Brandstofmanipulatie in de Formule 1: was Ferrari daarom zo snel?

Sinds 2014 gebruikt de Formule 1 een 1.6 V6 DI-motor met turbo in combinatie met twee energierecuperatiesystemen. Die kennen we als MGU-K (Motor Generator Unit–Kinetic) en MGU-H (Motor Generator Unit–Heat). Ook moest vanaf 2014 de raceafstand, die ongeveer 300 km bedraagt, overbrugd worden met maximaal 100 kg (dat is 133 liter) brandstof.

De afgelopen jaren is die hoeveelheid in stappen verhoogd. Eerst naar 105, daarna naar 110 kg. Dat was enerzijds omdat de auto’s groter, breder en zwaarder werden. Een F1 moet in 2020 minstens 746 kg wegen (exclusief brandstof). Anderzijds wil men ook niet dat de rijders gaan coasten om brandstof te besparen. Het moet wel racen blijven.

Maximaal 100 kg/uur

Niet alleen de totale hoeveelheid brandstof is gelimiteerd, ook het actuele verbruik. De motor mag nooit meer dan 100 kg/uur (of 27,8 gr/sec) verbruiken. Dat geldt overigens pas vanaf 10.500 rpm. Onder dat toerental geldt een andere regel: daar wordt de maximale flow (Q, of in goed Nederlands: debiet) bepaald door de formule: Q = (0.009 * rpm) + 5,5. Stel dat de motor 6.000 rpm draait, dan mag de flow dus (0,009 * 6.000) + 5,5 = 59,5 kg/u bedragen.

Het hoogste vermogen wordt echter boven die 10.500 rpm bereikt dus houden we 100 kg/u aan.
Beide voorwaarden, 110 kg brandstof aan boord en 100 kg/uur maximaal verbruik, betekenden dat F1-auto’s nu ongeveer 35 % minder mogen verbruiken dan de atmosferische V8-motoren van voor 2014. Toen was er geen beperking op brandstofhoeveelheid en -flow. De reden voor deze nieuwe motorreglementering was om F1 dichter te laten aansluiten bij technieken die in auto-industrie relevant zijn. Hybride en brandstofverbruik passen in dat kader.

In de beginperiode van de huidige motorformule, was het naleven van dat maximale verbruik moeilijk te verwezenlijken. Hoge toerentallen met pieken tot 19.500 rpm, konden niet meer. Bij die toerentallen ligt de brandstofflow ver boven die 27,8 gr/sec. Om de limiet te halen ging het toerental waarbij de coureur opschakelt omlaag. De huidige V6-en kunnen 15.000 rpm aan, maar om aan de brandstofeisen te voldoen, wordt al geschakeld bij 11.500 tot 12.000 rpm.

De trukendoos

Het behalen van de brandstoflimieten gebeurde op verschillende manieren. Daarbij werd en wordt de trukendoos volledig opengetrokken. En zoals steeds in de F1, staat op creativiteit geen rem. Interpretatie van het reglement en het opzoeken van de grijze zone horen daar ook bij.

Olieverbruik

Creatieve geesten gingen het olieverbruik kunstmatig opdrijven. Hoe moet je dat zien? Stel dat je 1,2 liter olie per 100 km verbruikt, dan geeft dat over een raceafstand 3,6 liter olieverbruik. En olie bestaat vooral uit koolwaterstoffen, net als… brandstof! Door die extra olie te verbranden heb je dus 3,6 l meer koolwaterstoffen tot je beschikking om de raceafstand te overbruggen. Dus ongeveer 136,6 inplaats van de 133 liter. En 1,2 l olieverbruik per 100 km was slechts een eerste limiet die men oplegde. Sommige teams hadden aparte olietanks van 5 liter voor ‘inwendige motorkoeling en smering’.

