمان را در زمینه تأثیرهای آیرودینامیکی اگزوز کم‌تر کنیم. اگر راهی پیدا کنیم تا بتوانیم از لوله اگزوز و جریان خروجی گاز‌های اگزوز استفاده مؤثرتری داشته باشیم، حتما آن را اجرا می‌کنیم، ولی میزان تأثیری که می‌توانیم از بروزرسانی‌ها بگیریم، نسبت به سال‌های گذشته کم‌تر شده است و تا الان همه تیم‌ها تقریباً تمام برتری‌های بزرگ و مهم را پیدا کرده‌اند.

لوله اگزوز – خودروی آلفا تاوری AT01 – فصل ۲۰۲۰