كيف تستعيد وحدات المحرك والمولد الطاقة في الفورمولا 1؟

تعرّف إلى دور وحدتي MGU-K وMGU-H في استعادة الطاقة داخل وحدة الدفع الهجينة، من الكبح وتدفق العادم إلى التخزين وتقديم القوة.

تحوّل استعادة الطاقة في الفورمولا 1 جزءاً من الطاقة المرتبطة بإبطاء السيارة وحركة غازات العادم إلى طاقة كهربائية يمكن استخدامها لاحقاً. يشرح هذا الدليل وظيفتي وحدتي MGU-K وMGU-H، ومسارات انتقال الكهرباء داخل وحدة الدفع الهجينة، ولماذا لا تكفي هاتان الآلتان وحدهما لتفسير أداء السيارة كله.

ما المقصود بوحدة المحرك والمولد؟

وحدة المحرك والمولد آلة كهربائية تعمل في اتجاهين. فعندما تتلقى الطاقة الكهربائية تستطيع إنتاج حركة دورانية وعزم، وعندما يديرها محور دوّار تستطيع توليد الكهرباء. ويشكّل هذا التبديل بين وضع المحرك ووضع المولد أساس تبادل الطاقة في وحدة الدفع الهجينة.

لا تنشئ الآلة طاقة من العدم؛ بل تحوّل طاقة موجودة أصلاً في صورة أخرى، وترافق التحويلَ خسائر. يمكن تخزين الكهرباء في البطارية أو إرسالها إلى آلة كهربائية لتقديم القوة في ظروف تشغيل مناسبة. لذلك تعني الاستعادة إعادة استخدام جزء من الطاقة التي كانت ستتبدد غالباً على شكل حرارة أو تغادر مع تدفق العادم، ولا تعني مضاعفة الطاقة بلا كلفة.

MGU-K: تحويل طاقة الكبح إلى كهرباء

وحدة MGU-K هي آلة استعادة الطاقة الحركية المتصلة بمنظومة نقل الحركة. أثناء التسارع يمكن أن تعمل محركاً كهربائياً وتضيف عزماً إلى وحدة الدفع. وعندما يكبح السائق، يمكن أن يتغير اتجاه عملها: تأخذ الطاقة من أجزاء منظومة الحركة الدوّارة وتولد الكهرباء. ويسهم ذلك أيضاً في إبطاء السيارة.

تظل المكابح التقليدية ضرورية. فالمكابح الاحتكاكية تخفف سرعة السيارة وتوقفها، بينما تستطيع عملية التوليد في MGU-K أن تتحمل جزءاً من مهمة الكبح. ويتأثر الأمر بمقدار التباطؤ المطلوب وظروف الحلبة وقدرة النظام في تلك اللحظة على استقبال الطاقة. ولا يمكن تخزين الكهرباء المتولدة بلا حد؛ إذ ينبغي أن تعمل البطارية وإلكترونيات القدرة ونظام التحكم ضمن نطاقات تشغيلها.

كيف ينتقل مسار الطاقة؟

• أثناء الكبح تستمر العجلات وأجزاء منظومة الحركة في الدوران، بينما تعمل MGU-K بوصفها مولداً.
• تدير إلكترونيات القدرة نقل الكهرباء المتولدة إلى منظومة البطارية.
• يمكن إعادة الطاقة المخزنة لاحقاً إلى MGU-K ضمن القواعد وضوابط النظام المعمول بها.
• تعمل MGU-K عندها محركاً وتساعد السيارة على التسارع.

توضح هذه الدورة كيف يمكن إعادة استخدام جزء من طاقة الكبح عند الخروج إلى خط مستقيم أو أثناء التسارع. لكن كمية الكهرباء لا تكون متساوية في كل عملية كبح. فالسرعة وشدة الكبح وتصميم الحلبة وحالة شحن البطارية وإدارة الطاقة كلها عوامل تؤثر في النتيجة.

