MGU-H و MGU-K: سیستم بازیابی انرژی فرمول یک چگونه در هر دور ۴ مگاژول انرژی را ذخیره و به کار می‌گیرد

هنگامی که یک خودروی فرمول یک از سرعت ۳۲۰ کیلومتر در ساعت به سمت منطقه ترمزگیری سنگین مانند پیچ شماره ۱ مونزا کاهش سرعت می‌دهد، دیسک‌های ترمز کربنی فوراً سرخ می‌شوند و دمایی بیش از ۱۰۰۰ درجه فارنهایت را جذب می‌کنند. اما مواد اصطکاکی تنها بخشی از کار را انجام می‌دهند. در داخل واحد قدرت، واحد موتور ژنراتور-جنبشی (MGU-K) وارد عمل می‌شود و مقدار عظیمی از انرژی جنبشی را که در غیر این صورت به صورت گرما هدر می‌رفت، رهگیری می‌کند. این خط مقدم سیستم بازیابی انرژی (ERS) فرمول یک است، معماری هیبریدی که از سال ۲۰۱۴ تعریف‌کننده این ورزش بوده است. MGU-K به عنوان یک سیستم بازیابی جنبشی پیشرفته عمل می‌کند و قطبیت خود را هنگام کاهش سرعت معکوس کرده تا به عنوان ژنراتور کار کند. این سیستم ضمن کند کردن شدید محور عقب، تا ۲ مگاژول (MJ) انرژی الکتریکی در هر دور بازیابی کرده و این شارژ را مستقیماً به ذخیره‌ساز انرژی ۲۰ کیلوگرمی خودرو می‌فرستد.[2][5]

بازیابی انرژی تنها مقدمه کار است؛ پاداش زمانی حاصل می‌شود که راننده دوباره پدال گاز را فشار می‌دهد. MGU-K به طور یکپارچه از ژنراتور به موتور تغییر وضعیت داده و تا ۴ مگاژول انرژی در هر دور را مستقیماً به میل لنگ منتقل می‌کند. این ۴ مگاژول معادل حداکثر توان خروجی ۱۲۰ کیلووات—تقریباً ۱۶۰ اسب بخار ترمز—است که برای حدود ۳۳ ثانیه در طول یک دور در دسترس است. در ورزشی که با کسری از ثانیه تعیین تکلیف می‌شود، این موج الکتریکی تفاوت بین یک سبقت موفق و عقب ماندن در یک مسیر مستقیم طولانی است. آزادسازی این انرژی همزمان با پدال گاز برنامه‌ریزی شده است، به این معنی که راننده دکمه بوست جداگانه‌ای را فشار نمی‌دهد؛ واحد کنترل الکترونیکی موتور، گشتاور الکتریکی را به طور یکپارچه با خروجی موتور احتراق داخلی ترکیب می‌کند.[1][2][5]

با این حال، بررسی دقیق محدودیت‌های MGU-K یک مشکل ریاضی فوری را آشکار می‌کند. اگر MGU-K تنها مجاز به بازیابی ۲ مگاژول انرژی هنگام ترمزگیری در هر دور باشد، اما اجازه داشته باشد ۴ مگاژول انرژی را به چرخ‌های عقب منتقل کند، باتری ظرف چند دور کاملاً خالی می‌شود. خودرویی که صرفاً به بازیابی جنبشی متکی باشد، بیشتر مسابقه را با کمبود شدید قدرت سپری خواهد کرد و منتظر مناطق ترمزگیری سنگین می‌ماند تا سیستم به آرامی شارژ شود. این کسری ذاتی همان جایی است که نیمه دوم و بسیار پیچیده‌تر سیستم هیبریدی وارد عمل می‌شود تا این معادله را متعادل کرده و جریان مداوم ۱۶۰ اسب بخار بوست را حفظ کند.[2]

واحد موتور ژنراتور-حرارتی (MGU-H) شگفتی مهندسی است که واحد قدرت مدرن فرمول یک را عملیاتی می‌کند. MGU-H مستقیماً روی شفت توربوشارژر، در فضای «V» موتور احتراق داخلی ۱.۶ لیتری قرار گرفته و آنتروپی—گرمای هدر رفته و فشار—گازهای خروجی اگزوز را جذب می‌کند. همانطور که گازهای اگزوز توربین توربوشارژر را می‌چرخانند، MGU-H را نیز به گردش در می‌آورند. این واحد به عنوان یک ژنراتور ثانویه عمل می‌کند، اما برخلاف MGU-K، وابسته به کاهش سرعت خودرو نیست. تا زمانی که موتور در حال تولید فشار اگزوز باشد، که تقریباً تمام طول یک دور است، این سیستم به طور مداوم انرژی بازیابی می‌کند.[3]

