2014年より導入されている現行のF1エンジン規定をわかりやすく解説していきたいと思います。いまさら聞けないハイブリッドの仕組みなども踏まえて、パワーユニット(PU)と呼ばれるエンジンの概要を知り、どれだけ高度な技術を競っているのかを知りましょう。

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F1パワーユニットの概要

Renault Sport Formula One Team
  • ICE(内燃エンジン):1,600ccV型6気筒ターボエンジン
  • TC(ターボチャージャー):排気タービンとコンプレッサー
  • MGU-H(熱エネルギー用モーター):ターボチャージャーに直結されたモーター
  • MGU-K(運動エネルギー用モーター):エンジンのクランクシャフトに直結されたモーター
  • ES(エネルギーストア):ハイブリッド用バッテリー
  • CE(コントロールエレクトロニクス):発電エネルギーを管理するコンピューター

F1パワーユニットはこの6つのコンポーネントに分類されています。簡単に考えれば街中を走っているハイブリッドカーのエンジンをターボにして、ターボチャージャーにモーターを足したと考えて下さい。

2014年にルノーが作った非常にわかりやすい動画を見ると何となくシステム全体がわかります。字幕ONして設定で自動翻訳すると意味は伝わってくると思います。

エネルギー回収システム

ハイブリッドであるF1パワーユニットは、エンジンやタイヤの回転力で発電する事と、ターボチャージャーの回転力で発電する事の2つのエネルギー回収システムが存在する。

ハイブリッド用モーターの簡単な説明

ラジコンやミニ四駆などに使われる直流モーターは、逆に回転させると発電する事ができます。しかしハイブリッドカーにおいてはそんな事はしていません。わざわざギアを使って逆回転させている訳ではないのです。

ハイブリッド用モーターは3相交流モーターと言われるもので、回転する方向は常に一緒(右回り)だけど、出力する事と発電する事ができます。(詳しい機構は省きますね、そういうモーターが存在すると解っていただければとりあえずOKです。)

MGU-Kによる出力と発電

エンジンのクランクシャフトに直結されたMGU-Kは加速する時に最大で163psを発生します。(インバーターにより出力調整可能)一般的なハイブリッドカー同様にブレーキング時はタイヤから伝わる回転力がギアボックス、エンジンを通してモーターまで伝わりそれにより発電しています。

この発電負荷は発電量により変化しますので、リアブレーキにかかる減速の力が変動してドライバーには調整不可能となる。よってリアブレーキは電子制御されています。(ブレーキバイワイヤ)

MGU-Hによる発電とEブースト

ターボチャージャーに直結されたMGU-Hはタービンの回転力で発電します。そしてこのモーターを出力に稼働すればタービンを強制的に回しターボの効き目を早める事ができます。

特にアクセルオフからオンに切り替えた時は排気ガスが少なくタービン回転数が足りません(ターボラグ)、そこでモーターを回し回転数不足を補うEブーストを行います。タービンと直結されたコンプレッサーも回る事で圧縮された空気をエンジンに送る事ができます。

※このF1ハイブリッドエンジンの最大の特徴は、一般的にまだ普及していないターボチャージャーの電動化とそれを利用したエネルギーの回収システムがある事です。

パワーユニットのエネルギー規定

  • ES⇒Kはラップあたり4MJ
  • K⇒ESはラップあたり2MJ
  • Hは双方向に無制限

加速時は、Eブースト⇒タービン回転数の上昇⇒タービンによる発電⇒MGU-Kによるパワーアシストと言った一連の稼働をさせています。

減速時はMGU-Kによる発電が主な稼働となりますが、規定で定められたエネルギー量2MJをバッテリーに送る事はほとんどのサーキットで足りないようです。(ブレーキング時間が短縮されているため)

最大限のパワーを発揮する条件

このパワーユニットが最大限にパワーを発揮するには、エンジン・MGU-K・MGU-Hが出力稼働状態にある時です。

  • エンジンに対する燃料供給が最大になるのは回転数10,500rpm以上の時(約750~800ps)
  • MGU-Kの最大出力(163ps)

上記2点の項目は誰でも理解できるポイントでしょう。しかしターボエンジンにはタービンにかかる排気ガスの抵抗が存在します。これを取り除くにはタービンにあるウェイストゲートバルブを開けて、排気を多く逃がす事で抵抗を減らす事が出来る。

  • MGU-HによるEブーストでコンプレッサーが作り出す圧縮空気を確保
  • タービンの排気抵抗を減らしてエンジン出力を増加(憶測数値約30~40ps)

バッテリーより二つのモーターにエネルギー供給するため短時間しか稼働できません。この稼働は空気抵抗が増加する200~300km/hの間に使用される事がおおいとされる。

MGU-Kは加速時にも発電可能

一般的なハイブリッドカーは減速時にしか発電していませんが、このF1においては加速時にも発電する設定が存在します。主にはチャージラップと呼ばれる予選アタックラップ前に4MJのバッテリーをフルチャージしておく時に使用されます。

エンジンパワーを犠牲にして発電するため、燃費が悪くなりますが予選においては燃料使用量制限がないので問題にはなりません。通常のラップ時に一部使用する場合もあるようですが、タイムに影響を及ぼさないポイントでの限定的なものになります。

難解なF1パワーユニット開発

エンジンと2つのモーターによる、パワーユニットの稼働は各々の出力調整などを踏まえると、数限りなく存在し各コースにあった最適な稼働を見つけるのは簡単な事ではありません。すべてプログラミングしてマシンのステアリングで設定変更できるようにしなければならない。(ドライバーのみが操作変更できる。)

 

単純に各々のパーツが最高の物でも、最適な設定を構築できなければ意味はありません。

レーシングハイブリッド技術自体が門外不出のものであり、各メーカーは威信をかけて研究開発しています。

 

この説明でF1パワーユニットの実情が少しでもお解り頂ければ幸いです。