Wat bereik je hiermee? Als je dit trucje bij de kwalificaties van de race toepast, ben je natuurlijk sneller. Want de extra energie die je krijgt door het verbranden van de olie wordt niet gemeten door de verplichte brandstofflowsensor (waarover straks meer). Men sprak van een kleine 70 pk extra doordat de chemici van de olie- en brandstofleveranciers een manier gevonden hadden om die olie en brandstof goed met elkaar te laten binden. Dat olieverbruik kon gecreëerd worden door olie overmatig weg te laten lekken langs de zuigerveren of bewust te laten lekken in de inlaatkanalen via een separate olietank. Echt ecologisch is dat allemaal niet en al snel paste de FIA het reglement aan: die 1,2 l/100 km ging naar 0,6 l/100 km en vanaf 2020 naar 0,3 l/100 km.

Hoger rendement

Je wilt dus een motor met een hoog thermisch rendement, die efficiënt omspringt met zijn brandstof. Dat is in de loop van de jaren ook gelukt. Mercedes haalde in 2017 al een thermisch rendement van meer dan 50 %. Bij de introductie van de huidige motorreglementering in 2014 bedroeg dat ‘slechts’ 44 %, wat nog steeds een stukje hoger is dan wat we in gewone personenauto’s gewend zijn.

Je kan dus wel stellen dat dit een grote sprong voorwaarts is: meer dan 6 procentpunt rendementswinst in drie jaar tijd! Hoe kregen ze dat voor elkaar?
Een deel van de winst zit in de brandstofsamenstelling en in hele dunne motorolie. Maar ook het verbrandingsconcept draagt bij. In de F1 wordt tegenwoordig gebruik gemaakt van een passieve voorkamer. Zie AMT Extra voor het hoe en waarom daarvan.

Het gevolg van al die verbeteringen en ontwikkelingen zie je terug in de rondetijden: Sebastian Vettel reed in 2013 in Spa nog een snelste rondje van 1:50.756. Hij stond toen aan de start met 135 kg brandstof. In 2019 reed hij daar opnieuw het snelste rondje, nu in 1:46.409. Toen met slechts 110 kg brandstof en een zwaardere auto.
Deze ontwikkelingen, zorgden ervoor dat die 100 kg/uur en 110 kg/raceafstand nu vlot haalbaar zijn. Dat geeft ineens mogelijkheden om met de brandstofhoeveelheid te gaan spelen. Een team kan kiezen om iets minder brandstof mee te nemen bij aanvang van de race waardoor de auto lichter is. Of de coureur kan tijdens de race bij een iets hoger toerental opschakelen voor meer vermogen.

De party mode

F1-watchers spreken soms van een ‘party-mode’. Die zorgt voor extra vermogen tijdens de kwalificaties. Op dat moment is enkel de flow van belang (niet meer dan 100 kg/uur). De kunst is nu, om zo dicht mogelijk tegen de grens van 100 kg/uur te zitten om zo het hoogste vermogen te verkrijgen. Die ‘party-mode’ bevat ook een andere regelstrategie. De compressor wordt maximaal aangestuurd en de energieterugwinning in het hybridesysteem juist geminimaliseerd.

Brandstofflow meten

De FIA moet die brandstofflow in iedere auto natuurlijk kunnen controleren. Dat gebeurt via een verplichte brandstofflowsensor. Die mag reglementair, slechts door één bedrijf geleverd worden.

Bij de introductie van het huidige motorenreglement in 2014, was dat de firma Gill. Hun brandstofsensor zou binnen een foutmarge van 0,5 % moeten functioneren, maar bleek dat niet altijd te halen. Soms waren er uitschieters. In de GP van Australië van 2014 leidde dat zelfs tot diskwalificatie van een coureur (Daniël Ricciardo). Vanaf 2018 komt de verplichte brandstofsensor van een andere leverancier: Sentronics. Dat bedrijf produceert de Flowsonic Elite brandstofflowsensor.