MGU-H: استخلاص الطاقة من تدفق العادم

ترتبط وحدة MGU-H بتوربين الشاحن التوربيني. تدير غازات العادم الساخنة والسريعة الناتجة عن الاحتراق التوربين، وتستطيع MGU-H توليد الكهرباء من الحركة عند محور التوربين. وهكذا يمكن نقل جزء من الطاقة المرتبطة بتدفق العادم إلى النظام الكهربائي. وقد يتغير اتجاه عملها بحسب ظروف التشغيل؛ إذ يمكنها في وضع المحرك التأثير في سرعة محور التوربين والمساعدة في إدارة استجابة الشاحن التوربيني.

تتمثل وظيفة الشاحن التوربيني في استخدام الضاغط لإرسال كمية أكبر من الهواء إلى المحرك. وتشكّل قدرة MGU-H على توليد الكهرباء والتأثير في حركة المحور علاقة تحكم لا تختصر بعبارة «استخلاص القوة من العادم». فالتوازن بين التوربين والضاغط والمحرك والآلة الكهربائية والبطارية هو ما يحدد سلوك وحدة الدفع.

ما الفرق بين MGU-K وMGU-H؟

• مصدر الطاقة: تستفيد MGU-K أساساً من الطاقة الحركية للسيارة، أما MGU-H فترتبط بالحركة التي يدفعها العادم عند توربين الشاحن التوربيني.
• موضع الاتصال: تتصل MGU-K بمنظومة نقل الحركة، بينما تتصل MGU-H بمحور الشاحن التوربيني.
• صلة الاستخدام: ترتبط MGU-K مباشرة أكثر بالكبح ومساندة العزم؛ أما MGU-H فتسهم في تدفق الطاقة بين العادم واستجابة الشاحن والنظام الكهربائي.

لا يجعل توليد الوحدتين للكهرباء منهما جهازاً واحداً. تعمل الأولى بطاقة حركة السيارة، وتعمل الثانية بالحركة الناتجة عن مرور العادم في الشاحن التوربيني. ويساعد هذا التمييز على تتبع مصدر الطاقة داخل وحدة الدفع الهجينة.

لماذا تهم البطارية وإلكترونيات القدرة؟

البطارية مخزن للطاقة وليست منتجاً لها. يمكن للكهرباء القادمة من وحدات المحرك والمولد أن تمر عبر إلكترونيات القدرة إلى البطارية، ثم تعود إلى النظام عند الحاجة. وتتحكم إلكترونيات القدرة في تدفق الكهرباء ووضع عمل الآلات الكهربائية حتى تتعاون المكونات المختلفة.

سعة التخزين وتدفق الطاقة مفهومان مختلفان. فقد لا تكون البطارية في لحظة معينة قادرة على استقبال الطاقة أو تقديمها بالطريقة نفسها. لذلك تنسق إدارة الطاقة توقيت التوليد والاستخدام. ولا تستطيع سيارة السباق بالضرورة تخزين كل ما تستعيده عند كل نقطة كبح؛ فهناك حدود تقنية وقواعد رياضية تحدد مقدار الطاقة التي يمكن تخزينها ومكان استخدامها وتوقيتها.

كيف يؤثر السائق وتصميم الحلبة في استخدام الطاقة؟

تتيح الحلبة التي تتكرر فيها مناطق الكبح القوي فرصاً لاستعادة الطاقة بواسطة MGU-K. وتؤثر الخطوط المستقيمة الطويلة وأنماط السرعة المختلفة في توقيت الاستفادة من الطاقة المخزنة. وحتى على الحلبة نفسها يمكن لمداخل المنعطفات ومخارجها وخط القيادة أن تغيّر تدفق الطاقة. ويدير الفريق حاجة السيارة إلى التسارع بالتوازي مع قدرتها على التخزين والاستعادة.