نکته حیاتی این است که مقررات FIA هیچ محدودیتی برای میزان انرژی که MGU-H می‌تواند در هر دور بازیابی کند، قائل نشده است. این واحد با سرعت سرسام‌آور ۱۲۵,۰۰۰ دور در دقیقه می‌چرخد و گرمای اگزوز را به جریانی پیوسته از شارژ الکتریکی تبدیل می‌کند. این الکتریسیته می‌تواند به ذخیره‌ساز انرژی هدایت شود تا باتری را پر کند و شکاف بین بازیابی جنبشی ۲ مگاژولی و محدودیت آزادسازی ۴ مگاژولی را پر کند. حتی مؤثرتر از آن، MGU-H می‌تواند باتری را به طور کامل دور بزند و انرژی الکتریکی را مستقیماً به MGU-K برساند. این انتقال مستقیم در برابر محدودیت آزادسازی ۴ مگاژولی باتری محاسبه نمی‌شود و به تیم‌ها اجازه می‌دهد تا بوست ۱۶۰ اسب بخاری را برای مدت زمان بسیار طولانی‌تری نسبت به ۳۳ ثانیه پایه حفظ کنند.[2][3]

فراتر از بازیابی انرژی، MGU-H یکی از قدیمی‌ترین و آزاردهنده‌ترین مشکلات در مسابقات توربوشارژ را حل می‌کند: تأخیر توربو (Turbo Lag). هنگامی که راننده در میانه پیچ پدال گاز را رها می‌کند، جریان گاز اگزوز کاهش یافته و یک توربوشارژر سنتی کند می‌شود. وقتی راننده دوباره شتاب می‌گیرد، باید منتظر بماند تا فشار اگزوز دوباره برای به حرکت درآوردن توربو افزایش یابد. MGU-H این تأخیر را به طور کامل از بین می‌برد. با کشیدن نیروی الکتریکی از باتری، MGU-H به عنوان یک موتور عمل می‌کند تا کمپرسور توربوشارژر را به طور مصنوعی و قبل از رسیدن گازهای اگزوز، تا سرعت بهینه بچرخاند. این پاسخ فوری پدال گاز، به نسل فعلی موتورهای هیبریدی V6 قابلیت رانندگی مشابه موتورهای V8 تنفس طبیعی را می‌دهد.[1][3][5]

با وجود نبوغش، MGU-H قربانی پیچیدگی خود شده است. مهندسی مورد نیاز برای ساخت یک موتور-ژنراتور که بتواند در دمای بسیار بالا و در حالی که به لوله اگزوز داغ متصل است، ۱۲۵,۰۰۰ دور در دقیقه را تحمل کند، به شدت گران و تسلط بر آن دشوار است. این امر مانعی غیرقابل عبور برای ورود تولیدکنندگان جدید موتور ایجاد کرد و FIA را بر آن داشت تا برای جذب برندهایی مانند آئودی (Audi) و فورد (Ford)، قوانین را بازنویسی کند. از سال ۲۰۲۶، MGU-H به طور کامل از فرمول یک حذف خواهد شد. همانطور که محمد بن سلیم، رئیس FIA، اظهار داشت، مقررات جدید با هدف ارائه «مزایایی برای کاربران خودروهای جاده‌ای و دستیابی به هدف ما برای کربن صفر خالص تا سال ۲۰۳۰» تدوین شده‌اند و سوخت‌های پایدار را بر پیچیدگی الکتریکی کنترل‌نشده اولویت می‌دهند. این تغییر نظارتی، تیم‌ها را مجبور به بازتعادل گسترده واحد قدرت می‌کند و حلقه انرژی نامرئی و نامحدودی را که بیش از یک دهه به آن تکیه کرده بودند، از بین می‌برد.[4]

بدون ظرفیت بازیابی اگزوز MGU-H، تمام بار الکتریکی مستقیماً بر دوش MGU-K می‌افتد. برای جبران این موضوع، مقررات ۲۰۲۶ خروجی MGU-K را تقریباً سه برابر خواهند کرد، از ۱۲۰ کیلووات به ۳۵۰ کیلووات، به این معنی که تقریباً نیمی از توان کل ۱۰۰۰ اسب بخار خودرو از موتور الکتریکی تأمین می‌شود. محدودیت بازیابی جنبشی به ۹ مگاژول در هر دور افزایش می‌یابد و قوانین آزادسازی انرژی از یک سهمیه ۴ مگاژولی واحد به چندین انفجار ۴ مگاژولی تغییر خواهد کرد که تنها توسط وضعیت شارژ باتری محدود می‌شود. رانندگان باید بازیابی جنبشی خود را به طور فعال مدیریت کنند و از تاکتیک‌هایی مانند «رها کردن پدال و حرکت آزاد» (lift and coast) استفاده نمایند تا مطمئن شوند انرژی الکتریکی کافی برای مسیرهای مستقیم دارند، که این امر اساساً نحوه مسابقه دادن با یک خودروی فرمول یک را دگرگون خواهد کرد.[4]