Deze flowsensor bevindt zich in het lagedrukdeel van het brandstofsysteem en is geïntegreerd in de brandstoftank. De brandstof wordt via een filter en de lagedrukpomp (max 10 bar) door de flowsensor gepompt. De hogedrukpomp zorgt daarna voor de inspuitdruk van maximaal 500 bar

Werking brandstofflowsensor

Een klassieke brandstofflowsensor werkt met een intern turbinewiel. Het toerental daarvan is een maat voor de brandstofflow. Onder racecondities, met vaak plankgas en gas los, kan zo’n systeem de dynamische veranderingen in de brandstofflow niet bijbenen. Bij gas los ontstaat een plotse stop in de brandstofflow. Dat geeft een drukpuls in omgekeerde richting die moeilijk meetbaar is met een turbine. Daardoor ontstaan meetfouten.

Er moest dus een ander soort brandstofflowsensor komen. Dat werd de ultrasone flowsensor van Sentronics. Die kan zowel tijdelijke als constante brandstofstromen, stroomrichting, brandstoftemperatuur en cumulatief brandstofverbruik bewaken. Hij kan bidirectioneel de flow meten met een frequentie tot 2,2 kHz en dit tot 8.000 ml/min of 480 l/u. Het uitgangssignaal van deze sensor wordt via een HighSpeed CAN naar de motor-ECU verzonden. En dit allemaal met een eigen gewicht van slecht 330 gram.

Zo’n sensor wordt ook wel een solid state sensor genoemd omdat er geen bewegende delen inzitten. En deze sensor maakt metingen mogelijk met een foutmarge van slechts +/- 0,25 %. Gezien de condities en het werkgebied waarin hij moet opereren is dat bijzonder klein. We staan nog even stil bij deze getallen: de sensor meet dus 2.200 keer per seconde en in al die metingen mag de flow niet hoger zijn dan 100 kg/u.

Regels niet breken, maar plooien

Nu zou je verwachten dat met zulke specificaties en met al die regelgeving, er geen mogelijkheden zijn om te boel te belazeren. Mis! De teams blijven zoeken naar methodes om de brandstofflowsensor te slim af te zijn. En die vinden ze!

Een manier om te voldoen aan de limieten was om vijf stuks van die gehomologeerde sensor aan te schaffen en vervolgens die te kiezen met de grootste tolerantie. Hoe meer tolerantie, hoe hoger de flow kan zijn. Om te vermijden dat teams te veel sensoren gaan aanschaffen, is er een limiet ingesteld op dat aantal.

Brandstofbuffer

Er zijn meer wegen. Na de flowsensor gaat er een leiding naar het hogedrukgedeelte van het brandstofsysteem. In eerste instantie was er geen reglementering op het volume van dat leidingwerk, eventuele accumulatoren en die pomp zelf. Vergroot je dat volume na de sensor, dan kan je dat als buffer gebruiken. Wanneer minder brandstof nodig is wordt de ruimte gevuld. En bij vol gas accelereren zorgt de buffer voor extra brandstof, zonder dat de flow door de sensor boven de limiet komt.

Om ook dit trucje tegen te gaan, kwam er een limiet op dit volume van 2 liter. Vanaf 2020 is die verlaagd naar 250 cc. Daarbuiten zal er vanaf 2021 een vaste leverancier zijn voor het leidingwerk (Magnetti Marelli) en de hogedrukpomp (Bosch), waardoor het extra bufferen na de flowsensor niet meer mogelijk is. Bijkomend voordeel is de kostenverlaging omdat niet elke constructeur deze onderdelen zelf moet ontwikkelen.

Andere brandstof

En wat als we nu eens een brandstof ontwikkelen die er door zijn samenstelling voor zorgt dat de flowrate lager ligt? Dat kan door een andere opbouw van de moleculen van de brandstof. Om ook dit te vermijden, dient de brandstofflowsensor opnieuw gekalibreerd worden met elke nieuwe brandstofsamenstelling die een team introduceert.

Welke truc gebruikte Ferrari?

