Het ingewikkelde proces rond het ontwikkelen van F1-brandstof

De steeds meer beperkend wordende reglementen van de Formule 1 hebben de mazen in de wet dichtgetimmerd van het type die engineers ooit in staat stelden om twee seconden per ronde (of meer) te vinden door te spelen met de vorm van de venturi’s aan de onderzijde van de auto of door carbon remmen ‘uit te vinden’.

Daardoor worden verbeteringen gevonden in kleine stappen die gemeten worden in tienden (of zelfs honderdsten) van een seconde. Vrijwel ieder gebied van de auto wordt vrijwel constant bekeken in de hoop een reeks kleine verbeteringen te vinden die samen die magische seconde tijdwinst brengen. Gedurende een seizoen wordt een auto over het algemeen twee seconden sneller, wat gelijk staat aan ongeveer twintig kleine stapjes.

Hoewel de focus historisch gezien vooral op de aerodynamische ontwikkeling lag, is er recent een nieuwe strijd ontstaan: nietsontziende ontwikkeling van de krachtbron en daarbij specifieke brandstoffen die de prestatie van de interne verbrandingsmotor optimaliseren. Echter, net als bij de aerodynamische reglementen zijn er strikte beperkingen voor de samenstelling van brandstof.

“Het is eigenlijk redelijk beperkend”, zegt David Tsurusaki, Global Motorsport Technology Manager bij ExxonMobil, de smeermiddelenpartner van Red Bull Racing-Honda. “De brandstof moet bestaan uit componenten die op zijn minst van tijd tot tijd in commerciële brandstoffen gebruikt worden, van het heden of het verleden, waar dan ook ter wereld. Iemand moet het in een commerciële mix gebruikt hebben.”

“In alle jaren van brandstofformulering zijn er talloze mengsels en variaties uitgeprobeerd, en meestal is het een combinatie van dingen die niet geprobeerd zijn.”

Artikel 19.1.2 van de huidige technische reglementen van de F1 vereisen dat ‘brandstoffen bestaan uit componenten die normaal gebruikt worden in commerciële brandstof’. Ze verbieden ‘het gebruik van specifieke chemische elementen die een vermogensboost geven’. Er zijn extra clausules waarin de geaccepteerde elementen en hun classificering gedefinieerd worden.

Waar de technische reglementen van de F1 tussen 1961 en 1965 alleen eisten dat er ‘door de FIA gespecificeerde commerciële brandstof gebruikt moet worden’, heeft het volledige artikel 19 over alles wat met F1-brandstof te maken heeft een lengte van bijna 1200 woorden – meer dan de helft van de lengte van dit artikel. Dat is verspreid over zeven paragrafen, meestal met sub-paragrafen, die levendig de beperkingen, en dus uitdagingen, illustreren waar de brandstofmakers bij ExxonMobil voor staan.

Deze ‘commerciële’ clausule is de sleutel voor de relatieve betaalbaarheid van F1-brandstof, want volgens de definitie mogen alleen maar ‘betaalbare moleculen’ gebruikt worden, zoals Tsurusaki het omschrijft. Het is logisch dat commerciële mengsels geen exotische ingrediënten bevatten, zoals de ‘raketbrandstof’ die in het turbotijdperk van de jaren ’80 gebruikt werd in de F1. Deze werden naar verluid ontwikkeld vanuit brandstoffen voor ballistische raketten tijdens de Tweede Wereldoorlog.

Tsurusaki voegt eraan toe: “Het is niet direct de beschikbaarheid van een specifieke component, maar de ontwikkeling van de brandstof alleen voor de verbranding in die motor. Dat maakt het uniek.”

“Het is niet noodzakelijk alleen het feit dat je met iets komt dat nooit eerder gebruikt is; het is het feit dat je de combinaties hebt van iets dat zeer, zeer goed past bij die motor.”

Terwijl het bestuurlijke orgaan van de sport (de FIA) verantwoordelijk is voor de reglementen van de F1, heeft de Formula One Fuels Advisory Panel – een consulterende groep met alle grote brandstofleveranciers – input geleverd om ervoor te zorgen dat er een zekere mate van relevantie voor de openbare weg is en dat de kosten beperkt worden door het vereisen ‘alledaagse’ componenten.

De toegestane “combinatie” van componenten bestaat dus uit strikt gecontroleerde aromaten, olefinen, di-olefinen en styreen- en alkylderivaten, waarbij de reglementen momenteel een quotum van 5,75 procent aan bio-componenten verplicht stelt. Laatstgenoemde zal naar verwachting verdubbelen en zelfs verviervoudigen in de komende vijf jaar. Het in Colorado gevestigde chemische bedrijf Gevo levert momenteel bio-afgeleide iso-octaanstoffen aan alle huidige F1-brandstofleveranciers.