يرتبط استخدام السائق للمكابح ودواسة التسارع أيضاً بعمل النظام. فالكبح ليس مجرد لحظة لخفض السرعة؛ بل يمكن أن يكون مرحلة لاستعادة الطاقة. والتسارع مرحلة قد تقدم فيها الطاقة الكهربائية المخزنة دعماً. ومع ذلك، تظل إدارة الطاقة عملية معقدة تشترك فيها أنظمة التحكم ومدخلات السائق، ولا تفسرها حركة دواسة واحدة وحدها.

لماذا تحسن استعادة الطاقة الكفاءة؟

تتمثل الفائدة في إعادة استخدام جزء من الطاقة التي كانت ستضيع من دون استفادة. تستطيع MGU-K توليد الكهرباء من حركة السيارة أثناء التباطؤ، بينما يمكن أن تستفيد MGU-H من الطاقة المرتبطة بتدفق العادم عبر الشاحن التوربيني. وقد تتحول هذه الكهرباء إلى مساندة للقوة في وقت مناسب. والغاية هي الحصول على عمل مفيد أكبر من الطاقة التي تصل إلى وحدة الدفع.

لكن الكفاءة لا تختزل في مقدار الكهرباء المستعادة. فمحرك الاحتراق والشاحن التوربيني والبطارية والآلات الكهربائية والتبريد وإلكترونيات القدرة تعمل معاً. ويؤثر أداء أحد المكونات في نطاق تشغيل المكونات الأخرى. لذلك تحتاج وحدة الدفع إلى موازنة توليد الطاقة وتخزينها واستخدامها في الوقت المناسب، ومن المفيد النظر إلى النظام بأكمله.

دور القواعد والأجيال التقنية

قد تتغير لوائح وحدات الدفع في الفورمولا 1 من فترة إلى أخرى. ويحدد الإطار التقني الاستخدام المسموح به لوحدتي MGU-K وMGU-H وحدود القوة وتصميم النظام. لذلك لا يصح تعميم نظام موسم واحد على تاريخ الفورمولا 1 كله. وللحصول على حد تقني دقيق أو تفصيل تنظيمي لموسم حالي، ينبغي الرجوع إلى وثائق الاتحاد الدولي للسيارات FIA الرسمية الخاصة بتلك الفترة.

هذا المقال دليل عام إلى الوظائف الفيزيائية لوحدات المحرك والمولد. وبدلاً من ذكر توزيعات دقيقة للقوة أو حدود للطاقة أو تطبيقات فريق بعينه في سنة محددة، يوفر التمييز بين صلة MGU-K بالطاقة الحركية وصلة MGU-H بالشاحن التوربيني والعادم نقطة بداية أوثق.

ما الذي تلاحظه أثناء مشاهدة السباق؟

• قد يتزامن إبطاء السيارة عند منطقة الكبح مع توليد MGU-K للكهرباء.
• قد تعكس المساندة الكهربائية أثناء التسارع استخدام الطاقة المخزنة في البطارية.
• لفهم دور MGU-H، تتبع الصلة بين الشاحن التوربيني وتوربين العادم.
• لا تنسب تسارع السيارة إلى قدرة المحرك وحدها؛ فالمساندة الكهربائية والتروس والتماسك تؤثر أيضاً.
• عند البحث عن موسم أو قاعدة تقنية بعينها، استند إلى وثائق FIA المؤرخة لتلك الفترة.

خلاصة وخطوة تالية

في استعادة الطاقة بالفورمولا 1، تولد MGU-K الكهرباء من حركة السيارة عندما تتباطأ، ويمكنها تقديم مساندة للعزم عند ملاءمة الظروف. أما MGU-H فتستطيع استخلاص الطاقة من توربين الشاحن التوربيني الذي يديره تدفق العادم، وتسهم في إدارة استجابته. وتنسق البطارية وإلكترونيات القدرة تخزين الكهرباء واستخدامها. في سباقك المقبل، تابع مناطق الكبح ومراحل التسارع وموقع الشاحن التوربيني ضمن وحدة الدفع؛ فمشاهدة العناصر الثلاثة معاً تجعل فهم النظام الهجين أسهل.