W poszukiwaniu maksymalnych osiągów

Gdy Renault R.S.19 pojawił się w marcu na torze wyścigowym w Albert Park w Melbourne, Nico Hülkenberg i Daniel Ricciardo mogli przekonać się, że samochód ten zoptymalizowano z myślą o wydobyciu każdego kilowata mocy z turbodoładowanej jednostki napędowej Renault E-Tech 19 o pojemności 1600 cm³. Renault F1® Team współpracuje nie tylko z inżynierami z Enstone w Wielkiej Brytanii i z Viry-Châtillon we Francji, ale również ze specjalistami z firmy Castrol pracującymi w globalnym ośrodku badawczym Castrol w brytyjskim Pangbourne oraz na torach wyścigowych. Dlaczego? Aby wynosić osiągi i niezawodność na zupełnie nowy poziom.

Od czasu powrotu w charakterze zespołu fabrycznego ekipa stopniowo poprawiała swoje wyniki, zajmując w klasyfikacji konstruktorów szóste miejsce w 2017 r. i czwarte miejsce w roku 2018. Celem zespołu jest wejście do pierwszej trójki, gdzie aktualnie znajdują się Mercedes, Ferrari i Red Bull, czyli solidni konkurenci, a następnie zdobycie tytułu mistrzowskiego. Do pokonania pozostaje spory dystans, więc wszelkie dodatkowe korzyści, jakie może przynieść olej silnikowy i środki smarne, będą na wagę złota. Praca w Formule 1, delikatnie mówiąc, nie jest łatwa. Formuła 1 należy do najbardziej wymagających sportów na świecie, gdzie wszystko przesunięto już do granic możliwości.

„Cokolwiek możemy osiągnąć dzięki zastosowaniu indywidualnie dopasowanych technologii wykorzystywanych przy produkcji olejów silnikowych, co poprawi osiągi choćby o kilka tysięcznych sekundy na okrążeniu kwalifikacyjnym, pomoże również szybciej ukończyć wyścig”, mówi Will Pickford, Technology Manager na Europę i Afrykę w firmie Castrol. „I do tego właśnie dążymy”.

Trzech wrogów osiągów

Wspólnie opracowywany olej dla Formuły 1 musi wykraczać poza typowe limity, gdyż staje do walki z trzema wrogami osiągów – tarciem, awariami i napowietrzaniem. Tarcie występujące wewnątrz silnika zmniejsza jego moc, więc dla przywrócenia osiągów należałoby dostarczyć więcej paliwa – ale nic z tego, w Formule 1 obowiązuje limit 110 kg paliwa na wyścig.

„Minęły już czasy, kiedy można było zużywać dowolne ilości paliwa i w razie potrzeby dotankować” – mówi Pickford. „Redukcja tarcia umożliwia uzyskanie takiej samej mocy przy mniejszym zapotrzebowaniu na paliwo”.

Awaria silnika to widowiskowa eksplozja, której nie da się przeoczyć podczas wyścigu, a konsekwencją jest utrata punktów i uszczerbek na wizerunku marki. „Olej jest integralną częścią silnika” – dodaje Pickford. „Ukształtowanie powierzchni, zastosowane materiały, rodzaj wykończenia i sposób interakcji z olejem – wszystko to tworzy jedną konstrukcję, nad którą pracujemy z inżynierami. I musi to być konstrukcja wysoce wytrzymała”.

Na koniec dochodzi jeszcze zjawisko napowietrzania oleju, typowe dla silników o wysokich osiągach, a zwłaszcza silników wysokoobrotowych. „To logiczne, że nic tak nie spieni oleju, napełniając go pęcherzykami powietrza, jak mechanizm pracujący na bardzo wysokich obrotach” – dodaje Pickford.

Zalety współprojektowania z Castrol

Formuła 1 jest ostatecznym sprawdzianem umiejętności pracy zespołowej i wydajności zespołu, a praca zaczyna się, długo zanim samochody pojawią się na torze wyścigowym. Podczas długiej przerwy w startach konstruktorzy i inżynierowie starają się uzyskać maksymalne osiągi zarówno zawieszenia, jak i silnika. Formuła 1 technicznie zawsze wyprzedza o kilka kroków resztę przemysłu samochodowego. Oleje stosowane w standardowych samochodach osobowych są coraz rzadsze, co ma zwiększać oszczędność paliwa. Formuła 1 idzie o krok dalej. Stosowane tu materiały i podzespoły niekoniecznie muszą trafić do produkcji masowej.