Vorig jaar was Ferrari tijdens de races, en voornamelijk op topsnelheid, niet bij te houden. De andere teams hadden al snel een vermoeden hoe Ferrari dit deed: door manipulatie van de brandstofflowsensor. De teams vroegen de FIA om verduidelijking over wat exact toegestaan was bij het meten van de flow. Het gevolg van deze vraag, was een technische richtlijn, opgesteld door de FIA, met daarin do’s-and-don’ts van deze sensor. Plots bleek de Ferrari toen niet meer zo te snel te zijn...

Ferrari’s trucje staat bekend onder de naam ‘aliasing’. Je kent dat fenomeen wel: in een film zie je een auto rijden en het lijkt alsof de wielen achteruit draaien. Tot de auto afremt naar stilstand, dan zie je ze weer even vooruit draaien. Hoe komt dat? Een videocamera neemt slechts een beperkt aantal frames per seconde op. Elk frame legt de wielen in een andere positie vast, dus afhankelijk van het aantal rotaties dat de wielen tussen frames voltooien, lijkt het alsof ze naar achteren draaien. Dat is aliasing op visueel gebied.

Het aliasing-effect in beeld, waarbij het lijkt of de wielen achteruit draaien.

Aliasing bestaat ook op signaalniveau. Stel dat je een sinusvormig signaal wilt meten. Dan moet je voldoende meetpunten per volledige cyclus hebben, om die sinus goed in beeld te krijgen. Heb je te weinig meetpunten hebt, dan kan die sinusvorm er plots heel anders uitzien. Het meettoestel meet immers maar enkele punten en verbindt die met elkaar.

Aliassen bij de flowsensor

Hoe projecteren we dat nu op de flowsensor? De brandstofflow wordt gemeten met een frequentie van 2,2 kHz. Dus 2.200 metingen per seconde of elke 0,45 milliseconde (ja, echt wel op elke 0,00045 s). Dus je meet op 0,0 ms – 0,45 ms – 0,9 ms – 1,35 ms… Op elk van die meetpunten mag je maximaal 100 kg/u aan flow hebben.

Echter, wanneer we tussentijds, op 0,225 ms, 0,675 ms, 1,125 ms, 1,575 ms, … kort een hogere flow creëren, dan detecteert de flowsensor dat niet. Op de meetpunten is de flow immers weer terug op max 100 kg/u. De flowsensor detecteert een vlakke lijn van max 100 kg/u, terwijl er in werkelijkheid tussen iedere twee meetpunten een flowverhoging met een op- en een aflopende flank zit. Het gemeten signaal heeft een heel andere vorm dan de werkelijkheid: aliasing.

Hoe kunnen we dit effect bereiken?

Dit manipuleren kan op twee manieren: via het signaal zelf of via de brandstofflow. Een constructeur kan het signaal beïnvloeden door bijvoorbeeld de hoogspanningsbekabeling van het hybride gedeelte dicht bij die flowsensor te leggen. Zo kan elektromagnetische interferentie een faseverschuiving van het meetpunt veroorzaken. De bedoeling is dan natuurlijk dat er niet exact op een piek gemeten wordt maar op een op- of aflopende flank. Of dat ook effectief lukt, valt te bezien. De sensoren moeten immers voldoen aan de FIA-standaard met betrekking tot elektromagnetische interferentie.

Manipulatie via de brandstofflow is waarschijnlijk eenvoudiger. De brandstofflow die de opvoerpomp creëert is immers niet constant, maar kent drukpulsen. Die pomp heeft zijn eigen natuurlijke frequentie. Wanneer je de frequentie van die pulsen synchroniseert met de samplingsnelheid van de flowsensor, en dat in closed loop, dan kan je de pomp zo aansturen dat de drukpuls boven die 100 kg/u uitkomt maar het meetpunt lager zit dan die waarde. Dan meet de sensor op de op- of aflopende zijde van de drukpiek.

