Was treibt den Motor und den Antriebsstrang eines F1-Rennwagens an?

Seit der Einführung von KERS im Jahr 2009 sind Formel-1-Fahrzeuge nicht mehr ausschließlich auf Verbrennungsmotoren angewiesen, und der Begriff „Motor” wurde durch „Antriebsstrang” ersetzt, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass der Antrieb nicht mehr ausschließlich auf einem Verbrennungsmotor basiert.

2009 führte die FIA die KERS-Regel in der Formel 1 ein und führte damit ein Aufladesystem ein, das beim Bremsen kinetische Energie zurückgewinnt. Seit seinen Anfängen hat sich der Antriebsstrang zu einem fünfteiligen System entwickelt, das drei separate Motoren umfasst und in der Spitze mindestens 1.000 PS leisten kann. Nur der Verbrennungsmotor (ICE) und der kinetische Motor (MGU-K) treiben das Auto tatsächlich an; der thermische Motor (MGU-H) erzeugt lediglich Strom, der dann an den MGU-K geliefert wird.

Komponenten des F1-Antriebsstrangs – ICE – Verbrennungsmotor – MGU-K – kinetische Energierückgewinnungseinheit – MGU-H – thermische Energierückgewinnungseinheit – ES – Energiespeicher (Batterien) – CE – Steuerelektronik

Diese Teile sind in zwei Gruppen unterteilt: den MCI selbst und das Energierückgewinnungssystem (ERS). Das Mindestgewicht wurde für die Saison 2021 von 145 kg im Jahr 2020 auf 150 kg erhöht.

Verbrennungsmotor Der Verbrennungsmotor besteht aus dem Motor selbst und einem Turbolader. Der Motor ist mit dem Getriebe verbunden, während der Turbo den Lufteinlassdruck erhöht, um die Leistung zu maximieren. Die Vorschriften schreiben einen 1,6-Liter-V6-Viertaktmotor mit sechs Zylindern in einem Winkel von 90° und insgesamt 24 Ventilen vor. Er darf 15.000 U/min nicht überschreiten und ist auf einen Kraftstoffdurchsatz von 100 kg pro Stunde begrenzt, sobald die Drehzahl 10.500 U/min überschreitet. Der Kraftstoff wird mit 500 bar pro Zylinder direkt eingespritzt, und die Abgasturbine des Turbos ist auf 125.000 U/min begrenzt.

Während einer Grand-Prix-Runde zünden die sechs Zylinder mehr als 46.000 Mal, und bei Volllast übt der Turbo auf jeden Kolben eine Kraft aus, die mit dem Gewicht von vier Elefanten vergleichbar ist. ### Energierückgewinnungssystem (ERS) Das ERS umfasst die MGU-H, die MGU-K und die Batterien und muss in der Lage sein, bis zu 4 MJ Energie pro Runde zu speichern. Das Gewicht der Batterien ist auf 20-25 kg begrenzt, was für diese Kapazität von 4 MJ ausreichend ist. Seit der Einführung des KERS im Jahr 2007 haben die Batterien 87 kg an Gewicht verloren, bieten aber gleichzeitig eine deutlich höhere Speicherkapazität und eine schnellere Entladung. Mercedes gibt an, seit der Einführung der Vorschriften im Jahr 2009 eine Effizienzsteigerung von 56 % erzielt zu haben.

MGU-K – Dieses an der Hinterachse montierte Gerät fängt die kinetische Energie beim Bremsen des Fahrers auf. Ein Reibungsmotor blockiert die Räder, wandelt die kinetische Energie in Elektrizität um und speichert sie in der Batterie. Die gespeicherte Ladung kann dann bei Bedarf freigesetzt werden, um bis zu 161 PS (121 kW) hinzuzufügen. Technische Grenzen: 50.000 U/min, 2 MJ pro Umdrehung gespeichert, 4 MJ können abgegeben werden und die maximale Leistung kann 33,3 Sekunden lang genutzt werden.