Firma Castrol nie zajmuje się tu tylko dostarczaniem wysoce wydajnego oleju silnikowego, lecz nawiązała partnerską współpracę z Renault F1® Team w celu zwiększenia osiągów i niezawodności w procesie nazywanym współprojektowaniem. W efekcie oleje są opracowywane nie tyle dla samochodów Formuły 1, co specjalnie dla zespołu Renault F1® Team.

„W procesie współprojektowania staramy się uzyskać maksymalne osiągi sprzętu i oleju, wychodząc z założenia, że razem możemy osiągnąć więcej niż osobno” – wyjaśnia Pickford. „Efekt końcowy to więcej niż tylko suma poszczególnych elementów. Jedyną receptą na sukces jest ścisła współpraca z partnerem technologicznym, który rozumie, że nie mamy tylko dostarczać oleju do gotowych silników. Olej należy tu traktować jak jeden z podzespołów silnika, taki sam jak tłok, korbowód czy łożysko. Dzięki współpracy podczas realizacji programu projektowania i rozwoju możemy uzyskać sprzęt i olej, które wspólnie pracują dla uzyskania najlepszych osiągów”.

Nie jest to nowa filozofia dla firmy Castrol, gdyż metodologia ta sprawdziła się już w Formule 1 podczas współpracy z BMW w 2004 r. Jednak silnik był wówczas całkiem inny. Juan Pablo Montoya kierował wówczas Williamsem FW26 napędzanym trzylitrową jednostką V10 BMW, generującą około 900 KM. Inżynierowie BMW uważali, że nie zdołają przekroczyć granicy 19 tys. obr./min. „BMW twierdziło, że to po prostu niemożliwe, ale jednocześnie traktowało olej jako coś niezmiennego” – mówi Pickford. „Ich inżynierowie nie postrzegali oleju jako zmiennej, dlatego podczas projektowania silnika zakładali zawsze te same parametry smarowania. Jednak udało się nam nawiązać ścisłą współpracę i podczas dopracowywania szczegółów zajęliśmy się projektowaniem łożysk ” .

„Skończyło się na opracowaniu olejów o ultraniskiej lepkości, znacznie niższej niż cokolwiek, czego wcześniej używali, wspomaganych inteligentnymi rozwiązaniami z dziedziny systemów dodatków uszlachetniających. Poprzez przeprojektowanie systemu łożyskowania z zastosowaniem mniejszych tolerancji udało się zredukować tarcie do poziomu, który wystarczył, aby wycisnąć z silnika minimalnie więcej i znów poprawić jego osiągi”.

Jednym z elementów wyzwania jest pokonywanie kolejnych problemów technicznych pojawiających się w trakcie sezonu wyścigowego. Trzeba od razu radzić sobie z nieoczekiwanymi trudnościami, planować z wyprzedzeniem i szybko reagować w obszarach, w których można poprawić osiągi. Castrol ma do dyspozycji konsultantów i ekspertów z całego przedsiębiorstwa, którzy dysponują wieloletnim doświadczeniem, i to właśnie oni proponują kolejne innowacje. Zespoły muszą przestać myśleć o zwykłych olejach silnikowych udoskonalanych poprzez wprowadzanie innowacji i zadać sobie pytanie – jak opracować produkt najlepiej pasujący do konkretnego zastosowania?

Spełniając coraz surowsze wymogi

W branży, w której ludzie i maszyny muszą pracować ze 100-procentową wydajnością, każdy aspekt sprzętu Formuły 1 jest tworzony, testowany, kalibrowany i podłączany zgodnie z niesamowicie wyśrubowanymi normami. Wszystkie oleje stosowane podczas każdej odsłony zawodów Formuły 1 muszą spełniać wymogi przepisów FIA, zwłaszcza art. 20 kodeksu technicznego, który określa dopuszczalną lepkość oleju i stanowi, że olej należy opracowywać i stosować wyłącznie jako środek smarny, a nie w innych celach. „Przepisy dotyczące olejów to w pewnym sensie nowość, a wprowadzono je, aby uniemożliwić stosowanie oleju silnikowego jako dodatkowego źródła kalorii spalanych przez silnik”, wyjaśnia Pickford.