“Die motor waarnaar Tsurusaki refereert, is de Specificatie 4 Honda RA619H. Qua turbinetechnologie is die motor afgeleid van de HF120 vliegtuigmotor van Honda, die gebruikt wordt in het zespersoons zakenvliegtuig HondaJet HA-420. Deze Spec 4 werd voor de Japanse Grand Prix, wat de thuisrace – op Suzuka, dat in bezit is van Honda – is voor de motorleverancier van beide Red Bull-teams.

Daar staat geen druk op…

“De nieuwe brandstof die we in Japan introduceerden was een van de twee brandstoffen waar we aan werkten voor upgrades”, vertelde Tsurusake aan Race Car Engineering in een exclusief interview. “We hadden eigenlijk een upgrade voor het midden van het seizoen gepland en die was klaar voor introductie, maar terwijl we daaraan werkten, veranderde de doelstelling naar ‘laten we ons richten op brandstof 2’.”

Het proces begon bij Honda’s onderzoeks- en ontwikkelingsbasis in het Japanse Sakura. Daar ontwikkelden de engineers de Spec 4-motor, waarna het team van Tsurusaki geadviseerd werd over de datapunten van de verbrandingsmotor.

“Ze geven ons de date van de huidige brandstof met de Spec 4-motor”, legt Tsurusaki uit. “Dan hebben we een goed begrip van wat ons startpunt is. Je zoekt naar meer vermogen en minder lag; je zoekt naar alle positieve dingen die je eruit kan halen.”

“Dus dan probeer je een brandstof voor de nieuwe spec te ontwerpen, in dit geval de Spec 4. Het is dus eigenlijk een verdere aanpassing van wat je had, maar je probeert dat veel beter te maken.”

De gegevenspunten van Honda werden op hun beurt verstrekt aan het ExxonMobil-team van twee brandstofontwikkelaars in Clinton, New Jersey, die beiden uitgebreide ervaring hebben met het formuleren van F1-mengsels. Zij hebben op hun beurt toegang tot geavanceerde chemici. Dit proces met meerdere stappen begint met een matrix van verschillende brandstoffen, die elk enigszins van elkaar verschillen en incrementele verschillen vertonen.

“De ontwikkelaars proberen een matrix te creëren van hoe de variaties eruit zullen zien. Dat is natuurlijk een belangrijk onderdeel,” zegt Tsurusaki, waaraan hij toevoegt, “het is deels wetenschap en deels kunst in de vorm van het begrijpen hoe de verschillen zullen reageren in de verbrandingskamer.”

“Je kan dus eindigen met, stel, zes brandstoffen, en je eindigt mogelijk met een linker of rechter bovenhoek van de matrix die het beste is: hoogste prestaties, beste bescherming, minste schadelijk… daarna wijs je de ene aan die het beste lijkt in alle categorieën.”

“Dan is er misschien een kleine verandering aan die laatste, wat mogelijk nog twee of drie stappen kost.”

Zodra er een matrix van mengsels geformuleerd is, vindt het fysieke mengen en het voortesten plaats in Groot-Brittannië, voordat de brandstoffen naar Sakura vervoerd worden voor tests op een cilinder. Voor zes reeksen met verschillende mengsels kost dat proces ongeveer een week.

De volgende truc is ervoor te zorgen dat het geselecteerde supermengsel van Esso Synergy volledig past bij de Mobil1-olie voor de motor; als dat niet zo is, moet er nieuwe olie ontworpen worden.

“Dat is net zo belangrijk, en vaak pas je de motorolie op hetzelfde moment aan als de brandstof”, zegt Tsurusaki. “Iedere keer dat je een verandering aan de prestaties in de specificatie van de motor doorvoert, vraagt dat andere dingen van de olie.”

Zodra de tests met één cilinder zijn voltooid en het uiteindelijke brandstofmengsel is goedgekeurd, begint het testen van de met de volledige motor van zes cilinders, waarbij de motor doorgaans wordt onderworpen aan zes of zeven volledige grand prix-simulaties. Tegelijkertijd worden monsters van het uiteindelijke mengsel aan de FIA voorgelegd voor zowel goedkeuring als het samenstellen van de gaschromatografische vingerafdruk, waarmee toekomstige vaten kunnen worden gecontroleerd.

Het hele proces heeft ongeveer 13 weken geduurd - van datapunt tot formulering die klaar is voor de race - en vervolgens moet de brandstof worden verzonden naar de Grand Prix waar de nieuwe specificatie krachtbron zal debuteren, in dit geval de Japanse Grand Prix. De brandstof met de eerdere specificaties wordt echter ook verzonden als backup, als het team om wat voor reden ook besluit de introductie van de nieuwe motor uit te stellen.

