Det tekniske hjørne: Udstødning

Reglementet
Forbrændingsmotoren i en F1 bil har siden 2014 været en V6. De 6 cylindre har krav om 2 indløb- og 2 udløbsventiler per cylinder samt en enkelt turbo-oplader.

Motorenes (eller kraftenhed som det komplekse system korrekt kaldes) udstødningssystem er regelsat til ét enkelt halerør til turbinen og enten ét eller to for wastegaten.

Udstødningsrørene er delt I forsøg på mere lyd
Copyright Red Bull Media

Denne opdeling har ikke altid været sådan, men er et forsøg fra FIA’s side på bedre lyd i 2016. Forsøget med to rør skulle skelne lydene i udstødningen, for netop mere lyd – Hvordan dette præcis skulle fungere kunne være en artikel i sig selv, og vi gemmer det derfor til en anden gang.

Selve udstødningsrørene skal være lavet af legeringer baseret på enten aluminium, jern, nikkel, kobolt eller titanium.

Udstødningens placering
Copyright Renault Sport

Kompleksiteten af designet
At designe selve udstødningen er et komplekst stykke arbejde – Det kræver både viden om materialer, plads/vægt optimering og akustik.

Akustikken er vigtig, da udstødningen fungerer som en trompet – udstødningsgasserne vibrerer med en specifik frekvens ved en given hastighed af motoren, og som lyden i en trompet ændres, ændres frekvensen af vibrationerne i udstødningen, som motorens hastighed ændres.

Som ventilerne til udstødningen åbner og lukker, kreerer de et svingningsmønster bakketoppe og -dale, akkurat som enhver form for genereret lyd.

Mønsteret fra de enkelte cylindre skal helst ikke variere (interferere) for ikke at miste energi (se nedenstående yndige PAINT billede). Derfor er det vigtigt, at alle udstødningsrør har nøjagtigt samme længde, inden de samles til ét rør, hvori gasserne forlader bilen.

Demonstration af interferens. Ved ens mønster forstærkes energien, og ved forskudt mønster bliver den mindre
Copyright Nadia Skov Dyrlund Enevoldsen

I selve forbrændingsmotoren sker der 750 eksplosioner hvert sekund. For at få mest ud af de dannede gasser ved fuldt tryk på speederen, uden at tabe energi, bør udstødningsrørene være så korte som muligt, MEN ved lavere omdrejninger vil tynde, længere rør være en fordel.

Da reglementet ikke tillader varierende tykkelse, er udstødningen derfor lavet som et kompromis mellem begge. Andre dele af bilen har naturligvis også disse svingninger, så samtidigt er udstødningen designet med hensyn til andre svingningsmønstre, fx af krumtapakslen.

Udstødning er delt mellem cylinderne og samles til ét stykke
Copyright Red Bull Media

Materialerne
Som nævnt i reglementet er det meget specifikke legeringer, der må bruges til at lave udstødningen. Som oftest benyttes legeringen Inconel (Alloy 718), der hovedsageligt består af nikkel (~ 55%), krom (~ 21%) og en smule andet, som fx jern, molybdæn og niobium. Inconel er et utroligt stærkt materiale, der har et smeltepunkt på 1344 grader Celsius.

Det høje smeltepunkt er en af de vigtigste grunde til, at netop dette materiale bruges – Udstødningsgasserne fra bilerne er nemlig gerne mellem 950 og 1000 grader varme. Til sammenligning smelter aluminium ved 660 grader! Inconel (og nikkel-baserede legeringer generelt) er utroligt dyre og besværlige at fremstille, hvorfor de stort set kun bruges i motorsport og rum/luft teknologi.

Udover det høje smeltepunkt har Inconel også andre fordele: Legeringen danner blandt andet et beskyttende oxid-lag oven på metallet, ligesom aluminium gør det. Dette forhindrer både materialet i at korrodere væk, samtidigt med at det varmeisolerer en smule.

Udstødning med belægning
Copyright Renault Sport

Oxidlaget er dog ikke nok varmeisolering ved de høje temperaturer, når resten af bilen ellers smelter væk – derfor pålægges et beskyttende lag keramik, der kan tåle langt højere temperaturer, og som isolerer udstødningen fra de omliggende kulfibre m.m.
Da gassernes temperatur også er så høj når de forlader udstødningen, har størstedelen af bagenden, såsom bagvingen, en beskyttende folie og/eller termisk coating for ikke at gå i stykker.

Hvordan keramikken omkring udstødningen fungerer, kan ses i følgende (engelske) video

Selvom det ville være logisk tankegang at lave udstødningen så holdbar som muligt, så er dette ikke tilfældet. Bedre holdbarhed betyder større vægtykkelse, hvilket naturligvis giver større materialebrug og derfor mere vægt. Eftersom en udstødning sjældent bruges over mere end 1200 km, designes udstødningen tæt på grænsen hertil.

Når udstødningen går i stykker, er det hverken grundet de høje temperaturer eller de beskrevne vibrationer, men derimod spændinger i materialet. Spændingerne opstår ved fremstilling af udstødningen, og efter tid øges disse, så materialet simpelthen bliver træt og revner.

Delene til udstødningen fremstilles på forskellige måder: Nogle dele skæres med vand og bukkes, nogle støbes, og de senere år er dele blevet 3D printet.

Model af kraftenheden (motoren)
Copyright Renault Sport

Udnyttelse af udstødningsgasserne
Når nu man har så varm en gas, er det synd, hvis den bare går til spilde. Udstødningsgasserne ledes derfor op gennem en turbine i MGU-H, der driver både turbolader og hjælper MGU-K.

Lyder MGU-H/K som volapyk i dine øre og er du god til engelsk, så tjek følgende 2 videoer fra Honda Racing F1 – deres facts er ikke altid helt korrekte, men de har forsøgt at gøre det forståeligt for mindre tekniske mennesker, præcis som jeg forsøger det i vores artikelserie:

Sådan fungerer MGU-K

Sådan fungerer MGU-H


Har du ønsker til emner i “Det tekniske hjørne”, så skriv dem gerne i kommentarerne under artiklen, så kigger jeg på det til den næste gang.