Castrol jest członkiem Zespołu Doradczego ds. Paliw Formuły 1 (Formula One Fuels Advisory Panel, FOFAP), zrzeszającego wszystkich dostawców olejów dla tego sportu. Obowiązują przepisy dotyczące dopuszczonych dodatków, ale pozostawiono wiele miejsca na rozwój technologii. „Zazwyczaj wybieramy z niemal takiej samej palety surowców, jakiej używamy dla samochodów osobowych” – mówi Pickford. „Jednakże jeśli w przypadku samochodów osobowych łańcuch dostaw lub względy praktyczne wymuszają zawężenie potencjalnego zestawu składników, to w Formule 1 możemy stosować nieco szerszą gamę, gdyż produkt będzie wytwarzany w małych ilościach”.

Przepisy, chociaż dotyczą tej samej bazowej konstrukcji silnika, zmieniają się co roku. Trzy lata temu można było mieć pięć silników, a teraz tylko trzy. Zasadniczo oznacza to, że współczesne silniki muszą wytrzymać o 40 proc. dłużej i nie tylko przetrwać, ale cały czas pracować równie wydajnie jak silnik nowy. „W zeszłym roku nie było łatwo, a teraz jest jeszcze trudniej” – wyjaśnia Pickford. „Musimy nie tylko zapewnić odpowiednio długi okres eksploatacji silnika, ale również ciągle pracować nad poprawą jego osiągów. Nie można zatrzymać się w kwestii mocy, ponieważ tak naprawdę oznaczałoby to cofanie się, gdyż reszta stawki będzie cały czas iść do przodu. To bardzo trudne wyzwanie. Zapewnienie niezawodności tego rodzaju silników wymaga użycia niesamowicie wytrzymałego oleju”.

„To są bardzo wydajne silniki, które po prostu nie są wykorzystywane w maksymalnie wydajny sposób, biorąc pod uwagę ich przeznaczenie. Jednak jeśli chodzi o moc i wytrzymałość, to nie da się wygrywać wyścigów lub mistrzostw, mając tylko jedno albo drugie. Należy uzyskać idealną równowagę pomiędzy maksymalnymi osiągami i maksymalną mocą przy utrzymaniu wytrzymałości na odpowiednim poziomie”.

Aby to osiągnąć, należy dysponować wytrzymałym olejem, który chroni silnik i redukuje tarcie. Z biegiem lat różni producenci wybierali tak zachowawcze podejście do silników, że otrzymywali pancerny silnik, który nigdy się nie psuł, ale też nigdy nie awansował w tabeli. Z drugiej strony widywaliśmy mocne silniki, których konstrukcja była jednak minimalnie zbyt śmiała i cały sezon trwało ciągłe łatanie i ratowanie rozpadającej się jednostki. „Trzeba dążyć do idealnej równowagi, a to bardzo trudne zadanie” – dodaje Pickford. Klucz do sukcesu stanowi wytrzymały olej, który pozwoli uzyskać najlepsze możliwe wyniki i zbilansować wszystkie wymagania. Dlatego powszechnie wiadomo, że nigdzie nie da się tak przetestować osiągów oleju jak w środowisku Formuły 1, gdzie silnik pracuje w bardzo wysokich ciśnieniach i temperaturach. Wyścigowe jednostki można śmiało porównywać z silnikami samochodów osobowych, gdyż są to poddane zmniejszeniu, turbodoładowane silniki z bezpośrednim wtryskiem benzyny, czyli najbardziej ekstremalne wersje tego, co napędza współczesne samochody dopuszczone do ruchu drogowego.

W silniku panuje ogromne ciśnienie, gdyż tylko w ten sposób można uzyskać tak wysoką moc, a ekstremalne ciśnienia i temperatury sprzyjają rozwijaniu technologii produkcji olejów silnikowych do granic, jakie nie są dostępne dla podobnych silników montowanych w samochodach osobowych.

