F1-Motoren: 1.000 PS aus 1,6 Litern

Die aktuellen Formel-1-Antriebe erzeugen aus nur 1,6 Litern Hubraum beeindruckende 1.000 PS. Engineering Explained hat nun ein Video veröffentlicht, das die technischen Details hinter dieser Leistung aufschlüsselt.

Zunächst einmal ist zu beachten, dass es sich bei Formel-1-Autos nicht einfach um 'Motoren', sondern um 'Antriebseinheiten' handelt. Der 1,6-Liter-Turbo-V6 ist lediglich ein Teil eines hybriden Antriebsstrangs. Seit 2014 schreibt die Formel 1 vor, dass jede Antriebseinheit aus dem kompakten 90-Grad-V6 und zwei Motor-Generator-Einheiten besteht: dem MGU-K (Motor Generator Unit-Kinetic) und dem MGU-H (Motor Generator Unit-Heat).

Beide Motor-Generator-Einheiten ernten Energie, dies jedoch auf unterschiedliche Weise. Der MGU-H wird durch überschüssige Abgasströme des Turbos angetrieben, die normalerweise durch ein Wastegate abgelassen werden würden. Diese Methode ermöglicht es, Energie zu speichern – sei es in einem Akku, um den Turbo beim Abbremsen anzutreiben, oder um direkt zum MGU-K gesendet zu werden. Der MGU-K, der an der Kurbelwelle befestigt ist, kann bis zu 160 PS liefern, um das Auto zu beschleunigen oder regeneratives Bremsen zur Rückgewinnung von Energie zu nutzen.

Im Jahr 2023, während des Bahrain Grand Prix, wurde deutlich, dass der MGU-K zwar 160 PS zur Verfügung stellen kann, dies jedoch nur in kurzen Schüben, wenn der Akku vollständig geladen ist. Der Verbrennungsmotor übernimmt immer noch den Großteil der Arbeit und muss dabei mit einer begrenzten Kraftstoffmenge auskommen, da in der Formel 1 keine Nachbetankung während der Rennen erlaubt ist. Der Kraftstoff wird aus dem Tank mit einer von den Regeln vorgegebenen Flussrate gepumpt, die maximal 100 kg/h beträgt. Deshalb erreicht die Leistung der Motoren zwar bis zu 15.000 U/min, doch die tatsächliche Spitzenleistung liegt bei 10.500 U/min, da die Motoren bei dieser Drehzahl die maximale Kraftstoffrate erreichen.

Teams behaupten, dass der in der Formel 1 verwendete Kraftstoff ähnlich ist wie Benzin an der Tankstelle, sodass sie sich hier keinen Vorteil verschaffen. Dennoch sind F1-Motoren bekannt dafür, wesentlich effizienter zu arbeiten als herkömmliche Straßenmotoren. Mercedes-AMG hat beispielsweise angegeben, dass ihre Motoren über 50% thermische Effizienz erreichen, was bedeutet, dass mindestens die Hälfte der potenziellen Energie im verbrennenden Kraftstoff effektiv zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt wird. Dies ist der Schlüssel zu diesen enormen Leistungszahlen.

Im Vergleich dazu haben die meisten Straßenmotoren Schwierigkeiten, eine thermische Effizienz von 35% zu erreichen. Daher müssen F1-Ingenieure eine Vielzahl von Techniken anwenden, um die Leistung zu maximieren. Eine davon ist die Vorkammerzündung – die Verwendung einer kleineren Brennkammer oberhalb der Hauptkammer, was eine magerere Luft-Kraftstoff-Mischung ermöglicht, die ideal für die Kraftstoffflussgrenzen in der F1 ist. Diese Technologie ist nicht rennspezifisch; sie war auch eines der Merkmale, die den ursprünglichen Honda Civic CVCC-Motor so kraftstoffeffizient machten und wird derzeit auch im Maserati 3,0-Liter-V6 mit Zwillings-Turbo verwendet.

Ein weiterer Effizienzschub ergibt sich aus einer Regel, die Kompressionsverhältnisse von bis zu 18:1 erlaubt. Dies ist viel höher als bei Straßenmotoren, und obwohl es unklar ist, ob die Teams tatsächlich dieses Limit erreichen, lässt es Spielraum für Effizienzgewinne. Höhere Kompressionsverhältnisse sind effizienter, und selbst wenn sie nicht das volle 18:1-Verhältnis nutzen, arbeiten F1-Autos wahrscheinlich mit höheren Kompressionsverhältnissen als normale Autos und profitieren davon.

Der letzte Faktor ist der Turbodruck. In Straßenfahrzeugen helfen hohe Drucklevels kleinen Motoren, viel Leistung zu erzeugen. In der F1 ist es jedoch nicht ganz so einfach. F1-Motoren könnten mehr oder weniger Druck erzeugen als einige Straßenfahrzeuge, abhängig vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis, und dies könnte auch je nach Strecke variieren, beispielsweise bei höheren Höhenlagen wie in Mexiko-Stadt.

Letztendlich ist es die Effizienz des Gesamtsystems, die es den Formel-1-Antriebseinheiten ermöglicht, aus so wenig Hubraum so viel Leistung zu schöpfen. Wie im Video erwähnt, geschieht dies auch ohne einige Funktionen, die bei Straßenfahrzeugen üblich sind, wie variable Ventilsteuerung. Das macht die modernen F1-Antriebseinheiten zu wahren technischen Meisterwerken.

Für eine tiefere Einsicht in die Funktionsweise der F1-Motoren, schauen Sie sich das Video oben an.