“We mogen tegelijkertijd twee brandstoffen op locatie hebben. Ik denk dat je tot vijf samenstellingen per jaar kan doen”, legt Tsurusaki uit, waaraan hij toevoegt dat het aanleveren van goedkeuringssamples bij de FIA ongelimiteerd is. Wel zijn daaraan kosten verbonden.

Daarna begint het verschepingsproces, een taak die net zo gecompliceerd is als het samenstellen van de brandstof. Er zijn niet alleen beperkingen in het luchtvervoer van gevaarlijke materialen, maar alles wordt ook in het werk gesteld om ervoor te zorgen dat de brandstof niet besmet wordt. Een druppeltje water kan ervoor zorgen dat de vingerafdruktest van de FIA niet gehaald wordt, met als straf uitsluiting, zelfs als de brandstof uiteindelijk helemaal volgens de specificatie blijkt.

“Onze taak begint met het coördineren met de teams van hoeveel ze van elke specificatie nodig hebben”, legt Sean Dunnett, ExxonMobil’s technische adviseur voor de F1. “Met onze assistenten bij DHL verschepen we dat dan naar ieder evenement, plus nog wat extra.”

Een team gebruikt meestal 750 liter tijdens een raceweekend met beide auto’s gedurende alle sessies – wat gelijk staat aan 15.000 liter door beide auto’s tijdens een seizoen, of 150.000 met alle teams. Toch verbruikt de Formule 1 bijna een miljoen liter per jaar – zes keer het verbruik tijdens de races – wat illustreert hoe veel tests er nog gedaan worden op de dynamometers door motorfabrikanten.

“Zodra het aankomt op het circuit aankomt, checken we elk vat twee keer”, zegt Dunnett. “We hebben hier machines die eigenlijk alle verschillende componenten in de brandstof splitst om de dichtheid en opgelopen besmettingen tijdens de reis te checken. Ook checkt die op lekken.”

“Onze brandstof heeft veel volatiele componenten en als vaten beschadigd zijn tijdens de reis, is er een kans dat sommige componenten ontsnapt zijn. We kijken dus op deze machine om te checken dat alles de juiste concentratie heeft.”

Hoewel ExxonMobil waar mogelijk liever per zee vervoert, moeten sommige leveringen per luchttransport, via gereguleerde vluchten die pendelen tussen luchthavens met de vereiste licenties. Binnen Europa is vervoer per weg via een aangewezen DHL-bestuurder, die pendelt tussen een aangewezen depot en het circuit. Op het circuit wordt alle brandstof opgeslagen in een afgelegen faciliteit, waar alleen DHL en chemisten van ExxonMobil toegang tot hebben.

Alle vaten worden verzegeld met zegels die niet te vervalsen zijn, waardoor oneigenlijke opening opgemerkt wordt. Alle opslagplaatsen en uitrusting hebben bescherming tegen statische elektriciteit. Dunnett belicht een andere recente ontwikkeling: ‘schonere’ chemicaliën die minder gevaar stichten voor personeel en het milieu.

“Zoals met elke brandstof, is F1-brandstof niet bepaald een goede substantie. Racebrandstof zijn niet erger dan wegbrandstof, maar het is beter geworden”, zegt hij. “Als je 20, 30 jaar teruggaat, was het echt smerig spul. Het had lood en dat soort zaken in zich. Technologie is zoveel verder nu dat je niet meer op deze smerige chemicaliën hoeft te rekenen.”

“De chemie rond het maken van brandstof is veel schoner tegenwoordig. Niet alleen voor het milieu, maar ook voor de mensen die ermee werken. De brandstof is nog nooit schoner geweest qua chemicaliën die erin zitten.”

“Door die chemie en het begrip van de ontwikkeling van brandstof is het nu zo dat je niet meer hoeft te vertrouwen op deze oude chemicaliën.”

Honda zal, natuurlijk, motoren van specificatie 5 (en verder) ontwikkelen tijdens 2020 en dus zal de volledige 13 weken durende cyclus van brandstofontwikkeling verder gaan, terwijl de motorfabrikanten en de brandstofpartner de kleinste verbeteringen nastreven in de nooit eindigende zoektocht naar rondetijd en, in het verlengde daarvan, overwinningen.

De lessen die het compacte team laboranten in Clinton leerde tijdens het mixen en matchen van een matrix met commercieel beschikbare ingrediënten om een heersend F1-mengsel te creëren, zullen uiteindelijk doordruppelen naar de openbare weg, waar weggebruikers profiteren van schonere, dichtere brandstoffen die veiliger zijn.

Duits Sterretje

Posts: 3.846

Pffff,best een lange tekst.....

• 1
• 20 nov 2019 - 16:34

Alle 6 comments ▼