Dotrzymujemy kroku podczas wyścigu

Praca specjalistów z firmy Castrol nie kończy się wraz z zastosowaniem nowych technologii w pojeździe. Gdy R.S.19 w końcu pojawi się na torze wyścigowym, Castrol cały czas czuwa, zapewniając pełne mobilne wsparcie na miejscu, analizując osiągi i nadzorując kontrolę jakości. Należy brać pod uwagę wiele złożonych czynników i zagrożeń, takich jak zanieczyszczenia paliwa, i analizować pracę sprzętu na podstawie zachowania oleju w silniku i skrzyni biegów oraz zużycia metalu. Specjaliści nieustannie śledzą dane i porównują je z oczekiwanymi wynikami, aby natychmiast informować o wszystkich sytuacjach wymagających szybkiej reakcji zespołu wyścigowego. Nasze główne zadania podczas startów zespołu fabrycznego obejmują kontrolę jakości wszystkiego, co trafia na tor wyścigowy, beczka po beczce, oraz monitorowaniu postępującego zużycia silników, aby mieć pewność, że pracują one zgodnie z oczekiwaniami.

Olej silnikowy bada się za pomocą spektrometru z rotacyjną elektrodą dyskową (RDE), analizując kolejne dostarczane próbki.

„Zasadniczo jest to urządzenie dla zakładów przemysłowych, ale sprawdza się w naszej pracy i dostarcza nam wiele ważnych informacji” – mówi Pickford. „Od pierwszego kontaktu samochodu z torem wyścigowym, poprzez wszystkie treningi, kwalifikacje, aż po wyścigi, na początku lub na końcu każdej sesji, to właśnie my jako jedni z pierwszych uzyskujemy dostęp do pojazdu. Pobieramy próbkę oleju silnikowego i biegiem dostarczamy ją na stanowisko robocze. W ciągu dwóch do dwóch i pół minuty od chwili, gdy samochód trafi do boksu, możemy pobrać próbkę oleju silnikowego, przygotować ją, umieścić w aparacie testowym, wykonać nasze analizy i na podstawie uzyskanych danych poinformować zespół o stanie danego silnika”.

Spektrometr całkowicie wypala olej. Jest to źródło energii o bardzo wysokiej intensywności, wzbudzające próbkę oleju, która w efekcie ulega spaleniu. Podczas spalania, w zależności od swojego składu, olej emituje fale świetlne o różnej częstotliwości, a intensywność kolorów odzwierciedla stężenie poszczególnych składników.

Na podstawie obecności metali takich jak żelazo, miedź, ołów, tytan i cynk możemy poinformować inżynierów zespołu Renault F1® Team, które elementy silnika zużywają się i jak szybko postępuje ich zużycie. „Stężenia w cząsteczkach na milion porównujemy z aktualnym przebiegiem silnika, obserwując zmiany składu chemicznego, które są zjawiskiem całkowicie normalnym” – kontynuuje Pickford. „Jeśli zauważymy, że jakiegoś pierwiastka przybywa szybciej, możemy domyślać się, że z danym silnikiem zaczyna się coś dziać. To jak badanie krwi, które ma zdiagnozować zdrowie silnika”.

„Tak samo lekarze wolą najpierw pobrać krew i oddać ją do analizy, aby zdiagnozować stan pacjenta, a nie od razu kłaść go na stół operacyjny. W Formule 1 regulamin zabrania otwierania silnika, aby zobaczyć, co dzieje się wewnątrz. Dzięki pobraniu próbki oleju silnikowego można bez żadnej ingerencji zdiagnozować kondycję jednostki napędowej”.

Cały ten wysiłek ma pomóc zespołowi pracować z maksymalną wydajnością. Ponadto Castrol zdobywa w sportach motorowych doświadczenie, które przekazuje swoim zespołom rozwijającym nowe produkty, aby użytkownicy oleju Castrol EDGE mogli w swoich samochodach korzystać z rozwiązań bazujących na wiedzy technicznej zdobywanej bezpośrednio podczas wyścigów Formuły 1.