MGU-H – befindet sich zwischen der Turbine und dem Turbolader und gewinnt Wärme aus den Abgasen zurück. Im Gegensatz zum MGU-K kann der MGU-H kontinuierlich arbeiten, entweder durch direkte Versorgung des MGU-K oder durch Aufladen der Batterie. Seine maximale Drehzahl beträgt 125.000 U/min und er hat keine praktischen Grenzen hinsichtlich der gespeicherten oder gelieferten Energie. Alle diese Teilsysteme werden durch hochentwickelte elektronische Steuerungskomponenten koordiniert. Moderne elektronische Steuergeräte entscheiden in jedem Moment, welche Energiequelle genutzt werden soll, wie viel Energie aus der Batterie entnommen werden soll und wie intensiv die Bremsenergie zurückgewonnen werden soll. Die Fahrer können diese Einstellungen über das Lenkrad ändern, aber die zugrunde liegende Logik funktioniert automatisch. ### Zuverlässigkeit und Wiederverwendbarkeit von Komponenten

Seit mehreren Saisons fordert die FIA die Hersteller auf, Motoren zu bauen, die mehrere Rennen überstehen können. Dieses Ziel wird durch die Halbierung des Hubraums von 12 l auf 1,6 l und die Einführung einer Drehzahlbegrenzung erleichtert. Die Komplexität der aktuellen Antriebsstränge erhöht jedoch das Ausfallrisiko: Alle Elemente sind miteinander verbunden, sodass ein einziger Ausfall eine Runde beenden kann. Die Anzahl und die Vernetzung der Komponenten dominieren nun das Bild der Zuverlässigkeit.

Typische Aufteilung der Komponenten pro Fahrer (2020-2021) – Verbrennungsmotor: 3 Einheiten – MGU-K: 2 Einheiten – MGU-H: 3 Einheiten – ES (Batterien): 2 Einheiten – CE (Elektronik): 2 Einheiten

Die Entwicklung dieser Systeme spiegelt die allgemeine Geschichte der F1-Motoren wider, eine Geschichte der kontinuierlichen Anpassung und technologischen Weiterentwicklung.

Das Dröhnen eines Formel-1-Wagens hat sich in den letzten vier Jahrzehnten erheblich verändert, von den donnernden V12-Motoren der 1980er Jahre bis hin zu den leisen Hybridmotoren von heute. Diese Geschichte ist geprägt von einer kontinuierlichen Verkleinerung der Motoren und ihrer Elektrifizierung, die sowohl durch Vorschriften als auch durch das Streben nach Effizienz motiviert ist.

Vor 1990 konnten die Teams zwischen V12-, V10- oder sogar V8-Motoren wählen, die jeweils auf ihre eigene Weise brute Kraft lieferten. In den 1990er Jahren setzte sich der V10 als dominierende Architektur durch, ein Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit, das eine ganze Generation von Rennen prägte. Eine entscheidende Veränderung erfolgte 2001, als die FIA einen 3-Liter-V10 vorschrieb und damit den Hubraum auf der Startaufstellung vereinheitlichte. Sechs Jahre später wurde die Formel erneut geändert: Ein 2,4-Liter-V8-Motor wurde vorgeschrieben, was den ersten großen Schritt des Sports in Richtung kleinerer und sparsamerer Motoren markierte. Die Einführung von KERS im Jahr 2009 fügte eine neue elektrische Dimension hinzu, die es den Fahrern ermöglichte, Energie zurückzugewinnen und für kurze zusätzliche Leistungsschübe wiederzuverwenden. Diese Erfahrung ebnete den Weg für die Neugestaltung im Jahr 2014, als die Meisterschaft 1,6-Liter-V6-Turbo-Hybridmotoren mit einem kompletten ERS-System – MGU-K (kinetisch) und MGU-H (thermisch) – einführte, wodurch Abwärme und Bremsenergie in einen Wettbewerbsvorteil umgewandelt wurden. Heute liefern nur noch drei Hersteller diese hochentwickelten Motoren: Mercedes, Renault und Ferrari. Der langjährige Partner Honda hat sich nach der Saison 2021 zurückgezogen, was Red Bull dazu veranlasst hat, ab 2022 ein eigenes Motorenprogramm zu starten. Die Liste der ehemaligen Lieferanten liest sich wie ein Who's Who der Automobilambitionen: BMW, Peugeot, Toyota und viele andere sind gekommen und gegangen, wobei jeder einzelne seine Spuren in der technischen Entwicklung dieses Sports hinterlassen hat.