De reële flow ligt dus hoger dan 100 kg/u en is eerder een rimpel bovenop de vlakke 100 kg/u-lijn. Het is dan ook duidelijk dat de motor hierdoor sneller kan accelereren. Dat geeft een hogere snelheid op een lang recht stuk. ‘Toevallig’ net datgene waarin Ferrari zo sterk was…

Welke techniek zij nu exact toepasten, daar zeggen zowel Ferrari als de FIA niets over. Maar het heeft gevolgen. De brandstofflowsensor wordt dit seizoen nog strenger bewaakt.

Tweede flowsensor

Sentronics levert nu een tweede, verplichte brandstofflowsensor die in serie staat met de eerste. Die nieuwe sensor verschilt van de eerste in zijn meetstrategie. In plaats van steeds, elke 0,45 ms te meten, doet de tweede sensor dat op willekeurige momenten. Dat kan dus op 0,07 ms – 0,33 ms – 0,45 ms – 0,58 ms – 0,74 ms -… zijn, met steeds verschillende meetintervallen.

Die intervallen zijn onmogelijk te bepalen omdat de meetdata ook nog eens geëncrypteerd is, en niet toegankelijk voor de teams. Die data wordt opgeslagen in de FIA Safety Data Recorder (SDR) waar de FIA het kan controleren. En ook hier geldt die 100 kg/u. Deze tweede sensor moet aliasing onmogelijk maken.

Weer een nieuwe sensor

Om de kosten te verlagen (en de teams nog beter te kunnen controleren), heeft de FIA een aanbesteding uitgeschreven voor een nieuwe standard toeleverancier voor de beide brandstofflowsensoren voor de jaren 2021 – 2023. Dat aanbestedingsdocument telt 48 pagina’s met kleine lettertjes. De inhoud gaat echt diep, tot de volledige opbouw van de gebruikte CAN-berichten voor de communicatie naar de Power Unit Regeleenheid aan toe. Maar je vindt er ook leuke weetjes.

Elke sensor mag maximaal £ 5.000 kosten met een garantieperiode van 100 uur. Onderhoudskosten boven de 100 uur mogen niet meer dan £ 500 bedragen. De levensduur zelf moet meer dan 400 uur zijn. De FIA heeft eveneens een limiet ingesteld voor het aantal flowsensoren dat tijdens een seizoen mag worden gebruikt. Voor de eerste sensor zijn dat er acht, voor de tweede vier. Testen buiten de competitie vallen niet onder deze limiet. En de leverancier moet de FIA zeven eenheden uitlenen voor testdoeleinden. Gratis!

Ook in de werkplaats?

Nu kan je je de vraag stellen: allemaal nice-to-know, maar wat heb ik er aan? Formule 1 wil zich profileren als proeftuin voor de automotive. Daarom heeft de huidige motorgeneratie ook een dubbel energierecuperatiesysteem. Daarom zien we thermische rendementen met pieken van boven de 50 %. En daarom komt er rond de 1000 pk uit een DI 1,6 V6 met (e)-turbo. De brandstofregeling zoals hier besproken, staat in rechtstreeks verband met de emissies. En zoals je weet worden de eisen daaraan steeds strenger. Om daaraan te voldoen, kunnen constructeurs van straatauto’s gebruik maken van de expertise uitgetest in de F1. Dan zien we die technologie uiteindelijk ook in de werkplaats, zij het in een minder extreme vorm.

Zien we deze flowsensors dan straks in gewone auto’s? Nou nee, daarvoor zijn ze te duur. Sentronics werkt wel samen met verschillende OEMs in de voertuigontwikkeling. Bij het finetunen van de motorkalibratie kunnen nauwkeurige flowsensoren bijzonder nuttig zijn. Neem bijvoorbeeld AdBlue-doseringen. Waar een stationair draaiende motor ongeveer 10 ml/min verbruikt, gaat het bij AdBlue om nog veel kleinere flows. Denk aan 2 ml/min. Dat is elke 2-3 seconden een klein druppeltje AdBlue. Met zo’n ultrasone sensor kun je ook zo’n kleine stroompje heel nauwkeurig meten.