De power unit

Hier is de zin die eigenlijk niet zou moeten kloppen: de motor van een Formule 1-auto is een 1.6-litre V6 — kleiner dan de motor in veel gezins-SUV's — en toch levert de complete power unit ongeveer 1000 horsepower. Een gewone 1,6 haalt er misschien 120 uit. Acht keer zoveel uit dezelfde cilinderinhoud halen is het technische verhaal van deze les.

F1 noemt het niet langer 'motor', maar power unit, omdat het ding achter de coureur eigenlijk een kleine energiecentrale is: een benzine-V6, een grote turbo, een elektrische motor-generator en een accu, allemaal samenwerkend als één systeem. De benzinekant komt in deze les aan bod; de elektrische kant in de volgende.

Waar het vermogen vandaan komt

Een motor is een luchtpomp: het vermogen wordt bepaald door hoeveel lucht (en bijpassende brandstof) je per seconde kunt verbranden. Drie vermenigvuldigers stapelen zich op:

Toerental. De V6 draait tot 15,000 rpm — ongeveer het dubbele van een sportieve wegmotor. Twee keer zoveel cycli per seconde is ruwweg twee keer zoveel lucht per seconde, en dus ruwweg twee keer zoveel vermogen, nog voor er iets anders bijkomt.

Boost. De turbolader — een turbine in de uitlaat die een compressor in de luchtinlaat aandrijft — perst de cilinders vol met lucht op een veelvoud van de atmosferische druk. Dichtere lucht betekent meer zuurstof per teug, dus elke verbranding is veel energierijker. (Het volledige turboverhaal krijgt zijn eigen les in de cursus Automotoren.)

Rendement. Dit is het moderne wonder. Deze motoren zetten meer dan 50% van de energie uit de brandstof om in bruikbare arbeid — het hoogste van elke racemotor ooit, en ver voorbij de ~30% van een gewone auto. Het reglement beperkt de brandstofstroom tot 100 kg per uur, dus de ENIGE weg naar meer vermogen is minder verspillen. De beroemde truc van de F1 hierbij is voorkamerontsteking: het mengsel wordt ontstoken in een kleine voorkamer, en de vlamstralen daaruit steken een heel mager hoofdmengsel aan dat snel en koel genoeg brandt om de motor heel te houden.

Vermogen is gewoon energie per seconde, dus de brandstofstroom-limiet maakt de wiskunde bot en simpel:

Met de stroom $\dot{m}$ vastgelegd door het reglement en de energie-inhoud $E$ van benzine vastgelegd door de scheikunde, is het rendement $\eta$ de enige knop die nog overblijft. Die ene regel maakte van F1 de snelste rendementswedstrijd ter wereld — precies wat de regelmakers wilden.

In de motor

Bij 15.000 tpm stopt elke zuiger, keert om en versnelt naar meer dan 100 km/h vijfhonderd keer per seconde, met versnellingen van duizenden g. Daarom is het inwendige van de motor zo exotisch: stalen zuigers, pneumatische klepveren (metalen veren kunnen niet snel genoeg meebewegen — de kleppen sluiten op perslucht), en toleranties zo krap dat je de motor eerst met hete vloeistoffen moet opwarmen voordat je hem zelfs maar rond kunt draaien.

En de motor is niet zomaar een motor — hij is deel van het skelet van de auto. De V6 is een dragend onderdeel: het chassis wordt aan de voorkant aan hem vastgeschroefd, en de versnellingsbak aan de achterkant, zonder frame eromheen. Het motorblok zelf draagt de veringskrachten van de achterkant van de auto. Haal de motor uit een F1-auto, en de auto breekt doormidden.